提高预焙阳极焙烧质量途径探-王树斌潘建平讨

提高预焙阳极焙烧质量途径探讨 王树斌潘建平严利宁 (青海桥头铝电股份有限公司炭素分公司 青海大通‘810100) 摘要：炭阳极是铝电解生产的“心脏”，其工作和质量状况对铝电解生产的 技术经济指标影响很大。随着铝电解工业的巨大进步，对炭阳极质量的要 求也越来越严格，从原料、工艺、装备检测技术等方面的技术尚需不断的 提高．我公司铝电解槽炭阳极为预焙阳极，为了使铝电解生产正常及电流 效率、能消电耗、产品等级等经济效益指标更上一个新的台阶，以及为防 止铝用预焙阳极在电解生产中发生氧化掉渣、裂纹、掉块等现象，使预焙 阳极材料性能能最优化满足铝电解用，下文将从提高预焙阳极质量途径进 行探讨． 关键词：预焙阳极质量探讨 1．前言 炼铝生产就是对溶解的冰晶石—氧化铝体系的电解过程。炭素阳极材料把电流导 入电解槽并参与电化学发应。铝电解生产中，炭阳极参与反应而逐渐消耗，生产时， 需定期向电解槽中更换新的预焙阳极以保持正常连续工作，铝电解生产对炭素阳极材 料的要求是：耐高温、耐溶解盐侵蚀、有较高的导电率和纯度、有足够的继续强度和 热稳定性、透气率低和抗OQ及空气的氧化性能好。而在实际的铝电解生产过程中经 常出现的阳极故障有；阳极局部过热、电流分布不均、阳极掉块、脱落、阳极“长苞”、 阳极裂纹断层、阳极糊漏出、阳极“冒顶”、大量炭渣落入电解质，使电解质含炭、阳 极四周氧化燃烧、阳极倾斜等。以上故障主要是由阳极质量及电解作业不当引起，当 发生以上故障时，破坏了电解槽正常生产技术条件，使电解槽出现紊乱状况，造成电 解槽操作困难、铝品位的下降等一系列恶劣后果，甚至导致停槽。各类阳极故障是铝 电解槽的“急性症状”，严重影响电解槽经济技术指标。由以上所述，阳极质量不好引 起的慢性病症，它使得阳极和电解槽的温度过高、电流分布不均、同样也严重的影响 电解槽的经济技术指标． 2．提高焙烧炉室的管理 我公司采用34室敞开式环式焙烧炉。其结构由混凝士炉壳、炉底和侧墙、火道 和横墙、连通火道、环行烟道组成。环式焙烧炉采用多炉室串联运行，借助于焙烧烟 气形成预热、加热、保温、冷却的温度分布结构，形成连续作业的生产特点。另外它 ．37． 还具有成品质量稳定，炉温控制、调节方便，装出炉易于机械化、热效率相对提高等 优点。 但焙烧炉由于长期处于热交变的温度变化及由于机械、人为原因，易出现炉室墙 体变形、倾斜、烧穿，以及密封引起的边火道低负压、低温度、连通火道跨界时侧边 火道低负压、低温度。以及火道墙砖缝变大造成局部漏填充料而引起的制品变形、掉 角和氧化等缺陷，炉室密封不好而引起的系统负压不够等因素造成制品焙烧质量低。 在焙烧炉的生产使用过程中，为了防止以上因素造成的制品质量低的可能，就需要提 高焙烧炉的管理，对其进行经常性的检查、维护，以保证密封、透气、温度均匀的生 产要求。 3．提高炭碗填充质量 焙烧制品经堆垛天车转运至阳极组装台经过组装和浇注后，导杆和炭块连接在一 起成为预焙脚I极供电解使用。在此过程中焙烧前生坯炭碗的填充是生坯进行焙烧的首 要环节。而对炭碗内进行填充填充料的技术要求也成为生坯在焙烧过程中炭碗部位是 否达标的影响因素。如果对炭碗进行填充料的填充没达到相关要求，则在焙烧过程中 粘结剂软化时，就会因为炭碗内缺少填充料而引起炭碗塌陷和变形，由此而影响阳极 质量。 4．提高填充料质量 焙烧填充料焙烧时用于覆盖生坯，填充料间隙以防止生坯氧化、变形的散粒状材 料。填充料对生同j极在焙烧过程中结焦值的大小有明显的作用，从而影响预焙内I极的 物理化学性能。填充料的作用有以下四种： 1．使加热火焰不能与生坯直接接触以防止氧化； 2．同定生坯形状，因生坯加热到一定温度会软化并在自重和外力作朋下产生变 形，在生坯周围用填充料填塞可以防-II=生坯变形： 3．传导热量，焙烧时燃料燃烧产生的高温通过填充料传导给生坯： 4．保留挥发份的排除通道，生坯在焙烧时的挥发份通过填充料颗粒之间的空隙排 出。我公司焙烧用填充料的粒度要求是1—6咖。填充料粉料越多，吸附性越强(颗粒 面越粗糙或比表面积越火，吸附性能就越强，挥发物被吸收越多，毛坯焙烧后失重 越大)。同时，挥发份与燃料烧结在预焙阳极表面，难以清除。同样，填充料粒度过大 透气性增大，挥发份溢出速度快。粘结剂结焦量越小。透气性越低，一方面可给挥 发物的通过造成一种阻力，保持毛坯周围较高的挥发物浓度，以提高粘结剂的结焦量， 另一方面可防止制品氧化。随着焙烧过程的进行，填充料由于受机械粉碎作用和氧化 作用，将产生细粉，随着粉料逐渐增多，粒度下降。焙烧一个周期，粒度下降火约10％ 左右。因此每生产一段时间要将填充料中小于0．5mm的细粉及过火颗粒应及时筛分淘 汰，再补充新的填充料，以保证填充料纯度要求。 5．提高装炉质量 生坯编组后经多功能天车装炉，装炉过程中装炉质量的好坏直接影响到生坯在焙 烧过程中的质量。装炉时料箱最底层填充料为lOOmm，然后放一层生坯，在生坯上面 铺厚度为50mm的填充料，共装3层，覆盖料厚度高出炉面50mm。每层填充料要铺平， -38· 不能有倾斜的现象且不能有大块粘结料、及蓬料现象，填充料四周要捣实。装炉时生 坯四周间隙要均匀。装炉要求具体如图l所示： o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 。o o o o o o o o o o o o o o o ● o o o o o o o o 图1装炉具体要求 6．合理采用升温曲线 6．1第一阶段 低温预热阶段：制品从室温升到200℃，明火温度大约为350℃。在此温度前制 品粘结剂软化，生坯处于塑性状态，还没有发生明显的化学和物理变化，因此挥发份 排除量很少，主要是排除吸附水，起干燥和预热作用。 6．2第二阶段 中温焦化阶段：制牖温度在200--700℃之间，明火温度大约为350_-850℃之间。 此阶段大量排除挥发份，同时粘结剂开始焦化。当制品本身温度在200--300"12时，挥 发份排除量增加，先后排除了化合水、炭的氧化物和轻馏分。从350℃时起，粘结剂 开始分解和聚合。随着温度的升高，分解和聚合不断进行，气体排除量显著增加。到 了500℃时，粘结剂形成半焦，此段明火温度大约在350℃—喝50℃之间；当制品温度 达750℃后，明火温度达850℃时，半焦逐步转为粘结焦，与骨料紧密的结合在一起， 使生坯制品形成牢同的整体，其理化性能得到很人提高。 6．3第三阶段 高温焙烧阶段：制品温度在700℃一l100℃之间，明火温度大约为850—1150℃ 之间。此阶段制品进一步排除残留挥发份，使炭化过程进行的更彻底、粘结焦进一步 致密化、制品真密度、比电阻性能进一步改善。 6．4第四阶段 冷却阶段：焙烧结束后制品从四周开始冷却。但制品内部温度可能还在继续升高， 同时还伴有收缩，而制品表面部分收缩已经停止，这就加剧了制品各部分体积变化不 均匀而产生的内应力。随着冷却的继续，制品的表面再次收缩。 焙烧升温曲线决定了制品的焙烧时间，升温速度和焙烧的最高温度，直接关系到 系统的产量和质量。同时也涉及到系统的平稳、安全运行及系统的经济性。因此采用 ．39- 合理的升温曲线对产品质量是很关键的。在采用燃烧系统升温曲线时要根据生制品的 组成．性质、产品在焙烧过程中的变化、炉型结构、填充料的种类和燃料种类来制定 出合理的升温曲线。 7．加强制品在焙烧过程中理化指标的控制 在焙烧过程中，粘结剂不断发生分解和聚合反应，产品结构不断变化．各种理化 性能也不断发生变化。 7．1挥发份的变化 挥发份的排除从制品温度在200℃以后，随温度升高其排除量不断增加，温度在 350_-500℃之间排除量激烈，500℃以后缓慢排除，至1000℃以后才基本结束。随着 温度的升高和粘结剂的热解。粘结剂发生了由芳香族化合物一高沸点缩聚芳香族化合 物一沥青质一炭青质的炭化过程。转变为密实、不溶解、黑色不透明的高度富碳的物 质。同时，随着温度的升高，挥发份自身也由低温时的lid、H2s、NHs等转化为00、C ---H化合物等，其部分温度段的组成如表l所示。 表l随着温度的升高挥发份变化表‘—淤1 500 750 1000 CO 4．5 8．2 11．7 地 15．6 36．4 66．0 m 45．5 39．1 18．5 C2llB 36．5 16．3 3．8 7．2比电阻 当制品温度在200℃以下时，粘结剂软化，制品变软，体积膨胀，干料颗粒间的 结合力下降，制品比电阻暂时升高。温度继续升高，粘结剂分解、聚合反应发生和挥 发份的排除、大芳香核周围的边缘原子团脱落，炭质颗粒间的结合不断趋于紧密，制 品的比电阻逐渐下降。当温度在600℃以后，由于炭青质的生成(大约700℃)而形成 具有运动电子的平行原子层的堆状结构—炭青质结构，比电阻急剧下降。制品温度升 高到800℃以后，随着温度的升高，制品颗粒问结合更加紧密，制品比电阻继续’F降。 7．3体积密度 当制品温度达到200"C以上时，由于挥发份的排除，孔度增加，体积密度下降。 当温度继续升高、挥发份的排除，制品不断收缩，体积密度略有增加，并趋于稳定。 一般来说，焙烧时制品重量的损失值(9一13％)大于体积收缩值(2—3％)，所以焙烧 制品的体积密度一般小于制品的体积密度。资料显示，焙烧品的体积密度一般在1．5 一1．8g／cm3，生坯的密度在1．65一1．709／c=3之间。 7．4真密度 由于挥发份的大量排除、孔度的不断增加和粘结剂的不断焦化、体积的不断收缩， 焙烧制品的真密度一般略有增加。 7．5抗压强度 焙烧过程中，随着粘结剂的焦化．挥发份的排除、制品的机械强度降低．450℃ 以后，随着温度的升高粘结剂的焦化及焦化的提高和焦化网的形成，制品的机械强度 逐渐升高。但由于孔隙率的增加，最终的抗压强度一般低于生制品的抗压强度。 ．40． 表2制品在焙烧过程中各种理化指标的变化 指标 生坯 焙谠品 指标 生坯 焙烧品 挥发份 抗压强度 含量 13_16， <0．5 49-150 24—54 MPa 真密度 2．0—2．1 重量损失％ 9-13 g／era' 体积密度 g／cm' 1．65-1．7 1．5-1．8 长度收缩 约2 电阻率 >10000 35_—70 体积收缩 2-3 lIQm 表2是制品在焙烧过程中各种理化指标的变化，由上所述要提高焙烧质量就必须 加强制品在焙烧过程中理化指标的控制。 8．加强系统燃烧管理和过程控制 燃烧管理作业，主要是根据焙烧曲线在不同时间段和不同的位置对炉室温度、负 压进行控制及调整作业。焙烧过程控制原理是从焙烧炉各点采集的温度和压力信号经 本地控制系统可编程PLC节点与设定值进行对比分析处理，并周期性传输至中央控制 室调节站，调节站将这些信号与设定值进行对比分析处理，并将指令通过PLc节点控 制器送至燃烧器的电磁阀以调节燃料的输入量和排烟架蝶阀开度，达到温度和负压的 调节。 燃烧管理的基本点有：强制加热的三排燃烧架(4P、5P、6P)处各火道温度管理， 预热区排烟炉室(1P)各火道挥发份温度的管理，总管烟气温度管理和冷却区降温过 程的管理。负压管理的基本点有：总管负压的管理，预热区排烟炉室(1P)各火道负 压的管理和自然冷却区(7P)零压的管理。 对于焙烧系统来说，温度和负压调节是一个相互牵制过程。负压太大．虽然燃气 可以充分燃烧，但由于大的负压，带走热量较多，预热区升温快，不符合升温要求。 负压过小，吸入热空气太少，燃烧不完全，不仅给焙烧区(高温区)炉室温度升不上 去，燃气就地不能燃烧向前串气，破坏升温。 在整个焙烧过程中，控制量受多种因素的影响；如负压大小、火道间的含氧量及 气流流速、炉体的密封程度等，但最直接的控制量为烧嘴的燃料输入量。因此在燃烧 系统的过程控制中加强系统各部分的密封，以防止负压的流失。保证密封的措施有： 盖好观察孔火眼盖，抹好炉边，防止漏气。及时有效的调整使各火道之间纵、横方向 温差最小。并根据本地采集到的各点温度和压力信号来进行及时、准确的调节排烟架 蝶阀开度、燃烧架天然气喷嘴的燃料输入量、鼓风架风门开度来达到曲线要求的温度 梯度，以达到提高制品质量的目的。 9．加强燃烧系统中温度压力测量仪器的维护 在焙烧过程中，准确控制炉内升温速度是提高产品理化指标的根本保证，而温度 和负压信号是由本地的测量仪器传输至中央控制室调节站。所以温度压力测量仪器的 ．4I． 精确度对信号和数据的传输是至关重要的。在系统日常的运行过程中要加强对测量仪 器的维护，以保证其测量精确度，来传输准确的信号和数据以供中央控制室调节站传 输信号和数据与设定值进行对比分析处理，来控制本地设备运行。 10．结束语 提高预焙砰I极焙烧质量的途径的前提必须是建立在控制好原料的质量、煅烧质 量、生坯配方、预热、混捏、振型质量等环节基础上，再加以控制焙烧阶段制品的质 量控制，在以上每个环节都不存在问时才能使预焙阳极最优化质量供电解使J{j。而 我公司现状是各个环节都存在着不同程度的问题，这就对生产出相对最优化质量的预 焙冈l极提出了更多、更新的问题，也就我公司预焙同．I极质量的提高还存在很人的 潜力，也促使我们在生产过程中不断的去探索、研究、创新米不断的提高预焙冈I极质 量。 参考文献 【1】 王平甫、宫振 《铝电解炭阳极技术(一)》冶金工业出版社 【2】 剥啭杰 《碳素阳极生产》职业技能鉴定教材 【3】 《青海桥头铝电股份有限公司炭素分公司技术标准》 -42． 提高预焙阳极焙烧质量途径探讨 作者： 王树斌， 潘建平， 严利宁 作者单位： 青海桥头铝电股份有限公司炭素分公司 青海 大通 810100 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7258812.aspx