（冶金工程专业论文）炭阳极生产工艺优化的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 炭阳极生产工艺优化的研究 摘要 随着国民经济持续快速地发展，金属铝越来越多地应用于航空、建筑、机械、 电子、能源、交通、家用电器等各个经济部门。近二十年来，金属铝的需求量更 是强劲，极大地刺激和拉动了电解铝工业的发展，电解铝的设计和生产管理水平 不断提高，特别是在我国大型预焙槽总体研发设计水平接近或达到世界先进水平 时，极大地推动了电解铝工业的发展，许多企业利用资金、技术、能源、劳动力 成本等方面的优势，在对原侧插自焙阳极电解槽进行环保节能改造的同时，扩建、 新建一批2 0 0 k a 3 0 0 k a 的大型预焙电解槽，进行新一轮的扩张。1 9 8 0 年我国电解 铝产量仅4 0 万吨，到2 0 0 1 年己发展到3 4 2 万吨，预计到2 0 0 5 年，我国电解铝产 量将达到6 0 0 多万吨。 电解铝行业的发展相应地带动了铝用炭素行业的不断壮大，现在全国包括改 建、扩建、新建的炭素生产厂家已达1 0 0 多家。炭素制品产量由2 0 0 0 年的1 8 0 万 吨猛增到2 0 0 3 年的3 3 0 万吨( 预计产量) 。虽然产量较大，但是一些厂的生产设 备落后，工艺不合理，产品质量不稳定，环境污染严重。 本文结合南山铝业二期炭素厂的建设，进行了炭阳极生产工艺优化的研究。 结合炭阳极生产工艺流程，对各工序中应用新技术与传统技术进行比较。研究了 石油焦的性能，如，真密度、体积密度、电阻率、颗粒强度、气孔率、热膨胀系 数等对炭阳极质量的影响，以及对炭阳极在电解槽上的使用效果和能耗的影响。 同时，还讨论了粘结剂沥青各组分对炭阳极理化性能的影响，并提出了石油焦和 煤沥青的选用标准。改进了石油焦煅烧工艺，提高了石油焦的煅烧质量。通过在 罐式煅烧炉预增设自动探测料面高度的装置及定时加排料机构，进行连锁控制， 使煅烧操作保持稳定，提高了煅烧质量。同时采用热媒炉对煅烧余热进行利用， 供给生产和生活用热，节省能源、并提高了经济效益。 消化引进的德国k h d 公司技术，对配料、成型系统的设备及布局进行优化设 计。采用电子配料系统控制各粒级干料及沥青的配入量，提高配料精度，减少了 人为操作误差。采用先进的混捏设备和进行混捏工艺优化，提高了糊料的混捏效 果。通过对振动成型时的各工艺因素和振动成型机参数对炭阳极质量的影响的研 究，弄清了干料粒度组成、沥青用量、成型温度、重锤比压、振动时间、激振力 和振幅等与振型产品质量之间的关系，并采用滑台式振动成型机成型，使炭块结 构均匀，密度较高。 东北大学硕士学位论文 摘要 对环式焙烧炉进行了结构优化，加宽了火道，缩窄了装料箱的结构尺寸，用 圆形金属外壳的连通火道代替长方形耐火砖连通火道，减小了烟气在火道内的流 通阻力，降低了连通火道内的蓄热，增加了装料箱内的传热效果。引进瑞士公司 的燃烧控制系统。通过炉型优化和燃烧自控技术的应用，火道及料箱内的温度分 布得更加均匀，提高了炭阳极质量，降低了能耗。 采用改进的干法净化系统，并结合先进的火道燃烧技术，焙烧烟气中的有害 物质，如焦油、氟化物、粉尘、硫等含量大幅度降低，达到国家工业炉窖大 气污染物排放标准( g b 9 0 7 8 - - 1 9 6 6 ) 。 对南山铝业二期炭素厂炭阳极生产工艺优化的研究结果表明，采用先进的技 术装备，进行合理的工艺控制，能够生产优质炭阳极，生产效率高，能耗低，并且使 排放的气体符合国家环保要求。 关键词： 炭阳极、焦碳煅烧、配料、混捏、成型、焙烧、烟气净化 查韭查兰堕主堂堡堕查 一一 ! 堕! ! ! ! ! r e s e a r c ho nt h e o p t i m i z a t i o no fc a r b o n a n o a e p r o d u c t i o np r o c e s s a b s t ra c t f o l l o w i n gt h ed u r a t i v ea n dr a p i dd e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m y ， a l u m i n i u mm e t a li su s e di nv a r i o u sb u s i n e s sl i n e sm o r ea n dm o r e s u c ha s a v i a t i o n ，a r c h i t e c t u r e ，m e c h a n i s m ，e l e c t r o n i c s ，e n e r g y , t r a f f i c s ，a n dh o m e a p p l i a n c e s ，e t c e s p e c i a l l y i nr e c e n tt w e n t yy e a r s ，t h ea l u m i n i u mm e t a l d e m a n di ss o s t r o n g ，t h a t t h e d e v e l o p m e n t o fe l e c t r o l y s i sa l u m i n i u m i n d u s t r y i s g r e a t l y s t i m u l a t e da n d i m p r o v e d ，t h e l e v e lo fd e s i g na n d p r o d u c t i o nm a n a g e m e n ti ne l e c t r o l y s i s a l u m i n i u mi n d u s t r yh a sb e c o m e h i g h e ra n dh i g h e r i ti sw o r t h y t on o t e t h a t ，t h ed e v e l o p m e n t o f e l e c t r o l y s i s a l u m i n i u m i n d u s t r yi sr e m a r k a b l yp r o m o t e d a st h el e v e lo fo v e r a l lr e s e a r c h ， d e v e l o p m e n ta n dd e s i g nf o rl a r g e - t y p ep r e - b a k i n ge l e c t r o l y s i sc e l li nc h i n a h a s a p p r o a c h e d o rr e a c h e dt h ea d v a n c e dl e v e li nt h e w o r l d m a n y e n t e r p r i s e st a k ea d v a n t a g e so ff u n d s ，t e c h n o l o g y , e n e r g y , l a b o rc o s ta n ds o o n ，o n o n eh a n d ，t h e yh a v ec a r r i e do u tt h er e n o v a t i o no ft h ef o r m e r e l e c t r o l y s i sc e l lw i t hs i d ei n s e r t e da n ds e l f - b a k e da n o d ei no r d e rt op r o t e c t t h ee n v i r o n m e n ta n ds a v e e n e r g y ；o nt h e o t h e rh a n d ，t h e yh a v ea l s o r e b u i l to r n e w l y b u i l t al o to fl a r g e - t y p e p r e b a k i n g 2 0 0 k a3 0 0 k a e l e c t r o l y s i sc e l l s ，n o wi t i si nan e wr o u n do fe x p a n s i o n i n19 8 0 ，t h e e l e c t r o l y s i s a l u m i n i u mp r o d u c t i o nq u a n t i t yi s o n l y4 0 0 ，0 0 0 t o n s y e a r ；i n 2 0 0 1 ，t h ee l e c t r o l y s i s a l u m i n i u m p r o d u c t i o nq u a n t i t y i n c r e a s e st o 3 , 4 2 0 ，0 0 0 t o n s y e a r ；i t i se s t i m a t e dt h a tt h e e l e c t r o l y s i s a l u m i n i u m p r o d u c t i o nq u a n t i t y i nc h i n aw i l li n c r e a s et om o r et h a n 6 , 0 0 0 ，0 0 0 t o n s y e a r i n 2 0 0 5 a c c o r d i n g l y , t h ed e v e l o p m e n t o fe l e c t r o l y s i sa l u m i n i u m i n d u s t r y l e a d st ot h e d e v e l o p m e n t o fc a r b o n p r o d u c t ( u s e d i na l u m i n i u m i n d u s t r y ) t h e r ea r em o r e t h a n10 0c a r b o n p r o d u c tm a n u f a c t u r e r s ，i n c l u d i n g t h er e b u i l t ，e x p a n d e do rn e w l y b u i l tm a n u f a c t u r e r s i n2 0 0 0 ，t h ec a r b o n a n o d e p r o d u c tp r o d u c t i o nq u a n t i t y i sa b o u t 1 , 8 0 0 ，0 0 0 t o n s i y ，e a r ；i t i s e s t i m a t e dt h a tt h ec a r b o na n o d e p r o d u c tp r o d u c t i o nq u a n t i t yw i l ls h a r p l y i i i 东北大学硕士学位论文 a r s t r a c t i n c r e a s et o 3 ，3 0 0 ，0 0 0 t o n s y e a r ( e s t i m a t e dp r o d u c t i o nq u a n t i t y ) i n 2 0 0 3 a l t h r o u g ht o t a lp r o d u c t i o nq u a n t i t yi sq u i t el a r g e ，c o n c e r n i n gs o m e m a n u f a c t u r e r ，t h e i rp r o d u c t i o ne q u i p m e n ti so l d - f a s h i o n ，t h e i rp r o c e s si s u n r e a s o n a b l e ，t h e i rp r o d u c tq u a l i t y i s u n s t a b l e ，a n d t h ee n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n i ss e r i o u s t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h eo p t i m i z a t i o no fc a r b o na n o d ep r o d u c t i o n p r o c e s s ，b a s e d o nt h ec o n s t r u c t i o na n ds t a r t - u po ft h es e c o n dc a r b o n p r o d u c tp l a n to fn a n s h a na l u m i n i u mc o ，l t d ； c o m p a r e d t h en e w t e c h n o l o g yw i t ht r a d i t i o n a lt e c h n o l o g yu s e d i nv a r i o u s p r o c e d u r e sr e f e r r i n g t oc a r b o na n o d e p r o d u c t i o np r o c e s sf l o w ；s t u d i e d t h ei n f l u e n c e so f c h a r a c t e r i s t i c so fp e t r o l e u m c o k e ( s u c h a sr e a l d e n s i t y , b u l kd e n s i t n e l e c t r i c a lr e s i s t a n c e r a t e ，p a r t i c l es t r e n g t h ，p o r en u m b e r , h e a te x p a n s i o n c o e f f i c i e n te t c ) o nt h ec a r b o na n o d eq u a l i t ya sw e l la st h ec a r b o na n o d e s u s a g ee f f e c ta n de n e r g yc o n s u m p t i o n i ne l e c t r o l y s i sc e l l s m e a n w h i l e ，t h i s p a p e rh a sa l s od i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo fa s p h a l t u mb o n d i n ga g e n t se a c h c o m p o s i t i o no nt h ep h y s i c a l & c h e m i c a lp r o p e r t i e so fc a r b o na n o d e ，a n d s u b m i t t e dt h es e l e c t i o ns t a n d a r do f p e t r o l e u m c o k ea n dc o a la s p h a l t u m ； m o d i f i e dt h e c a l c i n a t i o n s p r o c e s s o f p e t r o l e u mc o k e ；i m p r o v e d t h e c a l c i n a t i o n s q u a l i t y o f p e t r o l e u mc o k e b ya d d i t i o n a l l ye q u i p p i n g a u t o m a t i c a l l yd e t e c t i n gm a t e r i a ll e v e la n dt i m e l a p s ec h a r g i n g d i s c h a r g i n g m e c h a n i s m ss oa st or e a l i z ei n t e r l o c kc o n t r o l ，t h ec a l c i n a t i o n so p e r a t i o n c a n k e e ps t a b l e ，t h ec a l c i n a t i o n sq u a l i t yo f p e t r o l e u m c o k ec a nb e i m p r o v e d a tt h es a m et i m e ，t h er e m a i n i n gh e a to fc a l c i n a t i o n sc a nb eu s e db ym e a n s o fh e a tm e d i af u r n a c ei no r d e rt o s u p p l yh e a tf o rp r o d u c t i o na n dl i v i n g ， s a v ee n e r g ya n di n c r e a s et h ee c o n o m i c p r o f i t b ya b s o r b i n g t h e i m p o r t e dg e r m a n y k h d t e c h n o l o g y , t h e o p t i m i z a t i o nd e s i g ni sm a d e o nt h ee q u i p m e n ta n dl a y o u tf o rm i x i n ga n d f o r m i n gs y s t e m t h ee l e c t r o n i cm i x i n gs y s t e mi sa d o p t e dt oc o n t r o lt h e d i s t r i b u t i o nq u a n t i t yo f a s p h a l t u ma n dd r ym a t e r i a lw i t hd i f f e r e n tp a r t i c l e g r a d e ss oa st o i n c r e a s et h em i x i n ga c c u r a c ya n dr e d u c et h ee r r o rf r o m m a n u a l o p e r a t i o n b ya d o p t i n g a d v a n c e d p u g g i n ge q u i p m e n t a n d o p t i m i z i n gt h ep u g g i n gp r o c e s s ，t h ep u g g i n ge f f e c t o fp a s t eh a sb e e n i m p r o v e d b ys t u d y i n g t h ei n f l u e n c eo ft h ef i x e d p r o c e s s f a c t o r sa n d 查! ! 查堂翌主鲎堡丝墨 ! ! ! ! ! ! ! ! v i b r a t i o n f o r m i n g m a c h i n e p a r a m e t e r o nc a r b o na n o d e q u a l i t yd u r i n g v i b r a t i n ga n df o r m i n g ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ev i b r a t i o nf o r m i n gp r o d u c t q u a l i t y a n dv a r i o u s f a c t o r s ( i n c l u d i n gt h ec o m p o s i t i o no fd r ym a t e r i a l p a r t i c l eg r a d e ，t h ea s p h a l t u mu s a g eq u a n t i t y , f o r m i n gt e m p e r a t u r e ，s p e c i f i c p r e s s u r eo fh e a v yh a m m e r , v i b r a t i o nt i m e ，e x c i t a t i o nf o r c ea n da m p l i t u d e e t c ) i sm a d ec l e a r , t h e nt h es l i d i n gt a b l et y p ev i b r a t i o nf o r m i n gm a c h i n ei s a d o p t e d s ot h a tt h es t r u c t u r eo fc a r b o nb l o c kb e c o m e su n i f o r m i t y , t h e d e n s i t yi sq u i t eh i g h t h es t r u c t u r eo f r i n gt y p ec a l c i n a t i o n sf u r n a c ei so p t i m i z e d ，t h ef i r e p a t hi sw i d e n e d ，t h es t r u c t u r a ld i m e n s i o no fc h a r g i n gb o xi ss h o r t e n e d ，t h e c o n n e c t i n g f i r e p a t hw i t hr o u n dm e t a le n c l o s u r ei sa d o p t e di ns t e a do f r e c t a n g u l a rc o n n e c t i n gf i r ep a t ho fr e f r a c t o r yb r i c ks oa st or e d u c et h ef l u e f l o wr e s i s t a n c ei nf i r ep a t h ，m i n i m i z et h eh e a ta c c u m u l a t i o ni nf i r e p a t h i n c r e a s et h eh e a t t r a n s f e r r i n g e f f e c ti n c h a r g i n g b o x t h ec o m b u s t i o n c o n t r o ls y s t e mw a si m p o r t e df r o mas w i s sc o m p a n y b yo p t i m i z a t i o no f f u r n a c et y p ea n da d o p t i n gc o m b u s t i o na u t o m a t i o nc o n t r o l ，t h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni nf i r ep a t ha n dc h a r g i n gb o xh a sb e c o m em o r eu n i f o r m ，t h e c a r b o na n o d e q u a l i t y i si m p r o v e d ，a n dt h ee n e r g y c o n s u m p t i o n i sr e d u c e d b ya d o p t i n gu p d a t e dd r yt y p ep u r i f i c a t i o ns y s t e mi nc o m b i n a t i o nw i t h t h ea d v a n c e df i r ep a t hc o m b u s t i o n t e c h n o l o g y t h eh a r m f u lc o n t e n t ( s u c ha s t a r , f l u o r i d e ，d u s ta n dp o w d e r , s u l p h u re t c ) i nb a k i n gf l u eh a sb e e ng r e a t l y r e d u c e dt or e a c ht h en a t i o n a ls t a n d a r dg b 9 0 8 7 1 9 6 6 ( t h es t a n d a r d o f p o l l u t a n te x h a u s t i n g f r o mi n d u s t r i a l f u m a c et ot h ea t m o s p h e r e ) t h es t u d y i n gr e s u l to nt h e p r o d u c t i o np r o c e s so p t i m i z a t i o ni nt h e s e c o n dc a r b o np r o d u c tp l a n to f n a n s h a na l u m i n i u m c o ，l t d s h o w st h a t ， a d o p t i n g a d v a n c e d t e c h n o l o g i c a le q u i p m e n t a n d c a r r y i n go u t r e a s o n a b l e p r o c e s sc o n t r o lc a r ll e a dt ot h ep r o d u c t i o no f c a r b o na n o d ei nh i g hq u a l i t y , i n c r e a s et h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c y , l o w e rt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n d e n s u r et h e g a se x h a u s t i n g i nc o n f o r m i t yw i t ht h en a t i o n a lr e q u i r e m e n t o f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n k e y w o r d s ：c a r b o n a n o d e ，c o k e c a l c i n a t i o n s ，m i x i n g ，p u g g i n g ， f o r m i n g ，b a k i n g ，f l u ep u r i f i c a t i o n v 东北大学硕士学位论文 声明 声明 本人声明所交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名： 日期： 查! ! 垄兰壁主茎堡垒墨! 塞塑垫生垫鎏 1 炭阳极生产概述 自从1 8 8 6 年美国的霍尔和法国的埃鲁特发明冰晶石氧化铝熔盐电解法” 炼铝以来，碳素制品以其价格低，而有良好的导电性，并且有在高温下能够抵御 有很大腐蚀性的冰品石氧化铝熔盐电解时的侵蚀而成为铝工业不可替代的碳 素电阳极碳阳极和碳阴极。至今尚未找到经济合理、性能满足大工业生产的 惰性电极材料，新法炼铝如氧化铝电解法，高炉炼铝法等。只停留在研究中，未 能在工业应用上取得突破性发展。在电解时，固体氧化铝溶解在熔融的冰晶石熔 体中，通入直流电压后在两极上发生电化学反应，碳阳极的碳在电化学反应”1 过 程中，按反应式： 2 a i ：0 。+ 3 c _ 4 a i + 3 c 0 2 生成的二氧化碳，其电极反应过程为： 2 a i2 0 5 _ 2 a i ”+ 3 0 2 一 阴极：a i ”+ 3 e _ a l 阳极：一一2 e + 0 2 0 + c c 0 2 随着反应的不断进行，电解质熔体中的氧化铝，固体碳阳极不断被消耗掉。 上述反应过程构成当今铝工业生产的基本原理。 阳极质量的好坏对电解的状况，铝的品位，阳极消耗量电能消耗，电流效率 和环境污染构成重要影响。随着大型中心自动下料预焙在铝工业的大规模的推广 。3 ，对预焙阳极的质量也提出了更高要求。 下面将炭阳极生产过程“1 进行简要概述： 炭阳极生产的原料是石油焦和煤沥青。首先将石油焦经煅烧设备进行高温处 理变成煅后料，由破碎设备破碎成焦粒，焦粒经振动筛进行不同粒级的筛分，筛 下料一部分进入各分级料仓( 国内一般采用3 种颗粒焦粒) ，一部分进入磨前仓经 磨粉设备磨粉。返回残极破碎筛分后进入焦粒料仓或单独进残极颗粒料仓。然后 将制备好的三种粒级的石油焦和残极的颗粒和磨好的石油焦粉按一定比例进行电 子配料，并加入到混捏设备内，在一定温度下进行一段时间的干混，再加入定比 例的熔化好的煤沥青进行湿混，制成糊。制备好的糊料在振动成型模套内振动成 形，经水喷淋冷却成生块。 生阳极经多功能天车装入敞开环式焙烧炉，用6 i m m 焦粒作填充料，在一 定升温制度下对生阳极进行焙烧。在焙烧过程中，粘结剂煤沥青内的多芳烃化合 物经过一系列的热解和缩聚反应，最后形成粘结剂焦。将焦粒和焦粉粘结在一起， 形成具有一定物理性能、机械性能和电性能的焙烧阳极，供铝电解槽使用。 选用的石油焦应符合s h t 0 5 2 7 - 1 9 9 2 中1 级品或合格品a 级焦质量标准。 东北大学硕士学位论文l 炭阳极生产概述 石油焦技术要求见表卜l 表1 1 石油焦质量指标( s h t 0 5 2 7 1 9 9 2 ) t a b l e1 一1 0 u a l i t yi n d e xo fp e t r o l a t u mc o k e ( s h t 0 5 2 7 1 9 9 2 ) 注：水分只作为参考指标。 所用粘结剂煤沥青有中温沥青和改质沥青，其技术条件分别见表1 - 2 、卜3 。 表卜2 煤沥青的技术条件( 6 8 2 2 9 0 9 4 ) t a b l e 卜2 e n i n e e r i n gf a c t o r so fc o a lp i t c h ( g b 2 2 9 0 9 4 ) 指标名称j 鲤鱼蟹茔主塑逝壹一 一类二类电极用一般用 1 、软化点洌蝴3 0 0 4 5 00 - - 7 5 0 7 5 0 、铂0 7 5 0 - m 0 2 、甲苯不溶物含 量 3 、灰分不大于 4 、水平不大于 5 、挥发分 6 、喹琳不溶物含 量不大r 1 5 2 5 0 3 5 0 高温沥青 ) 呱o m o 2 6 6 1 5 1 6 5 0 0 3 水份不大于5 5 注：水份只作生产中控制指标，不作考核依据，如超过上述规定，按超过部分扣除产量。 3 h 4 ，。 q 坶 弘 旧 一 坶 弘 吣 末北大学硕士学位论文1 炭阳极生产概述 炭阳极生产工艺流程图如图1 一l 所示： 图卜l 炭阳极生产工艺流程图 f i g 1 1 g r a p hf o rt e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fc h a r c o a la n o d e 4 东北大学硕士学位论文2 电解铝工业发展趋势及炭素生产现状 2 电解铝工业发展趋势嘲及炭阳极生产现状网 金属铝是一类广泛应用于国民经济各部门的重要金属，年消耗量仅次于钢铁。 其需求量逐年增加。1 9 8 0 年世界各国铝产量为1 6 1 0 万吨，到2 0 0 0 年达到2 4 6 0 力_ 吨。而我国铝产量却由1 9 8 0 年的4 0 万吨猛增至2 0 0 1 年的3 4 2 万吨。一跃成为 世界第一大铝生产国，特别是我国投资上亿元，荣获国家科技进步一等奖的国家 大型铝业电解攻关项1 = 3 2 8 0 k a 级大型中心自动下料预焙槽技术获得突破，并得 到迅速推广，极大的推动了我国电解铝工业的发展。它具有密闭性好、热稳定性 好、自动化程度高、电流效率高、能耗低、污染少等优点。从1 6 0 ”。”1 、1 9 0 、2 0 0 、 2 3 0 、2 8 0 、3 2 0 k a 等槽型基本采用试验成功的2 8 0 k a 级电解槽技术。目前我国在 建、扩建的铝厂的产能在2 0 0 万吨左右，全部是采用大型预焙槽技术的2 0 0 3 2 0 k a 级电解槽技术，拟建的产能达3 0 0 多万吨，预计到2 0 0 5 年我国原铝产能将超过 6 0 0 力| 吨。电解槽容量从6 0 k a 提高到3 2 0 k a ，能量消耗降低到1 3 2 0 0 k a f f q 铝左右， 电流效率达到9 2 9 5 。我国铝工业的发展历程决定了铝电解槽型由6 0 、7 5 、 8 0 、1i 4 、1 3 5 、1 4 0 、1 5 0 、1 6 0 k a 到1 9 0 、2 0 0 、2 3 0 、2 8 0 、3 0 0 、3 2 0 k a 等中小型 预焙电解型和大型现代预焙槽共有的局面。 与电解铝工业快速发展同步，我国铝用碳素工业也得到快速发展，除原c n n c 系统的贵铝、青海铝、郑铝、青铜峡铝。1 、白银铝、山东铝、抚顺铝等铝厂的炭 素生产在改扩建计划完成后总产能在1 0 0 万吨以上外，河南、山东、山西等省的改 扩建不同类型的生产厂家有6 0 余家，产能合计1 0 0 万吨以上，全国各地计有百余 家。预计2 0 0 3 年全国阳极产能将达到3 5 0 万吨”，其中正规设计院设计施工、投 资较大的各大型铝厂配套建设的炭素厂，部分引进了国外的生产技术、设备及相 应的检测手段，整个生产线自动化水平较高，环保“符合国家排放标准，而另一 些产量小于2 万吨预焙阳极炭素厂投资少、技术装备相应落后、生产工艺不稳定、 生产出的产品质量也不稳定、能耗高、环境污染严重。 随着现代中心加料预焙阳极电解槽向大型化、技术装备自动化的方向发展， 要进一步提高生产率及电流效率，降低炭阳极的吨铝消耗，降低铝电解生产成本， 就必然对有铝电解槽心脏之称的炭阳极的质量提出了更高的要求。 铝用炭阳极的质量对电解槽的正常稳定生产、电流效率、电解槽寿命以及铝 电解的生产成本产生直接影响，然而限于各炭素厂家的技术装备水平的差异、原 料质量的波动、化验及检测装备水平的差距，测试项目的不完善，一些重要的质 量指标如c 0 2 、反应性、热膨胀率、导热系数、抗弯强度、弹性模量及微量元素含 东北大学硕士学位论文 2 电解铝工业发展趋势及炭素生产现状 量分析等未纳入检测标准，使我国炭阳极质量和国外相比，存在一定的差距。 炭阳极是铝电解槽的重要组成部分“”，好似人的心脏一样重要，优质炭阳极 是现代大电流电解槽保持良好运行状态的前提。低质量炭阳极对电解槽的运行构 成的危害是相当大的，主要表现为阳极块电压降高，被迫提高槽电压，阳极块增 加的压降以热量的形式进入电解质，使电解质温度升高，逐渐产生热槽。国内铝 电解温度一般为9 5 0 9 7 0 ，和国外9 4 0 9 5 0 相比明显偏高，使电解槽散 热增加；阳极与c o 。、空气接触，发生不均匀氧化反应，导致掉渣，使碳渣在槽中 过量集聚，严重时烧结成饼，发育成苞：电解质中碳渣含量高，电阻增大。在工业 电解质中悬浮的粒径为1 1 0 的炭渣微粒，由于界面电位梯度的影响，几乎不 导电，当电解质中含渣量为0 0 4 时，电阻率增加l ，炭渣含量l 时，电阻率 增加1l 。若阳极底部黏附的碳渣层接触铝水会造成电流空耗，阳极周边的碳渣 层易造成电流通过侧部碳块短路。两者均严重影响电流效率和电耗，提高了铝电 解生产成本；炭阳极的抗热、电等冲击能力差，造成阳极上槽后产生裂纹、掉块、 脱落等现象。炭阳极频繁处理会增加电解槽的散热，加剧铝水的搅动，既能破坏 槽子的稳定，又能降低金属铝的纯度。为了保证电解槽平稳运行，必须打开电解 槽，在近1 0 0 0 的高温下，进行人工打捞炭渣、碎块和处理长苞。在捞出的炭渣 中含有7 0 左右的电解质，这将造成氟化盐消耗增加。优质炭阳极在电解槽上使 用时应无明显的氧化、掉渣、掉块现象发生，产生的炭渣量一般小于l ，微量 炭渣被阳极气体或空气氧化掉，电解质洁净，炭阳极氧化脱落指标小于4 ，电 解不捞渣，电解槽运行平稳，火苗微蓝喷发有力，电解生产指标达到优质、高效、 低耗。国外一般电解槽上应用的阳极电流密度为0 8 5 a a m 2 左右，国内阳极电流 密度只有0 7 2 a c 抒左右。阳极电流密度偏低，降低了电解槽的产能“。另外， 国内电解槽的电流效率也比国外先进水平低2 4 ，电耗高3 0 0 5 0 0 k w h t a l 。“。 除炭阳极的性能对电解过程构成上述的影响外，对其灰分含量有严格的要求，特 别是铁、硅、钒、镍、硫等氧化物的杂质含量。它们不仅影响到炭阳极的理化指 标，而且会在电解过程中进入铝液，影响铝的纯度或影响电流效率。因此，在铝 工业生产中，加强对炭阳极原料( 石油焦、煤沥青) 的结构和理化性能方面的基 础研究“”，提高炭阳极生产装备技术水平，和国际接轨，采用合理的配方和工艺制 度，完善炭阳极理化性能指标的测试，生产出具有良好的导电性、理想的抗热震 性和机械强度高、具有良好的抗氧化性、较高的体积密度、灰分含量低的优质阳 极，其意义尤为重大“。 6 东北大学硕士学位论文 3 炭阳极原料的选择 3 炭阳极原料的选择 制造炭阳极的主要原料为石油焦和煤沥青，石油焦为骨料，煤沥青为粘结剂。 炭阳极生产的制品性能好坏，除和工艺操作控制有关外，还和石油焦、煤沥青等 原材料的质量密切相关，原材料的组分含量、理化性能及杂质含量不同等，直接 影i j n 炭阳极的产品质量，对炭阳极在电解槽上的应用行为构成重要影响。 3 1 石油焦的选择 石油焦是炼油厂的副产品。根据炼油厂生产所用的原油性质不同，以及渣油 在延迟焦化塔内焦化时所控制的温度及其分布、液态流量、压力、反应停留时间 等工艺参数不同，所生产出的石油焦的理化性能存在着相当大的差异。具体来说， 可将石油焦分为四个种类：( 1 ) 针状焦：是将原油经过催化裂化制得澄清油，然 后进行成焦，生焦进入回转床进行煅烧而制成。针状焦具有很好的金属光泽，具 有优质的流线型结构，在偏光显微镜下观察针状焦，平行于流线型方向的任一截 面外观的大部分呈各向异性的纤维状或各向异性很强的片状结构，与其垂直方向 的截面是各向共性的镶嵌结构。针状焦的这种独特结构使得其理化性能的各向异 性也十分明显。平行于颗粒长轴方向具有良好的导电导热性能，线膨胀系数较低， 易于石墨化。适用于生产电弧炉炼钢用多功能电极和超高功率电极。( 2 ) 海锦状 焦：适用于生产铝电解用炭阳极和普通石墨电极。因渣油特性和炼焦工艺不同， 石油焦的体积密度、挥发份含量及反应性等也有所差别。( 3 ) 丸状焦或球状焦： 多以2 - 6 m m 球体存在。经煅烧后外层光滑，内核密实、孔度少、硬度高、振实体积 密度大，但是它和粘结剂缺少粘结力，焦核外层中间相容易产生表面裂纹，外层 松散独立、热膨胀性高，若用于制造炭阳极，将出现大量冲击裂纹，增大空气的 渗透性和反应性，故不宜作炭阳极生产原料，一般大部分作为燃料燃烧。( 4 ) 流 态化焦化工艺生产的流态化焦，直径约0 1 o 4 m m ，具有洋葱样表层结构、密度 低、强度低、挥发份高、热膨胀系数高，不适宜于作为炭阳极生产原料。 采用不同性质的原油作为原料所生产出的石油焦的性质也不一样。如采用密 度为0 8 6 9 c m 3 的轻质原料油到密度为0 9 4 9 c r a 3 的稠油：从高腊基质到低凝固的 环烃基原油所生产的石油焦性质不一样。用辽河油田原油加工的渣油胶质含量高， 重芳烃高。生产出的石油焦真密度低，电阻率偏高，石油焦的体积密度高，颗粒的 强度高，c t e 高。而大庆油田加工的渣油胶质含量低，饱和烃和芳烃高，用其加工 生产的石油焦真密度大，c t e 低，电阻率低，易石墨化，质量好。 查! ! 查兰翌圭兰堡笙查 一j 墨旦塑堡塑堂 在炭阳极生产时石油焦的选用必须考虑下面几个方面：( 1 ) 煅后焦具有较小 的孔隙度，较高的密度：( 2 ) 粉末比电阻较小；( 3 ) 较强的颗粒强度或研磨系数： ( 4 ) 与c o ：和空气的反应性较小：( 5 ) 较小的热膨胀系数：( 6 ) 粉焦含量较小： ( 7 ) 硫分较低及灰分中的金属元素的含量特别是v 、n i 、n a 等在铝电解时对炭阳 极和c o ：及空气反应起催化作用的金属元素的含量要低。生焦的性质与煅烧工艺 决定了煅后焦的特性。下表3 - 1 是我国不同厂家生石油焦的微量元素含量情况统 计： 表3 - i 我国生石油焦微量元素含量 ! 生! ! ! ：! ：! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! 望! ! ! ! ! ：竺! 竺! 竺坚塑坠一 元素单位 abcd efgh ikl n