铝电解预焙阳极生块裂纹问题的探讨

1、铝电解预焙阳极生块裂纹问题的探讨丁邦平摘 要：根据四川启明星铝业公司铝用阳极生产新线特点， 对阳极生块生产中经 常出现的几种裂纹以及阳极焙烧后较大的抗压强度进行了原因分析， 并 提出了一些具体措施，以期对生块生产有所指导。关键词 ：预焙阳极、生块、裂纹 、抗压强度1、前言目前世界铝产量 3500万吨，国内产量已达 900 万吨以上，产能已超过 1000 万吨。预焙阳极的需求将达 600 万 t。生块经焙烧而成预焙阳极，因而生块质量 对预焙阳极的质量至关重要。 就四川启明星铝业有限责任公司阳极生产而言， 生 块经常出现的质量缺陷主要缺损、掉棱、尺寸超标、裂纹、表面粗糙等，其中裂 纹出现最多， 也

2、最难解决。本文就生块裂纹以及阳极焙烧后较大的抗压强度产生 的原因进行探讨，并提出一些措施，供参考。2、铝用阳极生产新线简介2.1 生产工艺流程新配置? 阳极混捏成型新工艺配置抽真空高温振动成型160 170 中碎系统生产的四种不同粒级通过七台配料秤配料形成骨料，由集合螺旋、 斗式提升机及过渡螺旋输送到四周预热螺旋加热到 180 190，热骨料与 180 190液体沥青连续进入到强力混捏机混捏 45 分钟，一般混捏温度在 200 210，高温混捏后的糊料进入强力冷却机由喷入的冷却水均匀冷却到160165，冷却后糊料通过振动给料机送到真空型成型机振动成型，成型制品由悬 链带入冷却水池经过两小时左右

3、水浴冷却，制品继续被悬链带入到输送辊道处， 再由推进器推到辊道上输送到制品库。22 生产工艺新线特点 该新线特点较多，这里仅列出可能产生裂纹有关系的工艺新线特点： 选用 EIRICH立式高速混捏机作为糊料混捏设备，替代传统的低速单轴或 双轴卧式混捏机。采用真空型振型机，振型温度可达 1605，高于非真空型温度混捏温 度（ 1455），高温振型要求高温混捏，因此混捏温度远高于非真空 型混捏温度。混捏机虽无加热装置，但因混捏机高速运行发热，由此带来混捏温度高 于热骨料和沥青的混合温度。强力冷却机不仅起到冷却作用， 还对混捏后的糊料在冷却过程中再混捏。 真空成型机的真空度能达到 730745mmHg

4、。真空成型机的预压气囊可以在振动前充进 35kg 压力的压缩空气对糊 料提前预压实。3、问题的由来启明星自 2005年 1 月 28日投产以来生产近两年半的时间，产量已达 25万 吨，期间除生产自用产品以外， 还生产有不同规格的国内铝电解需求的产品以及 国外俄罗斯铝电解需求的产品， 各类产品都出现过不同类型的裂纹， 以下列出不 同阶段一些典型裂纹案例，包括焙烧后出现的可能是上工序引起的生块暗裂纹。（ 1） 生产初期，成型后的生块经冷却水池冷却后出现较多的裂纹，并伴有 爆裂声，一般出现在长侧面的垂直裂纹，严重时出现生块断裂。（2） 2006 年年初，焙烧制品出现大面积的裂纹， 焙烧废品率超过 3

5、0，同 时这批制品在组装过程中也产生裂纹，进入电解槽出现较多的阳极垂 直断裂而化爪现象，导致电解槽生产不正常。（3） 2007 年年初，生产外销制品时，生块出冷却水池放置几天后出现数量 较多的炭碗内部各向裂纹，并伴有爆裂声。（ 4） 生产过程中有时发生长侧面横向裂纹，裂纹处非常光洁。4、预焙阳极生块裂纹种类预焙阳极生块经振动成型、脱模后，裂纹出现的位置、粗细 （宽 窄 ）、深度 各不相同， 按出现的部位大致可分为碗裂、 侧面裂纹和不规则裂纹， 其中碗裂又 分为碗边缘裂纹、碗间裂纹和碗底部裂纹，侧面裂纹分为水平和垂直两种裂纹， 见表 1。表 1 预焙阳极生块裂纹种类序号裂纹类型定义特征1炭 碗

6、裂 纹碗边缘裂纹由炭碗指向斜面边坡的裂纹长度不一，可有一条或数条裂纹2碗间裂纹两个炭碗之间的 裂纹一般出现在生块上表面中部的 两个炭碗， 沿生块长度方向， 贯 穿于两个炭碗3碗底部裂纹单个炭碗底部各 方向裂纹一块炭块至少出现一个有裂纹 的炭碗， 其长度不一， 有贯穿性 裂纹，可有一条或数条裂纹，4侧 面 裂 纹水平裂纹出现在四个侧面 的平行底平面裂 纹多为水平裂纹，沿生块长度方 向，较细，长度从 2 10cm 不 等，一般为连续裂纹5垂直裂纹出现在四个侧面 的垂直底平面裂 纹多为水平裂纹，沿生块长度方 向，较细，长度从 2 10cm 不 等，一般为连续裂纹6不规则裂纹包括网裂和斜面 与侧面交线

7、处的 裂纹如蜘蛛网或放射线一样沿各方 向；多发生在斜面与面积较小的 侧面交界处5、生块裂纹产生原因及采取的措施不同类型的裂纹， 其产生的原因不同， 所采取的措施也不尽相同， 下面分别 探讨 。5.1 炭碗裂纹5.1.1 碗边缘裂纹预焙阳极生块在成型过程中， 受到振动力、 摩擦力以及其他力的作用， 在生块内部的某些部位残余一些相互作用的力， 这些应力使生块内部存在细微的松裂 和外胀，生块脱模后由于弹性后效作用而出现裂纹。 根据经验， 这种力的作用主 要来源于两方面 ：（ 1） 一方面与成型机的模头是否转动灵活有关， 如模头转动灵活， 模头很容易 从生块的炭碗中脱出； 若模头转动失灵， 脱模时模头

8、将对炭碗施加力的作 用，从而造成碗边缘裂纹；（ 2） 另一方面与成型机重锤是否处于水平状态有关，当重锤水平偏差过大时， 模头对炭碗的作用力不均匀， 某处作用力超出糊料的粘结力时， 产生碗边 缘裂纹。针对这种裂纹，采取的措施：成型工在生块成型前必须认真检查每个模头， 保证模头转动灵活；经常检查并调整成型机的重锤，使之处于水平状态 。5.1.2 碗间裂纹及碗底部裂纹 形成碗间裂纹和碗底部裂纹的因素基本相同，可以归到一起来讨论。（ 1） 与生块外形尺寸和炭碗分布有关 碗间裂纹根据制品形状不同和碳碗排布方式不同，其造成废品量明显有差 异。一般来讲：炭阳极窄而长； 碳碗（棒孔 ）呈一条直线分布，有较多的

9、碗间裂纹， 相对较宽类型的炭阳极； 碳碗呈对称分布， 碳碗间距较大， 则极少有碗间裂纹出 现。碳碗间距小，强度低，在弹性后效作用下易形成中间开裂。（ 2） 台阶高度炭阳极外型因为要减少电解残极量和工艺上考虑， 一般将其外型上部设计为 斜面。如图 1所示。图1因此在振动成型过程中， 将改变力的分布状态， 因物料为塑性材料， 外力将 均匀分布向下传递，这样在斜面上产生了反支力，使力在水平方向有分力作用。设：外作用力分布密度为： f则水平分力分布密度： f平=aftg b=f而水平分力： F=bf由上分析说明： 当有斜面时， 水平方向分布密度与垂直方向分布密度相等， 与斜面斜角大小无关，斜面高度越大

10、，水平方向力越大，撤去外力后，被改变位 置的颗粒力图恢复原位， 形成的弹性后效越大， 尤其是糊料塑性较差时， 弹性后 效力体现更为显着。 当弹性后效力超过颗粒之间粘结力时， 出现中间裂纹。另外， 物料总是沿垂直于力的方向分层， 使物料之间的粘结力变小， 是产生裂纹的另一 原因。由此可见：炭阳极生坯台阶越高，糊料塑性差，糊料粘结力小则易出现碗 间和碗底部裂纹。（ 3） 与糊料特性有关胶料论指出： 将焦碳颗粒粘结在一起的不是沥青， 而是胶料， 胶料在制品中 是连续相，是制品的基质，焦碳颗粒分散在胶料中，胶料的性质由胶胞决定，小 颗粒之间的粘结力大于颗粒之间的粘结力。 在生产中若配方中粉子纯度低，

11、碳粉 颗粒直径大，则形成的胶料粘结力小： 0.075mm 含量小，则混捏时产生的胶 料少，糊料塑性差、 颗粒之间的粘结力小， 振动成型时易形成碳碗间的贯通性大 裂纹。反之，形成的胶料粘结力强，但细粉形成的弹性后效力增大，碳碗间形成 细小裂纹。 另外，当融化好的沥青长时间在较高温度下静置不用时， 沥青发生一 定程度的老化（氧化） ，沥青的软化点升高，在混捏温度不变的情况下，糊料塑 性变差，沥青粘结力下降， 生块易形成裂纹； 混捏过程若沥青量小形成的糊料塑 料差，同样也形成碗间或碗底部裂纹。（ 4） 振动台的频率影响目前启明星使用的振动成型机是真空型预压式， 结构主要是振动台、 带真空 罩和预压气

12、囊的重锤、 底部装有密封的模具等部分组成。 其中振动台是双轴振动 台，由激振器、 减震气囊和固定夹具等部件组成， 激振器一组两个偏心块与另一 组两个偏心块旋转方向相反，但保持同样的旋转速度，两组偏心块的质量相同， 它们在水平方向产生的惯性离心力分力在任何角度下都是大小相同，方向相反， 因而互相抵消为零， 而垂直方向的分力则叠加作用在振动台上。 因此偏心轴振动 台只具有垂直方向的定向振动。 工作时的定向振动引起振动台连同上面的物料颗 粒是沿一直线往复运动， 所经过的路程是从一个边缘位置到另一个边缘位置 （可 称为幅度），其振幅是幅度的二分之一。由于振动台不同组成部件的影响，如：八个减震气囊减震性

13、能的不同四组固定夹具固定压力不平衡模具、真空罩密封破坏而局部失出弹性模具内糊料不均匀分布引起重锤的倾斜 等等因素都会导致振动台不同部位所受的激振力不一样，振动频率不同步， 甚至是相反，使振动台的某些部位形成振幅极小， 甚至是零振幅， 某些部位 振幅大，整体表现上下为非直线运动， 而是一种椭圆或圆形运动， 致使糊料 没有被均匀振实而产生碗间或碗底部裂纹裂纹。碗间和碗底部裂纹应采取的措施 ：（ 1） 预焙阳极外型设计时尽可能使炭碗对称分布于上表面， 并尽量避免碗间距 较小。避免台阶高度过高。（ 2） 生产中保持配方和沥青用量及混捏过程稳定。（ 3） 沥青温度不宜过高，控制在 180 185。（ 4

14、） 振动成型时合理布料，糊料堆积与生块外型相吻合，以减少糊料迁移量， 减少中间部位内应力。（ 5） 经常检查振动台各部位，使振动台处于良好的运行状态。5.3 侧面裂纹侧面裂纹是指发生在炭阳极四周侧面的裂纹， 其基本上为水平方向和纵向裂 纹。振动成型生产炭阳极， 炭阳极四周总是与模具间有力的作用， 在提模过程中 产生摩擦力，当摩擦力大于物料间的粘结力时，即发生侧面裂纹。此外，物料沿 垂直于激振力方向分层是产生侧面裂纹的另一因素。产生裂纹具体原因如下： 糊料温度的影响一般来讲，糊料塑性越好，越有利于成型，制品有较高的密实度。在干料组 成和沥青量一定的条件下， 提高糊料的温度可提高糊料塑性， 因为煤

15、沥青粘度随 温度变化很大， 提高温度使煤沥青粘度下降， 沥青的粘结力下降具体讲是胶料粘 结力下降，当达到一定程度， 使物料与模壁间的摩擦力大于物料的粘结力而形成 提模裂纹。 同时糊料温度高， 有大量烟气存在是导致裂纹的另一原因。 当继续提 高糊料温度，将使沥青氧化、缩聚作用加剧，使糊料变硬，塑性很快变差，从而 形成碗间裂纹，同时制品密度降低， 增加振动时间会引起内部粒子结构破坏形成 制品表面裂纹。 因此可以说： 振动成型机对糊料的塑性是有一定范围要求， 对糊 料成型有一定温度要求。 糊料温度低不利于成型， 温度高同样不利于成型。 生产 实践证明： 用石油焦和改质煤沥青生产炭阳极， 当糊料温度超

16、过 170或者混 捏温度超过 205以后 ，侧面裂纹明显增加， 最佳混捏温度 190200、成型温 度160165 。糊料温度较高而沥青没有老化 （氧化 ）时，提高冷却机冷却能力， 同时排除糊料中的烟气， 这样既有利于在冷却机中二次混捏功能保证沥青对糊料 的润湿和渗透，提高糊料质量，也有利于成型。5.3.2 物料组成影响在物料组成中， 对侧面裂纹产生的主要影响是细粉和沥青相对比例， 当粉予 较粗时，配方中一 0.075mm粒级含量偏少，为获得相应塑性糊料，沥青用量总是 相对细粉来讲是偏大的， 糊料中胶料油量偏大， 引起颗粒粘结力下降， 而引起裂 纹。当粉子较细，配方中一 0 075mm粒级含量

17、较多，沥青用量增大，糊料中胶 料多，糊料塑性提高，同样在振动成型时容易产生裂纹。另外当粉料较细，配方 中-0.075 mm料较多时，糊料比表面积增大，颗粒间的摩擦面增大，成型时生块 中储存的内应力相应加大，这种情况也易出现侧面裂纹。经实践， -0.075mm粉 料最佳用量控制在 24 27。5.3.3 沥青的影响按经验，混捏温度应比沥青软化点高 5070，沥青软化点改变，混捏温 度应及时作出调整 。相同软化点的沥青，其甲苯不溶物含量也不尽相同，由于 甲苯不溶物是沥青中起粘结作用的主要成分， 因此甲苯不溶物含量高的沥青， 混 捏温度也应适当提高， 否则，混捏温度不满足沥青要求， 容易使生块产生侧

18、面裂 纹。针对侧面裂纹采取的措施：1）0.075mm 粉料和沥青用量尽可能地保持稳定 。2）加强沥青软化点和甲苯不溶物含量的监测力度， 根据沥青性能的变化及时调整混捏温度3) 振动成型时，重锤施加的压力足以从狭窄的孔和沟缝中排出气体，并在部分 连接颗粒间的具有高粘结力的薄膜内产生粘滞流动。 采用的成型条件必须妥善处 理好粘结力最小粘度与产品刚度足以抵抗其内应力的关系。54 不规则裂纹 造成这种裂纹的主要原因是生块冷却时间不充足， 生块外部虽然得到冷却 但内部没有得到足够的冷却， 温度仍然较高， 从冷却池中捞出堆垛时在生块不同 部位产生应力，达 到一定程度时生块出现不规则裂纹。采取的措施 ：制定

19、合理的生块冷却制度，保证生块具有足够的冷却时间，并严 格执行。6、焙烧后阳极高抗压强度产生的原因分析 6.1抗压强度值对比四川启明星焙烧后的阳极抗压强度的性能与标准性能指标对比：国外预焙阳极抗压强度指标 Mpa4055国内一级品预焙阳极抗压强度指标 Mpa不小于 32四川启明星预焙阳极抗压强度平均值5560四川启明星预焙阳极抗压强度平均值已远超国内一级品的标准并高于国外 标准。6.2高抗压强度带来的危害从生产实际情况发现， 高抗压强度阳极在成型和焙烧的废品率较高， 特别是 在强度高于 58Mpa，焙烧块更容易出现裂纹。这种高抗压强度制品体积密度、导 热率较高，弹性模量较好，也有较低的空气渗透性和 CO2反应性以及较低的电阻 率，这些性质看起来对阳极有利，但有一指标抗热震因子低导致抗热震性差， 阳极在电解槽易产生裂纹降低阳极使用寿命，严重引起化爪。6.3形成高抗压强度的可能原因 在炭素原料的生成和制品的制造过程中，都会发生有机物的热解和聚合反 应，因此，有不少气体作为反应产物而溢出。这样，在制品的内部就产生大大小 小多少不定的孔隙。孔隙种类有分子间隙、超微孔、过渡气孔和粗大孔，孔隙的 存在对于材料的机械强度、 热导率、电导率及热膨胀系数等一系列性能有着重大影响尤其是过渡气孔， 如果其是平滑的圆形孔或椭圆形， 则对制品的机械强度下 降影响不大；但如果是锐角裂纹孔， 则