优质铝用预焙阳极炭块制造技术的研究与开发

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1、优质铝用预焙阳极炭块制造 技术 的研究与开发包头铝业有限公司 二00九年四月 作者：刘伟 关文斌1概述v本项目是在结合公司提出的“力争在两年时间内产品理化指 标有质的突破，产品质量达到国内领先水平，理化指标与国 际接轨，圆满完成出口任务”的目标,于2006年正式立项的。v优质铝用预焙阳极炭块制造技术的研究与开发项目重点研究 开发了原料的选择与石油焦配料技术；石油焦煅烧温度与时 间；球磨粉结构控制以及配方的优化；混捏温度、沥青使用 温度、成型温度等温度制度优化；焙烧曲线、装出炉作业技 术优化；磁选机在线除铁、镍技术。实现预焙阳极炭块理化 指标与国际接轨，理化指标及使用性能达到国际领先水平， 完成

2、出口俄罗斯、荷兰预焙阳极炭块生产任务，占领国际预 焙阳极炭块市场，为公司建立新的经济增长点。通过优质铝 用预焙阳极炭块制造技术推广应用，为电解节能减排、生产 高级铝及400kA大型电解槽安全平稳启动奠定坚实基础。v为了确保“优质铝用预焙阳极炭块制造技术的研究与开发项 目”按计划如期进行，并取得成果，包头铝业有限公司产品 研发技术检测中心编制了项目组织与管理制度，将项目研究 开发分成两个团队。v炭素一公司负责开发项目的技术方案制定及组织实施。炭素 一公司由经理亲自牵头，按照生产工艺线组织技术人员形成 研发团队，并建立组织制度与激励制度，进行任务分工。建 立质量跟踪制度，完善产品标识，研发期间每一

3、块预焙阳极 炭块从原料到生块、到熟块建立档案，便于质量分析。定期 组织讨论分析会，各负责人汇报研发成果及存在的问题，制 定解决问题的措施。v产品研发技术检测中心负责技术方案的研发方向及目标，并 监督检查方案的实施情况，同时负责原料、半成品、成品检 测分析，评价研发效果，及时向炭素一公司进行反馈。根据 研发进度制定了检测分析制度与考核办法，做到进厂原料分 析必须在入库前完成，半成品、成品检测在24小时内完成， 确保项目研发信息及时准确。2 立题目的与意义v随着国内铝工业的高速发展和世界经济一体化进程的加快， 铝电解对预焙阳极炭块的质量要求越来越高，而国内阳极质 量指标与国际指标相比差距总体较大，

4、所以预焙阳极质量水 平亟待提高，质量指标急需与国际接轨，原来传统的五项常 规指标已经不能准确描述预焙阳极炭块的质量状况。在铝电 解过程中，预焙阳极炭块质量的好坏不仅影响吨铝炭耗，而 且对电流效率、能耗、原铝质量、环境污染、电解操作以及 电解槽维护等均有影响。因此，根据预焙阳极在电解过程的 行为，我们认为优质阳极应该具备以下几种主要特征：2.1国内外现状分析2.2 研究任务的目的和意义v通过优质铝用预焙阳极炭块制造技术开发与创新，使包 头铝业有限公司的预焙阳极炭块制造技术达到国内领先 水平，理化指标与国际接轨，实现产品走出国门，远销 俄罗斯、荷兰的目标 。v通过优质铝用预焙阳极炭块制造技术推广应

5、用，为电解 节能减排、生产高级铝及400kA大型电解槽安全平稳启 动及运行奠定坚实基础。v1、对CO2的低反应性、对空气的低反应性；2、良好的 耐热震性，不因热震而有裂痕、折断和掉渣掉块；3、有良 好的导电性；4、具有稳定的微量元素，对原铝的品位影响 不大；5、有较低的空气渗透性；6、几何尺寸符合公差要 求，外形整齐、清洁、密实。 3 立题依据与设计指导思想v预焙阳极炭块微量元素、CO2反应性、空气反应性、空气渗 透性、热导率、电阻率、抗压强度、抗折强度、真密度、体 积密度等物理化学指标相互影响的研究，重点工序如原料配 比、煅烧、沥青熔化、磨粉、中配配料以及焙烧工艺技术对 预焙阳极炭块理化指标

6、的影响的研究，开发优质预焙阳极炭 块制造技术。3.1 设计指导思想3.2 立题依据（1）预焙阳极炭块质量指标与国际指标差距较大，继续提 高产品质量与国际接轨。v（2）具有50年的铝用炭素生产经验，专业技术队伍素质较 高，具有研发能力。v（3）产品研发技术检测中心为国家认可试验室，铝用炭素 分析设备先进，检测设备与检测方法已经与国际接轨，为优 质铝用预焙阳极炭块制造技术的研究与开发奠定了坚实基础 。 v（4）出口预焙阳极炭块合同即将签订，面临出口预焙阳极 炭块质量指标压力。v（5）400KA高电流密度、国际最大铝电解槽的建设投产， 对预焙阳极炭块质量指标提出了更高要求。4 研究内容与成果分析v从

7、微量元素影响阳极性能分析表（表1）可得出，油焦的选 择首先考虑的是微量元素特别是Na、Ca、V、Si、Fe，根据 生产实践对比，Na、Ca、对CO2反应性影响极大，V对空气 反应性影响极大， 其次考虑石油焦的挥发份、灰分、颗粒强 度、CO2反应性、空气反应性、粉焦量、煅后振实容重等指 标。而沥青的选择主要考虑甲苯不溶物、挥发份、软化点、 喹啉不溶物指标。 4.1 研究内容之一：原料的选择与配比技术开发4.1.1 立题研究的过程与方法表1：预焙阳极炭块微量元素对电解铝的影响分析表元素金属质量阳极炭耗电流效率污染S % H % Si PPm Fe PPm Ti PPm Pb PPm Ni PPm

8、V PPm Na PPm K PPm Ca PPm P PPmv目前国内石油焦、沥青质量指标参差不齐、各有特点，品质 不稳定，某一产地的石油焦在煅烧后得不到我们期望的煅后 料质量要求，并且石油焦的化学成分在煅烧过程以及后续过 程很少减少，大部分呈增加趋势。因此，我们对部分产地石 油焦理化指标进行了统计分析（表2），选择5种石油焦进行 掺配使用，根据各产地石油焦的理化指标应用数学方法计算 配方，或采取体积配料试验法确定原料配比，各种产地石油 焦优势互补得到我们期望的煅前混合料以及煅后料理化指标 ，为制造优质阳极奠定基础。表2： 各产地石油焦化学特性统计分析表产地单位VNaCaSiFeNiS产地1

9、PPm255.3061.4051.65176.80384.60283.401.49产地2PPm116.00178.80251.50250.00290.50339.101.22产地3PPm47.79107.40123.60132.10367.44160.790.65 产地4PPm119.1046.4767.24234.60250.76211.061.52 产地5PPm62.485.3220.6106.4180.5310.81.98v产地1焦挥发份波动也较大，突出的特点是V高；产地2焦 挥发份稳定、颗粒强度好，但Na 、Ca偏高（不合格）；产 地3焦挥发份波动较大，Na 、Ca偏低；产地4焦挥发份

10、稳 定、微量元素稳定而且各项指标处于中游水平；产地5焦微 量元素V、Na低，但粉焦量大，在煅烧过程中容易流料、 结焦。根据以上特点及理化指标分析，进行理论计算与配 比试验，确定了原料配比，煅前、煅后以及制品的V 、Na 、Ca、Si、Fe分别控制在120PPm、120PPm 、160PPm 、400 PPm 、450PPm以下。 表3：各产地沥青理化指标统计分析表NaCaSiFeTiS灰份挥发挥发 份软软化 点甲苯不溶 物喹喹林不溶物ppm% 厂家112881178126120.470.0854.3110.330.29.54厂家2285431658480.620.0955.2109.631.1

11、9.82厂家316713218612190.550.1257.5105.827.88.674.1.2 研究结果与分析 应用不同产地石油焦的化学特性进行煅前配料，是控制 预焙阳极炭块化学元素的关键，应用数学方法计算配方是体 积配比实验的指导，采取体积配料试验法确定原料配比是适 合于工业生产控制的良好方法；沥青的微量元素含量对预焙 阳极炭块的微量元素指标影响甚小，可以忽略不计，不予考 虑。v4.1.3 小结v原料配比技术适用于铝用预焙阳极炭块微量元素控制。该技 术的应用关键在于各产地石油焦化学特性具有优势互补性及 稳定性；分析设备的先进性、精确性；配料场地及配料设备 能够较准确的执行配方。在使用过

12、程中要注意各产地石油焦 分类存放，保持清洁，杜绝混料及污染。4.2 研究内容之二：煅烧控制技术4.2.1 立题研究的过程与方法 温度制度研究与试验：层火道温度控制均匀稳定，首层火 道温度控制在1250-1350；二层火道温度控制在 1250-1380；六层火道温度控制在1100-1200， 六层火道杜绝窜火现象，杜绝炉面冒烟冒火。加强煅烧炉 清理维护及密封，确保挥发份系统畅通无阻。 负压制度研究与试验：煅烧炉实行大负压运行，压力由原 来的5070Pa提高到80120Pa进行试验。v煅烧加排料制度研究与试验：要求做到煅烧炉勤加料，必须 保证料位不低于煅烧炉加料斗1/3处。同时根据实际生产确 定了

13、排料电流，确保煅烧炉排料均匀，保证足够的煅烧时间 和煅烧温度，保证煅后料质量的均质性。石油焦挥发份与煅 后料真密度相关关系研究与试验：我们分别对挥发份8 13%的煅前石油焦进行煅烧，并且分别对煅烧后的煅后料真 密度进行分析对比。发现基本呈弱正相关关系。v 4.2.2 研究结果与分析v足够的煅烧时间与温度是生产优质煅后料的基本条件。适当 提高煅烧温度、合理的加排料制度，确保足够的煅烧时间是 提高煅后料质量的关键，从而降低煅后料粉末电阻率、提高 真密度，利于降低预焙阳极炭块的电阻率和提高预焙阳极炭 块的真密度。v4.2.3 小结v煅烧炉严格的温度控制制度、加排料制度、负压制度，是保 证足够的煅烧时

14、间和煅烧温度，提高煅后料质量指标的关键 。4.3 研究内容之三：磁选机在线除铁、镍技术的研究与开发v4.3.1 立题研究的过程与方法v4.3.1.1 磁选机在线除铁、镍的应用机理v铁、镍及其氧化物与石油焦一起进入煅烧炉，在1200- 1400、基本隔绝空气的条件下进行高温热处理，大约30 个小时左右。在还原气氛下进行高温热处理，石油焦中携带 的三氧化二铁大部分还原为四氧化三铁，少量还原为氧化亚 铁和金属铁；镍的氧化物则还原为金属镍。而我们知道，三 氧化二铁具有弱磁性，四氧化三铁具有强磁性，铁、镍都是 黑色金属，具有良好的磁学性质。石油焦及煅后石油焦的主 要成分是碳，没有磁性。因此，铁、镍及其氧

15、化物与石油焦 的磁学性质是我们应用磁选机进行在线分离的理论基础。v进厂石油焦水份含量大约5%；而且经过筛分分析，目前大 部分国产石油焦细粉含量偏高，约10%-25%，这样煅前石 油焦比较潮湿而且粘性较大，流动性与松散性不好，此外潮 湿状态的强磁性的四氧化三铁在空气中容易氧化成弱磁性的 三氧化二铁，不利于进行磁选分离。而石油焦经过煅烧排除 了原料中的水份、挥发份，高分子芳香族碳氢化合物发生复 杂的分解与缩聚反应，分子结构不断变化，体积逐渐收缩， 改善了物理、化学性质和物料的流动性与松散性。因此，在 石油焦煅后输送线引入磁选机进行煅后石油焦与铁、镍及其 氧化物进行磁选分离是最理想的。v 4.3.1

16、.2 磁选机磁感应强度及结构的选择v石油焦的Fe含量基本在200-500PPm范围之内，Ni含量基本 在200-350PPm范围之内，这就意味着我们要从大量的煅后 石油焦中磁选出极少量的Fe和Ni。如果磁选机滚筒的磁感应 强度选择太大，会造成煅后石油焦的浪费，导致预焙阳极炭v块制造成本升高；如果磁选机滚筒的磁感应强度选择太小， 会造成磁选出的Fe和Ni的量太小，达不到预期效果。通过磁 选机在铝用预焙阳极炭块生产线的研究与应用，确定了磁选 机滚筒的磁感应强度应控制在300-400mT。v磁选机的结构选择也非常重要，特别是磁滚桶的回转间隙， 进出料口大小。磁滚桶的回转间隙与出料口间隙太小，容易 发生堵料、卡料现象，设备故障频率高，检修及备件费用增 加；磁滚桶的回转间隙与进、出料口间隙太大，物料浪费严 重，磁选效果降低。因此，根据进料粒度大小，磁选降低Fe 和Ni含量的目标合理选择磁选机的结构是非常必要的。v4.3.2 研究结果与分析v利用铁、镍及其氧化物与煅后石油焦的磁学性质，在铝用预 焙阳极炭块生产线应用磁选机