孫麗貞，陳開斌，王玉杰，李 賀，張繼光

(中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司,河南 鄭州 450041)

預(yù)焙陽極是電解槽的心臟,其質(zhì)量狀況直接影響電解槽的工藝技術(shù)條件和技術(shù)經(jīng)濟指標。在電解鋁“產(chǎn)能上限”、“碳達峰”、“能耗雙控”和“電解鋁行業(yè)階梯電價”等政策要求下,從企業(yè)生存發(fā)展角度看,進一步提高陽極質(zhì)量,降低陽極生產(chǎn)成本成為鋁用炭素企業(yè)關(guān)注的重點。

預(yù)焙陽極質(zhì)量與使用原料性質(zhì)、生產(chǎn)工藝特點、物料顆粒組成[1]、瀝青用量及生產(chǎn)管理等因素有關(guān)。陽極生產(chǎn)包括煅燒工序、成型工序、焙燒工序三個關(guān)鍵工序,其中成型工序的配料環(huán)節(jié)是陽極生產(chǎn)中的一項非常重要控制環(huán)節(jié)。各企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗及生產(chǎn)需求,不斷優(yōu)化完善成型生產(chǎn)配方,成型配方中物料最大粒級及各粒級級配亦不相同,物料最大粒級主要有15 mm、12 mm、8 mm、6 mm、4 mm不等。部分企業(yè)采用傳統(tǒng)的小顆粒配方,最大顆粒粒級為4 mm,生產(chǎn)中4～2 mm、和2～1 mm的用量較大,導致中碎的破碎比較大,致使中碎的破碎能力不能完全滿足生產(chǎn)的需要,影響配料的產(chǎn)能,影響產(chǎn)量。另外從陽極的生產(chǎn)指標來看,小顆粒配方陽極的空氣滲透率指標波動較大,生產(chǎn)控制難度較大。為降低陽極空氣滲透率,生產(chǎn)過程中必須提高陽極生坯體積密度,但是對于小顆粒配方來說,因生坯體積密度的提高同時會造成生坯內(nèi)應(yīng)力增大,陽極容易出現(xiàn)裂紋等廢品,從而影響陽極外觀合格率[2]。

為了進一步提高成型中碎能力的適應(yīng)性、提高陽極外觀合格率和內(nèi)在理化指標質(zhì)量,本次試驗在不過度改變生產(chǎn)工藝流程前提下,考慮適當增大成型干料配方的最大粒級[3]。通過對固體材料粒度組成的選擇,采用正交試驗方法,以便獲得最大振實密度的顆粒級配。根據(jù)“球體最緊密堆積”原理[4],如何確定配方的最大振實密度[5]是本次實驗的重點。鑒于目前小顆粒配方陽極已擁有長期的生產(chǎn)經(jīng)驗基礎(chǔ),本次試驗選擇少量的試驗點研究粒度組成及其對產(chǎn)品質(zhì)量影響,并開展實驗室研究和工業(yè)生產(chǎn)線試驗,為下一步工業(yè)推廣提供技術(shù)數(shù)據(jù)支撐。

1 試 驗

1.1 試驗方法

根據(jù)“球體最緊密堆積”原理及陽極生產(chǎn)實踐,確定振實密度較大且較穩(wěn)定的配方試驗。試驗方法如下:

在原有4 mm配方的基礎(chǔ)上,將配方中最大粒級分別調(diào)整為5 mm、6 mm等,其他生產(chǎn)工藝條件不變的情況下,在實驗室進行若干組干料振實密度試驗。再根據(jù)振實密度試驗結(jié)果,優(yōu)選較好的實驗室配方開展工業(yè)生產(chǎn)試驗研究,通過對生制品指標和物料平衡指標的對比,進而確定適宜的生產(chǎn)配方和工藝條件。最終根據(jù)試驗結(jié)果與原4 mm生產(chǎn)配方的指標數(shù)據(jù)進行比較,獲得最終試驗結(jié)論。

1.2 試驗原料

本次試驗原料采用某廠采購的A、B、C三種石油焦,試驗原料配方比例為A∶B∶C=2∶2∶1。原料混配后經(jīng)罐式煅燒爐煅燒,煅燒前、煅燒后原料指標如表1所示。

表1 混配原料指標表

試驗用各粒級物料(煅后焦):生產(chǎn)流程中,采用反擊式破碎機對煅后焦進行中碎,中碎后煅后焦顆粒經(jīng)過振動篩篩分,分別取振動篩篩出的粒徑>5 mm、5～3 mm、3～1 mm、1～0 mm的篩后料以及粒徑>6 mm、6～3 mm、3～1 mm、1～0 mm的篩后料,分組存放。將各組的1～0 mm中碎顆粒進行粒度分布測試,記錄數(shù)據(jù)。

試驗用粉料:取生產(chǎn)流程中粉料。Blaine要求:3000～3500。

試驗用瀝青:取生產(chǎn)流程中瀝青,瀝青軟化點103～105℃。

2 試驗數(shù)據(jù)

2.1 配方中大顆粒為5 mm的生制品指標研究

2.1.1 實驗室振實密度試驗

按照表2中物料配方粒度要求,稱取干料重量約500 g共6組,分別進行振實密度(d振實)試驗并記錄振實密度數(shù)據(jù)。

表2 各配方堆積密度匯總

從結(jié)果中看第1-1、1-2、1-6都在1.20 g/cm3以上,振實密度較大,優(yōu)選為工業(yè)試驗備選配方組。

2.1.2 物料平衡分析

在炭陽極生產(chǎn)中調(diào)整配方粒度時,需要綜合考慮實際生產(chǎn)中物料平衡問題,故對生產(chǎn)中煅后料進行取樣篩分,分析各粒級粒度組成,具體篩分結(jié)果如表3。

表3 實取煅后焦粒度篩分結(jié)果

結(jié)合試驗研究干料配方振實密度結(jié)果以及生產(chǎn)中物料平衡情況,大顆粒為5 mm配方生產(chǎn)時,選擇1-1、1-2組配方較好,比較符合生產(chǎn)實際情況,故進一步優(yōu)選這兩組配方進行工業(yè)試驗。

2.2 配方中大顆粒為6 mm的生制品指標研究

2.2.1 實驗室振實密度試驗

按照表4中物料配方粒度要求,稱取干料重量約500 g共16組,分別進行振實密度(d振實)試驗研究并記錄振實密度數(shù)據(jù)。

從表4結(jié)果看第2-1、2-5、2-6、2-7、2-8、2-9、2-10、2-11、2-12、2-13、2-14、2-15、2-16均大于1.20 g/cm3以上,振實密度較大,其中2-5、2-9、2-14、2-15、1-16振實密度高,重復性較好,優(yōu)選為工業(yè)實驗備選配方組。

表4 各配方堆積密度匯總

2.2.2 物料平衡分析

在炭陽極生產(chǎn)中調(diào)整配方粒度時,需要考慮實際生產(chǎn)中物料平衡問題,對生產(chǎn)中煅后料進行取樣,篩分分析各粒級的粒度分布情況,篩分結(jié)果如表5,根據(jù)篩分結(jié)果確定試驗用成型配方。

表5 實取煅后焦粒度篩分結(jié)果

結(jié)合試驗研究干料配方振實密度試驗結(jié)果以及生產(chǎn)中物料平衡情況,大顆粒為6 mm配方生產(chǎn)時,選擇2-14、2-15組配方生產(chǎn)對物料平衡較好,比較符合生產(chǎn)實際情況,故進一步優(yōu)選這兩組配方進行工業(yè)試驗。

2.3 工業(yè)試驗

結(jié)合實驗室研究成果,綜合考慮生產(chǎn)裝備、現(xiàn)場改造以及物料匹配狀況,大顆粒為5 mm配方生產(chǎn)時,工業(yè)試驗采用1-1、1-2編號配方比例;大顆粒為6 mm配方生產(chǎn)時,工業(yè)試驗采用2-14、2-15編號配方比例,分別制備生陽極進行焙燒,根據(jù)焙燒品指標情況,綜合考慮推廣應(yīng)用配方。

2.3.1 大顆粒為5 mm配方工業(yè)試驗

(1)設(shè)備改造

為確保生產(chǎn)篩網(wǎng)與試驗篩網(wǎng)的一致性,對中碎系統(tǒng)振動篩網(wǎng)進行改造,上層篩以5 mm篩網(wǎng)代替原有4 mm篩網(wǎng),中層篩以2.5 mm篩網(wǎng)代替原有2 mm篩網(wǎng),下層原有1 mm篩網(wǎng)不變,篩網(wǎng)按次序排列。

(2)技術(shù)要求

采用上述振實密度較高1-1、1-2的干料配比作為生產(chǎn)配方,瀝青用量及其它工藝條件均不變,保證生坯的體積密度在1.65 g/cm3以上。對工業(yè)試驗塊單獨堆放,全程跟蹤,并對理化指標進行全分析。

感知層：通過智能IP網(wǎng)絡(luò)攝像機[3-4]實現(xiàn)閥室現(xiàn)場的視覺感知、三鑒/微波探測器實現(xiàn)對閥室現(xiàn)場一定范圍內(nèi)的移動物體的探測與感知、聲光報警器用來實現(xiàn)感知到入侵信號時的現(xiàn)場警示；網(wǎng)絡(luò)層：通過局域網(wǎng)交換機、專網(wǎng)/公網(wǎng)傳輸設(shè)備實現(xiàn)閥室本地、站場與閥室的數(shù)據(jù)交換與傳輸；應(yīng)用層：分為主機支持層與提供服務(wù)層，主機支持層為提供服務(wù)層功能的實現(xiàn)提供硬件支持。網(wǎng)絡(luò)拓撲圖見圖1，邏輯拓撲圖見圖2。

實際干料配方:5～3 mm,29%;3～1 mm,19%;細粉,39%。

(3)試驗工藝條件控制

球磨粉布朗值:球磨粉Blaine 3157,波動范圍2910～3500,球磨粉合格率為96.7%。

生坯糊料揮發(fā)分、S及微量元素控制要求見表6。

表6 5 mm配方生坯糊料揮發(fā)分、S及微量元素控制要求

成型過程中,粉子工藝指標要求滿足生產(chǎn)技術(shù)需要,過程糊料控制相關(guān)指標也滿足生產(chǎn)技術(shù)要求。

2.3.2 大顆粒為6 mm配方工業(yè)試驗

為確保生產(chǎn)篩網(wǎng)與實驗篩網(wǎng)的一致性,對中碎系統(tǒng)振動篩網(wǎng)進行改造,上層篩以6 mm篩網(wǎng)代替原有5 mm篩網(wǎng),中層篩以2.5 mm篩網(wǎng)代替原有2 mm篩網(wǎng),下層原有1 mm篩網(wǎng)不變,篩網(wǎng)按次序排列。

(2)技術(shù)要求

采用上述振實密度較高2-14、2-15的干料配比作為生產(chǎn)配方,瀝青用量及其它工藝條件均不變,保證生坯的體積密度在1.65 g/cm3以上。對工業(yè)試驗塊單獨堆放,全程跟蹤,并對理化指標進行全分析。

(3)試驗工藝條件控制

球磨粉布朗值:球磨粉Blaine 3212,波動范圍3004～3500,球磨粉合格率為98.2%。

生坯糊料揮發(fā)分、S及微量元素控制要求見表7。

表7 6 mm配方生坯糊料揮發(fā)分、S及微量元素控制要求

成型過程中,粉子工藝指標要求滿足生產(chǎn)技術(shù)需要,糊料質(zhì)量控制相關(guān)指標等也滿足生產(chǎn)技術(shù)要求。

2.3.3 工業(yè)試驗產(chǎn)品指標

工業(yè)試驗(5 mm配方、6 mm配方)和日常生產(chǎn)數(shù)據(jù)(4 mm配方)的總結(jié)對比見表8、表9、表10。

表8 生陽極試驗前后合格率對比

表9 焙燒塊試驗前后合格率對比

表10 焙燒塊試驗前后理化指標對比

3 試驗結(jié)論

為了減小成型中碎能力對成型產(chǎn)量的影響,通過改變生產(chǎn)配方中大顆粒粒度,開展增大配方粒級的生產(chǎn)試驗研究,將生產(chǎn)配方中大顆粒粒度由4 mm增大到5 mm、6 mm:

(1)產(chǎn)品的理化性能指標穩(wěn)定,尤其是陽極空氣滲透率均值為1.45 nPm、1.50 nPm,比同期大顆粒為4 mm小顆粒配方生產(chǎn)產(chǎn)品優(yōu)(同期陽極為1.72 nPm)。成型配方中適當增大顆粒粒徑有利于空氣滲透率指標的改善。

(2)成型配方中適當增大顆粒粒徑對產(chǎn)品外觀合格率影響不大。本次實驗過程中,生坯合格率達到99.16%,焙燒品合格率分別為99.1%,與日常生產(chǎn)中生坯合格率99.07%、焙燒品合格率99.01%相比變化不大,但從廢品類型來看,裂紋所占比例減小。

(3)從試驗數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程指標和實際生產(chǎn)經(jīng)驗,較大粒徑顆粒配方可通過增大物料顆粒的粒徑,降低原料的破碎比,從而提高中碎的產(chǎn)能。但本次試驗生產(chǎn)炭塊總量與生產(chǎn)線實際產(chǎn)能相比明顯較小,未能實際測算生產(chǎn)成本,需要在以后的生產(chǎn)和研究中進一步論證。

綜合考慮試驗效果,對于采用小顆粒配方生產(chǎn)陽極的企業(yè),在不大幅改變生產(chǎn)流程前提下,可適當增大成型配方中大顆粒粒級,推薦采用6 mm配方,進一步提高陽極質(zhì)量和產(chǎn)量。