优质铝用预焙阳极炭块制造技术的研究与开发.ppt
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,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。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。,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。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。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,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，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,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。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及运行奠定坚实基础。,1、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,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。,（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。（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。（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。（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,从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,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,4.1.2 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。,4.1.3 小结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。,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813%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。4.2.2 研究结果与分析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。4.2.3 小结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,4.3.1 立题研究的过程与方法4.3.1.1 磁选机在线除铁、镍的应用机理铁、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。,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。4.3.1.2 磁选机磁感应强度及结构的选择石油焦的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,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。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。4.3.2 研究结果与分析利用铁、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进行在线除铁、镍效果良好，是降低预焙阳极炭块Fe和Ni含量的有效途径之一，有利于提高电解铝的品位，极具推广价值。,4.3.3 小结-磁选机在铝用预焙阳极炭块生产线应用的效果,预焙块Fe含量下降了180-300PPm，Ni含量下降了70-100PPm，效果非常明显。,4.4 研究内容之四：沥青熔化工艺技术研究与开发4.4.1立题研究的过程与方法,贯彻沥青快熔快用的理念，调整好加料时间、加料量。我们分别对沥青熔化使用周期为415天的槽沥青指标进行分析研究（见表6）。最后确定沥青熔化使用周期由原来的815天缩短到4-7天。严格控制沥青熔化温度，将余热热媒炉热媒出口温度控制在170-180，使用槽槽温控制在170-175。沥青进线前液面必须呈镜面状态。,4.4.2 研究结果与分析沥青软化点、甲苯不溶物、喹啉不溶物影响沥青对骨料的浸润效果，进而影响糊料塑性；合适的甲苯不溶物、喹啉不溶物含量及沥青加入量有利于提高预焙阳极炭块的抗热震性、体积密度、真密度、强度；降低空气渗透性和电阻率。因此，适当降低槽沥青喹啉不溶物控制范围，以降低槽沥青软化点，改善沥青对骨料的浸润效果，进而改善糊料塑性是值得尝试的一条途径。4.4.3 小结通过以上几项过程的研究与试验，沥青理化指标基本稳定。但是使用改质沥青虽然能够提高焙烧析焦率，但是造成沥青软化点、甲苯不溶物偏高，对混涅温度、成型温度的压力较大，沥青对骨料的浸润效果较差，导致预焙阳极内部结构均质性不好。因此我们先后对沥青的使用温度进行调整试验，改变了沥青对骨料的浸润效果，通过调整基本可以得出如下结论：熔化使用周期48天，软化点在100-108的沥青，使用温度在175-185时比较合适。,4.5 研究内容之五：配料成型工艺技术研究与开发4.5.1立题研究的过程与方法,4.5.1.1 配料方研究研究与试验：配方中大颗粒、中颗粒、细颗粒、粗粉、细粉的最佳匹配以及沥青加入量最佳配合，对制品质量影响极大。合适的配方及沥青加入量，在适宜的温度制度下，才能生产出具有良好塑性的糊料，而糊料特性是影响炭块内部均质性的主要因素，是各项理化指标的根本保证。而配方中的关键是球磨粉的使用量，我们进行多次工业研究与试验及球磨粉粒级分布、比表面积分析、混合料分析。4.5.1.2 球磨粉纯度与布朗值的控制：球磨粉的粒级分布结构，比表面积大小对沥青用量的影响较大，对预焙阳极炭块理化指标体积密度、强度、电阻率、抗裂指数、空气渗透性等指标影响较大。,4.5.2 研究结果与分析,我们对球磨粉的粒级分布结构纯度指标、比表面积指标布朗值以及混合料中粉子的纯度、布朗值进行了多次测试，并且与*炭素厂的球磨粉指标进行了对比，经过对测试数据整理分析可以得出如下结论：4.5.2.1 靠给料控制球磨粉纯度的球磨机，球磨粉布朗值无法稳定，磨料不同导致纯度相同布朗值不同，磨大颗粒料布朗低，磨小颗粒料布朗值高。4.5.2.3球磨粉纯度与布朗值没有相关关系。纯度与布朗值无明显对应关系，说明球磨粉各粒级分布随磨料变化而变化，虽然纯度相同但粒级分布不同，导致比表面积不同。4.5.2.4 与*炭素厂球磨粉比较分析，可以得到纯度为64%-68%与*炭素厂球磨粉60%-65%纯度的球磨粉结构才能相近。,我厂与*炭素厂球磨粉粒度分布对比分析表,通过对比分析及工业试验，优化了配方：48mm*%-*%，14mm*%-*%，-0.074mm*%-*%，球磨粉纯度60-65%，回收粉按比例加入，沥青加入量151%。4.5.3 小结配料是制品质量的关键，温度控制是保证。糊料特性是制品质量均质性的根本保障。球磨粉的加入量、细粉含量是制品质量的关键的关键，细粉是与沥青形成粘结物胶状体的基质。因此，在球磨粉结构变化较大的情况下，更应关注球磨粉的加入量总量，0-0.074以及0-0.038细粉加入量，这样有利于提高生块体积密度，增加粘结力，提高预焙阳极炭块强度，降低空气渗透性和电阻率；但对预焙阳极炭块抗热震性、杨氏模量影响较大，炭块裂纹废品增加可能性要增大。提高干混温度与合适的沥青温度会改善沥青对骨料的浸润效果，提高糊料塑性，有利于提高生块体积密度和炭块内部结构的均质性；提高成型温度利于提高生块体积密度，但会增加沥青蒸气压，增加应力导致生块开裂。,4.6 研究内容之六：焙烧工艺技术研究与开发4.6.1立题研究的过程与方法,4.6.1.1 针对我公司焙烧炉火井较浅、蓄热效果差的特点，进行了温场测试，根据“两头快、中间慢”的焙烧升温原则，分别研究试验了32h、36h、40h焙烧曲线（见表8），放慢了420860升温速度、平均升温速率为3.448/h，特别是放慢了560780区间的升温速度，火道最终温度确定为1180，制品温度1050-1080，并且延长了保温时间。这样有效的改善了制品理化指标，特别是有效降低了制品电阻率。4.6.1.2 加强修炉工作，提高修炉质量，营造良好的焙烧氛围。4.6.1.3 提高装炉操作水平，采取人工捣料操作模式。,4.6.2 研究结果与分析合适的焙烧最终温度与足够的保温时间是降低预焙阳极炭块电阻率的有效途径。焙烧炉的修炉质量以及装出炉操作水平是减少氧化、变形废品的关键控制环节。4.6.3 小结通过焙烧技术优化试验，焙烧曲线与合适的焙烧最终温度有利于提升产品理化指标，焙烧炉的修炉质量以及装出炉操作预焙阳极炭块外观指标的保证。,5 结论,5.1 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，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。,5.2 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进行在线除铁、镍效果良好，是降低预焙阳极炭块Fe和Ni含量的有效途径之一，有利于提高电解铝的品位，极具推广价值。5.3 有效的控制煅前料、煅后料、以及生块的微量元素含量，特别是Na、Ca含量，是提高预焙阳极碳块的CO2反应性残留，降低CO2反应性损失的有效途径；提高生块乃至熟块的体积密度，降低孔度是提高预焙阳极碳块的CO2反应性残留，降低CO2反应性脱落度的一条途径。5.4 适当提高煅烧温度、合理的负压制度、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低预焙阳极炭块的真密度。5.5 沥青软化点、甲苯不溶物、喹啉不溶物影响沥青对骨料的浸润效果，进而影响糊料塑性。因此，适当降低槽沥青喹啉不溶物控制范围，以降低槽沥青软化点，改善沥青对骨料的浸润效果，进而改善糊料塑性是值得尝试的一条途径。,5.6 配料是制品质量的关键，糊料特性是制品质量均质性的根本保障。球磨粉的加入量、细粉含量是制品质量的关键的关键，细粉是与沥青形成粘结物胶状体的基质。因此，在球磨粉结构变化较大的情况下，更应关注球磨粉的加入量总量，-0.074以及-0.038细粉加入量，这样有利于提高生块体积密度，增加粘结力，提高预焙阳极炭块强度，降低空气渗透性和电阻率。5.7 提高干混温度与合适的沥青温度会改善沥青对骨料的浸润效果，提高糊料塑性，有利于提高生块体积密度和炭块内部结构的均质性。5.8 合适焙烧最终温度与足够的保温时间是降低预焙阳极炭块电阻率的有效途径。焙烧炉的修炉质量以及装出炉操作水平是减少氧化、变形废品的有效途径。,6 技术创新点,6.1 原料配比技术开发根据不同产地石油焦的化学特性，应用数学方法计算配方做为体积配比实验的指导，采取体积配料试验法确定煅前配料方是我们研究开发的一项新型实用技术，是适合于工业生产控制的良好方法，是控制预焙阳极炭块化学元素的关键所在。应用此项技术，我们确定了石油焦配料方，为出口俄罗斯、荷兰以及精铝块生产控制微量元素指标提供了保证。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。,6.2 磁选机在线除铁、镍技术的研究开发,利用铁、镍及其氧化物与煅后石油焦的磁学性质，在煅后料输送线引入磁选机进行在线除铁、镍，该技术的开发与应用居国内领先水平。该技术的关键在于磁选机磁感应强度及结构的选择应用 以及工艺线安装位置。,6.3 配料工艺技术研究开发,我们研究开发了适用于炭素一公司生产线的预焙阳极炭块生产配料方：48mm*%、1-4mm*%、0-0.074mm*%，沥青151%。粒度料纯度要求：3#料85%、2#料85%、球磨粉纯度控制在60%-65%，进行回收粉按比例进线。,配料工艺技术优化适用于预焙阳极炭块生产配料工序。配料方要因生产线而异，要适应于制粉及筛分设备，配料方不能照抄照搬。在球磨粉结构变化较大的情况下，在配方的设计时更应关注球磨粉的加入量总量，0-0.074以及0-0.038细粉加入量，这样有利于提高生块体积密度，增加粘结力，提高预焙阳极炭块强度，降低空气渗透性和电阻率。,
