焙燒及成型工藝對焙燒塊裂紋影響因素研究與應用*

陳 祥，馬華遠，田素蘭

（云南源鑫炭素有限公司，云南 建水 654300）

某公司炭素廠成型一期生產線采用Hasler配料秤、K?llemann四軸預熱螺旋、B&P臥式混捏機、EIRICH強力冷卻機的連續(xù)配料混捏生產線，配套Outotec三工位滑臺式振動成型機。長期以來由于回轉窯煅燒石油焦燒損大，煅后焦振實容重偏低，導致成型工序瀝青配比高。為攻克這一難題，二期煅燒生產線選擇了罐式爐生產工藝流程。

2020年2月份罐式爐正式投產，成型工序的煅后焦物料也從原來的單一的回轉窯煅后焦變?yōu)楣奘綘t、回轉窯兩種煅燒工藝的混合煅后焦。2020年6月份開始成型一期生產的一期生塊焙燒后出現大面裂紋廢塊。本文針對這一問題分析查找成型一期生塊焙燒后產生大面裂紋的原因。

1 裂紋的類型

1）凸臺裂紋，凸臺邊緣與平面交接處產生裂紋[1]；

2）側面裂紋，出現在四個側面的裂紋，為平行于底平面單條連續(xù)性裂紋和多條層狀裂紋；

3）不規(guī)則裂紋，斜面與面積較小的側面的交界處細小裂紋。

2 裂紋產生原因分析

2.1 焙燒工藝的影響

1）預熱階段過慢。制品表層瀝青氧化結殼收縮，由于表層下面的糊料還是軟化狀態(tài)，這種表層收縮裂紋表現為不規(guī)則網狀龜裂，深度較淺，如果后面的升溫曲線正常，產品內部仍然可以有好的結構。預熱階段升溫過慢，有的時候雖然沒有裂紋，但是表面密度會變低，顏色上也有所區(qū)別。這個階段還有一些成型工藝特殊的制品因內應力存留比較大，預熱溫度不均勻也可能因應力釋放引起開裂，大部分是垂直于產品受力面開裂[2]；

2）輕質餾分揮發(fā)和瀝青熱聚合初期階段升溫過快。表層揮發(fā)過快開始收縮結硬殼，里層還在融化膨脹，將表層脹裂；表層過快結殼焦化，對內部大量揮發(fā)分溢出造成較大阻力，將制品表層撐裂，有時這種裂紋還會進一步發(fā)展成內裂；表層結硬殼后隨著繼續(xù)升溫硬殼失去向內收縮彈性，里層在隨后的的收縮過程中和表層硬殼分離，形成內裂；

3）熱聚合階段升溫過快。熱聚合初期和輕質餾分揮發(fā)階段不是截然分開的，當輕質餾分揮發(fā)開始后，熱聚合也隨溫度升高逐漸展開，產品的表象就是從軟化逐漸硬化，體積收縮由快變慢，逐漸失去彈性，強度逐漸增加。此時的開裂問題就是制品由表至里的溫差造成了收縮不一致，收縮不一致產生應力，應力大于制品本身強度時制品就會“崩開”，這種開裂一般都會比較深，往往會沿著制品本身存在的缺陷或應力點開裂，裂紋比較長比較明顯。由于熱聚合初期制品收縮還是比較快的，問題也往往出現在這個階段；熱聚合后期由于粘接焦形態(tài)趨于穩(wěn)定，制品強度逐漸提高，往往不容易出現問題；

4）冷卻階段降溫過快，出爐溫度過高。冷卻往往遭到忽視，一些制品熱膨脹系數高，冷卻速度過快也是開裂的原因之一。這種裂紋往往表現為炸裂。出爐溫度過高，尤其在冬季炸裂現象很容易發(fā)生。

2.2 成型工藝的影響

1）振動成型機影響。振動成型機主要由偏心軸轉動產生激振力而產生振動，由于振動臺不同軸激起的頻率不同步，甚至是相反，使振動臺的某些部位形成振幅極小，甚至是零振幅，致使該處的糊料沒有被振實焙燒后產生碗間裂紋。另外，由于目前振動成型機采用預加壓氣囊，壓力可自由調整，當重錘預加壓氣囊壓力過大時，生塊易產生較大內應力，焙燒過程應力釋放造成裂紋[3]；

2）布料器布料效果的影響。當糊料布料比較均勻時，在振動成型時，重錘對糊料施加的力會相對均勻，成型效果較好，當布料器的布料效果差時，會導致進入成型機模具內的糊料分布的水平性較差，在加壓振動過程中，炭塊各個點應力不均，在焙燒過程中由于應力偏差，應力相對較大的位置拉裂[4]；

3）粉料配比的影響。對側面裂紋產生主要影響的是75 μm粉料用量和瀝青用量。當粉料較細，配方中75 μm料較多時，糊料比表面積增大，顆粒間的摩擦面增大，成型時生坯中儲存的內應力相應加大，這種情況焙燒過程易出現裂紋[5]；

4）煅后焦搭配比例的影響。由于兩種煅燒工藝的差別較大，生產的煅后焦指標上存在明顯的差異[6]，具體兩種煅燒工藝煅燒的煅后焦指標如表1、表2。具體差異有以下幾點：①瀝青浸潤性罐式煅后焦較回轉窯煅后焦高0.18；②顆粒穩(wěn)定性罐式爐煅后焦較回轉窯煅后焦高19%；③振實容重罐式爐煅后焦較回轉窯煅后焦高0.09；④回轉窯煅后采用噴水直冷方式冷卻、罐式爐煅后焦采用水夾套間接冷卻，回轉窯煅后焦水分含量高于罐式爐煅后焦0.08%左右。

表1 回轉窯煅后焦指標分析Tab.1 Indicators analysis on calcined coke of rotary kiln

表2 罐式爐煅后焦指標分析Tab.2 Indicators analysis on calcined coke of pot furnace

回轉窯煅后焦、罐式爐煅后焦指標差異性較大，因此兩種煅后焦在搭配使用過程中可能會引起內部缺陷，造成生塊焙燒過程中燒裂。

為摸索回轉窯、罐式爐兩種不同煅燒工藝生產的煅后焦混合使用對焙燒塊裂紋的影響開展試驗。成型一期煅后焦搭配試驗數據分析。試驗數據如表3。

表3 煅后焦搭配生產試驗Tab.3 Match production test of calcined coke

成型一期回轉窯煅后焦與罐式爐煅后焦的搭配，罐式爐搭配比例超過40%，焙燒塊裂紋比例增加。在焙燒工藝不變的前提下，罐式爐煅后焦比例越高出現大面裂紋的幾率就越高。

生塊體積密度超過1.630 g/cm3，在焙燒工藝條件不變的前提下，體積密度越高出現裂紋的占比就越高。煅后焦振實容重過低，通過增加瀝青配比來提升生塊的體積密度，是產生大面裂紋的主要原因。

全罐式爐煅后焦試驗生產對比同期80%回轉窯煅后焦、20%罐式爐煅后焦配比生產，瀝青上升1.5%。對該批批罐式爐煅后焦進行取樣分析發(fā)現，該批罐式爐煅后焦粉料偏多，判斷為該批煅后焦存在過燒的情況。

排除焙燒首層廢塊多的現象，單獨分析成型工序生塊生產后焙燒出現大面裂紋的原因有：罐式爐煅后焦過燒、回轉窯煅后焦料潮、煅后焦振實容重低，采用加瀝青的方式提升生塊體積密度，煅后焦中罐式爐煅后焦配比超過40%。

一期炭塊生產中出現大面裂紋廢塊多的月份統計如表4。對應的原料煅后焦搭配比例及生產工藝控制參數統計如表5。

表4 2021年4月份焙燒塊外觀合格率情況Tab.4 Appearance qualified rate of roasting block in April of 2021

表5 2021年3月份煅后焦物料搭配及控制指標Tab.5 Matching and control indicators of calcined coke material in March of 2021

如表5所示，物料搭配情況為30%回轉窯煅后焦、70%罐式爐煅后焦時，對應的一期生塊焙燒炭塊裂紋率為14.75%。

通過對4月份的一期使用的煅后焦振實容重進行分析，振實容重平均值為：1#回轉窯煅后焦倉0.81 g/cm3、2#回轉窯煅后焦倉0.80 g/cm3、3#罐式爐煅后焦倉0.85 g/cm3。

實際生產中3月份一期生塊體積密度按照1.650 g/cm3控制。通過對生塊取樣，檢測結果為生塊實際體積密度高于機顯體積密度0.02 g/cm3。因此初步分析得出，一期生塊生產，罐式爐煅后焦配比不能超過40%，當前煅后焦物料質量條件下實際生塊體積密度不能超1.650 g/cm3。進一步跟蹤2021年4月份生塊焙燒后裂紋廢塊情況，統計如表6。

表6 2021年5月份焙燒塊外觀合格率情況Tab.6 Appearance qualified rate of roasting block in May of 2021

對應的原料煅后焦搭配比例及生產工藝控制參數統計如表7。

表7 2021年4月份物料搭配及控制指標Tab.7 Matching and control indicators of calcined coke material in April of 2021

4月份生產的一期生塊炭塊物料搭配情況統計為：4月4日～4月6日80%回轉窯煅后焦、20%罐式爐煅后焦搭配，4月7日60%回轉窯煅后焦、40%罐式爐煅后焦搭配，4月3日、4月8日70%回轉窯煅后焦、30%罐式爐煅后焦搭配，4月25日～4月30日60%回轉窯煅后焦、40%罐式爐煅后焦生產，對應焙燒5月份生產的一期一期生塊炭塊裂紋率為10.78%。

通過對4月份1#回轉窯煅后焦平均振實容重0.77 g/cm3，其中>0.80 g/cm3占比為0%；2#倉回轉窯振實容重0.78 g/cm3，其中>0.80 g/cm3占比僅為18.1%。實際生產中，4月份生塊體積密度按照1.650 g/cm3的中值進行控制，瀝青配比19.2%，對比其他月份偏高。通過統計分析得出4月份生塊出現裂紋的原因有：煅后焦振實容重低，為滿足生塊體積密度，用加大瀝青配比來彌補煅后焦振實容重低的不足。當煅后焦振實容重低的時候，應該降低生塊體積密度。

3 解決措施及效果評價

在煅燒及焙燒工藝不變的前提下，為保證一期生塊炭塊焙燒后不出大面裂紋，成型工序應控制的關鍵點：①回轉窯煅后焦與罐式爐煅后焦的冷卻方式決定了煅后焦的水分含量，回轉窯煅后焦采用噴水直接冷卻，罐式爐煅后焦采用水套間接冷卻，控制好回轉窯煅后焦的料潮問題，出現料潮停止使用；②回轉窯煅后焦振實容重低于罐式爐煅后焦，兩種煅后焦振實容重偏差不能過大，回轉窯煅后焦振實容重不低于0.8 g/cm3、罐式爐煅后焦振實密度不低于0.83 g/cm3；③根據試驗數據證明該生產線在焙燒與煅燒工藝不變的情況下，罐式爐煅后焦搭配比例不超過40%；④當前煅后焦質量狀況下及成型、焙燒工藝不變的情況下生塊體積密度不超1.640 g/cm3控制。

通過多次的試驗總結，確定了成型一期煅后焦搭配回轉窯煅后焦70%、罐式爐煅后焦30%。同時對成型機的生產工藝進行重新規(guī)范：生塊體積密度穩(wěn)定在（1.625～1.635） g/cm3，瀝青配比不超19%，振動時間（45～55） s，氣囊壓力 （3.5～4.0） bar，驅動電機轉速 （1 400～1 450） r/min，偏心塊角度110°。成型一期規(guī)范煅后焦搭配比例和穩(wěn)定生產工藝后，焙燒裂紋塊已經消除。具體統計如表8、表9所示。

表8 2021年7月份物料搭配及控制指標Tab.8 Matching and control indicators of calcined coke material in July of 2021

表9 2021年8月份焙燒塊外觀合格率情況Tab.9 Appearance qualified rate of roasting block in August of 2021

4 結語

當炭素生產線選用回轉窯煅后焦、罐式爐煅后焦搭配使用的工藝路線時，在煅燒、焙燒工藝不變的條件下，為避免焙燒塊裂紋的產生，應遵循以下4點：

1）要穩(wěn)定控制煅后焦大搭配比例，回轉窯煅后焦的配比不低于60%；

2）在滿足炭塊理化指標的前提下，生塊的體積密度控制在 （1.625～1.635） g/cm3；

3）鋁用陽極炭素生產中，應高度關注煅后焦振實容重的指標。煅后焦振實容重不低于0.80 g/cm3；

4）由于回轉窯煅后焦冷卻方式的特殊性，煅燒需控制好噴水量，避免料潮，當不能完全杜絕時，應靜置擺放排出水分，方能使用。煅后焦水分含量不宜高于0.05%。