预焙阳极中颗粒配方试验研究及应用

孙丽贞，陈开斌，王玉杰，李 贺，张继光

(中铝郑州有色金属研究院有限公司,河南 郑州 450041)

预焙阳极是电解槽的心脏,其质量状况直接影响电解槽的工艺技术条件和技术经济指标。在电解铝“产能上限”、“碳达峰”、“能耗双控”和“电解铝行业阶梯电价”等政策要求下,从企业生存发展角度看,进一步提高阳极质量,降低阳极生产成本成为铝用炭素企业关注的重点。

预焙阳极质量与使用原料性质、生产工艺特点、物料颗粒组成[1]、沥青用量及生产管理等因素有关。阳极生产包括煅烧工序、成型工序、焙烧工序三个关键工序,其中成型工序的配料环节是阳极生产中的一项非常重要控制环节。各企业根据生产经验及生产需求,不断优化完善成型生产配方,成型配方中物料最大粒级及各粒级级配亦不相同,物料最大粒级主要有15 mm、12 mm、8 mm、6 mm、4 mm不等。部分企业采用传统的小颗粒配方,最大颗粒粒级为4 mm,生产中4～2 mm、和2～1 mm的用量较大,导致中碎的破碎比较大,致使中碎的破碎能力不能完全满足生产的需要,影响配料的产能,影响产量。另外从阳极的生产指标来看,小颗粒配方阳极的空气渗透率指标波动较大,生产控制难度较大。为降低阳极空气渗透率,生产过程中必须提高阳极生坯体积密度,但是对于小颗粒配方来说,因生坯体积密度的提高同时会造成生坯内应力增大,阳极容易出现裂纹等废品,从而影响阳极外观合格率[2]。

为了进一步提高成型中碎能力的适应性、提高阳极外观合格率和内在理化指标质量,本次试验在不过度改变生产工艺流程前提下,考虑适当增大成型干料配方的最大粒级[3]。通过对固体材料粒度组成的选择,采用正交试验方法,以便获得最大振实密度的颗粒级配。根据“球体最紧密堆积”原理[4],如何确定配方的最大振实密度[5]是本次实验的重点。鉴于目前小颗粒配方阳极已拥有长期的生产经验基础,本次试验选择少量的试验点研究粒度组成及其对产品质量影响,并开展实验室研究和工业生产线试验,为下一步工业推广提供技术数据支撑。

1 试 验

1.1 试验方法

根据“球体最紧密堆积”原理及阳极生产实践,确定振实密度较大且较稳定的配方试验。试验方法如下:

在原有4 mm配方的基础上,将配方中最大粒级分别调整为5 mm、6 mm等,其他生产工艺条件不变的情况下,在实验室进行若干组干料振实密度试验。再根据振实密度试验结果,优选较好的实验室配方开展工业生产试验研究,通过对生制品指标和物料平衡指标的对比,进而确定适宜的生产配方和工艺条件。最终根据试验结果与原4 mm生产配方的指标数据进行比较,获得最终试验结论。

1.2 试验原料

本次试验原料采用某厂采购的A、B、C三种石油焦,试验原料配方比例为A∶B∶C=2∶2∶1。原料混配后经罐式煅烧炉煅烧,煅烧前、煅烧后原料指标如表1所示。

表1 混配原料指标表

试验用各粒级物料(煅后焦):生产流程中,采用反击式破碎机对煅后焦进行中碎,中碎后煅后焦颗粒经过振动筛筛分,分别取振动筛筛出的粒径>5 mm、5～3 mm、3～1 mm、1～0 mm的筛后料以及粒径>6 mm、6～3 mm、3～1 mm、1～0 mm的筛后料,分组存放。将各组的1～0 mm中碎颗粒进行粒度分布测试,记录数据。

试验用粉料:取生产流程中粉料。Blaine要求:3000～3500。

试验用沥青:取生产流程中沥青,沥青软化点103～105℃。

2 试验数据

2.1 配方中大颗粒为5 mm的生制品指标研究

2.1.1 实验室振实密度试验

按照表2中物料配方粒度要求,称取干料重量约500 g共6组,分别进行振实密度(d振实)试验并记录振实密度数据。

表2 各配方堆积密度汇总

从结果中看第1-1、1-2、1-6都在1.20 g/cm3以上,振实密度较大,优选为工业试验备选配方组。

2.1.2 物料平衡分析

在炭阳极生产中调整配方粒度时,需要综合考虑实际生产中物料平衡问题,故对生产中煅后料进行取样筛分,分析各粒级粒度组成,具体筛分结果如表3。

表3 实取煅后焦粒度筛分结果

结合试验研究干料配方振实密度结果以及生产中物料平衡情况,大颗粒为5 mm配方生产时,选择1-1、1-2组配方较好,比较符合生产实际情况,故进一步优选这两组配方进行工业试验。

2.2 配方中大颗粒为6 mm的生制品指标研究

2.2.1 实验室振实密度试验

按照表4中物料配方粒度要求,称取干料重量约500 g共16组,分别进行振实密度(d振实)试验研究并记录振实密度数据。

从表4结果看第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,振实密度较大,其中2-5、2-9、2-14、2-15、1-16振实密度高,重复性较好,优选为工业实验备选配方组。

表4 各配方堆积密度汇总

2.2.2 物料平衡分析

在炭阳极生产中调整配方粒度时,需要考虑实际生产中物料平衡问题,对生产中煅后料进行取样,筛分分析各粒级的粒度分布情况,筛分结果如表5,根据筛分结果确定试验用成型配方。

表5 实取煅后焦粒度筛分结果

结合试验研究干料配方振实密度试验结果以及生产中物料平衡情况,大颗粒为6 mm配方生产时,选择2-14、2-15组配方生产对物料平衡较好,比较符合生产实际情况,故进一步优选这两组配方进行工业试验。

2.3 工业试验

结合实验室研究成果,综合考虑生产装备、现场改造以及物料匹配状况,大颗粒为5 mm配方生产时,工业试验采用1-1、1-2编号配方比例;大颗粒为6 mm配方生产时,工业试验采用2-14、2-15编号配方比例,分别制备生阳极进行焙烧,根据焙烧品指标情况,综合考虑推广应用配方。

2.3.1 大颗粒为5 mm配方工业试验

(1)设备改造

为确保生产筛网与试验筛网的一致性,对中碎系统振动筛网进行改造,上层筛以5 mm筛网代替原有4 mm筛网,中层筛以2.5 mm筛网代替原有2 mm筛网,下层原有1 mm筛网不变,筛网按次序排列。

(2)技术要求

采用上述振实密度较高1-1、1-2的干料配比作为生产配方,沥青用量及其它工艺条件均不变,保证生坯的体积密度在1.65 g/cm3以上。对工业试验块单独堆放,全程跟踪,并对理化指标进行全分析。

感知层：通过智能IP网络摄像机[3-4]实现阀室现场的视觉感知、三鉴/微波探测器实现对阀室现场一定范围内的移动物体的探测与感知、声光报警器用来实现感知到入侵信号时的现场警示；网络层：通过局域网交换机、专网/公网传输设备实现阀室本地、站场与阀室的数据交换与传输；应用层：分为主机支持层与提供服务层，主机支持层为提供服务层功能的实现提供硬件支持。网络拓扑图见图1，逻辑拓扑图见图2。

实际干料配方:5～3 mm,29%;3～1 mm,19%;细粉,39%。

(3)试验工艺条件控制

球磨粉布朗值:球磨粉Blaine 3157,波动范围2910～3500,球磨粉合格率为96.7%。

生坯糊料挥发分、S及微量元素控制要求见表6。

表6 5 mm配方生坯糊料挥发分、S及微量元素控制要求

成型过程中,粉子工艺指标要求满足生产技术需要,过程糊料控制相关指标也满足生产技术要求。

2.3.2 大颗粒为6 mm配方工业试验

为确保生产筛网与实验筛网的一致性,对中碎系统振动筛网进行改造,上层筛以6 mm筛网代替原有5 mm筛网,中层筛以2.5 mm筛网代替原有2 mm筛网,下层原有1 mm筛网不变,筛网按次序排列。

(2)技术要求

采用上述振实密度较高2-14、2-15的干料配比作为生产配方,沥青用量及其它工艺条件均不变,保证生坯的体积密度在1.65 g/cm3以上。对工业试验块单独堆放,全程跟踪,并对理化指标进行全分析。

(3)试验工艺条件控制

球磨粉布朗值:球磨粉Blaine 3212,波动范围3004～3500,球磨粉合格率为98.2%。

生坯糊料挥发分、S及微量元素控制要求见表7。

表7 6 mm配方生坯糊料挥发分、S及微量元素控制要求

成型过程中,粉子工艺指标要求满足生产技术需要,糊料质量控制相关指标等也满足生产技术要求。

2.3.3 工业试验产品指标

工业试验(5 mm配方、6 mm配方)和日常生产数据(4 mm配方)的总结对比见表8、表9、表10。

表8 生阳极试验前后合格率对比

表9 焙烧块试验前后合格率对比

表10 焙烧块试验前后理化指标对比

3 试验结论

为了减小成型中碎能力对成型产量的影响,通过改变生产配方中大颗粒粒度,开展增大配方粒级的生产试验研究,将生产配方中大颗粒粒度由4 mm增大到5 mm、6 mm:

(1)产品的理化性能指标稳定,尤其是阳极空气渗透率均值为1.45 nPm、1.50 nPm,比同期大颗粒为4 mm小颗粒配方生产产品优(同期阳极为1.72 nPm)。成型配方中适当增大颗粒粒径有利于空气渗透率指标的改善。

(2)成型配方中适当增大颗粒粒径对产品外观合格率影响不大。本次实验过程中,生坯合格率达到99.16%,焙烧品合格率分别为99.1%,与日常生产中生坯合格率99.07%、焙烧品合格率99.01%相比变化不大,但从废品类型来看,裂纹所占比例减小。

(3)从试验数据、生产过程指标和实际生产经验,较大粒径颗粒配方可通过增大物料颗粒的粒径,降低原料的破碎比,从而提高中碎的产能。但本次试验生产炭块总量与生产线实际产能相比明显较小,未能实际测算生产成本,需要在以后的生产和研究中进一步论证。

综合考虑试验效果,对于采用小颗粒配方生产阳极的企业,在不大幅改变生产流程前提下,可适当增大成型配方中大颗粒粒级,推荐采用6 mm配方,进一步提高阳极质量和产量。