第十一章铝电解生产用碳素材料及氧化盐生产.docx
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第十一章铝电解生产用碳素材料及氧化盐生产
第十一章铝电解生产用碳素材料及氧化盐生产
铝电解用碳素材料指铝电解生产中所使用的碳素阳极和碳素阴极，从历史的角度讲，碳素阳极分为用于自焙铝电解槽生产的阳极棚和预焙铝电解槽生产的预焙阳极块。
由于节能和环保的要求，截止2010年底，我国工业已淘汰了自焙阳极生产工艺，重新采用大型预焙槽生产，所以，对阳极棚生产工艺不再赘述。
只介绍预焙阳极生产工艺过程。
铝电解槽底部采用阴极碳块。
大型预焙槽的使用寿命一般在5～8年，大修过程将把阴极内衬阴极碳块和底部保温材料全部更换，所以，阴极碳块也是电解铝生产中必不可少的材料。
本章主要介绍碳素阳极和碳素阴极的生产工艺过程。
氟化盐（冰晶石和氟化铝）也是铝电解生产中的消耗性材料。
自然界中并无足够多的天然冰晶石，目前仅在冰岛的格林兰岛发现少量的天然冰晶石和。
工业上所用冰晶石航氧化铝采用全部人工合成，所以，本章也简单介绍铝其生产工艺。
第一节预焙阳极生产工艺
铝电解用预焙阳极是用石油法经煅烧后按一定粒度配比，用煤沥青作为粘接制混合成棚料，再经振动成型，通过高温焙烧所得的产品，其生产工艺流程图如图11-1。
1.配料和初译
石油焦乃石油提炼后的副产品。
其主要成分是碳，其固定碳含量在75～90%，其余为可燃探发分电约12～20%，灰分约0.3～1%；硫分0.5～3.0%；水分约3%；以及其他微量金属和非金属杂质。
阳极产品要求灰分≤0.8%，硫分≤2.5%，为了使产品杂质成分在允许的范围内，所以，在燃烧之前，必须对石油焦进行成分配料，以保证阳极产品成分合格。
由于石油焦是石油提炼后的渣油经焦化而得，由于渣油的组成很复杂，与原油同样都是由各种烃类和烃类比物组成，所以在焦化过程中根据烃类的不同而形成粒度不一的焦块，大的有200mm以上，小的如同粉料。
为了在燃烧中挥发分能均匀快速排出以及不出现细料过程，必须对大块石油焦进行初，使粒度不大于10mm。
2.燃烧
石油焦燃烧是在隔绝条件下，将油焦进行高温预热处理。
在燃烧过程中，各种碳质原料在结构和元素组成上发生一系列深度变化，从而提高它物理等性能。
燃烧在1250～1350℃的温度下进行，在此温度下燃烧的石油焦的挥发分一般都低于0.5%，同时燃烧后的石油焦的密度，强度均会提高，导电性变好，抗氧化性增强，焦中所含水分被排除。
燃烧设备有两种，一种为回转窖（如图11-2），另一种为碳式燃烧炉（如图11-3）。
回转窖燃烧具有设备生产能力大，机械化程度高，操作方便，使用寿命长和投资省等优点，但回转窖对石油焦的烧损较大%，设备经济量也较大，由于物料化窖内滚动从窖头传到窖尾，物料在窖内停留时间短约1小时，所以煅后焦的性质不很均匀，造成质量不够稳定。
采用碳式炉燃烧石油焦具有煅烧质量好，运行稳定，碳质烧损小等优点，具完全实现了不外加燃料而利用石油焦自身排出的挥发分燃烧来维持炉子的热量平衡。
但碳式煅烧炉投资较贵，生产能力低，自动化程度低，环境不如回转窖。
煅后石油焦的质量要求如表11-1。
表11-1煅后石油焦的质量要求
名称
挥发分%
真密度
粘来电阻率
水分%
控制范围
≤0.5
2.03～2.06
≤600
≤0.3
3.破碎及筛方
破碎和筛方是指将大颗粒煅烧石油焦破碎，按照配方粒度要求，筛方成不同粒度的料，并分别装入不同料仓内的过程。
破碎机械通常采用颚式，对掍、锤击，反击式破碎机，磨粉采用球磨机，雷蒙磨等。
筛方即是将破碎后的物料通过斗式提升机第一次两层振动筛上层安装4mm筛网，下层安装2mm筛网），4mm筛网上面的粗料反回破碎机再破碎2mm的筛网以上的料即为2～4mm粒料，经溜槽储于配料仓，小于2mm的物料进入第二次双层振动筛（上层为1mm筛网，下层为0.5mm筛网）1mm筛网以上的为1～2mm粒料，0.5mm筛网以上的为0.5～1mm粒料；0.5mm筛网以下的为0～0.5mm粒料，分别将它们装入各自的储仓内，工艺流程图如图11-4。
除了对燃烧石油焦进行破碎筛分外，同时对成型废品，燃烧废品从电解铝厂反回的线极也要进行破碎筛方成粒料作为燃料，储厚于另外的料仓中，以备配料所用。
破碎筛方后的细粉料不足以达到配料要求，因此还要用球磨热专门磨材料，要求人磨焦碳粒度小于6mm，磨度为-200因占75%。
4.配料
铝电解用阳极碳块是由不同粒度的滑料与细粉混合而成，配料即是按照粒度要求，以一定比例将各种粒度的料和细粉配好，配料操作实际上是按照提前计算或确定好的配方进行各粒度组成料称量过程。
称量一般用电子配料称，配方各个企业稍有不同，表11-2列出了典型的几种配方。
表11-2我国铝用预焙阳极的几种典型配方
粒级/mm
粗粒料（12～6）
中粒料
（6～3）
细粒料
（3～1）
粉料
沥青
国内1%
15±3
25±3
20±3
40±3
16±1.0
国内2%
16±2
26±2
18±2
40±2
17±1.0
出口%
<2
30±3
20±3
20±3
16～16.5
5.混控
混控指将配好的物料与一定量的液体沥青在一定温度用专用的设备进行混合，使其达到均匀，密实，且具有一定可塑性的棚料的工艺过程。
混控所使用的设备为混控机。
混控分干式混控和温式混控。
干式混控是指粘接剂沥青和沥青粉，即将沥青破碎成细料，按配料数量称量后加入到配好粒度的物料中，先干混一段时间，使其粒度沥青料分布均匀后，再加热混控，加热到一定温度后沥青熔化成液态，将均匀地润湿各种粒度的焦粒，使其成为糊状。
混式混控即是将沥青事先熔化成液体，按照配比量称量好放入到已加温到要求温度的配好粒度的物料中进行搅拌混控。
湿式混控比干式混控速度快，沥青分布均匀，糊的质量好，所以，国内阳极碳素厂几乎全部采用湿示混控工艺。
混控机有连续混控机和间断混控机两类。
连续混混机为螺旋式混控机，物料从一端进入在加热的螺旋机内进行搅拌推进，到螺旋机的另一端即为混控好的糊料。
连续混控机工作效率高，但投资大，糊料质量不如间段混控机的好，所以国内基本不用。
间断混控机即混控汤（如图11-5），物料加到搅拌混锅内，混控锅带有加热装置，混料可在恒定的温度下进行搅拌混控，混控速度时间温度便于掌控，所以混控锅生产的糊料质量好，广泛用于国内碳素企业。
6.振动成型
成型工序是生产作用阳极块的半成品过程。
成型就是将混控好的糊料，用成型机将其制成所需要的型状和尺寸，并具有较高的密度的半成品（生坯）即生阳极块。
在铝用碳阳极工业生产中使用两种方法成型碳块，振动成型和挤压成型。
挤压成型采用水压或内压机，浆压机成本高昂，工艺掌握不好会出现外密内松现象，故已基本不用。
振动成型设备简单，投入少，生活的产品密度均匀，质量稳定，现被广泛采用。
振动成型的原理主要是靠振动台下面的振动器产生的振幅小，频率高的强迫振动，使振动台上成型模内混控好的糊料受到多变速运动，使糊料间、糊料与模壁间的内摩擦力、外摩擦力、黎结幅度降低，从而使糊料流动性比振动前增高，颗料间发生相对位移使其更加合理排列。
同时，在糊料表面上再加一个自由外力，即重锤的重力作用，使糊料逐渐达到紧密并结合成一个具有严格几何尺寸要求的性能要求的整体，各种粒度焦粒表面浸有一层沥青熔体，成型中颗粒表面的沥青相互粘合，将颗粒牢牢固定，使碳块具有一定的强度，保持稳固的型状。
振动成型机分为单维原型机和三维成型机两种。
原维一次仅成型一块阳极，三维可一次成型一至三块。
三维成型机生产能力大，工作效率高，但造价昂贵，选用原维或是三维成型机，要根据企业的产能决定。
不管是原维振动成型机还是三维振动成型机，主要结构都是由振动台，模具，重锤和控制系统组成。
图11-6为原维振动成型机实体图。
振动成型的生阳极块质量，与糊料的黎结剂沥青用量，糊料温度，振动时间，重锤比压及激振动有密切关系，生产中必须摸索出一套相互匹配的参数，严格控制，才能生产出高质量的中间产品。
7.熔烧
阳极熔烧过程，即是生阳极块在热处理过程中黎结剂煤沥青焦化的过程和阳及物理化学性能改变的过程。
通过熔烧，包裹压碳素颗粒上的沥青转化为焦碳，并形成立体网状的焦碳网格，将石油焦颗料紧密地固结起来，构成具有固定的几何形状。
同时使阳极具有良好的力学性能和导电导热性能，耐高温性能，耐冰晶石-氧化铝熔融电解质的侵蚀性和抗氧化性，以满足电解铝生产需要。
阳极熔烧设备最常使用的就是环式熔烧炉，可是由若干个结构相同的熔烧炉室串联组成，平均成两行，每行包括16～18个炉室不等，每个炉室由横墙分隔，炉室顶部都是撇开的，以便装入生阳极块和取出熔烧后经冷的熔烧阳极碳块。
每一个炉室包含有若干个料箱和火道，沿炉子主轴线平行分布，气流流动于这些火道中，使阳极得以熔烧和冷却。
阳极旋转在由火道墙隔开的各料箱中，同一火道墙之间有横墙连通，并由此形成熔烧炉的流通道，火道墙和横墙由形状各羿的耐火砖砌成，火道墙顶部配置有4个可以关闭的开孔，俗称观察孔，平行分布的每个炉室，在其端部交叉管道连通，可使烟气从一个炉室送到另一个炉室。
在一个环式熔烧炉系统中，可同时有装炉区（装生阳极块），预热区，熔烧区，熔烧区，冷却区出炉区维修区。
一般由6～10个炉室组成一个火焰系统串联给燃烧区加热，熔烧区前端为预热区，熔烧区后端为冷却区，冷却区后端为出炉区，出炉区后端为检修区，检修区后端为装炉区，以此循环。
熔烧用焰燃料主要是煤气或天然气，也有用燃料油作为燃料的，燃料通入燃烧架内，一个燃烧架装有多个烧嘴，烧嘴伸入火道内燃烧。
生阳极块由多功能天车灰佳立着一层层放入料箱内，一个料箱可装2～3层阳极，生阳极装好后，再用多功能天车从冶金焦粒料仓中吸入焦料，运行装炉料箱处放入生阳极料箱内，将生阳极缝隙填充满并上部盖住阳极30cm以上，焦料既是传热介质，也是防阳极氧化的保护料，上部起保温覆盖作用。
熔烧时间一般为18～25天，各个企业可根据不同的条件确定，熔烧制度表11-3别出*54定环式熔烧炉3种不同制度的升温时间。
表11-354室环式熔烧炉3种不同制度升温时间
5定运转
6定运转
6定运转
温度区间
保持时间
温度区间
保持时间
温度区间
保持时间
0～200
16
0～150
14
0～150
14
200～500
36
150～450
40
150～350
28
500～700
36
450～600
40
350～550
36
200～1000
36
600～700
40
550～800
692
1000～1150
24
700～1000
40
800～1000
30
1150恒温
48
1000～1150
32
1000～1200
20
1150恒温
48
1200恒温
40
冷却速度
1250～800
180
1150～800
180
1200～800
180
800以下
144
800以下
144
800以下
144
共计
520
578
554
在熔烧过程中，200℃以下的低温区，升温可适当快些，这期间主要是云除生阳极附着水分，生阳极内部黎结剂开始软化，但未发生明显的物现化学变化，主要是对生阳极干燥预热。
在200～700℃的中温区，生阳极大量排除歼结剂中的挥发物。
从350℃开始黎结剂发生分解和聚合反应，到500℃时黎结剂形成粘焦态，当温度达到600℃时，半结焦结构剧烈分解，形成焦碳，到200℃时结焦基本完成，这期间升温应较慢，时间较长，主要是希望能获得较高的黎结剂成焦率。
在200～1100℃的高温区升温可适当快些，这期间黎结剂焦化已完成挥发物排除已很少。
这期间订是使黎结剂焦碳结构完善，稳固，可提高碳块的理论指标。
1100℃及以上的恒温区，是使黎结剂焦化过更加完善，进一步紧密，连续提高实现此指标。
冷却阶段在高温区
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