陳 誠

(山東創(chuàng)新炭材料有限公司,山東 濱州 256600)

預(yù)焙陽極作為鋁電解工藝中最重要的組成部分,不僅把電流導(dǎo)入電解槽,而且還參與氧化鋁電解過程的電化學(xué)反應(yīng)并隨之消耗,陽極質(zhì)量的好壞對鋁電解生產(chǎn)的影響至關(guān)重要,因此被譽為鋁電解槽的“心臟”。山東某公司(以下簡稱“公司”)生產(chǎn)的炭陽極制品,其常規(guī)指標(biāo)(真密度、體積密度、電阻率、耐壓強度、氣孔率)經(jīng)過多年努力攻關(guān)均有所提升,在滿足下游電解需求的同時能外銷部分炭塊創(chuàng)造額外的效益,但空氣反應(yīng)性和二氧化碳反應(yīng)性(以下簡稱“兩性反應(yīng)”)指標(biāo)一直不理想,表現(xiàn)在電解使用時撈出的炭渣量較多。兩性反應(yīng)指標(biāo)越好,陽極掉渣量就越少,有利于提高電解槽生產(chǎn)的穩(wěn)定性,提高電流效率、降低陽極毛耗和直流電耗[1]。

陽極的掉渣現(xiàn)象,既有電解工藝技術(shù)方面的問題,也有陽極質(zhì)量指標(biāo)的原因。就陽極質(zhì)量而言,造成掉渣的原因主要是選擇性氧化,即黏結(jié)劑瀝青和粉料組成的部分(稱為黏結(jié)基質(zhì))與炭質(zhì)骨料顆粒的反應(yīng)性能差異造成的,表現(xiàn)在兩性反應(yīng)的殘余率低,骨料顆粒從陽極表面脫落,這樣就形成了炭渣。所以,要減少電解過程炭渣的產(chǎn)生,就要改善黏結(jié)劑瀝青與粉料所組成的黏結(jié)基質(zhì)部分的化學(xué)活性,提高其抗氧化性能,使其盡量與骨料顆粒接近[2-3]。

公司在預(yù)焙陽極生產(chǎn)的各個方面開展了許多工作,但受原料日趨劣質(zhì)化和現(xiàn)行生產(chǎn)工藝設(shè)備等客觀條件的限制,其生產(chǎn)的陽極質(zhì)量還不能完全滿足電解生產(chǎn)需求,在國內(nèi)同行業(yè)中只處于中等水平。因此,在原料來源和生產(chǎn)工藝設(shè)備等難做較大調(diào)整的情況下,公司工藝技術(shù)人員通過向陽極中添加不同比例的A試劑、B試劑、氟化鹽等組成的混合物,旨在改善陽極性能,達到降低陽極毛耗和直流電耗、提高鋁電解電流效率的目的。

1 炭素生產(chǎn)試驗

基于前期的理論論證及實驗室小試,確定了A試劑對陽極兩性指標(biāo)有明顯提升。2018年公司成立項目攻關(guān)小組,在不影響正常工業(yè)生產(chǎn)的前提下,利用現(xiàn)有的陽極生產(chǎn)設(shè)備,繼續(xù)驗證陽極添加劑試驗效果并為下一步開展大規(guī)模工業(yè)試驗做準(zhǔn)備,經(jīng)公司同意,各部門負責(zé)人精心準(zhǔn)備,積極配合,為順利完成試驗項目提供了保障。

本項目試驗開展以A試劑作為基礎(chǔ)原料之一開展正交試驗,最終研究A試劑、B試劑與氟化鹽的一種或幾種的最佳組成。普通炭塊和陽極添加劑炭塊使用同一批次生產(chǎn)物料(煅后焦、瀝青)、相同的生產(chǎn)配方、混捏成型工藝、焙燒曲線,并在同一爐室中焙燒。具體實驗過程如下。

1.1 第一次試驗

2018年3月公司開展了第一次正交試驗,添加試劑為A試劑,添加比例為干料重量的0‰、0.5‰、1.0‰、1.5‰、2.0‰,共計5鍋20塊試驗陽極。

圖1 添加劑稱重及加入方式

為保證A試劑添加的準(zhǔn)確性,避免配料時被收塵系統(tǒng)收走,電子秤稱取足夠劑量后由人工在混捏鍋鍋頂加入。試驗采用的物料、生產(chǎn)配方及工藝等一致,試驗塊檢驗結(jié)果如表1所示。

表1 試驗一陽極理化性能報告單

由第一次試驗結(jié)果得出,添加A試劑后的陽極CO2反應(yīng)性殘余率均能達到90%,空氣反應(yīng)性殘余率也有較大提升,但當(dāng)添加量達到1‰后才能達到90%以上,且繼續(xù)增加添加量時提升效果并不明顯,造成生產(chǎn)成本增加,因此確定了A試劑的最經(jīng)濟實用的添加比例為1‰。

添加劑陽極兩性反應(yīng)后殘余部分外觀形貌見圖2、圖3。從圖上來看,陽極添加劑反應(yīng)后的樣棒外形比較規(guī)整,即添加劑的加入有助于減少陽極的粉化脫落的產(chǎn)生。

圖2 二氧化碳反應(yīng)后外觀

圖3 空氣反應(yīng)后外觀

但添加A試劑后的陽極電阻率略微上升,個別試驗塊電阻率指標(biāo)達不到一級品。雖不能準(zhǔn)確判定A試劑會造成陽極電阻率上升,但為了排除隱患,保證預(yù)焙陽極的一級品率,計劃下一次試驗在添加A試劑的同時加入適當(dāng)比例的B試劑來研究其對陽極電阻率的影響。

1.2 第二次試驗

2018年6月公司開展了第二次正交試驗,添加劑為A試劑和B試劑。A試劑添加比例為干料重量的1‰,B試劑添加比例為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%,共計生產(chǎn)25鍋(每種5鍋)。試驗塊檢驗結(jié)果如表2所示。

表2 試驗二陽極理化性能報告單

圖4 試驗塊電阻率指標(biāo)柱狀圖

圖5 試驗塊耐壓強度指標(biāo)折線圖

根據(jù)第二次試驗的結(jié)果可以看出,添加B試劑可明顯降低預(yù)焙陽極的電阻率指標(biāo),且不會對A試劑提升陽極兩性反應(yīng)產(chǎn)生阻礙。但隨著B試劑添加量的增加,陽極的耐壓強度指標(biāo)呈下降趨勢,且生產(chǎn)成本也會相應(yīng)增加。從生產(chǎn)成本,電阻率和耐壓強度等三方面因素考慮,確定B試劑添加比例為1%左右,最高不超過1.5%。

1.3 第三次試驗

有文獻資料表示氟化鹽等對陽極的氧化反應(yīng)有抑制作用,隨后公司開展了氟化鹽的添加試驗,但試驗結(jié)果反應(yīng)氟化鹽對陽極的兩性指標(biāo)影響不大,卻會造成灰分不同程度的增加,使陽極的一級品率和合格率降低[4]。

2 電解生產(chǎn)實踐

在確定A試劑和B試劑對預(yù)焙陽極指標(biāo)提升的作用后,為進一步驗證其在電解生產(chǎn)時的使用效果,計劃混合添加1‰的A試劑和1%的B試劑進行電解槽工業(yè)試驗。由炭素分公司生產(chǎn)電解鋁公司某車間4臺槽4個月的使用量,自2019年3月開始使用,統(tǒng)計數(shù)據(jù)至6月底。試驗期間各部門嚴(yán)格按照制定的試驗方案開展試驗,并對過程數(shù)據(jù)和使用效果如實記錄。具體如下。

2.1 電解槽運行數(shù)據(jù)對比

表3是試驗期間電解槽運行數(shù)據(jù)對比,四臺槽均是加寬鋼棒,運行槽況相近。從設(shè)定電壓和平均電壓差值及累計波動時間來看,四臺槽槽況整體平穩(wěn);槽溫整體合格受控,平均溫度在958～960 ℃;氟化鋁消耗方面,依據(jù)槽齡、分子比按需添加。從整體數(shù)據(jù)上看,添加劑未對槽況造成較大影響,且電流效率、波動時間等指標(biāo)略優(yōu)于對比槽。

表3 電解車間試驗槽和對比槽運行狀況

2.2 陽極使用情況對比

表4 電解車間試驗槽和對比槽陽極使用情況

圖6 試驗槽和對比槽殘極外觀對比

(1)16H電流分布和卡具壓降兩項指標(biāo)均較高,表明試驗槽和對比槽在陽極質(zhì)量、組裝工序、換極操作等方面沒有太大差異。

(2)3個周期內(nèi)四臺槽的噸鋁炭渣量分別是3.0 kg/t-Al、3.1 kg/t-Al、4.2 kg/t-Al、4.5 kg/t-Al,試驗槽噸鋁炭渣量較對比槽平均減少1.3 kg/t-Al。

(3)殘極完好率方面,試驗槽較對比槽平均提升4%。(換出的殘極消耗均勻、四周棱角完整視為完好)

(4)殘極厚度方面,通過3個周期換出的殘極厚度數(shù)據(jù)來看,試驗極平均12.6 cm,普通極平均11.1 cm,殘極厚度增加1.5 cm,理論上試驗槽可繼續(xù)延長一天使用周期。(試驗槽、對比槽均使用33天換極周期,其他槽為32天)

2.3 效益分析

通過試驗,試驗槽的添加劑陽極使用周期可延長一天,陽極毛耗可降低10 kg/t-Al以上,折合到噸鋁生產(chǎn)成本可降低29元/t-Al(2019年公司陽極組生產(chǎn)成本約2900元/噸)。預(yù)焙陽極生產(chǎn)成本增加19元/t-C(添加1‰的A試劑,價格4000元/噸;添加1%的B試劑,價格4000元/噸,計算時需減去相應(yīng)的煅后焦用量,煅后焦2500元/噸),折合到噸鋁生產(chǎn)成本增加約9.5元/噸。綜合測算,若電解鋁公司使用復(fù)合添加劑陽極,至少可降低噸鋁生產(chǎn)成本19.5元/t-Al。

3 結(jié) 論

(1)通過多次炭素生產(chǎn)試驗,證實了A試劑作為添加劑對預(yù)焙陽極選擇性反應(yīng)的抑制,從而提高預(yù)焙陽極的CO2反應(yīng)性和空氣反應(yīng)性殘余率,降低其脫落率。

(2)添加適當(dāng)?shù)腂試劑有利于降低預(yù)焙陽極電阻率,但過量添加不僅造成成本增加同時影響陽極的耐壓強度。

(3)可通過采購低品質(zhì)原料,生產(chǎn)時配入復(fù)合添加劑,使得預(yù)焙陽極的反應(yīng)性能達到優(yōu)質(zhì)原料的效果,降低生產(chǎn)成本。

(4)添加劑陽極應(yīng)用于電解槽時,可以減少炭渣的產(chǎn)生,減少炭渣打撈頻次,降低工人勞動強度;延長陽極使用周期,穩(wěn)定槽況,改善電解電耗、電流效率等技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo),為電解槽增產(chǎn)增效提供保障。