低成本電解鋁用預焙陽極研究

朱 波，侯振環(huán)

（1.山東舜天炭素科技研發(fā)有限公司，山東 濟南 250403；2.濟南萬瑞炭素有限責任公司，山東 濟南 250403）

在地殼里，鋁是所有化學元素的第三部分中最重要的內(nèi)容。金屬鋁顯示了非常強大的物理化學性質(zhì)，現(xiàn)階段，鋁和鋁合金已經(jīng)在我國各個領(lǐng)域之中得到應(yīng)用，隨著研究的不斷深入，電解鋁產(chǎn)量大幅度提升，而且在自焙槽之中得到了有效改造，預焙陽極是鋁電解槽中的“心臟”，通過該結(jié)構(gòu)作用，電解鋁的質(zhì)量和產(chǎn)量均能得到提升。

1 鋁電解對預焙陽極的具體要求

1.1 對碳陽極的要求

第一，在整個實驗或者應(yīng)用過程中，陽極有更好的物理化學性質(zhì)，減少空氣和二氧化碳的活動，從而達到降低碳耗、延長陽極壽命等效果。第二，在電化學反應(yīng)過程中，對陽極反應(yīng)的反常的電化學性質(zhì)的要求，在整個過程中減少了電力的消耗。第三，在電解過程中，異常雜質(zhì)含量的含量極小，從而影響了產(chǎn)品質(zhì)量的影響。第四，除了質(zhì)量和不穩(wěn)定的質(zhì)量，還必須提供電解質(zhì)來減少陽極效應(yīng)。

1.2 預焙陽極質(zhì)量的主要性能指標

第一，孔隙度。多孔是主要是一般的孔、孔隙和封閉孔。在電解過程中，相關(guān)氣體會從開口氣孔輸入到裝置之中，在此種情況之下，氣體和燃料的反應(yīng)會滲透到陽極的外部邊界。為了得到一個質(zhì)量的陽極，必須確保它得到多孔結(jié)構(gòu)，避免開口氣孔和內(nèi)部缺陷的出現(xiàn)。第二，體積密度，體積密度是總孔度計算過程中必須知道的數(shù)據(jù)量，但在特殊情況下，也會利用特殊方式對陽極炭塊中的密度進行表示。第三，真密度。該項數(shù)據(jù)與原料種類和陽極熱處理條件息息相關(guān)。站在實際角度來說，工業(yè)陽極真密度的波動范圍范圍并不大，在2.04到2.10g/cm3。第四，電導率，電導率也被稱之為電阻率，屬于一項重要特性。在提高電導率的同時，可以降低陽極的電壓降，從而進一步提升電解槽的電流強度，這樣一來，電解槽的生產(chǎn)能力也能得到進一步提升。

1.3 預焙陽極原料——石油焦

在我們的國家，鋁的異常電流是0.72 A/cm，大約是0.72，僅此一項，便可以讓整個電解槽產(chǎn)率量降低10到15%，這對于同等規(guī)模的鋁廠，可以帶來巨大的能量損失和原料損失。

我國很多煉油廠所生產(chǎn)的石油焦細粉含量較大，在質(zhì)量上也存在很大程度的波動，難以對陽極質(zhì)量提出足夠的保證，再加上在后續(xù)陽極使用之中總會出現(xiàn)氧化掉渣、裂紋掉塊等問題，造成鋁電解槽電流效率的下降，提升電能的損耗量，為相關(guān)企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失[1]。

2 低成本電解鋁用預焙陽極的方法

2.1 灰分對預焙陽極性能的影響

在鋁的發(fā)展過程中，對陽極的需求越來越高，特別是在原料方面，需要嚴格控制微量元素的例子。此外，在石油空手道，主要是原料原料，不可避免的雜質(zhì)。在這些元素中，電解能影響鋁的質(zhì)量，不僅會導致電阻率的增加，還會進一步降低鋁機械強度。由于上述問題的出現(xiàn)，陽極在生產(chǎn)過程中的質(zhì)量無法得到保證，導致其物理性能下降。在石油焦之中，主要的雜質(zhì)內(nèi)容包括S、Fe、V、Na等氧化物。這些雜質(zhì)氧化物一旦被帶入到陽極之后，很難將其去除，更會影響電解槽中的陽極行為和鋁液質(zhì)量。Si、Fe等雜質(zhì)會對整個鋁液品味產(chǎn)生直接影響，V、Na等將會增加炭的消耗量，甚至還會對周圍環(huán)境產(chǎn)生嚴重影響。Na對炭陽極中的二氧化碳反應(yīng)性以及空氣反應(yīng)性具有較強的催化氧化作用，S可以抑制這種作用，但S的氧化物將會導致陽極熱脆性增加。

最終導致陽極脆裂情況的出現(xiàn)。如果雜質(zhì)的含量較高，整個產(chǎn)品的壽命、韌性等將會受到嚴重影響。只有將燃料灰分降低到鋁用炭素原料具體要求范圍之內(nèi)，最終完成對預焙陽極產(chǎn)品的有效制造。

2.2 石油焦代替原材料試驗的研究方案

利用石油焦替代原材料的試驗，需要完成燃料到陽極電解工藝中的一整套技術(shù)開發(fā)，作為炭素生產(chǎn)原料的無煙燃料，在制造過程中應(yīng)該滿足以下要求。

首先，灰分含量要低，而且在生產(chǎn)各種炭塊下的無煙燃料灰分應(yīng)該保持在8%以下，而且鋁電解預焙陽極原料中的灰分要求度很低不足1%。其次，需要對機械強度提供足夠保證，在經(jīng)過一定時期的貯存之后，也能對機械強度提供較高保障。再次是熱穩(wěn)定性要求較高，整體硫的含量也要保持相對較小的位置。另一種選擇是從重型媒體中選擇燃料炭。如果介質(zhì)密度大于1.00g/cm3，則工作人員可以利用顆粒密度差來選擇燃料。有機溶液和無機溶液都是重液體，它們是可以長期保存的穩(wěn)定介質(zhì)。從懸浮的角度來看，當固體顆粒和水的混合物是靜止的，粒子就會下沉，最終產(chǎn)生不穩(wěn)定的介質(zhì)。

2.3 廢橡膠和無煙燃料部分替代石油焦制備預焙陽極實驗

在中國，每年都有大量的廢棄輪胎。如果將這些材料加工成焦炭，一些石油焦炭可以用于生產(chǎn)陽極，可以將廢物轉(zhuǎn)化為財富，不會污染環(huán)境。在具體的廢橡膠實驗中，總揮發(fā)分含量達到60.40%，固定碳含量不高，達到6.7%。為了提高輪胎在制造過程中的耐磨性，可以在橡膠之中加入一定量的炭黑，并對其進行硫化處理，從而對橡膠之中的灰分產(chǎn)生影響。

2.4 無煙燃料降灰制備預焙陽極的實驗研究

為了對無煙燃料灰分之中的各種微量元素含量進行更加準確的分析和研究，相關(guān)研究人員需要做好無煙燃料樣品的研究工作。

例如，美國布魯克公司生產(chǎn)的AXS熒光光譜儀可以對該項工作提供較大的幫助作用。無煙燃料樣品之中的主要元素有硅、鐵、鈉等，而且含量較多，同時也是構(gòu)成無煙燃料灰分的主要物質(zhì)。

在具體實現(xiàn)過程中，本研究主要結(jié)合鋁廠、陽極廠的實際情況，將陽極生產(chǎn)配方調(diào)整為A、B、C粒級、球磨粉。除a粒級不添加無煙燃料外，其余兩個粒級分別添加相同粒徑煅燒無煙燃料的15%，對生產(chǎn)原料進行替代，最終產(chǎn)生了預焙陽極，而在石油焦煅之后的焦原料，可以從相關(guān)企業(yè)中的生產(chǎn)車間之中獲得。

3 結(jié)語

在低成本電解鋁預焙陽極制作過程中，主要以石油焦或者粉焦等原材料為主，從而對選擇好的粘結(jié)劑制備成型塊進行燃燒，為后續(xù)實驗創(chuàng)造有利條件。另外，以廢橡膠和無煙燃料作為替代品，將高溫煅燒之后所產(chǎn)生的預備陽極廉價物當做原材料進行應(yīng)用。最后，利用相關(guān)處理基礎(chǔ)，降低無煙燃料灰分的含量，實現(xiàn)預焙陽極的有效制備。