預(yù)焙陽極焙燒工藝的優(yōu)化與實(shí)踐

我國(guó)的敞開式環(huán)式焙燒爐是在消化80年代初引進(jìn)的日輕焙燒技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，常用的焙燒工藝不能充分利用揮發(fā)分燃燒產(chǎn)生的熱量，致使焙燒熱能消耗一直較高；揮發(fā)分燃燒不充分，造成煙氣凈化負(fù)擔(dān)較重；升溫速度控制不理想，產(chǎn)品質(zhì)量較差。

　　焦作萬方54室敞開式陽極焙燒爐設(shè)計(jì)產(chǎn)能為4.2萬噸/年，由三個(gè)火焰系統(tǒng)組成，每個(gè)爐室有8條火道7個(gè)料箱，分6層臥裝；焙燒爐面設(shè)備采用機(jī)電一體化燃燒架和機(jī)電一體化排煙架，DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)；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(chǎn)。

　　經(jīng)過對(duì)焙燒工藝的不斷探索和優(yōu)化，焦作萬方在揮發(fā)分充分燃燒、燃料消耗降低、實(shí)收率增加、陽極內(nèi)在質(zhì)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(jìn)

　　傳統(tǒng)升溫曲線一般都是控制每個(gè)爐室的每條火道的溫度，根據(jù)溫度情況，用人工調(diào)節(jié)排煙架風(fēng)門開度和燃料量進(jìn)行溫度控制。揮發(fā)分開始排出時(shí)由于爐室溫度低基本不能燃燒，到次高溫爐室，炭塊揮發(fā)分大量排出導(dǎo)致爐室溫度超高時(shí)，則打開看火孔透入冷空氣降溫，所以揮發(fā)分燃燒產(chǎn)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(fù)壓控制完全憑人工經(jīng)驗(yàn)，保證高溫爐室不帶正壓就行了，低溫爐室溫度不控制。結(jié)果是預(yù)熱爐室溫度跟不上升溫曲線，揮發(fā)分基本沒有燃燒就排入了煙道，燃料消耗高，產(chǎn)品實(shí)收率低。

　　焦作萬方陽極焙燒加熱設(shè)備采用脈沖式燃燒控制器，DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)，可精確對(duì)每條火道的溫度和負(fù)壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，控溫精度為：預(yù)熱段±20℃；加熱段±2℃。爐室水平及垂直溫差小于30℃。

　　我們?cè)诳刂品椒ㄉ系母倪M(jìn)是：對(duì)低溫和高溫爐室進(jìn)行控溫，揮發(fā)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(yōu)化的焙燒曲線下，揮發(fā)分排出區(qū)域的火道溫度可達(dá)650℃以上，保障了揮發(fā)分的充分燃燒，節(jié)約了燃料消耗。

　　2．爐墻縫的合理設(shè)置及填充料的正確使用

　　這里重點(diǎn)要解決的是焙燒氣氛和壓力的問題。

　　由于粘結(jié)劑分解生成的氣體不斷地通過制品內(nèi)部和填充料間隙，使制品內(nèi)外層和填充料內(nèi)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(kuò)散的速度快，促進(jìn)了粘結(jié)劑熱分解反應(yīng)的進(jìn)行，使粘結(jié)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(dāng)焙燒體系達(dá)到300－400℃時(shí)，粘結(jié)劑的分解和縮聚反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，如果增加體系的壓力，反應(yīng)將向縮聚方向移動(dòng)，同時(shí)還可減少分解產(chǎn)物的濃度梯度，使第一次反應(yīng)產(chǎn)物在焙燒體系中延長(zhǎng)停留時(shí)間，有利于參與縮聚反應(yīng)，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(chǎn)，投產(chǎn)初期的質(zhì)量及實(shí)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(shí)踐證明有益于產(chǎn)品質(zhì)量的提高及實(shí)收率的增加。

　　對(duì)于填充料，原設(shè)計(jì)為6-3mm的煅后焦。煅后焦一方面價(jià)格貴（1200元/t），另一方面透氣率太高，揮發(fā)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(jià)格僅330元/t，可以解決上述兩個(gè)問題。但由于揮發(fā)分在通過填充料的過程中，一部分會(huì)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(qiáng)，會(huì)導(dǎo)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(gè)措施是在預(yù)熱爐室填充料表面覆蓋塑料薄膜，一方面減少了負(fù)壓泄漏，可以低負(fù)壓操作，另一方面也使得揮發(fā)分排出速度減慢，增加析焦量。

　　3.　焙燒曲線的優(yōu)化

　　從工藝的角度，焙燒曲線應(yīng)考慮3個(gè)參數(shù)：陽極升溫梯度，陽極最終焙燒溫度和高溫保溫時(shí)間。

　　3.1　陽極升溫梯度

　　陽極升溫梯度主要是控制揮發(fā)分大量逸出的中溫階段，這個(gè)階段制品溫度為200－700℃之間，此階段大量排出揮發(fā)分，同時(shí)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(yán)格控制升溫速率，尤其是200－500℃之間，否則升溫過快，會(huì)造成裂紋、疏松、孔度增加、體積密度下降。

　　同時(shí)，還要調(diào)整好揮發(fā)分的燃燒位置，防止揮發(fā)分燃燒過快或過慢。一般來說，揮發(fā)分燃燒的爐室要離強(qiáng)制加熱區(qū)（燃燒爐室）足夠遠(yuǎn)，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(fā)分燃燒區(qū)亦要離排煙架足夠遠(yuǎn)，以防止揮發(fā)分產(chǎn)生的熱量沒有被充分利用就由排煙架排走。因此，揮發(fā)分燃燒的位置一般都控制在預(yù)熱段的中部。

　　焦作萬方陽極焙燒系統(tǒng)投產(chǎn)時(shí)附帶烘爐職能，采用的是48小時(shí)移動(dòng)周期，7室運(yùn)轉(zhuǎn)，制品低溫階段較長(zhǎng)，溫升只有2-3℃/h，而這個(gè)階段恰恰是粘結(jié)劑發(fā)生遷移的階段，是制品產(chǎn)生軸向和徑向不均勻的一個(gè)重要因素，所以產(chǎn)品質(zhì)量較差：疏松、表面氧化、強(qiáng)度差，外觀合格率很低。

　　2001年5月，烘爐完成后改為6室運(yùn)轉(zhuǎn)、36小時(shí)移動(dòng)周期，產(chǎn)品質(zhì)量及合格率無實(shí)質(zhì)性變化。

　　7月份，我們做了多次試驗(yàn)，初步將1P移動(dòng)前目標(biāo)溫度定為594℃，外觀合格率逐步提高到80%。但根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，揮發(fā)分排出位置多數(shù)在2P，制品低溫階段升溫速度慢，而靠近第一個(gè)強(qiáng)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(fā)分沒有充分燃燒就被排入煙道，排煙架與環(huán)形煙道接口處可見到揮發(fā)分的凝固物。

　　于是我們重新制訂了技術(shù)方案，在低溫階段適當(dāng)提高負(fù)壓，盡量使制品升溫加快，同時(shí)將4P的強(qiáng)制加熱升溫速率降低。此后內(nèi)在質(zhì)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(dòng)周期縮短到28h，由于一些技術(shù)手段的運(yùn)用，產(chǎn)品質(zhì)量比36h移動(dòng)周期更好。我們計(jì)劃不久將生產(chǎn)曲線縮短至27h。

　　27h的試驗(yàn)數(shù)據(jù)于2002年9月已經(jīng)取得，經(jīng)測(cè)試，揮發(fā)分的燃燒情況控制良好，燃燒位置都發(fā)生在2P－3P之間，即預(yù)熱段的中間位置，這個(gè)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(nèi)部微晶生成增長(zhǎng)，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(nèi)，陽極焙燒溫度每提高
　　100℃，陽極的消耗就減少幾個(gè)百分點(diǎn)，特別是當(dāng)升高到1000℃～1100℃范圍的時(shí)候陽極的抗氧化性會(huì)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(shí)陽極的化學(xué)活性也降低，反電勢(shì)增大，對(duì)于電解來說，消耗的電能增多,當(dāng)焙燒溫度從900℃上升到1270℃，反電勢(shì)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(jié)發(fā)展到熱老化過程，強(qiáng)度隨溫度升高而下降。所以，在達(dá)到陽極理化反應(yīng)、制品性能能夠均勻一致的最低條件時(shí)，即可進(jìn)入保溫階段。

　　焦作萬方的火焰最終溫度為1180℃，陽極目標(biāo)溫度控制在1080±20℃。經(jīng)測(cè)試，陽極表面溫度為1085℃，中心溫度可達(dá)1075℃。

　　需要指出的是，我們做過火焰最高溫度為1250℃的生產(chǎn)試驗(yàn)，結(jié)果顯示理化指標(biāo)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(shí)間

　　高溫保溫時(shí)間是產(chǎn)品內(nèi)外質(zhì)量均勻的一個(gè)重要因素。從工藝要求的角度來說，陽極溫度到達(dá)1080±50℃后，一般應(yīng)保持15-20h。測(cè)試結(jié)果顯示焦作焙燒爐該階段陽極冷熱端的保溫時(shí)間分別為18-35h，滿足質(zhì)量要求。

　　4. 應(yīng)用效果

　　4.1
　　炭素制品最難解決的問題是產(chǎn)品的均一性問題，即每一項(xiàng)指標(biāo)的穩(wěn)定性及每塊陽極之間質(zhì)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(duì)焙燒工藝的不斷探索和優(yōu)化，預(yù)焙陽極質(zhì)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(shí)收率增加；耐壓強(qiáng)度大幅提高；電阻率有所下降。月累計(jì)指標(biāo)對(duì)比情況見表1。

　　表1　　焙燒工藝優(yōu)化前后指標(biāo)對(duì)比表
　　　　指標(biāo)名稱電阻率（μΩm）耐壓強(qiáng)度（MPa）真密度（g/cm3）體積密度（g/cm3）平均塊重（kg）實(shí)收率
　　　�。�%）
　　　　優(yōu)化前59.134.32.061.5374992.01
　　　　優(yōu)化后55.441.92.061.5776994.47

　　[1]童芳森等.炭素材料生產(chǎn)問答.冶金工業(yè)出版社，1991.11
　　[2]華中科技大學(xué).焦作萬方陽極焙燒爐實(shí)爐測(cè)試報(bào)告.2002.3
　　[3]賴延清等.電解鋁炭素陽極消耗研究評(píng)述.輕金屬.2002.8
　　[4]張平等.焙燒曲線調(diào)整與預(yù)焙陽極質(zhì)量.世界有色金屬. 2000增刊