铝电解预焙炭素阳极生产工艺铝电解预焙炭素阳极生产工艺前言前言自 1886 年美国的 Hall 和法国的 Heroult 发明炼铝的基本方法—— Hall-Heroult 高温熔 盐电解炼铝法以来，铝电解工业无论在工艺技术水平，还是在生产规模以及在自动化程度 上均取得了突飞猛进的发展；尤其在近 30 年间，铝电解生产的电流效率由 80％多提高到 现在最高水平的 96%，电解直流电耗由过去的 16000 多 kWh/吨铝降低到现在的 13000kWh/ 吨铝以下；在生产规模方面，铝电解槽由几仟安培的规模扩大到现在的 320KA，甚至 500KA一个多世纪以来，工业铝电解槽经历了由小型预焙阳极电解槽、侧插式自焙阳极 电解槽、上插式自焙阳极电解槽到大型预焙阳极电解槽的发展阶段；在自动化控制程度上， 成功地开发出了控制精度高、系统鲁棒性好、具有明显的增产节能效果的电解过程控制系 统全世界年铝产量由二十世纪初期的 6000 吨/年发展到二十世纪末期的 2000 多万吨/年 这些进展可以说是基于人们对于 Hall-Heroult 炼铝法的基本原理有了更加深入的了解和认 识 铝电解生产过程中需要消耗大量的炭素材料，这些炭素材料因电解槽类型、电解生产 用途、对其性能要求的不同，其规格型号有别，但生产工艺大同小异。
铝电解用炭素材料 主要包括： 1） 、预焙阳极 2） 、底部炭块 3） 、侧部炭块 4） 、炭缝糊 其中以炭素阳极的消耗量为主，过去（10 年前） ，在预焙铝电解生产中炭素阳极的消耗量 达到了 550-600Kg/吨铝，随着科学技术的发展，目前预焙阳极在铝电解生产中的消耗量降 到了 480Kg/吨铝以下，有的生产厂家通过技术革新甚至将阳极炭耗降到了 440Kg/吨铝以下我国铝电解用炭素阳极的生产始于 1963 年，在郑州铝厂（现长城铝业公司）试生产 成功此后我国铝电解用炭素阳极生产迅速发展，白银铝厂、包头铝厂、青海铝厂、贵州 铝厂、平果铝业公司、青海铝厂二期扩建的配套炭阳极生产车间、云南铝厂等阳极生产线 的相继建成投产，使我国目前铝用炭素阳极的年产量较十年前成倍增长，形成了我国铝电 解用炭素阳极生产的成熟技术和规模，并相继建立了两个系列的炭阳极质量标准：振动成 型系列的 GB8741-88 和挤压成型系列的 YB2809-78 Hall-Heroult 炼铝法的典型特点之一是阳极属于消耗性阳极，阳极的基本设计型式从整 体上划分为两种：自焙阳极和预焙阳极随着人们对铝工业规模化、现代化生产认识的提 高和对环境保护意识的增强，预焙阳极铝电解槽取代自焙阳极铝电解槽已成为世界铝工业 发展的必然趋势。
铝电解生产的基本原理是：以炭素材料为阳极，以囿于炭素内衬中的铝液为阴极，以 冰晶石熔体为电解质溶解原料氧化铝，通过电解反应，在阴极沉积生产金属铝其基本反 应式为：Al2O3(diss)+1.5C=2Al(l)+1.5CO2(g) 作为阳极生产的主要原料——炭素材料，在铝电解生产过程中，伴随着金属铝的生成 而不断消耗长期的生产实践表明，炭素阳极质量的优劣，直接或间接影响着铝电解的各 项经济技术指标，诸如电流效率、电能消耗、吨铝阳极炭耗等因此，炭阳极在电解铝工业中不可避免地处于举足轻重的地位，一直被业内人士成为铝电解槽的“心脏” 第一节第一节 概述概述1.1 炭素阳极在铝电解生产中的重要性炭素阳极在铝电解生产中的重要性 首先，阳极质量的好坏直接影响着铝电解生产的主要工艺技术指标，诸如能量效率和 电流效率，同时也直接影响着铝电解的生产成本；其次，炭阳极质量优劣与铝电解生产过 程的稳定性和工人的劳动强度紧密相关；再者，炭阳极在工作中对环境的污染程度已经越 来越受到人们的关注，其中尤其是针对自焙铝槽电解生产技术方面，国内外均采取了一系 列甚至是强制性的措施。
随着世界铝电解技术的快速发展和环保意识的增强，适宜于规模 化操作和大型化生产以及环境污染相对较轻的预焙槽电解炼铝技术已经成为了世界铝电解 技术的主流在我国，从二十世纪九十年代后期就明确规定，要在新世纪初基本停止自焙 槽电解炼铝，这标志着我国的铝电解工业将由过去的自焙槽生产为主体转化为向大型预焙 槽方向快速发展但是，阳极的“质量问题”仍然是阻碍我国铝工业整体水平向世界先进 水平靠拢的主要障碍之一，进一步提高我国阳极生产工艺技术或者在现有工艺技术条件的 基础上改善作为预焙铝电解槽“心脏”的炭阳极的物理化学和电化学性能指标，可以达到 有效地降低铝电解的生产成本、稳定铝电解生产操作和提高铝电解生产效率的目的，对促 进我国铝电解工业的发展，提高我国铝工业在国际市场上的竞争力有着不可轻视的作用1.2 铝电解生产生产对炭素阳极的基本要求铝电解生产生产对炭素阳极的基本要求 1）要求阳极具有良好的物理化学性能，减少阳极对空气和二氧化碳反应活性，以求达到降 低炭耗、延长阳极使用寿命、减少电解槽含炭渣量的目的； 2）要求阳极具有良好的电化学性能，以求达到提高阳极电化学反应活性，降低电解过程中 电能消耗的目的； 3）要求阳极杂质含量要少，以免在电解过程中进入成品而影响产品质量； 4）要求阳极质量更均匀、更稳定，以求达到电解槽稳定操作和进一步降低阳极效应系数的 目的。
1.3 铝电解用炭素阳极的基本性能指标铝电解用炭素阳极的基本性能指标 表 1 国际公认的预焙阳极性能指标项目单位指标范围备注体积密度 电阻率 抗压强度 抗弯强度 热膨胀系数 导热系数 透气率 CO2 反应余量 空气反应余量 杂质：SV Si Feg/cm3 Ωmm2/m Mpa Mpa 10-6/K W/mK Npm % RDC % RDC % ppm ppm ppm1.53-1.58 52-60 40-48 5-12 3.5-4.0 3.5-4.5 0.5-1.5 84-92 70-85 1.2-2.4 80-350 100-300 100-500越高越好 尽量控制低的电阻率\ \ \ \ 越低越好 剩余越多越好 剩余越多越好 越低越好 越低越好 越低越好 越低越好Na 结构ppm \250-600 \越低越好 没有掉块和裂纹表 2 我国现行的电解铝用（预焙）炭阳极性能指标 牌号灰分(%)≤电阻率≤ (Ω·mm2/m)I 抗压强度≥(N/mm2)体积密度≥ (g/cm3)真比重≥ (g/cm3)TY-10.555291.52.0TY-21.263291.52.0第二节第二节 原料原料铝电解预焙炭素阳极的生产原料包括阳极主体组分（又称骨料）和粘接剂两大部分。
2.1 骨料骨料 1）种类：石油焦国内炭素厂普遍采用延迟石油焦（简称延迟焦） 2）来源：炼油厂的炼油渣经过高温加热，采用延迟焦化工艺所得到的产品 （焦化工艺分延迟焦化和流化床焦化，延迟焦化生产的焦因其孔隙度高而特别适用于制备 铝电解用炭素阳极） 3）质量评价指标：一般用灰分、硫分、挥发分和 1300℃煅烧后的真密度（真比重）来衡 量，具体指标见表 3 表 3 我国延迟石油焦的质量标准一号二号三号项目A级B级A级B级A级B级水分 （不大于）3.03.03.03.03.03.0灰分 （不大于）0.30.50.50.50.81.2硫分 （不大于）0.50.81.01.52.03.0挥发分 （不大于）1012121516182.2 粘接剂粘接剂 1）种类：沥青电解用炭素阳极一般用煤沥青做粘接剂 2）来源：是由钢铁工业烟煤制取焦炭时产出的煤焦油经高温分馏后的残渣，是多种碳氢化 合物的混合体 3）作用：粘接固体炭粒（骨料） ，构成具有一定塑性的炭糊，并且在炭糊焦化过程中渗入 骨料之间，使阳极具有足够的机械强度 4）性能指标：包括固定碳、挥发分和灰分等 （固定碳的定义：沥青在隔绝空气的条件下，加热到 800℃，干馏 3 小时，排除全部挥发 分后残留的总碳量，也称结焦残碳值）沥青的主要性能指标见表 4。
表 4 预焙阳极粘接剂沥青的性能指标类别 项目中温沥青高温沥青软化点 （℃） 挥发分 （%） 结焦残碳值 （%） 甲苯不溶物 （%）75-95 65-75 52-55 17-2595-120 47-49 65-68 44-48第三节第三节预焙炭素阳极的生产工艺及设备预焙炭素阳极的生产工艺及设备目前炭素厂主要的生产工艺流程如图 13.1 原料的准备和煅烧原料的准备和煅烧 3.1.1 原料的准备原料的准备 包括内容：原料的验收入库和煅烧前的准备 进厂石油焦首先通过带网格的受料漏斗进行筛选，其中小于 300mm 的料进粗碎设备 进行破碎，而大于 300mm 的料需经人工打碎后再进漏斗过筛粗碎设备：主要有齿式对 辊破碎机或颚式破碎机其技术要求是：石油焦破碎完毕后粒度控制在 50-70mm 进厂的沥青经破碎后送入沥青熔化槽进行熔化，使其成为液体沥青一般破碎沥青的 设备多为环锤式破碎机3.1.2 石油焦煅烧石油焦煅烧 1、煅烧的目的： 1） 、排除原料中的水分和挥发分； 2） 、促使单体硫气化和化合态硫的分解； 煅烧的结果：提高原料的真密度、机械强度、导电性和抗氧化能力 2、煅烧的主要技术参数 控制煅烧带温度不低于 1250℃，不高于 1350℃。
3、煅烧设备煅烧设备主要有回转窑、罐式煅烧炉、电热煅烧炉等三种，目前，大多数炭素厂采用回 转窑，在此重点介绍回转窑 1）回转窑的优缺点： 优点：结构简单，产能大，生产机械化程度高，投资相对少，容易清扫 缺点：原料的烧损比较大（一般有 10%左右） 2）回转窑的结构 主体：回转窑和冷却机组成 回转窑：窑尾装置、窑体、窑头装置、燃烧装置、二次风装置、引风机、除尘设施及排烟 管路、烟囱等 冷却机：结构类似于回转窑窑体，但简单许多，其作用是：一方面冷却物料，另一方面也 可 空气，节省热能3）物料煅烧程序及工艺参数 原料石油焦（俗称生焦）经窑尾流入回转窑，在窑内与逆流的热空气接触加热，由于 窑体是倾斜转动，物料随窑体转动的同时向窑头移动，并依次经过窑内的预热带、煅烧带、 冷却带，最后从窑头流出进入冷却机石油焦 沥 青粗 碎 破 碎 煅 烧 中 碎 熔 化筛分分级球 磨粗 粒 中 粒 细 粒 球磨粉 残 极 生 碎 预 热混 捏成 型焙 烧预焙阳极图 1 预焙阳极生产流程简图阳极组装预热带：最高温度：800-1100℃，进料口温度：500-600℃。
热源：从煅烧带流过的热烟气物料变化：脱水并排出挥发分及硫分 煅烧带：最高温度：1250-1350℃，物料可加热到 1200℃以上热源：重油或煤气燃烧，二次风助燃物料变化：生焦焦化，石油焦形成碳原子的平面网格，呈两维空间的有序结构排 列，达到增加石油焦的物化性能（如电阻率、真密度、机械强度等）的目的 冷却带：窑头温度：小于 1000℃物料在此段自然冷却 冷却机：采用喷水方式对物料进行强制冷却冷却机出口煅后焦温度：小于 60℃3.2 筛分与配料筛分与配料 包括工序：筛分、球磨、配料 3.2.1 筛分筛分 1、目的：将煅后焦破碎分成不同粒级，以符合科学配料的要求 2、筛分设备：一般在炭素厂多使用震动筛，此外还有回转筛、摇摆筛等 3.2.2 球磨球磨 1、目的：将部分煅后焦磨成细粉，以满足配料要求 2、设备：球蘑机 3、工作原理：采用某种介质（如钢球） ，在筒体内与物料一起旋转，介质在运动中将物料 磨碎 3.2.3 配料配料 1、定义：将不同粒级的焦粒（包括粉料）按一定的比例配合 2、目的：为了得到堆积密度较大而气孔率较小的炭素材料 3、配料技术参数 对于预焙阳极，其生产中的基本配方为： 粗颗粒料（。