鋁電解預焙陽極生塊合格率提升探究*

羊光紅，楊傳元，田素蘭

（云南源鑫炭素有限公司，云南 紅河 654300）

隨著鋁電解槽技術向大型化、高效和節能降耗方向的發展，預焙陽極質量對鋁電解的生產影響越來越突出，同時大型化高電流強度的預焙槽對預焙陽極質量也提出了更高的要求。

生塊成型是預焙陽極生產的第二道工序，混捏成型工藝是整個預焙陽極生產工藝的核心。高質量的生塊是獲得合格預焙陽極的首要前提和關鍵，生塊質量的好壞，直接影響預培陽極質量的提高，最終影響預焙陽極在鋁電解過程中的使用性能[1]。某炭素公司二期項目成型工序投運以來，生塊產品質量缺陷較多，在生產實踐中對疏松、裂紋、炭碗缺陷和焙燒后耐壓強度低等一系列原因進行剖析，摸索解決方案，提出解決措施以提高生塊合格率。

1 成型生產工藝情況

1.1 生產工藝流程

成型工序的主要任務是把經過煅燒后的石油焦、預焙陽極生產及使用過程中產生的生碎、殘極（含焙燒廢品） 以及作為粘結劑用的瀝青這四種原料按一定技術要求進行加工處理，制造出具有一定規格和質量要求的生塊[2]。流程圖如圖1所示。

圖1 生陽極成型工藝流程圖Fig.1 Forming process flow of raw anode

1.2 生產性特點

該公司配料混捏工序主體設備為全進口設備，配套國產帶抽真空固定式振動成型機，啟動生產時問題較為突出，主要體現在三方面：①選用進口的強力混捏機，混捏中鉸刀對物料做功使混捏溫度上升，瀝青更好滲入骨料的同時，也促使混捏溫度偏高；②選用進口的強力冷卻機，配套噴水冷卻糊料夾層溜管，冷卻中再次進行糊料混捏，同時也易使糊料產生球團料；③首次使用帶抽真空的固定式國產成型機，由于設備的自身多種缺陷，啟動生產時問題突出。

2 生塊質量缺陷情況

該公司生產初期，出現了一些質量缺陷：①疏松現象出現在生塊經冷卻輸送出水后，生塊上表面及底部倒角處；②表面出現夾干料現象；③在更換模具生產500 kA大型陽極生塊時，出現碗間裂紋、凸臺裂紋、脫模裂紋等[3]。自2020年4月投產以來，生塊合格率較低，截止年底累計生產炭塊144 386塊，合格率97.88%，生塊不合格分項統計見表1。

表1 2020年生塊主要廢品統計表Tab.1 Main waste products statistics of raw block in 2020

3 廢塊產生原因分析及采取的措施

3.1 疏松廢塊及措施

疏松廢塊在該公司項目投產初期占比最多，約占廢塊總數的1/3左右，主要有以下幾方面。

3.1.1 模具溫度低導致表面疏松

在啟動初期，由于模具未設計加熱系統，只能依靠糊料自身溫度對模具進行傳熱的方式來提升模具溫度。生產時單臺成型機需要連續生產7至8塊生塊后才能緩解表面疏松，炭塊外觀才正常，四臺成型機同時生產致使每次啟動生產都產生大量的疏松塊。加之啟動初期設備問題頻繁，頻繁啟停系統導致疏松廢塊較多。

針對這一現象，在確定方案訂制采購加熱器的同時，對生產工藝進行調整。首先合理控制下料量，將強烈冷卻機噴水冷卻系統停止噴水，提高糊料的入模溫度；其次成型機振動結束后延遲炭塊推出，將炭塊遺留模具內，利用炭塊熱量對模具進行傳熱升溫，利用此方式在啟動生產時疏松廢塊減少近50%。但由于傳熱效率低，在加熱器到貨后立即安裝調試，每次啟動前提前對模具進行預熱，模具溫度低導致的表面疏松有效得以解決。

3.1.2 低下料量導致炭塊上部疏松

該公司成型工序二期設計產能為60 t/h，由于啟動初期受設備故障及生產控制要求影響，實際生產中糊料量控制在（30～35）t/h進行生產，導致強烈冷卻后的糊料結團情況嚴重，現場測量結球最大直徑達200 mm左右，致使炭塊上表面疏松及顆粒料突出，尤其在炭碗邊緣表現最為明顯。在解決這一問題時，根據生產實際，進行了各項工藝試驗調整的生產實踐：

1）提高涼料溫度。生產中將涼料溫度逐步進行提高試驗，在試驗過程中，崗位人員值守電振處觀察糊料情況和生塊入水前情況。涼料溫度提升后，電振處觀察糊料結球數量情況有所好轉，上表面疏松廢塊有所緩解，但炭塊偶爾會出現裂紋廢塊，未能徹底根除；

2）降低糊料重量設定值。生產中逐步降低強力混捏機和強力冷卻機糊料重量設定值，糊料重量分別由5 800 kg逐步降低至4 000 kg。電振處觀察糊料結球直徑和數量情況有所改善，但生塊上表面疏松廢塊未有效解決。并且由于混捏時間降低，糊料可塑性變差，為保證生塊體積密度，瀝青配入量有所上升；

3）增加干料下料量。生產中逐步增加干料下料量，下料量由30 t/h逐步提升至43 t/h。在下料量不斷增加的過程中，電振處觀察到的糊料結球情況明顯改善，在糊料量加至43 t/h時，上表面疏松廢塊得到極大的改善。

結合工藝調整生產實踐及過程控制情況，在后續生產中將涼料溫度控制在（162～165）℃，強力混捏機重量控制5 400 kg，強力冷卻機重量控制在5 200 kg,下料量控制在（40～43） t/h，加之過程控制相關參數的匹配，有效解決生塊上表面疏松問題。

3.1.3 模具真空異常導致生塊底部疏松

生塊底部倒角處的疏松問題，經過現場反復觀察、分析得出：造成生塊底部倒角處疏松的原因在于模具底部斜角體與保護外圈鏤空部分較多，各面斜角體在模具放到位時搭接處存在縫隙。在模具位抽真空時，由于上模未落至糊料上表面，負壓通過糊料把斜角體與保護外圈內的冷空氣順斜角體搭接處間歇抽走，造成該位置出現疏松。而當把抽真空改至小幅位時，由于壓重整體壓到糊料上表面，對糊料進行部分壓實，導致斜角體與保護外圈的冷空氣無法順利被抽走，避免了該位置的疏松。因此，對此進行了程序優化，實現真空位抽真空模式和小幅位抽真空模式按鍵式的雙向選擇，解決了生塊底部疏松問題。

3.1.4 布料不均勻導致上端面局部疏松

生塊上端面局部出現疏松時，是由于物料小端面兩端存在較大的物料高差，在振動成型后，物料少的一邊由于不密實而導致疏松。解決這一問題措施主要是加強現場巡視，發現模具內布料不平整時及時調整布料器的角度和布料器左右兩端的等待時間。

3.2 裂紋廢塊及措施

裂紋廢塊是所有廢塊中最為錯綜復雜，影響因素最多的，包括原料、配方及各種工藝參數的影響，當然也是原因分析和解決難度最大的。它不僅在生塊外觀或取樣內部直接體現，在焙燒后的炭塊出現裂紋與生塊質量也有關系[4]。

裂紋廢塊的產生具有很強的自身和外部的影響因素，雖然裂紋總類眾多，但歸根結底可分為兩個大類：①機械設備性裂紋，如脫模裂紋、底板、過渡板等不平、激振力不均等造成的裂紋，此類裂紋一般有較強的規律性，需要在實際生產中不斷觀察解決；②為生塊成型后，內部熱量和彈性后效釋放導致的裂紋，此類裂紋較為難以解決，對配料的粒度、粉料的純度、瀝青的配入量和工藝參數都有相對的關系，同時和入水時間等都有一定的關系，需要統籌考慮各方面的因素。由于在炭素生產中，各種工藝及設備不盡相同，加之原料變化因素大，所以解決問題的核心關鍵在于理論聯系自身生產工藝實際情況，摸索尋找適合的解決辦法。下面是通過不斷摸索得出的一些規律及措施。

3.2.1 碗間裂紋

生塊碗間裂紋表象出現在某兩個相連炭碗中間，或是貫穿所有炭碗。此類裂紋產生原因根據實際生產中總結出一些的規律，主要有以下三個方面影響因素。

1）涼料溫度控制。當涼料溫度過高時，往往會出現此類裂紋。在涼料溫度高于165℃時，碗間裂紋率明顯呈現上升趨勢。雖然涼料溫度提升，在一定的條件下有助于瀝青配比的降低，但由于此類裂紋率的提升，工藝控制嚴格要求涼料溫度現場實測不超過165℃；

2）模具真空影響。炭碗上部成型機硬件設施問題造成的漏風，也是造成此類裂紋增加的原因之一。處理真空漏風后問題得到解決；

3）炭塊冷卻效果。生塊脫模推出入水后，由于冷卻水池有效水位低于生塊高度，導致炭塊無法完全浸泡冷卻，加之冷卻水溫度等關系，炭塊出水池后會表現出炭碗間裂紋，生產中需要加強對冷卻水池有效水位及冷卻水溫度進行有效控制。

3.2.2 凸臺裂紋

生塊凸臺裂紋表象出現在炭塊平臺位置，一般出現在兩個小端面平臺位置，有時候也貫穿兩大面平臺位置。在更換模具生產500 kA大炭塊后，連續出現此類裂紋廢塊。通過對上模造成此處裂紋的位置進行了反復的打磨拋光及圓弧過渡處理，對成型機的激振力和驅動電機的頻率反復調整及真空系統的檢查調整處理及處理真空漏風，凸臺裂紋得到有效解決。

3.2.3 脫模裂紋

生塊脫模裂紋表象出現在炭塊靠最上端位置附近，這類裂紋出現，裂紋位置會伴隨有瀝青滲出表面。此類裂紋的產生是由于模具存在一定的脫模角度，炭塊上端面在壓重體直接壓縮下振動成型，糊料中的瀝青被壓縮出來粘附在模具上，該位置在脫模時承擔了炭塊自身最大的重量，加之模具內壁光潔度的影響，造成該類裂紋。但此類裂紋一般在一條直線上往上部波動，取樣觀察該類裂紋深度一般較淺，嚴重時出現掉棱現象。

解決此類裂紋，在保證模具內壁光潔度的同時，一般在脫模時進行澆水，如果生產線自動化程度較高，不具備人員值守現場澆水的條件，且安全隱患較大?？刹扇☆A防控制措施就是嚴格控制瀝青配入量及加強生產工藝過程控制來進行避免。

3.3 夾干料廢塊及措施

生塊夾干料主要是由于下料溜管及設備粘附糊料，冷卻后粘附力下降掉落在糊料內，給料下料時存在不可預見性，表面及內部都可能存在。這類廢塊在電解槽上使用危害較大[5]，表面能看到的夾干料在生塊檢驗時可以及時檢出進行處理，但內部夾干料在電解槽使用時會出現掉渣，大的干料甚至可能會出現分層斷裂的風險。解決此類廢塊的主要對策是定期清理容易粘料部位，有效解決物料溜管及設備粘附物料。

4 實施效果

通過各種方案的實施及加強過程控制，截止目前，該公司二期成型工序生產正常，生塊合格率提升至99.5%，廢塊數量明顯降低。見表2。

表2 實施前、后不合格生塊數據統計表Tab.2 Data statistics of unqualified raw block before and after implementation

5 結語

由于生塊廢品種類較多，一定要根據不同原因總結分析不同的解決措施。針對裂紋、疏松、夾干料重點抓好以下方面：

1）針對裂紋廢塊：避免模具漏風?，F場最佳的涼料溫度不超過165℃。確保炭塊進入水中冷卻時全部進入水中。對上模進行打磨拋光及圓弧過渡處理，保持模具干凈、光滑。調整成型機的激振力和驅動電機的頻率。保持配方穩定和粉料純度的穩定，控制瀝青配入量不超過18%；

2）針對疏松廢塊：模具預熱。保證適量的混捏和涼料重量，如強力混捏機重量控制在5 400 kg，強力冷卻機重量控制在5 200 kg,在保障不出裂紋廢塊的前提下提升涼料溫度，控制糊料入模時不發生大的偏析?？刂坪媚＞邇仍砘簢娏芰亢湍＞叱檎婵諘r不漏風。加強現場巡視，及時調整布料器的角度和布料器左右兩端的等待時間；

3）針夾干料：定期清理下料溜管及設備粘料部位，有效解決物料溜管及設備粘附物料。