鋁用預焙陽極連續混捏成型系統工藝舉例分析

韓士成 何鵬

摘 要 隨著我國預焙槽電解鋁廠數量的迅速增長及設備性能和鋁生產工藝的不斷改善，對作為電解槽“心臟”的陽極提出了更高的質量要求。在生產鋁用陽極系統中，成型工序的質量控制具有工藝及設備雙重繁復性，成型工藝的穩定性直接影響連續混捏的質量、理化性能及生陽極塊的合格率。因此，本文以陜西有色榆林新材料陽極公司預焙陽極生產線為研究對象，就鋁用預焙陽極連續混捏成型工藝流程的實際應用做以分析，為今后新建廠或者改建廠提供選型依據。

關鍵詞 預焙陽極 合格率 成型工藝

中圖分類號：TQ12 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）01-0007-03

1 電解鋁用陽極材料選取

1.1 制備原料

1.石油焦：石油焦是石油提煉后的重質渣油，經過加熱分解聚合而成的固體碳質材料。通常呈現黑色或者暗灰色，該化合物中碳占比約90-97%，氫占比約1.5-8%，除此之外還包含著氮、氯、硫及其它重金屬化合物。

2.瀝青：由于瀝青中的碳具有較高的石墨化程度，因此在制造鋁用陽極時常常用作粘合劑。加以合適比例的瀝青，可以使產出的陽極具有熱膨脹度小、電容密度高、強度高、電阻低、使用壽命長、導電性好、功耗低、體積密度和機械強度增加等優點[1]。

1.2 陽極材料選取原則

電解鋁用陽極材料應具有在電解槽中使用消耗量較小、使用過程無有害氣體排放、性能穩定和質量較高等特點，以下是電解鋁用材料選取原則[2]：

1.材料應具有質量均勻、穩定的性質。

2.材料應不容易與電解質液體發生氧原子反應，且應具有較強的抗氟化物腐蝕的能力。

3.材料不應超過指標參數，陽極成分在冰晶石氧化過的溶液中的飽和溶解度小，最大程度地降低損耗。

4.材料能夠達到制造出大型陽極的目的，能夠進行機械加工，完成和導桿的連接。

1.3 陽極材料性能

1.耐高溫耐腐蝕：陽極材料最重要的特性是耐高溫腐蝕。電解鋁過程中陽極材料的腐蝕主要可分為兩種類型：一是陽極材料本身的溶解;二是熔鹽對基體的浸蝕，在高溫電解過程中，熔鹽沿著材料的晶界滲入陽極材料，腐蝕程度會隨著溫度升高而增加。

2.抗熱震性：電解鋁用陽極材料需要在高溫下制備和應用，所以要保證它可以放置在高溫熔鹽中，不會因環境溫度的急劇變化而產生裂紋或斷裂的現象。鋁陽極材料必須具有抗熱變化的能力，即抗熱震性[3]。

2 電解鋁用陽極材料的制備

2.1 電解鋁用陽極材料工序

隨著電解鋁行業的大規模發展和現代科學技術的逐步發展，鋁用陽極生產已經成為高度成熟、高度穩定的工藝體系。電解鋁用陽極材料制備工序主要包括煅燒工序、成型工序、焙燒工序和組裝工序。

煅燒工序是生產鋁用陽極的第一道工序，其主要任務是將高揮發分高電阻低強度的石油焦進行高溫處理，使其初步具備電解鋁用陽極低電阻高強度的要求。煅燒工序的質量過程控制可通過兩個方面進行：一是原料石油焦的控制，通過分倉存放、煅前混配、上料控制等方法，可使石油焦在進入回轉窯之前的質量初步達到要求;二是通過回轉窯的控制。但煅燒工序的質量過程控制仍受到石油焦原料的質量水平以及質量穩定性等因素限制，需開展細致的原料管理和工藝控制工作。

成型工序是將煅燒處理后的煅后焦與電解返回殘極、液體瀝青依照一定比例混合后，運用高壓成型的方法，生產具有固定形態的生陽極炭塊產品的過程。成型工序具有工藝及設備雙重繁復性，不僅僅需要在生產工藝上做好過程控制工作，還需要在設備運行穩定性上下功夫，減少設備因素造成的工藝質量不穩定。

焙燒工序在性質上與煅燒工序類似，都是進行高溫熱處理的過程。焙燒工序是使用填充料等保護介質對生陽極炭塊進行保護，是生陽極炭塊在隔絕空氣的條件下進行高溫處理的過程，其目的是將生陽極炭塊中的瀝青揮發分除去，使瀝青中的碳質焦化，使各級焦粒緊密結合，形成一個高強度、低電阻的整體。

組裝工序是使用融化鐵水，將鋁導桿組和預焙陽極炭塊組裝成一個陽極組整體，成為可以直接裝上電解槽的構件。組裝工序的質量過程控制要點有兩個：一是通過調配合理的磷鐵元素含量，使鑄造后的磷鐵環足夠的緊固，具有良好的導電性能，并使導桿組和炭塊正確地組裝成陽極組整體;二是做好殘極的清理工作，減少除碳質以外的其他雜質進入成型生產流程。

2.2 成型配料要求

利用精確無誤的配料設備，嚴格按照“三比”（即原料比、粒度比、瀝青比）準確配料，確保糊料質量均一、塑性良好。干料是陽極生產的主要成分，一般占陽極組成80%左右，其配方原則如下：6-12mm占比17±1%，3-6mm占比10±1%，0.15-3mm占比43±1%，<0.15mm占比30±1%;生碎料來自于生產過程中產生的生陽極廢品經破碎后得到的物料和成型生產過程中排放的廢糊料，它可以直接配料混捏。它占陽極的組分比較小，粒度要求如下：0-12mm占比約4%;瀝青是陽極生產的粘結劑，液體瀝青約占糊料量的14-16%。

本生陽極系統在配方的選擇上采用了多粒級配方，且煅燒焦及殘極分別配料，這種配料方式保證了煅燒焦和殘極的各種粒級的物料配入比例可以精確地控制，調整的靈活性也較大，對產品質量的改善和生產管理都有著很多益處。

2.3 物料平衡圖

假設公司某次共采購進延遲石油焦336076t，固體改質瀝青59031t，并以此作為原料進行投產，其詳細生產工藝流程如圖1所示。

實際上，成型工序的質量控制主要涉及各階段物料溫度的控制和物料配比兩個方面。各階段物料溫度控制需要通過密切監控來實現，采用多種手段掌握實際溫度情況。物料配比方面除了要保證合理的物料配入比例外，還需要保證各級物料配入量的穩定性，這樣才能實現真正意義上的物料配比控制。

3 生陽極成型的基礎設備

陜西有色榆林新材料集團有限責任公司生陽極成型有兩套系統，每套系統包括中碎篩分、制粉、配料、混捏、成型、冷卻及熱媒加熱等生產工序，每道工序都有相應的配套設備。

3.1 中碎篩分

生陽極生產原料石油焦硬度和強度較低，而一些返回料如廢焙燒塊、殘極等硬度和強度較大，在考慮破碎這些不同性質的物料時必須選擇適應性強，同時具有兩種或兩種以上破碎作用的設備，液壓破碎機、顎式破碎機、反擊式破碎機等都是最為常見的破碎機。

炭素生產中使用的篩分設備種類很多，主要有以下幾種：振動篩、回轉篩、格篩、搖動篩、概率篩等，但使用較多的還是振動篩，陜西有色榆林新材料集團有限責任公司采用德國Mogensen振動篩設備，在預算不充足的情況下可考慮國產設備。

3.2 制粉

進入球磨系統的原料有兩種來源：一是配料時各種焦炭粒子不平衡料;二是破碎、篩分、輸送、配料等各工序的通風收塵粉。煅后焦磨粉采用立式磨粉機，立式磨粉機具有低能耗、低噪音、低維護、恒定的純度、對各種原料的適應性強、不易堵料及內置分選器等優點;根據陽極配料方案，并與混捏機產能相匹配，制粉設備產能為12t/h，采用德國CP的立式磨粉機兩套。

3.3 配料、混捏、糊料冷卻、成型、炭塊冷卻

配料是生陽極制備中影響最終質量的關鍵環節之一，中碎、篩分、磨粉都是圍繞配料而設置。在預焙陽極配料操作中分間斷配料和連續配料兩種，在我國大型預焙陽極生產中隨后續工序連續預熱，連續混捏的需要都是采用引進的連續配料技術，本工程采用Hasler失重連續配料秤。

本工程采用瑞士Buss連續混捏機將預熱螺旋連續送來的預熱石油焦（含殘極）與按一定比例加入的液體改質瀝青和生碎混合，經過連續混捏后制成符合要求的塑性和密度的糊料。

糊料冷卻機的用途是將連續混捏機不斷排出的170- 180℃的陽極糊料進行連續再混捏，并迅速、均勻地將糊料冷卻到振動成型所需的合適溫度145-155℃，即為振動成型提供性能良好的糊料，本工程采用Eirich公司的糊料冷卻機。

振動成型機按振動臺軸數分為兩種：單軸振動臺和雙軸振動臺。按成型機組分為：移動加料式、轉臺式和滑臺式。本工程選用法國Solios移動加料式振動成型機。

成型后的生炭塊經過脫模后送至懸鏈輸送機的托盤上，隨即使生炭塊依次通過冷卻池進行冷卻，當冷卻到一定溫度后，炭塊又被送至吹風裝置處進行進一步的冷卻和除去碳碗中的殘留水，最后將吹風裝置的炭塊送至炭塊庫進行存放與貯存。

3.4 熱媒供熱系統

本系統以煅燒車間回轉窯產生的余熱作為熱源，再通過熱管式鍋爐將余熱熱量以輻射和對流的形式傳遞給導熱油，經過循環泵讓導熱油在系統中進行循環，而被加熱的高溫導熱油在換熱設備中與熱工質瀝青進行換熱，實現瀝青加熱的目的。

4 結語

連續配料混捏及振動成型系統中各設備之間采用以太網通訊，通過長時間對系統中各工藝的調試與運行分析，使各項技術指標均達到設計要求，生產過程中取得了高安全性、低故障率的實效。通過以上各種數據的計算，對鋁用陽極的分析研究有了數據支持，使陽極生產工作更便捷。

參考文獻：

[1] 洪泉.電解鋁用陽極材料的制備及其性能研究[J].世界有色金屬，2020（15）：10-11.

[2] 楊開敏，等.鋁用陽極生產過程的熱平衡分析及余熱利用[J].熱科學與技術，2020，19（06）：530-536.

[3] 丁邦平.鋁用預焙陽極成型生產新技術研究[D].長沙：湖南大學，2010.