1、優(yōu)質鋁用預焙陽極炭塊制造技術的研究與開發(fā)，包頭鋁業(yè)有限公司2009年4月作者：劉偉關斌，1概括，本項目工程由公司提出：“兩年內(nèi)，產(chǎn)品理化指標達到質量突破，產(chǎn)品品質達到國內(nèi)掌門人水平，理化指標與國際接軌， 為圓滿完成出口任務，2006年優(yōu)質鋁用預焙陽極炭塊制備技術的研究與開發(fā)項目工程重點研究開發(fā)了原料選擇和石油焦原料技術的石油焦燒成溫度和時間球磨齒機結構控制及配方的優(yōu)化混煉溫度、瀝青膠使用溫度、模塑溫度等溫度制度的優(yōu)化燒成曲線，焦爐作業(yè)技術的優(yōu)化磁選機上線了實現(xiàn)預焙陽極炭塊理化指標與國際接軌，理化指標和使用性能達到國際領先水平，完成出口露西亞、荷蘭預焙陽極炭塊生產(chǎn)任務，占領國際預焙陽極炭塊市場，

2、為公司建立新的經(jīng)濟增長點。 通過推廣應用優(yōu)質鋁用預焙陽極炭塊制備技術，為降低電解能源節(jié)約、生產(chǎn)高檔鋁以及400kA大型電解池的安全穩(wěn)定啟動奠定了堅實的基礎。 為了按計劃推進“優(yōu)質鋁用預焙陽極炭塊制造技術研究與開發(fā)項目工程”，取得成果，包頭鋁業(yè)有限公司產(chǎn)品研發(fā)技術檢驗中心組建了項目工程組織和管理制度，把項目工程研制分成兩個工作團隊。 碳一公司負責研發(fā)項目工程技術方案的制定和組織實施。 碳一公司由經(jīng)管人親自領導，按照生產(chǎn)工藝線組織技術人員形成研發(fā)工作團隊，建立組織制度和激勵制度，進行任務分工。 建立質量跟蹤制度，完善產(chǎn)品標識牌，研發(fā)期間各預焙陽極炭塊從原料到生塊，建立熟塊文件，便于質量分析。 定期

3、組織討論分析會，各負責人匯報研發(fā)成果和問題，制定解決問題的措施。 產(chǎn)品研發(fā)技術檢驗中心負責技術方案的研發(fā)方向和目標，監(jiān)督檢驗方案的實施情況，負責云同步原料、半成品、成品的檢驗分析，評價研發(fā)效果，及時向一家碳公司進行種子文件反饋。 根據(jù)研發(fā)進度制定檢驗分析制度和評價方法，進口原料分析必須在入庫前完成，半成品、成品檢驗應在24小時內(nèi)完成，確保項目工程研發(fā)信息及時準確。 二立主題和意義，隨著國內(nèi)鋁工業(yè)的高速發(fā)展和世界經(jīng)濟一體化的加快，鋁電解對預焙陽極炭塊的質量要求越來越高，國內(nèi)陽極的質量指標與國際指標相比總體差別大，因此預焙陽極的質量水平必須盡快提高，質量指標必須與國際接軌，傳統(tǒng)的五項常規(guī)指標在鋁電

4、解過程中，預焙陽極炭塊的質量好壞不僅影響噸鋁炭消耗，而且影響電流效率、能源消費、原鋁質量、環(huán)境污染、電解操作及電解池維護等。 因此，根據(jù)預焙陽極電解過程的行為，認為優(yōu)質陽極應具備以下主要特征： 2.1通過國內(nèi)外的現(xiàn)狀分析、2.2研究任務的目的和意義、優(yōu)質鋁用預焙陽極炭塊制造技術的開發(fā)與創(chuàng)新，使包頭鋁業(yè)有限公司的預焙陽極炭塊制造技術達到國內(nèi)領先水平， 理化指標與國際接軌，通過出口到露西亞優(yōu)質鋁用預焙陽極炭塊生產(chǎn)技術的推廣應用，為降低電解能源節(jié)約、生產(chǎn)高檔鋁及400kA大型電解池的安全穩(wěn)定啟動和運行奠定了堅實基礎。 1 .對CO2的低反應性，對空氣的低反應性2 .良好的抗熱震性，沒有熱沖擊引起的裂

5、紋、折斷和熔渣脫落3 .具有良好的導電性4 .具有穩(wěn)定的微量元素體，對原鋁的品位不太影響5 .具有低透氣性6 .幾何尺寸滿足公差的要求、3立題根據(jù)和設訂指導思想、預焙陽極炭塊微量元素體、CO2反應性、空氣反應性、透氣性、導熱率、電阻率、抗壓強度、抗彎強度、真密度、體積密度等物理化學指標相互影響的研究、重點工序如原料配合、燒成、瀝青膠溶解、粉碎、3.1設訂指導思想、3.2立題(2)有50年鋁用碳生產(chǎn)經(jīng)驗，專業(yè)技術工作團隊素質高，有研發(fā)能力。 (3)產(chǎn)品研發(fā)技術檢驗中心是國家批準的試驗室，鋁用碳分析設備先進，化驗設備和檢測方法已經(jīng)與國際接軌，為優(yōu)質鋁用預焙陽極炭塊制造技術的研究與開發(fā)奠定了堅實的基

6、礎。 (4)出口預焙陽極炭塊合同即將簽訂，將面臨出口預焙陽極炭塊質量指標壓力。 (5)400KA高電流密度、國際最大鋁電解池建設投產(chǎn)，對預焙陽極炭塊的質量指標提出了更高的要求。 4研究內(nèi)容和成果分析、微量元素體影響陽極性能分析表(表1 )表明，對油焦的選擇首先考慮微量元素體，特別是Na、Ca、v、Si、Fe，根據(jù)生產(chǎn)實踐的對比，對Na、Ca、CO2反應性影響極大的瀝青膠的選擇主要是甲苯不溶物4.1研究內(nèi)容之一：原料的選擇和配方技術的開發(fā)，4.1.1立項研究的過程和方法，表1 :預焙陽極炭塊微量元素體對電解鋁的影響分析表，目前國內(nèi)石油焦、瀝青質量指標各有特點，質量不穩(wěn)定， 由于某產(chǎn)地石油焦燒成后

7、未能得到我們所期望的配方，我們對部分產(chǎn)地石油焦的理化指標進行了統(tǒng)一分析(表2 )，選擇5種石油焦配伍，根據(jù)各產(chǎn)地石油焦的理化指標應用數(shù)學方法修訂了配方， 采用體積原料試驗法確定原料配比，使得各產(chǎn)地的石油焦優(yōu)勢互補地得到了我們所期望的預燒混合材料和后燒料理化指標，為制造優(yōu)質陽極奠定了基礎。 表2 :各產(chǎn)地的石油焦化學特性統(tǒng)計分析表，產(chǎn)地1焦揮發(fā)分的變動也大，突出的特征是v高，產(chǎn)地2焦揮發(fā)分穩(wěn)定，粒子強度好，但Na、Ca高(不合格)。 產(chǎn)地3焦揮發(fā)分變動大，Na、Ca低，產(chǎn)地4焦揮發(fā)分穩(wěn)定，微量元素體穩(wěn)定，各指標處于中游水平，產(chǎn)地5焦微量元素體v、Na雖低，但焦炭粉量大，燒成中容易結合材料。 根據(jù)

8、以上特點和理化指標分析，進行了理論訂正和配方試驗，確定了原料配方，將配方前、配方后及產(chǎn)品的v、Na、Ca、Si、Fe分別控制為120PPm、120PPm、160PPm、400 PPm、450PPm的各產(chǎn)地的瀝青膠理化4.1.2研究結果和分析應用不同產(chǎn)地石油焦的化學特性進行煅前原料是控制預焙陽極炭塊化學元素體的關鍵，應用數(shù)學方法修訂配方是體積配比實驗的指導， 采用體積原料試驗法確定原料配比是一種適合工業(yè)生產(chǎn)控制的好方法，瀝青膠微量元素體含量對預焙陽極炭塊微量元素體指標的影響很小，可忽略不計。 4.1.3小結節(jié)原料配比技術適用于鋁用預焙陽極炭塊微量元素體控制。 此技術的應用關鍵是各產(chǎn)地的石油焦化學

9、特性具有優(yōu)勢的互補性和穩(wěn)定性分析設備的先進性、精準性原料場地和原料設備可以更準確地進行配方。使用過程中要注意各產(chǎn)地石油焦的分類保管，保持清潔，避免混合物和污染。 4.2研究內(nèi)容之二：燒成控制技術，4.2.1立題研究過程和方法溫度制度研究與試驗：層火道溫度控制均勻穩(wěn)定，初層火道溫度控制在1250-1350二層火道溫度控制在1250-1380，六層火道溫度控制在1100-1200，六層火道穿透現(xiàn)象加強煅燒爐的清潔維護和密封，保證揮發(fā)分系統(tǒng)通暢。 負壓制度研究與試驗：煅燒爐實行大負壓運行，壓力由原來的5070Pa上升到80120Pa進行試驗。燒制排放制度的研究和試驗：要求投入煅燒爐，保證材料位置在煅

10、燒爐料斗的1/3以上。 在云同步中，根據(jù)實際生產(chǎn)確定了排放電流，確保了煅燒爐原料的均勻性，確保了一盞茶的燒成時間和燒成溫度，保證了燒成后材料質量的均質性。 石油焦揮發(fā)分與煅燒后材料真密度關系的研究與試驗：我們分別煅燒813%的煅燒前石油焦，然后分析比較煅燒后材料真密度。 了解到幾乎處于弱的正相關關系。 4.2.2研究結果和分析一盞茶的燒制時間和溫度是生產(chǎn)優(yōu)質燒制后材料的基本條件。 合理提高燒成溫度、合理排放制度，確保一盞茶燒成時間，是提高燒成后材料質量的關鍵，有助于降低燒成后材料粉末的電阻率，提高真密度，降低預焙陽極炭塊的電阻率，提高預焙陽極炭塊的真密度。 4.2.3總結煅燒爐嚴格的溫度控制制

11、度、排放添加制度、負壓制度是保證一盞茶的燒成時間和燒成溫度，提高燒成后材料的質量指標的關鍵。 4.3研究內(nèi)容三：磁選機除上線了鐵元素、鎳技術的研究與研制、4.3.1問題研究的過程和方法4.3.1.1磁選機除上線了鐵元素、鎳的應用反應歷程鐵元素、鎳及其氧化物與石油焦一起進行煅燒爐，并在1200-1400還原氣氛下進行高溫熱處理， 大部分運送到石油焦的三氧化二鐵元素被還原成四氧化三鐵元素，少量被還原成氧化亞鐵元素和金屬鐵元素的鎳的氧化物被還原成金屬鎳。 三氧化二鐵元素具有弱磁性，四氧化三鐵元素具有強磁性，鐵元素和鎳都是黑色金屬，具有良好的磁學性質。 石油焦和煅燒后的石油焦的主要成分是碳，沒有磁性。

12、 因此，鐵元素、鎳及其氧化物和石油焦的磁學性質是我們使用磁選機進行上線了分離的理論基礎。 進口石油焦的水分含量約為5%； 并且經(jīng)過篩分分析，發(fā)現(xiàn)大部分國產(chǎn)石油焦微粉的含量高，約10%到25%，這樣燒成前的石油焦較濕、粘性大、流變性和稀疏度不好，且濕狀態(tài)的強磁性四氧化三鐵元素在空氣中易氧化成弱磁性三氧化二鐵元素，不利于磁選分離。 石油焦通過燒制排除原料中的水分揮發(fā)分，高分子芳烴化合物發(fā)生復雜的分解和縮聚反應，分子結構不斷變化，體積逐漸收縮，改善了物理、化學性質和材料的流變性和稀疏度。 因此，最好在石油焦燒成后的輸送線上導入磁選機而將燒成后的石油焦與鐵元素、鎳及其氧化物進行磁選分離開。 4.3.1

13、.2磁選機的磁感應強度和結構選擇石油焦的Fe含量基本在200-500PPm的范圍內(nèi)，Ni含量基本在200-350PPm的范圍內(nèi)，這意味著從大量的燒成石油焦中磁選極少量的Fe和Ni。 如果磁選機轉鼓的磁感應強度的選擇過大，則會導致燒焦后的石油焦的浪費，對陽極炭進行預烘焙，塊制造成本上升，如果磁選機轉鼓的磁感應強度的選擇過小，則磁選Fe和Ni的量過小，得不到預期的效果。 通過磁選機在鋁用預焙陽極炭塊生產(chǎn)流水線中的研究和應用，確定磁選機滾筒的磁感應強度應控制在300-400mT。 磁選機的構造選擇也很重要，特別是磁桶的旋轉間隙、出入口的大小。磁小滾珠桶的旋轉間隙和排出口間隙太小，容易堵塞，容易發(fā)生卡

14、現(xiàn)象，設備故障頻率高，檢查和備用品費用增加，磁小滾珠桶的旋轉間隙和出入款口間隙過大，材料浪費嚴重，磁選效果降低。 因此，根據(jù)供給粒度的大小，通過磁選降低Fe和Ni含量的目標，需要合理地選擇磁選機的結構。 4.3.2利用研究結果和分析鐵元素、鎳及其氧化物和燒成后石油焦的磁學性質，在鋁用預焙陽極炭塊生產(chǎn)流水線中應用磁選機除上線了鐵元素、鎳效果良好，是降低預焙陽極炭塊Fe和Ni含量的有效方法之一，提高電解鋁的品位4.3.3總結-磁選機在鋁用預焙陽極炭塊生產(chǎn)流水線中的應用效果：預焙炭塊Fe含量降低180-300PPm，Ni含量降低70-100PPm，效果非常顯著。 4.4研究內(nèi)容之四：貫徹瀝青膠熔煉技

15、術研究和開發(fā)4.4.1立題研究的過程和方法、瀝青膠快速熔煉的理念，調整投入時間、投入量。 分別分析研究了瀝青膠溶解使用周期415天的槽瀝青膠指標(參照表6 )。 最終確認了瀝青膠的溶解使用周期從原來的8月15日縮短到了47日。 嚴格控制瀝青膠熔融溫度，將熱載體爐熱載體出口溫度控制在170-180，將槽槽溫度控制在170-175。 入瀝青膠前的液面必須為鏡面狀態(tài)。 4.4.2研究結果和分析瀝青膠軟化點、甲苯不溶物、喹啉不溶物影響瀝青膠對骨料的浸潤效果，進而影響膏塑性的適當甲苯不溶物、喹啉不溶物含量及瀝青膠添加量有利于提高預焙陽極炭塊的抗熱震性、體積密度、真密度、強度，降低透氣性和電阻率。 因此，

16、適當降低槽瀝青膠喹啉不溶物的控制范圍，降低槽瀝青膠的軟化點，改善瀝青膠對骨料的浸潤效果，改善膏塑性是值得嘗試的一種方法。 4.4.3總結以上幾個過程的研究和試驗表明，瀝青膠理化指標基本穩(wěn)定。 但是，使用改性瀝青可以提高燒成死亡教練員率，但瀝青膠的軟化點、甲苯不溶物高，混合溫度、對模塑溫度的壓力大，瀝青膠對骨料的潤濕效果差，預焙陽極內(nèi)部結構的均質性差。 因此，我們對瀝青膠的使用溫度進行了調整試驗，改變了瀝青膠對骨材的潤濕效果，通過調整得出了使用周期為48天，軟化點為100-108的瀝青膠適合使用溫度為175-185時的結論。 4.5研究內(nèi)容之五：原料成型技術研究和開發(fā)4.5.1立項研究的過程和方

17、法，4.5.1.1原料側研究和試驗：配合中大粒子、中粒子、細粒子、粗粉、微粉的最佳匹配及瀝青膠添加量，對產(chǎn)品質量有較大影響的適宜配方和瀝青膠的添加量，在適宜的溫度制度下， 能生產(chǎn)具有良好塑性的漿料，但漿料特性是影響炭塊內(nèi)部均質性的主要因素，是各理化指標的根本保證。 配伍中的關鍵是球磨齒機的用量，我們進行了多次工業(yè)研究和試驗以及球磨齒機的粒級分布、比表面積分析、混合材料分析。 4.5.1.2球磨齒機純度和布朗值的控制：在球磨齒機粒度分布結構中，比表面積大小對瀝青膠使用量的影響很大，對預焙陽極炭塊理化指標的體積密度、強度、電阻率、抗裂指數(shù)、透氣性等指標有很大影響。4.5.2根據(jù)研究結果和分析，我們對球磨齒機的粒級分布結構純度指標、比表面積指標布朗值及混合物中的粉體純度、布朗值進行了多次測試，并與*碳廠的球磨齒機指標進行了比較，經(jīng)測驗數(shù)據(jù)整理分析，得出了以下結論：4.5.2 4.5.2.3球磨齒機純度純度與布朗值沒有明顯的對應關系，表明球磨齒機的各粒級分布隨磨粒的變化而變化，純度相同但粒級分布不同，比表面積不同。