浅析影响预焙阳极质量的因素

摘要：在铝电解碳阳极生产过程中,影响预焙阳极质量的有多种因素。文章通过理论和生产实际相结合,分析了影响阳极质量的主要因素，提出了通过加强原料质量、用量控制、混捏温度对阳极炭块质量的重要性、优化生产配方及工艺，合理焙烧、从而生产优质阳极。

关键词：预焙阳极；阳极消耗；微量元素；石油焦；残极；混捏

中图分类号：TF803文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）03-0089-03

预焙阳极是铝电解槽主体部件，是铝电解生产中的重要原料之一。预焙阳极生产是由石油焦、沥青焦为骨料，主要由煤沥青为黏结剂制造而成。生产出来的炭块经过焙烧，称为预焙阳极炭块，同时又称为铝电解用炭阳极。近年来，随着铝电解技术日益成熟，生产工艺大幅改良，各企业向着高效和节能降耗方向发展，预焙阳极的生产在铝电解生产中起到更重要的地位。

预焙阳极作为铝电解生产的阳极材料，在铝电解生产中起到参与电化学反应和电解导电的重要作用。预焙阳极质量性能的好坏直接影响着铝电解槽工作状况的保持及原铝质量的提高，预焙阳极的额外消耗(过剩消耗)，不仅会增加铝电解生产成本，而且会影响电解槽的正常工作参数，并且电解过程容易形成过量碳渣，进而严重影响原铝生产，给电解铝生产操作带来较大困难。本文根据多年的实践研究，对影响阳极质量的因素进行几个方面分析。

一、预焙阳极生产原料的微量元素

预焙阳极生产采用煅烧石油焦、沥青和返回料（电解铝厂返回的电解残极、焙烧碎料、生碎料）为原料。预焙阳极生产大体分为三个过程：原料石油焦的预处理(煅烧)，原料经破碎、筛分、配料，生产出生阳极，再经焙烧得到预焙阳极产品。

（一）原材料中的微量元素

预焙阳极中微元素的来源。微量元素主要来源于生产预焙阳极的主要原料石油焦、沥青等所含的灰份．此外还有生产工艺中返回料时进入阳极的灰份以及在生产阳极过程中进入阳极中的灰份。在这些灰份中所含的微量元素主要包括了铁、硅、碱金属、碱土金属、钒、铬、钛和锰等。

（二）微量元素对预焙阳极危害

降低铝成品纯度、机械性能、导电性能。这类危害微量元素有Si、V、Ti、Fe、Mn等。影响炭素制品的质量，使其物理性能下降，这类危害微量元素多为非金属元素，如S、P等杂质含量高的阳极在焙烧过程中脆性增加，阳极发生裂纹。

此外，Na、V、Ni等元素虽然对电解质、铝的质量无大危害，但它影响炭阳极的反应性能，在二氧化碳、空气及电化学反应中，对阳极起催化作用，使阳极选择性氧化加剧，造成阳极易掉渣、掉块。这不仅增加了碳耗量，而且大量碳渣掉入电解槽影响了生产操作并且降低了电流效率。

在我国现阶段，预焙阳极中的杂质元素是以灰分的形式进行整体衡量，因而没有对预焙阳极中所含每种元素的具体含量进行检测，所以对于微量元素及其含量的多少，究竟会对预焙阳极哪项性能指标产生影响，难以准确确定。国外先进铝生产国家结合实际生产情况，根据不同杂质元素对预焙阳极的影响，对每一种元素的含量都有严格的具体规定。现阶段研究表明微量元素中铁、钙、钠、钒等元素杂质的含量对预焙阳极的氧化反应性影响较大。硫含量每增加1％，阳极的净耗则增大2～3，其他一些杂质元素虽然含量不高，确影响生产中细小变化，能引起预焙阳极反应性的较大波动，给电解生产和成本控制造成严重影响。

二、石油焦及残极的强度

预焙阳极生产一般有65%的石油煅后焦、20%残极及15%煤沥青，这些原料的成本大约占预焙阳极总成本的50%，因而使用质优价廉的原料能够降低阳极的生产成本。研究表明调整原料生产参数、原料特性之间的关系，直接影响在电解过程中阳极质量和性能。相关资料表明，石油焦的特性如：反应性、体积密度、气孔率、强度、纯度、组织结构、特殊表面等影响阳极的特性和性能，煅烧过程对石油焦质量也有重要的影响。生产中残极的数量、残极的硬度和清洁度直接影响预焙阳极的物理性能，例如机械强度、羟基反应性、空气渗透率。

三、二氧化碳反应性及空气反应性

在预焙阳极质量因素中，空气渗透率对阳极的影响最大。其CO2反应残留与Na的催化作用和焙烧最终温度有直接关联；空气反应残留主要与原料性能、残极着火温度和最终焙烧温度有直接关系，但都与空气渗透率有重要联系，因此，空气渗透率是预焙阳极质量中的重要指标，也是衡量一个碳素生产企业技术水平的重要指标。

预焙阳极在电解槽上的运行时间一般为22～28天，有的优质阳极甚至延长至30天以上。空气渗透性对预焙阳极的CO2反应性影响较大，国外对预焙阳极的空气渗透性有着严格的要求，优质预焙阳极的空气渗透性一般0.5～2，直径大于5Oμm的开口气孔具有很大的表面积和气体扩散性，这样的气孔决定了阳极的透气率。空气渗透性的大小影响着CO2气体渗入到预焙阳极内部与预焙阳极的接触面的多少，从而造成预焙阳极反应性降低。通过大量的试验研究表明，空气渗透性与预焙阳极的CO2反应性的残留率一般呈反比。

四、混捏温度对阳极炭块质量的重要性

混捏工序国内一些企业引进时采用两段混捏技术，在使用粘结剂时通常采用固体改质沥青配入一段混捏机，混捏的时间通常在5～7分钟，混捏温度大多为160℃～170℃，而后通过冷却设备，糊温降低到145℃左右，然后进入到成型机。90年代中期，混涅工序采用一段混捏加强力冷却，粘结剂改进为液体沥青，工艺上可以将混捏温度提高到180℃～190℃，通过强力冷却机大约40℃的冷却能力，将糊料冷却到140℃～150℃的水平，通过改进，改善了糊料的混捏质量，阳极理化指标得以提高。

混捏温度对于混捏工艺过程来说是一个比较重要的因素，只有把温度控制在一定温度范围内，才能获得最隹质量产品。若温度较高而未达到高温，所混糊料密实度较低、塑性较差。糊料压制出来的毛坯体积密度比较低，焙烧后孔度大、内部结构不均、机械性能差。混捏的温度过高，会导致沥青受热开始变化，使得部分轻质组分逐渐分解和挥发，导致发生缩聚反应。因而生产中生坯的塑性降低，生坯的成品率低。通过研究发现适当的干料温度还有利于沥青对焦炭的浸润。浸润作用的强弱影响受到焦炭及液体沥青界面的润湿角来决定。温度越高润湿角越小，浸润效果

越好。

五、焙烧温度对阳极炭块

焙烧工艺是阳极炭块生产中的重要工序，生坯炭块在专门设计的加热炉内周围用填充料隔绝空气，按照一定升温速度将生坯加热到1000℃～1050℃左右的生产工序。在阳极炭块生产焙烧过程中生坯炭块主要是进行粘结剂的分解和聚合反应。因而焙烧的升温速度、温度梯度、最高温度对阳极 质量都有很大

影响。

在生产过程中焙烧温度达到1100℃时，粘结焦的焙烧程度接近骨料煅烧的程度，使阳极二氧化碳反应消耗率迅速降低，而这一指标的降低对减少阳极在电解过程中掉渣、氧化，保证正常的电解生产技术条件，降低阳极消耗有非常重要的意义；当温度提高到1200℃时，高温使粘结焦进一步收缩，导致烧损量增多，阳极强度下降，同时导电性也有所下降，显然过高的温度对生产没有任何的帮助；当温度提高到1200℃以上时，火道的温度将会达到1250℃～1300℃以上，这样高的焙烧温度并不能太多地改善阳极理化性能，只能加速焙烧炉火道墙的破损，缩短炉体使用寿命，同时也大大增加了能源的消耗。在焙烧过程中，由于生产工艺的差异，火道的破损、变形、负压的影响，会导致焙烧实际生温曲线偏离设计曲线，使得保温时间和冷却时间不够，产生温差并对阳极炭块的质量有较大的影响。

六、结论

1．空气渗透率是预焙阳极质量中的重要指标，也是衡量一个碳素生产企业技术水平的重要指标。应尽快将空气渗透率和微量元素含量标准纳入我国阳极生产国家行业标准，以便和国际市场接轨，发展我国的铝工业。

2．预焙阳极中微量元素对阳极的使用性能有较大的影响，控制微量元素是提高阳极质量的重要

部分。

3．通过加强原料质量、用量控制，焙烧温度的控制，优化生产配方及工艺，生产优质预焙阳极技术是与国际要求接轨的大势所趋。

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基金项目：贵州省国际科技合作计划项目（黔科合外G字[2010]7021号）；贵州省科技计划（黔科合GY字（2011）3028），贵州省科学技术基金（黔科合J字LKS[2010]15号）。

作者简介：杨波（1987-），男，新疆人，贵州大学材料与冶金学院硕士研究生，研究方向：有色金属冶金。

（责任编辑：刘晶）