預焙陽極焙燒工藝的優化與實踐

我國的敞開式環式焙燒爐是在消化80年代初引進的日輕焙燒技術的基礎上發展起來的，常用的焙燒工藝不能充分利用揮發分燃燒產生的熱量，致使焙燒熱能消耗一直較高；揮發分燃燒不充分，造成煙氣凈化負擔較重；升溫速度控制不理想，產品質量較差。

　　焦作萬方54室敞開式陽極焙燒爐設計產能為4.2萬噸/年，由三個火焰系統組成，每個爐室有8條火道7個料箱，分6層臥裝；焙燒爐面設備采用機電一體化燃燒架和機電一體化排煙架，DCS自動控制系統；以重油作燃料；所用生陽極為大顆粒配方，瀝青用量為17%；于2001年3月投入生產。

　　經過對焙燒工藝的不斷探索和優化，焦作萬方在揮發分充分燃燒、燃料消耗降低、實收率增加、陽極內在質量及外觀合格率提高等方面取得了較好效果。

　　1. 控制方法的改進

　　傳統升溫曲線一般都是控制每個爐室的每條火道的溫度，根據溫度情況，用人工調節排煙架風門開度和燃料量進行溫度控制。揮發分開始排出時由于爐室溫度低基本不能燃燒，到次高溫爐室，炭塊揮發分大量排出導致爐室溫度超高時，則打開看火孔透入冷空氣降溫，所以揮發分燃燒產生的熱量，沒有得到充分利用。

　　一種方法是只控制燃燒架加熱的高溫爐室溫度，負壓控制完全憑人工經驗，保證高溫爐室不帶正壓就行了，低溫爐室溫度不控制。結果是預熱爐室溫度跟不上升溫曲線，揮發分基本沒有燃燒就排入了煙道，燃料消耗高，產品實收率低。

　　焦作萬方陽極焙燒加熱設備采用脈沖式燃燒控制器，DCS自動控制系統，可精確對每條火道的溫度和負壓進行自動調節，控溫精度為：預熱段±20℃；加熱段±2℃。爐室水平及垂直溫差小于30℃。

　　我們在控制方法上的改進是：對低溫和高溫爐室進行控溫，揮發分排出爐室自由升溫—即只需控制1P、4P、5P、6P爐室溫度，2P、3P爐室自由升溫。在優化的焙燒曲線下，揮發分排出區域的火道溫度可達650℃以上，保障了揮發分的充分燃燒，節約了燃料消耗。

　　2．爐墻縫的合理設置及填充料的正確使用

　　這里重點要解決的是焙燒氣氛和壓力的問題。

　　由于粘結劑分解生成的氣體不斷地通過制品內部和填充料間隙，使制品內外層和填充料內外層之間都存在著分解氣體的濃度梯度，若分解氣體濃度低，則分解氣體從制品中向外擴散的速度快，促進了粘結劑熱分解反應的進行，使粘結劑的析焦量減少，反之，若分解氣體排出速度慢，則析焦量增加。

　　當焙燒體系達到300－400℃時，粘結劑的分解和縮聚反應同時進行，如果增加體系的壓力，反應將向縮聚方向移動，同時還可減少分解產物的濃度梯度，使第一次反應產物在焙燒體系中延長停留時間，有利于參與縮聚反應，既可提高析焦量，又有利于中間相小球體的生成[1]

　　由于多種原因，焦作爐的爐墻縫分布在2－10mm之間，非常不利于生產，投產初期的質量及實收率都不太理想。我們采取措施，將爐墻縫控制在1-3mm之間，實踐證明有益于產品質量的提高及實收率的增加。

　　對于填充料，原設計為6-3mm的煅后焦。煅后焦一方面價格貴（1200元/t），另一方面透氣率太高，揮發分排出過快，體系壓力低。因此我們改用了冶金焦，粒度選為6-1mm，價格僅330元/t，可以解決上述兩個問題。但由于揮發分在通過填充料的過程中，一部分會被吸收，一部分在熱的填充料顆粒表面形成熱解炭膜，而新冶金焦的吸附性恰恰較強，會導致析焦量減少，因此在如何使用的問題上，我們的做法是將新冶金焦做覆蓋料，避免與陽極直接接觸。另外一個措施是在預熱爐室填充料表面覆蓋塑料薄膜，一方面減少了負壓泄漏，可以低負壓操作，另一方面也使得揮發分排出速度減慢，增加析焦量。

　　3.　焙燒曲線的優化

　　從工藝的角度，焙燒曲線應考慮3個參數：陽極升溫梯度，陽極最終焙燒溫度和高溫保溫時間。

　　3.1　陽極升溫梯度

　　陽極升溫梯度主要是控制揮發分大量逸出的中溫階段，這個階段制品溫度為200－700℃之間，此階段大量排出揮發分，同時粘焦劑逐漸焦化，為了提高瀝青析焦量，改善制品的各種理化性能，該階段必須嚴格控制升溫速率，尤其是200－500℃之間，否則升溫過快，會造成裂紋、疏松、孔度增加、體積密度下降。

　　同時，還要調整好揮發分的燃燒位置，防止揮發分燃燒過快或過慢。一般來說，揮發分燃燒的爐室要離強制加熱區（燃燒爐室）足夠遠，這樣可增大煙氣與陽極塊之間的溫度差，有利于熱量的傳遞；揮發分燃燒區亦要離排煙架足夠遠，以防止揮發分產生的熱量沒有被充分利用就由排煙架排走。因此，揮發分燃燒的位置一般都控制在預熱段的中部。

　　焦作萬方陽極焙燒系統投產時附帶烘爐職能，采用的是48小時移動周期，7室運轉，制品低溫階段較長，溫升只有2-3℃/h，而這個階段恰恰是粘結劑發生遷移的階段，是制品產生軸向和徑向不均勻的一個重要因素，所以產品質量較差：疏松、表面氧化、強度差，外觀合格率很低。

　　2001年5月，烘爐完成后改為6室運轉、36小時移動周期，產品質量及合格率無實質性變化。

　　7月份，我們做了多次試驗，初步將1P移動前目標溫度定為594℃，外觀合格率逐步提高到80%。但根據檢測數據，揮發分排出位置多數在2P，制品低溫階段升溫速度慢，而靠近第一個強制加熱爐室的3P卻升溫過快（這正是需要放慢升溫速度的爐室），瀝青析焦量低，揮發分沒有充分燃燒就被排入煙道，排煙架與環形煙道接口處可見到揮發分的凝固物。

　　于是我們重新制訂了技術方案，在低溫階段適當提高負壓，盡量使制品升溫加快，同時將4P的強制加熱升溫速率降低。此后內在質量得到提高，外觀合格率逐步提高到98.5%以上。

　　2004年，我們已將火焰移動周期縮短到28h，由于一些技術手段的運用，產品質量比36h移動周期更好。我們計劃不久將生產曲線縮短至27h。

　　27h的試驗數據于2002年9月已經取得，經測試，揮發分的燃燒情況控制良好，燃燒位置都發生在2P－3P之間，即預熱段的中間位置，這個階段的升溫速率為6-8℃/h。[2]

　　3.2　陽極最終焙燒溫度

　　焙燒熱處理溫度高，有利于制品內部微晶生成增長，提高抗氧化性，從而減少鋁電解陽極消耗：在850℃～1300℃的溫度范圍內，陽極焙燒溫度每提高
　　100℃，陽極的消耗就減少幾個百分點，特別是當升高到1000℃～1100℃范圍的時候陽極的抗氧化性會有更大的改善[3]；焙燒熱處理溫度高能降低陽極比電阻，但同時陽極的化學活性也降低，反電勢增大，對于電解來說，消耗的電能增多,當焙燒溫度從900℃上升到1270℃，反電勢增加0.1V，故陽極比電阻并非越小越好[4]。另一方面，700℃以后，焦炭燒結發展到熱老化過程，強度隨溫度升高而下降。所以，在達到陽極理化反應、制品性能能夠均勻一致的最低條件時，即可進入保溫階段。

　　焦作萬方的火焰最終溫度為1180℃，陽極目標溫度控制在1080±20℃。經測試，陽極表面溫度為1085℃，中心溫度可達1075℃。

　　需要指出的是，我們做過火焰最高溫度為1250℃的生產試驗，結果顯示理化指標無明顯差異，僅電阻率下降了1-2μΩm，重油消耗卻增加約10%。

　　3.3 高溫保溫時間

　　高溫保溫時間是產品內外質量均勻的一個重要因素。從工藝要求的角度來說，陽極溫度到達1080±50℃后，一般應保持15-20h。測試結果顯示焦作焙燒爐該階段陽極冷熱端的保溫時間分別為18-35h，滿足質量要求。

　　4. 應用效果

　　4.1
　　炭素制品最難解決的問題是產品的均一性問題，即每一項指標的穩定性及每塊陽極之間質量的均一性，此問題已在焦作萬方得到很好解決。

　　4.2
　　通過對焙燒工藝的不斷探索和優化，預焙陽極質量、合格率均有很大提高：由于瀝青析焦量的增大，使得炭塊體積密度上升，熟塊平均塊重、實收率增加；耐壓強度大幅提高；電阻率有所下降。月累計指標對比情況見表1。

　　表1　　焙燒工藝優化前后指標對比表
　　　　指標名稱電阻率（μΩm）耐壓強度（MPa）真密度（g/cm3）體積密度（g/cm3）平均塊重（kg）實收率
　　　　（%）
　　　　優化前59.134.32.061.5374992.01
　　　　優化后55.441.92.061.5776994.47

　　[1]童芳森等.炭素材料生產問答.冶金工業出版社，1991.11
　　[2]華中科技大學.焦作萬方陽極焙燒爐實爐測試報告.2002.3
　　[3]賴延清等.電解鋁炭素陽極消耗研究評述.輕金屬.2002.8
　　[4]張平等.焙燒曲線調整與預焙陽極質量.世界有色金屬. 2000增刊