張 陽

(中國鋁業(yè)股份有限公司連城分公司,甘肅 蘭州 730335)

生陽極生產(chǎn)過程中,原料性能、工藝參數(shù)控制、生產(chǎn)工藝配方、設(shè)備運(yùn)行狀況對最終生陽極的質(zhì)量有決定性的影響[1,2]。尤其是陽極性能對于工藝參數(shù)非常敏感,工藝配方及原材料性能的調(diào)整,可以通過工藝參數(shù)的合理優(yōu)化,來實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)陽極的生產(chǎn)[3-6]。本文通過對國內(nèi)某陽極炭素廠生陽極制備過程主要技術(shù)參數(shù)的分析并進(jìn)行優(yōu)化,使得生陽極產(chǎn)品質(zhì)量得到比較明顯的改善,也為電解平穩(wěn)生產(chǎn)提供了良好保障。

1 生陽極運(yùn)行狀況分析及優(yōu)化情況

某炭素廠陽極在電解槽使用中,客戶反饋使用效果較差,陽極窄小,使用周期才29天;從炭素廠(成型環(huán)節(jié)主要裝備使用連續(xù)混捏機(jī)、雙工位成型機(jī))生產(chǎn)過程看① 瀝青用量偏高,平均16.5%左右,同行為14%～15%。② 生塊體積密度與同行業(yè)企業(yè)典型值1.62 g/cm3比較,平均只有1.58 g/cm3,明顯較低。

通過對炭素廠實(shí)際生產(chǎn)過程系統(tǒng)詳細(xì)分析診斷,針對預(yù)熱、混捏、冷卻、成型的運(yùn)行狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,從生陽極預(yù)熱及混捏工藝控制參數(shù)、糊料冷卻工藝技術(shù)參數(shù)、糊料成型工藝技術(shù)參數(shù)、工藝配方、液體瀝青使用這五個方面,提出改善措施并進(jìn)行優(yōu)化。

1.1 預(yù)熱、混捏工藝控制參數(shù)

(1)混捏機(jī)混捏功(混捏糊料產(chǎn)能分別為24與31 t/h)

該炭素廠成型車間典型的24和31 t/h,生產(chǎn)時混捏功輸入情況變化曲線。當(dāng)前24 t/h、生塊生產(chǎn)時,混捏功的輸入設(shè)定值分別為185 kW及235 kW,單位質(zhì)量的混捏功輸入分別為7.71 kW/t,7.58 kW/t,以上2種產(chǎn)能情況下混捏功的波動范圍基本在設(shè)定值范圍內(nèi)。但是,從單位質(zhì)量的混捏功輸入的情況看,31 t/h雙機(jī)生產(chǎn)時,單位質(zhì)量的混捏功輸入要低于24 t/h,再加上31 t/h生產(chǎn)時,糊料的混捏溫度也低于24 t/h,結(jié)果導(dǎo)致在實(shí)際的生產(chǎn)中,單機(jī)24 t/h生產(chǎn)時生塊的質(zhì)量要明顯優(yōu)于雙機(jī)生產(chǎn)的31 t/h。

(2)混捏溫度

24 t/h生陽極生產(chǎn)時,混捏糊料在3月及8月溫度變化情況:3月份糊料混捏溫度主要分布在190～195℃之間,個別糊料溫度高于200℃;8月份工藝調(diào)整后,糊料的混捏溫度主要分布在190～200℃之間,相當(dāng)一部分的糊料混捏溫度在195～200℃之間;8月末進(jìn)行再次工藝調(diào)整后,糊料混捏溫度控制在190℃的波動范圍內(nèi)。

31 t/h生陽極生產(chǎn)時,對比3月及8月混捏糊料溫度變化情況:3月份糊料的混捏溫度主要分布在185～189℃之間,而且當(dāng)月各個階段的溫度波動范圍也比較明顯。8月份工藝調(diào)整后,糊料的混捏溫度主要分布在188～192℃之間;8月末進(jìn)行再次工藝調(diào)整后,糊料混捏溫度控制在190℃的波動范圍內(nèi)。

從以上兩個月糊料混捏溫度的變化情況看,成型車間是非常典型的高溫混捏工藝,從成型車間實(shí)際使用的配方情況及粘結(jié)劑瀝青的使用量及生塊體積密度及表觀質(zhì)量看,這種高溫混捏工藝非常必要。

8月份的主要工藝調(diào)整,為預(yù)熱螺旋、混捏機(jī)及保溫?zé)崦降脑O(shè)定溫度的調(diào)整。從調(diào)整的結(jié)果看,熱媒油設(shè)定溫度的調(diào)整對糊料的混捏溫度影響非常大,從實(shí)際生產(chǎn)的效果看:24 t/h產(chǎn)能生產(chǎn)時,糊料混捏溫度明顯偏高,生塊質(zhì)量有下降的趨勢(糊料發(fā)粘),這與過高的混捏溫度導(dǎo)致瀝青中輕質(zhì)揮發(fā)分的溢出導(dǎo)致糊料“變干”(瀝青老化)有直接的關(guān)系。31 t/h產(chǎn)能生產(chǎn)時,糊料的混捏溫度比較合理,生塊質(zhì)量有比較明顯的上升趨勢。所以在當(dāng)前兩種不同產(chǎn)能的條件下,預(yù)熱螺旋、混捏機(jī)及保溫?zé)崦降恼{(diào)整需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,以保證2種產(chǎn)能下的最佳的糊料混捏溫度。

(3)混捏時間

從實(shí)際生產(chǎn)看,采用高溫糊料混捏工藝,如果再使用高混捏功輸入,容易導(dǎo)致糊料過混捏,混捏機(jī)的分散力太強(qiáng),粘結(jié)在大石油焦骨料表面上的瀝青將被再次分配到細(xì)粉顆粒,同時被包覆的粘結(jié)劑基體(球磨粉與瀝青構(gòu)成的粘結(jié)劑基體)將被迫出現(xiàn)大的缺陷及裂紋,而引起粘結(jié)劑基體內(nèi)顆粒之間的瀝青不均勻分布。另外,一部分瀝青也可能滲入到更小的細(xì)粉氣孔中,而進(jìn)入粘結(jié)劑基體。如果此時,糊料混捏繼續(xù)進(jìn)行,造成“糊料變干”,成型更加困難。另外在無法實(shí)現(xiàn)煅燒焦、殘極及瀝青均質(zhì)、穩(wěn)定供應(yīng)的前提下,高混捏功輸入非常容易導(dǎo)致混捏機(jī)頻繁跳停,設(shè)備損傷嚴(yán)重。因此,高混捏溫度條件下,混捏功輸入控制在6.5～7 kWh/t-糊料即可。

1.2 糊料冷卻工藝技術(shù)參數(shù)

通過成型車間8月份糊料成型溫度的變化分析,可看出當(dāng)前成型溫度主要155℃及160℃兩種,盡管高的成型溫度有利于生塊體積密度的提高,但是從實(shí)際生產(chǎn)看,160℃的成型溫度造成部分生塊非常明顯的表觀裂紋,而且在生塊焙燒后,表現(xiàn)也非常的明顯。尤其是即將到來的冬季,高的成型溫度進(jìn)入冷卻水池后,表面的激冷也會導(dǎo)致生陽極非常明顯的裂紋。

1.3 糊料成型工藝技術(shù)參數(shù)

在振動成型過程中,可以改變的設(shè)備及工藝參數(shù)包括:① 激振力;② 振動頻率;③ 振動時間;④ 背囊壓力。

激振力:從現(xiàn)場的實(shí)際生產(chǎn)狀況看,過量的增加偏心塊重量或者降低偏心塊偏心角度,從而直接增加作用于陽極炭塊的激振力方式,可直接增加生陽極炭塊的體積密度,但設(shè)備故障率增加。從振動成型2個工位采用不同偏心塊生產(chǎn)的實(shí)際結(jié)果看,合理重量的偏心塊重量(適合的激振力范圍選擇)及對于制品質(zhì)量及設(shè)備運(yùn)行的故障率具有至關(guān)重要的決定性影響。對于振動成型機(jī),激振力可以通過改變平衡位置的偏心塊重量或者改變偏心塊偏心角度的方式來做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。試驗(yàn)結(jié)果表明,生陽極的表觀密度、預(yù)焙陽極的表觀密度、比電阻及其空氣滲透性指標(biāo)均隨著振動成型機(jī)激振力的提高而改善。

振動頻率:現(xiàn)場的生產(chǎn)實(shí)踐證明,陽極質(zhì)量通常隨著振動成型機(jī)頻率的提高而提高。因?yàn)?頻率的提高意味著陽極糊動態(tài)粘度的下降(例如,使陽極糊變得更容易流動),從而使成型陽極具有更加均勻、致密的結(jié)構(gòu)。從而改善陽極質(zhì)量。

振動時間:試驗(yàn)結(jié)果表明,在最佳的瀝青含量范圍內(nèi),對振動成型而言,振動時間控制在60～70 s較為理想。振動成型機(jī)振動時間過長,后續(xù)陽極高度不會再發(fā)生明顯變化。

背囊壓力:背囊壓力是指正常振動成型過程中,作用于重錘頂部背囊中氣體壓力,Solios振動成型機(jī),其調(diào)整壓力范圍0～5 Bar;其充氣壓力的大小與成型機(jī)上部重錘的運(yùn)行頻率有最直接的影響,進(jìn)而影響模具內(nèi)糊料的成形模式,決定生陽極炭塊的體積密度及內(nèi)部裂紋的缺陷狀況。

從現(xiàn)場實(shí)際的生產(chǎn)狀況分析,上述振動成型工藝技術(shù)參數(shù)均對生陽極炭塊質(zhì)量及成型設(shè)備的正常運(yùn)行有最重要的影響。上述關(guān)鍵工藝控制技術(shù)參數(shù)正常生產(chǎn)過程中存在一個最佳的多變量偶合范圍值。該耦合范圍值綜合了最佳的生陽極體積密度、高度等質(zhì)量參數(shù),也最大程度降低了成型設(shè)備的故障率及其維護(hù)成本。因此,任何一臺振動成型機(jī)均存在符合該生產(chǎn)企業(yè)原料狀況、糊料質(zhì)量的最佳振動成型參數(shù)。

1.4 球磨粉純度

該炭素廠陽極生產(chǎn)工藝,使用球磨粉料是非常典型的高純度、低含量工藝路線,當(dāng)前使用的配方中,球磨粉純度約為98%(≤200目),而且其標(biāo)準(zhǔn)偏差僅僅為±1%,純度變化非常穩(wěn)定。而配方中球磨粉含量基本控制在20%～28%之間。生產(chǎn)中具體問題表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):

a、球磨粉配料秤頻繁出現(xiàn)加料超時或配料秤失速報警;

b、成型機(jī)供料電磁振動給料機(jī)頻繁壓料(加料超時,陽極糊中瀝青含量高,粘結(jié)在電磁振動給料機(jī)表面,造成其無法供料),從而造成整個生產(chǎn)線被迫停止生產(chǎn),產(chǎn)生大量廢糊,也大大增加了工人清理的勞動強(qiáng)度,而且這種故障也大大增加了整個生產(chǎn)系統(tǒng)各設(shè)備的損耗;

c、無法實(shí)現(xiàn)生陽極整個生產(chǎn)系統(tǒng)精確配料,結(jié)果導(dǎo)致生塊體積密度的突然波動,一般情況下,導(dǎo)致生塊高度、體積密度的突然變化,甚至?xí)霈F(xiàn)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的廢塊。

d、生塊成型工藝控制參數(shù)的頻繁調(diào)整,成型工藝控制困難,增加成型設(shè)備出現(xiàn)故障概率。

上述問題甚至導(dǎo)致在一段時間內(nèi)無法正常組織生產(chǎn),這給生產(chǎn)企業(yè)的正常運(yùn)行帶來了巨大的壓力,而且大大增加了整個工序的運(yùn)行成本及設(shè)備維護(hù)成本。為此,采取優(yōu)化方案如下:

a、通過降低球磨系統(tǒng)動態(tài)分選器電機(jī)轉(zhuǎn)速,減少動態(tài)分選器顆粒粒度分選范圍及其壓力損失,提高整個球磨系統(tǒng)球磨粉的分選能力,從而有效降低球磨粉使用純度,減少球磨粉的流動速度并降低球磨粉在料倉內(nèi)的膨料幾率,實(shí)現(xiàn)球磨粉配料秤失速及加料超時故障的有效控制,具體為:

動態(tài)分選器電機(jī)轉(zhuǎn)速由196 rpm降低到170 rpm。

b、強(qiáng)化球磨粉配料秤的呼吸功能,減少高純度球磨粉流動速度過快及容易在料倉內(nèi)脹料而導(dǎo)致的配料秤失速及加料超時故障,具體為:

球磨粉配料秤上部已經(jīng)喪失功能的呼吸器通過連通管與大氣相通;

圖1 球磨粉配料秤呼吸器優(yōu)化前后對比

圖1為采用球磨粉配料秤呼吸器增加與大氣連通管后示意圖。

1.5 液體瀝青

該炭素廠實(shí)際生產(chǎn)中,產(chǎn)量調(diào)整過程中,瀝青用量的調(diào)整的步驟、時間均沒有統(tǒng)一的操作規(guī)定,加入瀝青時間太早,容易導(dǎo)致成型機(jī)電磁振動給料機(jī)壓料,整個生產(chǎn)系統(tǒng)被迫跳停,一旦電振壓料,一方面造成生產(chǎn)廢品,另一方面也大大增加了工人清理這些壓料的勞動強(qiáng)度,這一現(xiàn)象一段時間內(nèi)非常明顯;加入時間太晚,大量的細(xì)粉干料進(jìn)入成型工序,造成成型區(qū)域勞動環(huán)境惡劣。優(yōu)化方案及效果:

(1)規(guī)范操作及解決液體瀝青配入量劇烈波動帶來的生產(chǎn)問題,結(jié)合該炭素廠生產(chǎn)實(shí)際,制定如下液體瀝青操作要求:

啟動400秒時,液體瀝青加入以冷卻機(jī)內(nèi)稱重裝置開始顯示重量變化為依據(jù),重量開始增加,方允許液體瀝青加入;

啟動400秒時,瀝青加入仍然按照啟動產(chǎn)能要求,一次性加入到規(guī)定重量;

增加產(chǎn)能時,必須依照以下順序調(diào)節(jié)產(chǎn)能:

24→26→28→30(或31)t/h;

不允許將產(chǎn)能從24 t/h直接調(diào)整到30(或31)t/h;

在此調(diào)節(jié)過程中,以預(yù)熱螺旋扭矩開始發(fā)生變化為調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)。即先調(diào)節(jié)干料給料量,然后待預(yù)熱螺旋扭矩發(fā)生變化時,開始調(diào)節(jié)預(yù)熱螺旋轉(zhuǎn)速、混捏機(jī)轉(zhuǎn)速,然后調(diào)節(jié)瀝青量到設(shè)定值的調(diào)節(jié)順序。

降低產(chǎn)能過程中,以調(diào)整預(yù)熱螺旋轉(zhuǎn)速為調(diào)整瀝青量為參考標(biāo)準(zhǔn),即先降低干料給料量,降低預(yù)熱螺旋轉(zhuǎn)速后30 秒后,方允許降低瀝青量,嚴(yán)禁在減少干料給料量、降低預(yù)熱螺旋轉(zhuǎn)速前,降低液體瀝青給料量;嚴(yán)禁在瀝青流量波動的情況下,增加(或減少)瀝青流量及調(diào)節(jié)產(chǎn)能,待瀝青質(zhì)量流量計(jì)流量穩(wěn)定后,才允許調(diào)節(jié)液體瀝青流量。

(2)在液體瀝青進(jìn)入混捏機(jī)前部的液體瀝青管路上增加背壓閥等相關(guān)穩(wěn)壓設(shè)備,減少液體瀝青配料系統(tǒng)的壓力波動,從而有效降低液體瀝青量的突然波動。

2 實(shí)施優(yōu)化后的效果

2.1 殘極質(zhì)量明顯提高

圖2為炭素廠優(yōu)化項(xiàng)目實(shí)施前后,預(yù)焙陽極殘極外形對比。從圖中可以看出殘極質(zhì)量有了非常顯著的提高。主要體現(xiàn)在殘極外形保持完好,無窄小現(xiàn)象,整體氧化不明顯,這充分說明預(yù)焙陽極整體的空氣滲透性低,預(yù)焙陽極整體抗氧化能力較項(xiàng)目實(shí)施前有非常明顯的改善和提高。

從電解槽上預(yù)焙陽極表現(xiàn)看,電解工炭渣的撈取強(qiáng)度顯著降低,電解槽預(yù)焙陽極的換極周期相應(yīng)增加,電解槽的預(yù)焙陽極電流強(qiáng)度0.82 A/cm2,在國內(nèi)電解槽已經(jīng)屬于高電流密度。這充分說明當(dāng)前經(jīng)過工藝優(yōu)化后的預(yù)焙陽極質(zhì)量有了非常大的提升。

另外,由于返回殘極質(zhì)量高,強(qiáng)度大,能夠充分保證預(yù)焙陽極中大粒子含量,這是預(yù)焙陽極強(qiáng)度及其力學(xué)性能保證及再提高至關(guān)重要的關(guān)鍵條件。同時這種殘極質(zhì)量的良性循環(huán),也為連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)高質(zhì)量預(yù)焙陽極及確保電解槽的穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要的前提保證。

圖2 實(shí)施前后殘極外形對比

2.2 球磨粉純度降低

圖3調(diào)整球磨系統(tǒng)動態(tài)風(fēng)選器轉(zhuǎn)速后球磨粉純度的變化曲線,從圖中可以看出,采用該動態(tài)風(fēng)選器降低轉(zhuǎn)速方案后,球磨粉純度由調(diào)整前的98%(≤200目)降低到調(diào)整后的82%,球磨粉純度降低效果明顯。這說明調(diào)整球磨系統(tǒng)動態(tài)分選器電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠有效調(diào)節(jié)球磨粉純度變化。球磨粉純度由98%降低到82%以后,球磨粉的Blaine值由6 000以上降低到4 000,下降效果明顯。

圖3 工藝優(yōu)化前后球磨粉純度變化曲線

圖4為球磨粉純度降低、增加配料秤呼吸功能后,兩種產(chǎn)能下球磨粉連續(xù)10分鐘內(nèi)球磨粉配料量與標(biāo)準(zhǔn)配入要求的波動變化情況,從圖中可以看出,純度降低后,其實(shí)際配入量與配方要求加入量之間的偏差范圍較小。

圖4 工藝優(yōu)化后球磨粉配料波動曲線

2.3 液體瀝青使用量

經(jīng)過上述工藝優(yōu)化措施,該炭素廠成型車間瀝青使用量逐漸降低,從之前的16.5%降低至14.4%左右,見圖5所示。

圖5 生陽極內(nèi)液體瀝青使用含量變化曲線

2.4 生陽極體積密度明顯改觀

對比成型車間工藝優(yōu)化前后,生陽極體積密度明顯優(yōu)化,優(yōu)化后生塊體積密度全月樣棒分析平均值從1.58 g/cm3提升至平均1.62 g/cm3。而且其波動范圍比較均勻。因此,通過上述合理的優(yōu)化措施及關(guān)鍵工藝控制參數(shù)的合理選擇,成型車間完全能夠?qū)崿F(xiàn)符合規(guī)定要求高質(zhì)量生陽極炭塊的穩(wěn)定生產(chǎn)。

2.5 陽極換極周期增加

電解槽是預(yù)焙陽極最終的使用用戶,預(yù)焙陽極在電解槽上的具體表現(xiàn)是其質(zhì)量高低最直接的表征。項(xiàng)目實(shí)施以來,該公司電解槽在不斷強(qiáng)化電流的前提下,電解槽換極周期不僅沒有降低,相反卻由最初的29天逐漸增加到2天。

圖6 優(yōu)化前后生塊體積密度變化趨勢

圖7 系列電解槽電流強(qiáng)度強(qiáng)化變化曲線

圖8 電解槽換極周期變化

從圖7中可以看出,在一年半時間內(nèi),該公司電解槽電流強(qiáng)度從371 kA逐漸增加到394 kA,相應(yīng)的陽極電流密度增加接近6%。而在此期間,電解槽陽極的換極周期在強(qiáng)化電流的前提下,由最初的29天左右逐漸增加到30、31天,甚至32天的換極周期,而殘極厚度要求沒有變化,如圖8所示。

3 結(jié) 語

通過對生陽極從預(yù)熱混捏系統(tǒng)、成型系統(tǒng)、磨粉系統(tǒng)的工藝參數(shù)的分析及優(yōu)化,來提高陽極的質(zhì)量水平,降低瀝青使用量。從電解槽殘極外形、厚度變化、電解槽強(qiáng)化電流狀況、換極周期逐漸增加的結(jié)果及電解槽內(nèi)炭渣數(shù)量明顯減少的效果,充分說明預(yù)焙陽極質(zhì)量有非常明顯的改善和提高。經(jīng)初步測算,項(xiàng)目實(shí)施前后,電解槽陽極凈耗從項(xiàng)目實(shí)施前的450 kg-C/Al降低到當(dāng)前的接近420 kg-C/Al。上述預(yù)焙陽極在電解槽具體結(jié)果數(shù)據(jù),充分表明,實(shí)施的成型配方及工藝過程關(guān)鍵工藝控制參數(shù)優(yōu)化效果明顯。