淺析影響預(yù)焙陽極質(zhì)量的因素

摘要：在鋁電解碳陽極生產(chǎn)過程中,影響預(yù)焙陽極質(zhì)量的有多種因素。文章通過理論和生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合,分析了影響陽極質(zhì)量的主要因素，提出了通過加強(qiáng)原料質(zhì)量、用量控制、混捏溫度對陽極炭塊質(zhì)量的重要性、優(yōu)化生產(chǎn)配方及工藝，合理焙燒、從而生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)陽極。

關(guān)鍵詞：預(yù)焙陽極；陽極消耗；微量元素；石油焦；殘極；混捏

中圖分類號：TF803文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）03-0089-03

預(yù)焙陽極是鋁電解槽主體部件，是鋁電解生產(chǎn)中的重要原料之一。預(yù)焙陽極生產(chǎn)是由石油焦、瀝青焦為骨料，主要由煤瀝青為黏結(jié)劑制造而成。生產(chǎn)出來的炭塊經(jīng)過焙燒，稱為預(yù)焙陽極炭塊，同時又稱為鋁電解用炭陽極。近年來，隨著鋁電解技術(shù)日益成熟，生產(chǎn)工藝大幅改良，各企業(yè)向著高效和節(jié)能降耗方向發(fā)展，預(yù)焙陽極的生產(chǎn)在鋁電解生產(chǎn)中起到更重要的地位。

預(yù)焙陽極作為鋁電解生產(chǎn)的陽極材料，在鋁電解生產(chǎn)中起到參與電化學(xué)反應(yīng)和電解導(dǎo)電的重要作用。預(yù)焙陽極質(zhì)量性能的好壞直接影響著鋁電解槽工作狀況的保持及原鋁質(zhì)量的提高，預(yù)焙陽極的額外消耗(過剩消耗)，不僅會增加鋁電解生產(chǎn)成本，而且會影響電解槽的正常工作參數(shù)，并且電解過程容易形成過量碳渣，進(jìn)而嚴(yán)重影響原鋁生產(chǎn)，給電解鋁生產(chǎn)操作帶來較大困難。本文根據(jù)多年的實(shí)踐研究，對影響陽極質(zhì)量的因素進(jìn)行幾個方面分析。

一、預(yù)焙陽極生產(chǎn)原料的微量元素

預(yù)焙陽極生產(chǎn)采用煅燒石油焦、瀝青和返回料（電解鋁廠返回的電解殘極、焙燒碎料、生碎料）為原料。預(yù)焙陽極生產(chǎn)大體分為三個過程：原料石油焦的預(yù)處理(煅燒)，原料經(jīng)破碎、篩分、配料，生產(chǎn)出生陽極，再經(jīng)焙燒得到預(yù)焙陽極產(chǎn)品。

（一）原材料中的微量元素

預(yù)焙陽極中微元素的來源。微量元素主要來源于生產(chǎn)預(yù)焙陽極的主要原料石油焦、瀝青等所含的灰份．此外還有生產(chǎn)工藝中返回料時進(jìn)入陽極的灰份以及在生產(chǎn)陽極過程中進(jìn)入陽極中的灰份。在這些灰份中所含的微量元素主要包括了鐵、硅、堿金屬、堿土金屬、釩、鉻、鈦和錳等。

（二）微量元素對預(yù)焙陽極危害

降低鋁成品純度、機(jī)械性能、導(dǎo)電性能。這類危害微量元素有Si、V、Ti、Fe、Mn等。影響炭素制品的質(zhì)量，使其物理性能下降，這類危害微量元素多為非金屬元素，如S、P等雜質(zhì)含量高的陽極在焙燒過程中脆性增加，陽極發(fā)生裂紋。

此外，Na、V、Ni等元素雖然對電解質(zhì)、鋁的質(zhì)量無大危害，但它影響炭陽極的反應(yīng)性能，在二氧化碳、空氣及電化學(xué)反應(yīng)中，對陽極起催化作用，使陽極選擇性氧化加劇，造成陽極易掉渣、掉塊。這不僅增加了碳耗量，而且大量碳渣掉入電解槽影響了生產(chǎn)操作并且降低了電流效率。

在我國現(xiàn)階段，預(yù)焙陽極中的雜質(zhì)元素是以灰分的形式進(jìn)行整體衡量，因而沒有對預(yù)焙陽極中所含每種元素的具體含量進(jìn)行檢測，所以對于微量元素及其含量的多少，究竟會對預(yù)焙陽極哪項(xiàng)性能指標(biāo)產(chǎn)生影響，難以準(zhǔn)確確定。國外先進(jìn)鋁生產(chǎn)國家結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，根據(jù)不同雜質(zhì)元素對預(yù)焙陽極的影響，對每一種元素的含量都有嚴(yán)格的具體規(guī)定。現(xiàn)階段研究表明微量元素中鐵、鈣、鈉、釩等元素雜質(zhì)的含量對預(yù)焙陽極的氧化反應(yīng)性影響較大。硫含量每增加1％，陽極的凈耗則增大2～3，其他一些雜質(zhì)元素雖然含量不高，確影響生產(chǎn)中細(xì)小變化，能引起預(yù)焙陽極反應(yīng)性的較大波動，給電解生產(chǎn)和成本控制造成嚴(yán)重影響。

二、石油焦及殘極的強(qiáng)度

預(yù)焙陽極生產(chǎn)一般有65%的石油煅后焦、20%殘極及15%煤瀝青，這些原料的成本大約占預(yù)焙陽極總成本的50%，因而使用質(zhì)優(yōu)價廉的原料能夠降低陽極的生產(chǎn)成本。研究表明調(diào)整原料生產(chǎn)參數(shù)、原料特性之間的關(guān)系，直接影響在電解過程中陽極質(zhì)量和性能。相關(guān)資料表明，石油焦的特性如：反應(yīng)性、體積密度、氣孔率、強(qiáng)度、純度、組織結(jié)構(gòu)、特殊表面等影響陽極的特性和性能，煅燒過程對石油焦質(zhì)量也有重要的影響。生產(chǎn)中殘極的數(shù)量、殘極的硬度和清潔度直接影響預(yù)焙陽極的物理性能，例如機(jī)械強(qiáng)度、羥基反應(yīng)性、空氣滲透率。

三、二氧化碳反應(yīng)性及空氣反應(yīng)性

在預(yù)焙陽極質(zhì)量因素中，空氣滲透率對陽極的影響最大。其CO2反應(yīng)殘留與Na的催化作用和焙燒最終溫度有直接關(guān)聯(lián)；空氣反應(yīng)殘留主要與原料性能、殘極著火溫度和最終焙燒溫度有直接關(guān)系，但都與空氣滲透率有重要聯(lián)系，因此，空氣滲透率是預(yù)焙陽極質(zhì)量中的重要指標(biāo)，也是衡量一個碳素生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)水平的重要指標(biāo)。

預(yù)焙陽極在電解槽上的運(yùn)行時間一般為22～28天，有的優(yōu)質(zhì)陽極甚至延長至30天以上。空氣滲透性對預(yù)焙陽極的CO2反應(yīng)性影響較大，國外對預(yù)焙陽極的空氣滲透性有著嚴(yán)格的要求，優(yōu)質(zhì)預(yù)焙陽極的空氣滲透性一般0.5～2，直徑大于5Oμm的開口氣孔具有很大的表面積和氣體擴(kuò)散性，這樣的氣孔決定了陽極的透氣率。空氣滲透性的大小影響著CO2氣體滲入到預(yù)焙陽極內(nèi)部與預(yù)焙陽極的接觸面的多少，從而造成預(yù)焙陽極反應(yīng)性降低。通過大量的試驗(yàn)研究表明，空氣滲透性與預(yù)焙陽極的CO2反應(yīng)性的殘留率一般呈反比。

四、混捏溫度對陽極炭塊質(zhì)量的重要性

混捏工序國內(nèi)一些企業(yè)引進(jìn)時采用兩段混捏技術(shù)，在使用粘結(jié)劑時通常采用固體改質(zhì)瀝青配入一段混捏機(jī)，混捏的時間通常在5～7分鐘，混捏溫度大多為160℃～170℃，而后通過冷卻設(shè)備，糊溫降低到145℃左右，然后進(jìn)入到成型機(jī)。90年代中期，混涅工序采用一段混捏加強(qiáng)力冷卻，粘結(jié)劑改進(jìn)為液體瀝青，工藝上可以將混捏溫度提高到180℃～190℃，通過強(qiáng)力冷卻機(jī)大約40℃的冷卻能力，將糊料冷卻到140℃～150℃的水平，通過改進(jìn)，改善了糊料的混捏質(zhì)量，陽極理化指標(biāo)得以提高。

混捏溫度對于混捏工藝過程來說是一個比較重要的因素，只有把溫度控制在一定溫度范圍內(nèi)，才能獲得最隹質(zhì)量產(chǎn)品。若溫度較高而未達(dá)到高溫，所混糊料密實(shí)度較低、塑性較差。糊料壓制出來的毛坯體積密度比較低，焙燒后孔度大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均、機(jī)械性能差。混捏的溫度過高，會導(dǎo)致瀝青受熱開始變化，使得部分輕質(zhì)組分逐漸分解和揮發(fā)，導(dǎo)致發(fā)生縮聚反應(yīng)。因而生產(chǎn)中生坯的塑性降低，生坯的成品率低。通過研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)母闪蠝囟冗€有利于瀝青對焦炭的浸潤。浸潤作用的強(qiáng)弱影響受到焦炭及液體瀝青界面的潤濕角來決定。溫度越高潤濕角越小，浸潤效果

越好。

五、焙燒溫度對陽極炭塊

焙燒工藝是陽極炭塊生產(chǎn)中的重要工序，生坯炭塊在專門設(shè)計(jì)的加熱爐內(nèi)周圍用填充料隔絕空氣，按照一定升溫速度將生坯加熱到1000℃～1050℃左右的生產(chǎn)工序。在陽極炭塊生產(chǎn)焙燒過程中生坯炭塊主要是進(jìn)行粘結(jié)劑的分解和聚合反應(yīng)。因而焙燒的升溫速度、溫度梯度、最高溫度對陽極 質(zhì)量都有很大

影響。

在生產(chǎn)過程中焙燒溫度達(dá)到1100℃時，粘結(jié)焦的焙燒程度接近骨料煅燒的程度，使陽極二氧化碳反應(yīng)消耗率迅速降低，而這一指標(biāo)的降低對減少陽極在電解過程中掉渣、氧化，保證正常的電解生產(chǎn)技術(shù)條件，降低陽極消耗有非常重要的意義；當(dāng)溫度提高到1200℃時，高溫使粘結(jié)焦進(jìn)一步收縮，導(dǎo)致燒損量增多，陽極強(qiáng)度下降，同時導(dǎo)電性也有所下降，顯然過高的溫度對生產(chǎn)沒有任何的幫助；當(dāng)溫度提高到1200℃以上時，火道的溫度將會達(dá)到1250℃～1300℃以上，這樣高的焙燒溫度并不能太多地改善陽極理化性能，只能加速焙燒爐火道墻的破損，縮短爐體使用壽命，同時也大大增加了能源的消耗。在焙燒過程中，由于生產(chǎn)工藝的差異，火道的破損、變形、負(fù)壓的影響，會導(dǎo)致焙燒實(shí)際生溫曲線偏離設(shè)計(jì)曲線，使得保溫時間和冷卻時間不夠，產(chǎn)生溫差并對陽極炭塊的質(zhì)量有較大的影響。

六、結(jié)論

1．空氣滲透率是預(yù)焙陽極質(zhì)量中的重要指標(biāo)，也是衡量一個碳素生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)水平的重要指標(biāo)。應(yīng)盡快將空氣滲透率和微量元素含量標(biāo)準(zhǔn)納入我國陽極生產(chǎn)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以便和國際市場接軌，發(fā)展我國的鋁工業(yè)。

2．預(yù)焙陽極中微量元素對陽極的使用性能有較大的影響，控制微量元素是提高陽極質(zhì)量的重要

部分。

3．通過加強(qiáng)原料質(zhì)量、用量控制，焙燒溫度的控制，優(yōu)化生產(chǎn)配方及工藝，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)預(yù)焙陽極技術(shù)是與國際要求接軌的大勢所趨。

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基金項(xiàng)目：貴州省國際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合外G字[2010]7021號）；貴州省科技計(jì)劃（黔科合GY字（2011）3028），貴州省科學(xué)技術(shù)基金（黔科合J字LKS[2010]15號）。

作者簡介：楊波（1987-），男，新疆人，貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院碩士研究生，研究方向：有色金屬冶金。

（責(zé)任編輯：劉晶）