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中国预焙阳极技术的进步
中国预焙阳极技术的进步
包崇爱 安德军
贵阳铝镁设计研究院，贵州.贵阳
1.概述
目前几年中国的铝电解工业受到国家宏观调控政策实施和世界铝工业中心转移的影响，在短期内经历了小自焙槽改造，铝-电联营，煤-电-铝联营三个阶段，原铝产量1998年为241万吨（其中预焙约占30%，自焙槽占70%），到2003年底猛增到538万吨（其中预焙约占70%，自焙槽占30%），年平均增长率达到25%，这在世界铝工业的发展史上是空前的。在这个浪潮中，铝生产厂家从原来那种技术落后的生产方式中解脱出来，从关心产量为主转变为关心技术发展；把目光更多地投向国际铝电解技术，给国内铝电解技术的发展制造了一个契机。我国300KA以上的大型电解槽蓬勃发展，刺激国内电解槽辅助技术-阴、阳极的蓬勃发展。这个浪潮过去之后，原铝生产将进入增长的平台期。铝生产者在激烈的市场竞争中，必然走上降低生产成本，增强竞争能力的道路，中国的铝工业将出现发展重心的转移，老厂的挖潜改造、增产增效、节能降耗成为发展的重心，强化电流和延长槽寿命则是重中之重。预焙阳极作为预焙电解槽的阳极导电材料，在服役期间参与电化学反应，是铝电解最重要的辅助材料之一，它直接影响电解铝生产成本、铝电解槽操作的自动化程度以及操作环境。它的发展和铝电解技术的发展如影随形。大型预焙槽技术已经成为现在中国铝工业主导技术，本文主要讨论预焙阳极的技术问题。
2．中国预焙阳极发展的历史和现状
2.1 技术发展历史简要回顾
我国最早的、工业性的预焙阳极电解槽是1967年投产的郑州铝厂75KA预焙阳极电解槽。阳极炭块用挤压法生产，阳极炭块尺寸为400×400×1150mm。70年代初，吉林炭素厂、抚顺铝厂进行振动成型生产预焙阳极炭块试验，获得成功。80年代初，贵州铝厂从日本引进振动成型生产线，促进了我国振动成型生产阳极炭块技术的发展。到80年代，我国各大铝厂的预焙阳极炭块都采用振动成型生产，最小的尺寸为
740×400×450mm（抚顺铝厂），最大的尺寸为1450×660×540mm（贵州铝厂、沁阳铝试验厂），重达750～780Kg。
随着贵州铝厂的技术引进，将我国的预焙阳极技术和规模推上一个新的平台，成为进一步发展的基础。形成了我国预焙阳极的国家标准，如表1所示。之后，我国在不断改进阳极配方和阳极工艺条件。贵阳铝镁设计研究院成功开发了多项大型阳极专用设备，并和水城钢厂联合进行了改质沥青实验研究。贵州、青海、白银、青铜峡、平果、郑州等铝厂先后与郑州轻金属研究院合作，根据国产原料的特点，改进传统配方，采用大颗粒配方，热煤油加热、振动成型、改进原料和生产工艺，提高了预焙阳极的质量。这一技术支撑中国铝工业走过十多年的道路，形成近百万吨的预焙电解铝产能。
表.1 中国预焙阳极质量标准
指标
名称 单
位 振动成型（GB8742－88）挤压成型（YB2809－78）
TY－1 TY－2 一级 二级
灰 份 %
电阻率 Ωmm/m
耐压强度 N/mm2 >29 >29 >35 >35
体积密度 g/cm3 >1.5 >1.5-
气孔率 %--
2.2 现阶段的技术水平
到1998年，我国铝工业迎来一个高速发展的时期，预焙阳极的生产规模越来越大，中国成为世界预焙阳极技术和装备的最大市场，吸引着欧美各大铝工业先进国家纷纷向中国输入预焙阳极技术和设备。全世界各种先进的预焙阳极生产技术在这块土地上交汇融合，使中国预焙阳极技术进一步发展。
在生产技术方面，贵州铝厂在1997年针对中国老的技术缺点，率先引进了法国彼施涅的阳极焙烧技术，使我国的阳极焙烧从沿用了十几年的老炉型结构和控制方式中解脱出来，阳极质量得到很大改进。焙烧炉的温差由原来的160～200℃降低到70℃以下，使阳极质量偏差显著减小；优化的燃烧控制技术，使阳极焙烧这个阳极生产工艺中能耗占60%的工艺环节，能耗由5GJ/t-阳极降低到3GJ/t-阳极,节能60-70%，阳极成本下降约100元/t；由于沥青挥发物充分燃烧，有害物排放量仅为原来的25-35%,大大减轻了环境治理压力。在此基础上，进一步开发了适合中国特点的阳极焙烧技术，广泛应用于中国的预焙阳极生产中，取得巨大的经济效益和社会效益。为了解决我国液体沥青配料一段混捏糊料均匀性较差，低成型温度导致混捏温度偏低，影响糊料质量的问题，云铝和贵铝先后在连续混捏机后增加冷却均化器，一方面增加糊料的均匀性，另一方面可以提高混捏温度，改善混捏质量，取得良好的使用效果。
在设备方面，启明星和创元引进了法国索廖斯的新混线，正在实施之中。为了解决我国沥青质量较差，沥青泵配料长时间磨损后泄漏影响沥清配料精度问题，贵铝和青铜峡铝厂使用了克里奥利质量流量计，使沥青配料达到理想的效果。很多大型预焙阳极生产厂在与国外交流的过程中都不同程度地引进了先进的生产设备。可以说我国预焙阳极的生产装备已达到国际先进水平。
最近几年，阳极质量问题成了铝行业关注的焦点，部分生产厂家引进了RDc的试验检测设备，在对阳极质量问题作深入的研究，并生产出很好的阳极出口国外。某厂的质量指标如表2。
表.2 某厂的阳极质量指标：
指标名 单 位 指标值 方法
体积密度 kg/dm3 1.55 ISO N 838
比电阻 μΩ.m 57 ISO N 725
抗弯强度 MPa 9.62 ISO N 848
抗压强度 MPa 38 DIN 51910
静态弹性模量 GPa 5.92 DIN 51910
导热系数 W/m.K 3.64 ISO N 813
真密度 kg/dm3 2.07 ISO DIS 9088
空气渗透性 ppm 4.26 ISO DIS 9088
CO2中活性 质量剩余率 ％ 87.6 ISO N 804
粉化率 ％ 2.81 ISO N 804
质量损失率 % 9.61 ISO N 804
空气中活性 质量剩余率 ％ 96.2 ISO N 804
粉化率 ％ 0.4 ISO N 804
质量损失率 % 3.3 ISO N 804
灰份 ％ 0.2 ISO N 805
S ％ 0.79 ISO N 805
V ppm 20 ISO N 805
Na ppm 81 ISO N 805
Si ppm 184 ISO N 805
Fe ppm 304 ISO N 80
5Ni ppm 147 ISO N 805
Ti ppm 9 ISO N 805
事实证明，利用中国的原料和生产工艺设备可以生产出好的阳极，这些技术支持我国预焙阳极生产能力从1996的50万吨/年发展到现在的近250万吨/年，并正在形成一个新的技术平台，支撑起我国近600万吨/年的原铝生产。
3． 中国预焙阳极生产面临的问题
3.1 原料质量不稳定
由于阳极生产厂的规模越来越大，原料供应一般是多渠道、多点供应，难以做到定点稳定供应，各供应点之间原料质量的差异及每个原料供应点质量也不稳定，造成原料质量变化较大。另一方面，由于主要原料石油焦和沥青是其它工业的副产品，随着这些工业的进步，原料呈现出越来越差的趋势。
3.2 阳极消耗高
我国对预焙阳极的羧反应和空气反应以及粒子稳定性的研究起步较晚。由于中国粘结剂沥青的质量较差，反应活性较高，是阳极额外消耗较高的原因之一。阳极消耗的关系如图.1。
图.1中阳极净耗的额外消耗部分主要由阳极质量引起，也是阳极技术的发展空间。好的阳极可以减小阳极消耗，降低原铝生产成本。另外，好的阳极可以延长服役时间，减少残极循环量。
造成阳极消耗过高的另一个主要原因是我国预焙槽阳极电流密度低造成的，与国外的对比情况如表.3。
表3 国内外电流密度及炭耗对比
指 标 国内 国外
电流密度 A/cm2 0.69～0.72 0.78～0.86
净 耗 kg/t-Al 450～520 400～420
低电流密度对阳极消耗的影响主要是空气氧化、羧反应和掉渣引起的过耗[1]。按照雷曼德等1999年给出的阳极过耗公式可计算出，电流密度为0.7A/cm2比0.8A/cm2空气氧化、羧反应引起的阳极消耗分别高14.3%,掉渣量增大4kg/t-Al。由于低电流密度单位面积产铝量低引起的阳极过耗约为14kg/t-Al。
3.3 阳极质量指标偏差较大
我国预焙阳极生产部分工艺的控制技术还不够完善，加上一些生产厂的操作不熟练，老厂操作工人经验丰富，但设备陈旧；新厂设备先进，操作工人经验不足；造成生产工艺不稳定。与原料质量波动相叠加是造成预焙阳极质量指标波动的主要原因。其危害是影响电解槽的稳定操作，在电解槽操作粗放的情况下，阳极质量波动对电解槽操作的影响被掩盖了；但随着电解槽操作技术的提高，阳极质量的影响会变得越来越明显。
3.4 环境治理还有待改进
尽管在近几年的工程中，部分厂引进了法国的沥青烟处理装置，国内也作了很多技术改进，但在生阳极制造工艺中，多数工厂中碎配料炭粉尘收集效果较差，混捏成型的沥青烟处效果不好，影响操作环境和职工健康。
4．应该采取的对策
4.1 稳定原料质量的对策
石油焦煅烧宜采用集中煅烧的方法，可以在煅烧厂进行各种质量原料的搭配，得到稳定的煅后焦质量。这个问题讨论多年，要实施困难很大。在今后的工艺设计中应该采取煅烧前生焦的配料技术，或者考虑均化
堆场。同时应该增加中间试验过程，针对不同的原料采用不同的工艺参数。另一方面，应该投入资金研发使用质量较差的原料生产合格阳极的技术，才能很好应对预焙阳极原料变化的趋势。
4.2 降低阳极消耗的对策
应该结合电解槽的设计，提高我国的阳极电流密度，这是我国铝电解技术发展的大方向。它不但可以减小电解槽尺寸，降低铝厂的投资，还可以降低原铝生产成本；同时也是老产厂挖潜改造的必由之路。提高阳极电流密度，要求阳极质量指标的偏差要小，否则将会显著影响电解槽的稳定操作，进一步影响槽寿命。
4.3 减小阳极质量偏差的对策
1）深入研究和改进预焙阳极生产工艺的自动控制和调节技术，从控制手段上减小生产工艺的波动。
2）研究开发预焙阳极关键质量指标的在线检测技术，并将检测结果及早反馈给生产过程。
3）我国应该尽快将在其他行业也成熟应用的统计质量控制引入阳极生产管理，它对阳极质量的稳定产生巨大的作用。
4.4 加强研究预焙阳极性质及杂质对阳极服役期表现的影响
预焙阳极的机械性能热力学性能直接影响其抗热震性，在电解槽上引起掉角、开裂和工作失败，阳极与空气和二氧化碳的反应活性严重影响样机的额外消耗，另外阳极中含有4-5%（重量）的杂质，绝大部分来源于原料。“灰份”杂质通常是不挥发金属和金属化合物，其主要成分是：铁、硅、钒、铌和钠。钠含量主要取决于返回残极对附着电解质清理的效果。其他杂质包括硫、氢、氮。这些杂质影响环境（硫），污染金属（铁、硅、铌、钒），对炭阳极反应起催化作用（如钒、钠）[2]。从表.1我国的国家标准中可以明显看出，要求的指标还不能控制这些问题，应该在现有技术的基础上结合我国的实际情况尽快制定新的标准。
4.5 走适合中国特点的道路
界定阳极指标良好的范围不是一件简单的事情，不同原材料之间，阳极特性和电解槽操作之间的交互作用，意味着不会有普遍公认的理想阳极指标[2]。预焙阳极质量的优劣就是阳极对它服役的电解槽运行需求的满足程度。中国的预焙阳极服役于自己的电解槽，阳极技术发展必须在研究清楚自己的铝电解技术需求的基础上来确定自己的发展道路，否则会造成投入的巨大浪费。
5.结论
中国的预焙阳极生产技术随着铝电解技术的飞速发展已取得较大的进步，但由于发展速度过快，还存在一些主客观方面的问题，应该投入足够的人力物力结合中国铝电解技术的实际情况系统地研究解决这些问题，才能形成一个有力度的技术平台，支撑起中国这个原铝生产大国的铝电解技术。
一家之言，谬误之处请各位专家指正。
