优化生阳极工艺提高预焙阳极质量

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1、工程硕士学位论文- 1 -第第 1 章章 绪绪 论论1.1 提高炭阳极质量的意义提高炭阳极质量的意义炭阳极作为铝电解槽的心脏，其质量和工作状况对铝电解生产是否正常及电流效率、电能消耗、产品等级等经济技术指标影响十分巨大。工业电解槽，优者电流效率在 95以上，直流电单耗每吨铝在 13000kwh 以下，劣者电流效率在85以下，直流电单耗每吨铝达 20000kwh 以上。劣质电解槽的特征主要表现为阳极本体及其周围的工作状况不佳，一般是电解质及阳极发热，出现阳极为中心的各类故障，阳极工作状况不好等。电解槽故障中有 70发生在阳极，如：阳极局部过热、电流分布不均匀、阳极掉块、阳极“长苞” 、阳极裂纹断

2、层、阳极冒顶、大量炭渣落入电解质使电解质含碳、阳极四周氧化燃烧、阳极倾斜等。阳极质量不好不但会引起阳极故障，还会导致电解槽的“慢性病症” ，使阳极和电解槽的温度过高、电流分布不均，同样严重影响铝电解槽的经济技术指标1。提高炭阳极质量，有利于降低生产成本，优化电解槽运行条件，从而提高电解经济技术指标，对铝冶炼企业有着重要意义。所以有专家呼吁：“必须对铝用炭素质量的提高予以高度重视，应把有关铝的科技攻关重点转移到提高铝用炭素的质量上来，只有这样才能使铝电解的经济效益充分发挥出来” 2 。在目前的研究中，阳极质量主要技术指标与铝电解经济技术指标的定量关系目前尚未明确得出，因此在提高阳极质量的各种工业

3、试验中，必须以焙烧阳极的各项理化指标为主要对比参数，以电解反馈意见为辅助依据。国内炭素工艺技术特别是铝用炭阳极技术理论的发展是比较缓慢和艰难的，具有广泛指导意义的文献并不多见。国内不少厂家还在使用上世纪 8090 年代的工艺和设备，因此相当一部分技术资料对新设备、新工艺来说没有借鉴价值。另外很多资料、数据、图表是在试验室中得出，生产中不一定适用。1.2 生阳极制造工艺对阳极质量的影响生阳极制造工艺对阳极质量的影响生阳极制造是炭阳极生产的重要环节。生阳极制造过程是指炭素原料经破碎或磨粉，制成不同粒径的颗粒，按一定比例与液态沥青混合，成为具有塑性的糊料，再经挤压或振动成型，最终生产出具有一定强度和

4、密度的炭块。由于预焙阳极技术要求将炭块经 11001200高温下焙烧，去除挥发分，使沥青焦化，提高制品的机械强度和导电性，所以成型后未经焙烧的阳极称为生阳极。目前国际、国内预焙阳极质量指标都是针对焙烧后的阳极，对生阳极没有测试方法，质量要求也仅有体积密度和外观两项，但生阳极的制造工艺却直接影响到预焙阳极的体积密度、导电性、强度、抗氧化性等性能指标，如配方的选择、配料精度、磨粉纯度、筛分纯度、混捏效果、成型技术参数等直接决定了预焙阳极炭块的质量。因此，生阳极制造工艺始终被认为是预焙阳极制造的关键环节。生阳极制造工艺又是在理论上研究和发展难度最大的。首先，焙烧阳极质量和电解运行指标虽与生阳极制造工

5、艺密切相关，但却并不是简单的一一对应关系，很多因素是同时作用、互相影响的，例如常见的炭块在电解槽中掉渣、裂纹现象，从阳极制造到电解工艺共 8 个方面 50 多个因素都有可能造成影响3。其次，各厂家由于原料来源和质量不同、使用设备不同，工艺技术条件很难达到一致，导致不同的厂家生产情况在细节上几乎没有可比性。第三，国内由于原料供应紧张，分析方法落后，生产单位很难用较高的质量标准来限制原料的采购和供应。第四，几乎每个生阳极制造车间在生产运行中都或多或少地受到某设备的影响和制约，但越是关键设备，彻底进行改造甚至更换的可能性越小，受到资金、上下游工艺衔接、安装空间、企业技术力量等诸多因素限制。这使铝用炭

6、阳极工艺特别是生阳极制造工艺理论的发展极其缓慢和艰难，很多技术文献只能在小范围内根据企业现有原料、设备、工艺的特点进行讨论和研究。1.3 本课题开展的研究和试验工作本课题开展的研究和试验工作本课题主要以某公司 15 万吨预焙阳极生产线为研究对象而进行研究。该公司炭素厂自投产以来，产品质量一直不很理想，在 2005 年上半年还出现过电解使用中大量氧化掉渣的现象，导致换极周期短，电解生产成本高，且掉渣造成电解操作工捞炭渣的劳动强度大，一定程度上影响了电解厂的运行管理。本课题的开展就是在这一前提下进行的，研究的核心是如何优化阳极制造工艺，提高阳极质量，从而为电解生产创造良好条件。生阳极车间于 200

7、3 年建成投产，设备选型都是当时最新的，如混捏机是BUSS 公司在全球范围内安装调试的第一台 K600CP 型连续混捏机，成型机也是KHD 公司在中国的第一套滑台式双振台振动成型机。所有工艺、设备选择都是比较知名的企业和成熟的技术，如运用瑞士 Hasler 公司的失重秤进行全自动连续配料、糊料采用德国 LEAIS 公司强力冷却机进行快速冷却、磨粉系统采用法国FCB 公司动态分选工艺，整个生产线全部采用 PLC 控制，流程中所有设备的主要参数都可以在上位机上设置并监控。工程硕士学位论文- 3 -本课题在这样比较先进的设备和工艺配置基础上，结合生产实践，分析探讨现有各工序存在的不足，优化各环节的工

8、艺条件，不但可以提高炭块质量，为本企业创造经济效益，对其他新建炭素项目的技术开发、技术研究也有一定的借鉴价值和积极意义。第第 2 章章国内炭阳极制造技术现状与差距国内炭阳极制造技术现状与差距2.1 国外铝工业发展及铝用炭素生产技术发展水平国外铝工业发展及铝用炭素生产技术发展水平近十年来，国外铝电解工业生产技术发展非常之快，其主要的特点表现在以 下两方面：第一，铝电解槽的容量不断增大，1970 年世界新建电解系列的槽容量 为 150160kA，1983 年增至 180190kA，80 年代中期以来，工业试验槽的容 量突破 280kA，近几年来 280320kA 容量的超大型槽已形成系列化生产，

9、400500kA 容量的更大型槽已经突破工业性试验。这种超大容量电解槽的出现， 由于在高效能、自动化水平、环保、节能、经营费用、建设投资等方面的显著优 势，使之成为现代铝工业发展的大趋势。另一特点就是应用现代化的最新技术， 不断地对现有企业进行技术改造，实现了电解槽大幅度增产、节能、降低成本的 最佳经济效果。从而使这些老企业在国际铝价疲软的竞争中得到生存与发展。表 2.1 列出了国外新建大型槽系列及老厂改造系列所达到的生产技术指标。表 2.1 国外典型铝业公司生产技术指标22.2 国内铝电解技术的发展国内铝电解技术的发展近几年中国的铝电解工业受到国家宏观调控政策实施和世界铝工业中心转移 的影响

10、，在短期内经历了小自焙槽改造，铝-电联营，煤-电-铝联营三个阶段，原 铝产量 1998 年为 241 万吨（其中预焙约占 30%，自焙槽占 70%），到 2003 年底 猛增到 538 万吨（其中预焙约占 70%，自焙槽占 30%），年平均增长率达到 25%，这在世界铝工业的发展史上是空前的。在这个浪潮中，铝生产厂家从原来 那种技术落后的生产方式中解脱出来，从关心产量为主转变为关心技术发展；把 目光更多地投向国际铝电解技术，给国内铝电解技术的发展制造了一个契机。我 国 300kA 以上的大型电解槽蓬勃发展，刺激国内电解槽辅助技术-阴、阳极的蓬 勃发展。这个浪潮过去之后，原铝生产将进入增长的平台

11、期。铝生产者在激烈的工程硕士学位论文- 5 -市场竞争中，必然走上降低生产成本，增强竞争能力的道路，中国的铝工业将出 现发展重心的转移，老厂的挖潜改造、增产增效、节能降耗成为发展的重心，强化电流和延长槽寿命则是重中之重。预焙阳极作为预焙电解槽的阳极导电材料， 在服役期间参与电化学反应，是铝电解最重要的辅助材料之一，它直接影响电解 铝生产成本、铝电解槽操作的自动化程度以及操作环境。我国最早的、工业性的预焙阳极电解槽是 1967 年投产的郑州铝厂 75kA 预焙阳极电解槽。阳极炭块用挤压法生产，阳极炭块尺寸为 4004001150mm。70 年 代初，吉林炭素厂、抚顺铝厂进行振动成型生产预焙阳极炭

12、块试验，获得成功。 80 年代初，贵州铝厂从日本引进振动成型生产线，促进了我国振动成型生产阳极 炭块技术的发展。到 80 年代，我国各大铝厂的预焙阳极炭块都采用振动成型生 产，最小的尺寸为 740400450mm（抚顺铝厂），最大的尺寸为 1450660540mm（贵州铝厂、沁阳铝试验厂），重达 750780Kg。随着贵州铝厂的技术引进，将我国的预焙阳极技术和规模推上一个新的平台， 成为进一步发展的基础，形成了我国预焙阳极的国家标准，之后，我国在不断改 进阳极配方和阳极工艺条件。贵阳铝镁设计研究院成功开发了多项大型阳极专用 设备，并和水城钢厂联合进行了改质沥青实验研究。贵州、青海、白银、青铜峡

13、、 平果、郑州等铝厂先后与郑州轻金属研究院合作，根据国产原料的特点，改进传 统配方，采用大颗粒配方，热媒油加热、振动成型、改进原料和生产工艺，提高 了预焙阳极的质量。这一技术支撑中国铝工业走过十多年的道路，形成近百万吨 的预焙电解铝产能。到 1998 年，我国铝工业迎来一个高速发展的时期，预焙阳极的生产规模越 来越大，中国成为世界预焙阳极技术和装备的最大市场，吸引着欧美各大铝工业先进国家纷纷向中国输入预焙阳极技术和设备。全世界各种先进的预焙阳极生产 技术在这里交汇融合，使中国预焙阳极技术进一步发展。在生产技术方面，贵州铝厂在 1997 年针对中国老的技术缺点，率先引进了 法国彼施涅的阳极焙烧技

14、术，使我国的阳极焙烧从沿用了十几年的老炉型结构和 控制方式中解脱出来，阳极质量得到很大改进。焙烧炉的温差由原来的 160200降低到 70以下，使阳极质量偏差显著减小；优化的燃烧控制技术， 使阳极焙烧这个阳极生产工艺中能耗占 60%的工艺环节，能耗由 5GJ/t-阳极降低 到 3GJ/t-阳极,节能 60-70%，阳极成本下降约 100 元/t；由于沥青挥发物充分燃烧， 有害物排放量仅为原来的 25-35%,大大减轻了环境治理压力。在此基础上，进一 步开发了适合中国特点的阳极焙烧技术，广泛应用于中国的预焙阳极生产中，取 得巨大的经济效益和社会效益。为了解决我国液体沥青配料一段混捏糊料均匀性 较

15、差，低成型温度导致混捏温度偏低，影响糊料质量的问题，云铝和贵铝先后在 连续混捏机后增加冷却均化器，一方面增加糊料的均匀性，另一方面可以提高混捏温度，改善混捏质量，取得良好的使用效果。在设备方面，启明星和创元引进了法国索廖斯的新混线，正在实施之中。为了解决我国沥青质量较差，沥青泵配料长时间磨损后泄漏影响沥清配料精度问题， 贵铝和青铜峡铝厂使用了克里奥利质量流量计，使沥青配料达到理想的效果。很 多大型预焙阳极生产厂在与国外交流的过程中都不同程度地引进了先进的生产设 备4。然而，与电解技术的发展相比，我国的铝用炭素技术仍然存在着一定差距。国内电解铝行业引进现代的中间下料预焙槽技术，经过消化吸收与开发

16、，在电解主体设备国产化基础上开发了我国的大型预焙槽技术，取得了一批重要研究 成果，使国内铝电解技术水平有了大幅度的提高。已经掌握了超大型槽的技术， 成为世界上掌握该技术的为数不多的几个国家之一。表 2.2 中国 200-300kA 容量级电解槽主要经济技术指标从表 2.2 可以看出当前国内预焙槽的技术指标中的电流效率与电耗指标已经在向世界先进水平看齐。反映了铝电解专业的技术水平已经有了相当大的发展和 提高；同时也看出阳极净耗指标与国外相比仍有待提高3。 2.3 国内预焙阳极生产技术现状与国外的差距国内预焙阳极生产技术现状与国外的差距我国预焙阳极生产技术自 80 年代初贵铝成套引进阳极生产技术以来，已成 为国内大型预焙槽阳极生产技术的基本模式，在生产技术上没有大的进步，特别 在某种程度上受外部客观条件的制约，如原材料供应条件的制约，严重影响了预 焙阳极质量的提高。我国预焙阳极质量与国外预焙阳极对比见下表 2.3，可见国内阳极的质量标 准的差距是比较大的，所以，铝电解槽阳极电流密度都取了很低的指标，而且尽 管电流密度