铝用炭素阳极混捏成型新技术
辛志胜 杜国庆 周春刚 孙鑫
内蒙古霍煤鸿骏铝电有限责任公司 内蒙古通辽市029200
摘要：铝是地壳中含量最多的金属元素，在所有化学元素中位居第三，仅次于氧和硅。由于金属铝具有优良的物理化学性能，因而在当今社会中扮演着越来越重要的角色。铝及铝合金的使用已渗透到国民经济建设的各个重要领域，而生产炭素材料的工厂，则称之为炭素厂。炭素生产所需要的材料主要是沥青焦、石油焦和无烟煤，其生产原理是以电化学反应为基础的，阳极位于电解槽内，电流则通过阳极而导入。电流的导出，则通过电解槽的阴极而实现。
关键词：炭素;阳极混捏成型;技术
随着我国预焙槽电解铝厂的不断增多及设备性能和铝生产工艺的不断提高，对作为电解槽“心脏”的阳极提出了更高的质量要求。在配料混捏及振动成型系统中，导热油供热的连续性及稳定性直接影响连续混捏的质量、 理化性能及生块的合格率。 因此，稳定的供热及连续混捏成型工艺，是解决成型连续生产的关键因素之一。
一、混提成型工艺的特点
1、高温混捏、成型新工艺开发应用。国内首家采用了强力高温混提/强力冷却技术，通过摸索合适的工艺参数进一步提高糊料混捏质量，确保在高温混捏、成型条件下制品的理化指标、成品率，在保证产品质量的前提下，国内首家将沥青配入量降到14%以下，同时该技术的运用也拓展了对原料的适应性;
2、沥青烟气干法净化技术应用。国内首家成功采用沥青烟气干法净化技术，通过摸索合适的工艺控制参数保证沥青烟气处理效果，排放烟气中的焦油、粉尘含量远远低于国家标准，进一步改善现场环境条件;
3、带槽阳极生产。采用真空成型技术，开发开槽阳极，并在国内首家将开槽阳极应用到电解生产中。
4、新工艺配置技术。通过一系列设备优化选型设计，降低成型高楼部建筑高度，同时比较明显的降低了配料集料设备、废糊排放设备的故障率，并改善了环境。
5、全系统负压设计。由沥青烟气干法净化系统、球磨系统及其它收尘系统的合理配置，真空预压成型的采用，为整个生预焙阳极制造工序提供了全流程的负压系统及高楼部的微负压环境，在改善环境及工作条件的同时，更便于糊料混程冷却及成型工序中沥青烟气及水蒸气从糊料中充分排除，为进一步提高生预焙阳极质量提供条件。
二、炭素阳极生产工艺分析
1、炭素阳极组装工艺。影响炭素阳极组装工艺的指标有脱极、铁碳压降，具体工序为浇铸、铁水熔炼、配料，通过执行组装工艺标准的熔炼温度标准、熔炼作业卡、辅料用量标准、配料添加作业卡，从技术、管理两方面保证浇铸质量，最终保证产品质量：无脱极、铁碳压降< 70mV。为确保残极微量元素含量不超标，建立钢爪打磨作业卡、残极表面清理标准，控制粗残钠含量≤ 300μg/g，细残钠含量≤ 600μg/g;为确保导杆不弯曲变形、不带裂纹，建立导杆检查作业卡，在浇铸前下线不合格导杆。在组装相关的工艺标准及作业卡的基础上，再配以整体的检验、培训、考核，建成组装工艺标准化体系。
2、成型工艺。正常情况下炭素生阳极体积密度高，焙烧后阳极的体积密度高，阳极密实度高则抗氧化、抗冲刷、导电率强。在阳极尺寸、重量一定的条件下，生阳极的关键指标为体积密度，直接影响阳极后续指标的达成。糊料成型环节重点控制成型温度在 149±3℃、成型时间在 60±10s，配套成型温度测量作业卡，确保温度测量准确;糊料冷却环节通过控制喷水量来控制糊料温度，混捏环节通过控制连续混捏机下料孔开度控制糊料混捏时间。干料预热温度控制在 187±3℃;通过研发，固定几个配方应对配料变化，当粗中细三级物料筛分重量以及物料纯度发生变化时，应更换配方;该厂采用的是中颗粒料配方，设置粗颗粒料级为12-6mm、中颗粒料级为 6-3mm、细颗粒料级为 3-0mm，通过设置破碎机转速、对辊机开度标准，及建立物料纯度测量作业卡，控制各个料级纯度在 80% 以上，确保配方得到真实执行，粗残也是同样的道理;粉料设置分选器开度标准，控制粉料纯度> 80%，设置球磨机投料量、时间标准，确保粉料能够满足生产需求。
三、混捏成型技术
1、高温混捏技术。高温混捏成型新技术是基于前面谈到的原料特性，适应中国现有原料状况，扩展混捏成型工序对原料的适应性进行开发的，新工艺也对传统的工艺制度有所突破，作为最关键的工序——混捏，通过对其混捏时间和混捏温度的研究，配套真空成型技术，开发出高温混捏、高温成型的工艺制度，在生产实践中经过检验后获得成功。炭素行业内已经有过大量研究表明，沥青粘度在 180℃以后即没有明显变化，但必须注意的是，影响混捏因素的另一个关键——沥青与骨料颗粒表面的润湿接触角对于混捏质量的影响，传统的学术观点认为，当润湿接触角小于 90°后，沥青对骨料颗粒表面的浸润能力较好。如果将混捏温度提高到 200～205℃，润湿接触角降低到 40°以下，改质沥青进一步增强了对骨料颗粒的浸润性，混捏效果更佳。从某种意义上看，也可以降低沥青的配入量。高温混捏的实现一是采用液体沥青，二是提高骨料预热温度，并且将生碎直接加入骨料中预热，减少混捏过程中的热损失，三是混捏机内高速摩擦接触的物料之间的摩擦发热也能逐步提高混捏温度，生产实践中，发现在 4 分钟～5分钟内将糊料温度在原有基础上可提高 10～20℃，这是经过生产实践证实的结论。那么，如果骨料温度选择 185℃以上，一段混捏时间选择 5 分钟左右，即可得到混捏机出口糊料温度为 200℃左右。高温混捏后，拓展了对原料适应性，炭素行业通常要求沥青软化点在 100～120℃，这种选择源于沥青的粘度、润湿接触角两个指标与温度的关系，因此在传统工艺中就将 180℃定为最佳混捏温度，而在这样的温度条件下，选择 115～130℃的改质沥青或高温沥青就无法保证糊料混捏质量，当采用高温混捏技术后，即便是 133℃软化点的沥青，也可以保证润湿接触角在 60°以下，同样满足混捏的最基本要求，而且，由于可以选择更高软化点的沥青，不仅仅提高了对原料的适应范围，而且由于改质沥青软化点与结焦值两个指标的同向性，还可以获得更高的结焦值。同时在高温混捏的条件下，进入配料系统的低质量粉状煅后石油焦与沥青的浸润能力明显增强，对使用目前国内的普遍使用的石油焦及石油焦的质量波动有着很好的弥补作用，降低了生产高质量阳极的成本。
2、高温成型新技术。传统工艺的成型温度为 145±5℃，真空成型技术采用 165±5℃真空成型温度，在选择真空成型、预加压、气囊减震等先进技术的同时，成功的组合了沥青烟气干法净化技术，可以根据工艺需要、制品特点，适应 160～175℃的成型温度范围，成为真正的高温成型，而由于很好的解决了沥青烟气的排除问题，在高温成型的条件下，制品没有裂纹，均一程度好，从理化指标来看较优，在铝用阴极和铝用阳极成型生产中均有大量的运用，该设备具有以下技术优势或特点：(1)真空成型技术：可以在 20mbar 条件下进行炭块成型;(2)气囊减震：相对于传统的橡胶块减震，该技术降低噪音，而且可以改善阳极垂直面上的质量均一程度;(3)预加压重锤：通过施加于重锤顶部的大约 0.5Mpa 的压力，实现重锤与振动台的反向同步运动，增加阳极体积密度;传统工艺的成型温度为 145±5℃，德国 KHD 真空成型技术采用 160±5℃真空成型温度，该公司由于在选择真空成型、预加压、气囊减震、双滑台等先进技术的同时成功的组合了沥青烟气干法净化技术，可以根据工艺需要、制品特点，适应 155～175℃的成型温度范围，成为真正的高温成型，而由于很好的解决了沥青烟气的排除问题，在高温成型的条件下，制品没有裂纹，均一程度好，从理化指标来看较优。
综上所述，目前我国部分炭素厂对生产工艺标准化意识不足，无统一、固定标准，未能及时总结经验,修订标准或固化到作业卡中，从而影响整个炭素阳极行业发展。因此炭素阳极生产过程中，为了保证阳极质量稳定，必须采取标准化的生产从而减小各项指标的波动。
参考文献：
[1] 王大海，刘建新.预焙阳极质量对铝电解生产的影响[J].南方金属,2019:32-34
[2] 钱湛芬，董捍卫.预焙阳极生产工艺的现状及发展方向[J].新疆有色属,2019,(3):38-40
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