铝电解炭素工艺教程

铝电解预焙炭素阳极生产工艺前言自1886年美国的Hall和法国的Heroult发明炼铝的基本方法——Hall-Heroult高温熔盐电解炼铝法以来，铝电解工业无论在工艺技术水平，还是在生产规模以及在自动化程度上均取得了突飞猛进的发展；尤其在近30年间，铝电解生产的电流效率由80％多提高到现在最高水平的96%，电解直流电耗由过去的16000多kWh/吨铝降低到现在的13000kWh/吨铝以下；在生产规模方面，铝电解槽由几仟安培的规模扩大到现在的320KA，甚至500KA。一个多世纪以来，工业铝电解槽经历了由小型预焙阳极电解槽、侧插式自焙阳极电解槽、上插式自焙阳极电解槽到大型预焙阳极电解槽的发展阶段；在自动化控制程度上，成功地开发出了控制精度高、系统鲁棒性好、具有明显的增产节能效果的电解过程控制系统。全世界年铝产量由二十世纪初期的6000吨/年发展到二十世纪末期的2000多万吨/年。这些进展可以说是基于人们对于Hall-Heroult炼铝法的基本原理有了更加深入的了解和认识。铝电解生产过程中需要消耗大量的炭素材料，这些炭素材料因电解槽类型、电解生产用途、对其性能要求的不同，其规格型号有别，但生产工艺大同小异。铝电解用炭素材料主要包括：1）、预焙阳极2）、底部炭块3）、侧部炭块4）、炭缝糊其中以炭素阳极的消耗量为主，过去（10年前），在预焙铝电解生产中炭素阳极的消耗量达到了550-600Kg/吨铝，随着科学技术的发展，目前预焙阳极在铝电解生产中的消耗量降到了480Kg/吨铝以下，有的生产厂家通过技术革新甚至将阳极炭耗降到了440Kg/吨铝以下。我国铝电解用炭素阳极的生产始于1963年，在郑州铝厂（现长城铝业公司）试生产成功。此后我国铝电解用炭素阳极生产迅速发展，白银铝厂、包头铝厂、青海铝厂、贵州铝厂、平果铝业公司、青海铝厂二期扩建的配套炭阳极生产车间、云南铝厂等阳极生产线的相继建成投产，使我国目前铝用炭素阳极的年产量较十年前成倍增长，形成了我国铝电解用炭素阳极生产的成熟技术和规模，并相继建立了两个系列的炭阳极质量标准：振动成型系列的GB8741-88和挤压成型系列的YB2809-78。Hall-Heroult炼铝法的典型特点之一是阳极属于消耗性阳极，阳极的基本设计型式从整体上划分为两种：自焙阳极和预焙阳极。随着人们对铝工业规模化、现代化生产认识的提高和对环境保护意识的增强，预焙阳极铝电解槽取代自焙阳极铝电解槽已成为世界铝工业发展的必然趋势。铝电解生产的基本原理是：以炭素材料为阳极，以囿于炭素内衬中的铝液为阴极，以冰晶石熔体为电解质溶解原料氧化铝，通过电解反应，在阴极沉积生产金属铝。其基本反应式为：Al2O3(diss)+1.5C=2Al(l)+1.5CO2(g)作为阳极生产的主要原料——炭素材料，在铝电解生产过程中，伴随着金属铝的生成而不断消耗。长期的生产实践表明，炭素阳极质量的优劣，直接或间接影响着铝电解的各项经济技术指标，诸如电流效率、电能消耗、吨铝阳极炭耗等。因此，炭阳极在电解铝工业中不可避免地处于举足轻重的地位，一直被业内人士成为铝电解槽的“心脏”。第一节概述1.1炭素阳极在铝电解生产中的重要性首先，阳极质量的好坏直接影响着铝电解生产的主要工艺技术指标，诸如能量效率和电流效率，同时也直接影响着铝电解的生产成本；其次，炭阳极质量优劣与铝电解生产过程的稳定性和工人的劳动强度紧密相关；再者，炭阳极在工作中对环境的污染程度已经越来越受到人们的关注，其中尤其是针对自焙铝槽电解生产技术方面，国内外均采取了一系列甚至是强制性的措施。随着世界铝电解技术的快速发展和环保意识的增强，适宜于规模化操作和大型化生产以及环境污染相对较轻的预焙槽电解炼铝技术已经成为了世界铝电解技术的主流。在我国，从二十世纪九十年代后期就明确规定，要在新世纪初基本停止自焙槽电解炼铝，这标志着我国的铝电解工业将由过去的自焙槽生产为主体转化为向大型预焙槽方向快速发展。但是，阳极的“质量问题”仍然是阻碍我国铝工业整体水平向世界先进水平靠拢的主要障碍之一，进一步提高我国阳极生产工艺技术或者在现有工艺技术条件的基础上改善作为预焙铝电解槽“心脏”的炭阳极的物理化学和电化学性能指标，可以达到有效地降低铝电解的生产成本、稳定铝电解生产操作和提高铝电解生产效率的目的，对促进我国铝电解工业的发展，提高我国铝工业在国际市场上的竞争力有着不可轻视的作用。1.2铝电解生产生产对炭素阳极的基本要求1）要求阳极具有良好的物理化学性能，减少阳极对空气和二氧化碳反应活性，以求达到降低炭耗、延长阳极使用寿命、减少电解槽含炭渣量的目的；2）要求阳极具有良好的电化学性能，以求达到提高阳极电化学反应活性，降低电解过程中电能消耗的目的；3）要求阳极杂质含量要少，以免在电解过程中进入成品而影响产品质量；4）要求阳极质量更均匀、更稳定，以求达到电解槽稳定操作和进一步降低阳极效应系数的目的。1.3铝电解用炭素阳极的基本性能指标表1国际公认的预焙阳极性能指标项目单位指标范围备注体积密度电阻率抗压强度抗弯强度热膨胀系数导热系数透气率CO2反应余量空气反应余量杂质：SVSiFeNa结构g/cm3Ωmm2/mMpaMpa10-6/KW/mKNpm%RDC%RDC%ppmppmppmppm\1.53-1.5852-6040-485-123.5-4.03.5-4.50.5-1.584-9270-851.2-2.480-350100-300100-500250-600\越高越好尽量控制低的电阻率\\\\越低越好剩余越多越好剩余越多越好越低越好越低越好越低越好越低越好越低越好没有掉块和裂纹表2我国现行的电解铝用（预焙）炭阳极性能指标牌号灰分(%)≤电阻率≤(Ω·mm2/m)I抗压强度≥(N/mm2)体积密度≥(g/cm3)真比重≥(g/cm3)TY-10.555291.52.0TY-21.263291.52.0第二节原料铝电解预焙炭素阳极的生产原料包括阳极主体组分（又称骨料）和粘接剂两大部分。2.1骨料1）种类：石油焦。国内炭素厂普遍采用延迟石油焦（简称延迟焦）。2）来源：炼油厂的炼油渣经过高温加热，采用延迟焦化工艺所得到的产品。（焦化工艺分延迟焦化和流化床焦化，延迟焦化生产的焦因其孔隙度高而特别适用于制备铝电解用炭素阳极）3）质量评价指标：一般用灰分、硫分、挥发分和1300℃煅烧后的真密度（真比重）来衡量，具体指标见表3。表3我国延迟石油焦的质量标准项目一号二号三号A级B级A级B级A级B级水分（不大于）3.03.03.03.03.03.0灰分（不大于）0.30.50.50.50.81.2硫分（不大于）0.50.81.01.52.03.0挥发分（不大于）1012121516182.2粘接剂1）种类：沥青。电解用炭素阳极一般用煤沥青做粘接剂。2）来源：是由钢铁工业烟煤制取焦炭时产出的煤焦油经高温分馏后的残渣，是多种碳氢化合物的混合体。3）作用：粘接固体炭粒（骨料），构成具有一定塑性的炭糊，并且在炭糊焦化过程中渗入骨料之间，使阳极具有足够的机械强度。4）性能指标：包括固定碳、挥发分和灰分等。（固定碳的定义：沥青在隔绝空气的条件下，加热到800℃，干馏3小时，排除全部挥发分后残留的总碳量，也称结焦残碳值）沥青的主要性能指标见表4。表4预焙阳极粘接剂沥青的性能指标类别项目中温沥青高温沥青软化点（℃）挥发分（%）结焦残碳值（%）甲苯不溶物（%）75-9565-7552-5517-2595-12047-4965-6844-48第三节预焙炭素阳极的生产工艺及设备目前炭素厂主要的生产工艺流程如图1。3.1原料的准备和煅烧3.1.1原料的准备包括内容：原料的验收入库和煅烧前的准备。进厂石油焦首先通过带网格的受料漏斗进行筛选，其中小于300mm的料进粗碎设备进行破碎，而大于300mm的料需经人工打碎后再进漏斗过筛。粗碎设备：主要有齿式对辊破碎机或颚式破碎机。其技术要求是：石油焦破碎完毕后粒度控制在50-70mm。进厂的沥青经破碎后送入沥青熔化槽进行熔化，使其成为液体沥青。一般破碎沥青的设备多为环锤式破碎机。3.1.2石油焦煅烧1、煅烧的目的：1）、排除原料中的水分和挥发分；2）、促使单体硫气化和化合态硫的分解；煅烧的结果：提高原料的真密度、机械强度、导电性和抗氧化能力。2、煅烧的主要技术参数控制煅烧带温度不低于1250℃，不高于1350℃。3、煅烧设备煅烧设备主要有回转窑、罐式煅烧炉、电热煅烧炉等三种，目前，大多数炭素厂采用回转窑，在此重点介绍回转窑。1）回转窑的优缺点：优点：结构简单，产能大，生产机械化程度高，投资相对少，容易清扫。缺点：原料的烧损比较大（一般有10%左右）。2）回转窑的结构主体：回转窑和冷却机组成回转窑：窑尾装置、窑体、窑头装置、燃烧装置、二次风装置、引风机、除尘设施及排烟管路、烟囱等。冷却机：结构类似于回转窑窑体，但简单许多，其作用是：一方面冷却物料，另一方面也可空气，节省热能。3）物料煅烧程序及工艺参数原料石油焦（俗称生焦）经窑尾流入回转窑，在窑内与逆流的热空气接触加热，由于窑体是倾斜转动，物料随窑体转动的同时向窑头移动，并依次经过窑内的预热带、煅烧带、冷却带，最后从窑头流出进入冷却机。石油焦沥青粗碎破碎煅烧中碎熔化筛分分级球磨粗粒中粒细粒球磨粉残极生碎预热混捏成型焙烧预焙阳极图1预焙阳极生产流程简图阳极组装预热带：最高温度：800-1100℃，进料口温度：500-600℃。热源：从煅烧带流过的热烟气。物料变化：脱水并排出挥发分及硫分。煅烧带：最高温度：1250-1350℃，物料可加热到1200℃以上。热源：重油或煤气燃烧，二次风助燃。物料变化：生焦焦化，石油焦形成碳原子的平面网格，呈两维空间的有序结构排列，达到增加石油焦的物化性能（如电阻率、真密度、机械强度等）的目的。冷却带：窑头温度：小于1000℃。物料在此段自然冷却。冷却机：采用喷水方式对物料进行强制冷却。冷却机出口煅后焦温度：小于60℃。3.2筛分与配料包括工序：筛分、球磨、配料。3.2.1筛分1、目的：将煅后焦破碎分成不同粒级，以符合科学配料的要求。2、筛分设备：一般在炭素厂多使用震动筛，此外还有回转筛、摇摆筛等。3.2.2球磨1、目的：将部分煅后焦磨成细粉，以满足配料要求。2、设备：球蘑机3、工作原理：采用某种介质（如钢球），在筒体内与物料一起旋转，介质在运动中将物料磨碎。3.2.3配料1、定义：将不同粒级的焦粒（包括粉料）按一定的比例配合。2、目的：为了得到堆积密度较大而气孔率较小的炭素材料。3、配料技术参数对于预焙阳极，其生产中的基本配方为：粗颗粒料（6-12mm）：14-20%；中颗粒料（3-6mm）：8-10%；细颗粒料（-3mm）：45-54%；粉料：（-0。074mm）：22-25%；残极：1-30%；生碎：0-7%；粘接剂沥青：14-17%4、配料设备：料仓和电子秤。3.3成型包括工序：预热、混捏、成型3.3.1预热1、目的：将各种粒级的骨料混合均匀并加热，为混捏工序打基础。2、技术参数：要求骨料从预热螺旋出口的温度要达到140-160℃。3.3.2混捏1、定义：将各种粒级的骨料与粘结剂在一定温度下搅拌、混合，从而获得塑性糊料。2、目的：1）物料混合均匀；2）不同颗粒达到合理堆积，提高密实度；3）粘接剂渗透到各种骨料的空隙中，提高了物料的粘接性和密实度。3、混捏设备双（单）轴搅拌混捏锅：是间歇生产方式，比较适合于规模不大的炭素厂。双轴搅拌连续式混捏机：是连续生产方式，适合于规模较大的炭素厂。目前混捏设备的加热方式（热源）主要是蒸汽或电热。4、主要技术参数该工艺的主要技术参数是混捏温度和混捏时间。混捏温度应该选定比沥青的软化点高出50-80℃。铝用预焙炭素阳极一般选用高温改质沥青做粘接剂，其软化点为110℃左右，则混捏温度应该选择160-180℃，且必须达到要求。因为温度高，沥青粘度小，流动性好，浸润效果好，同时容易渗透到空隙中去；反之，温度不够，沥青粘度大，混捏时搅刀转动费力，粘接剂与骨料难以混合均匀，影响阳极的物理性能。当然，温度也不