预焙阳极中微量元素的控制与生产实践

2020-12-09李维维

世界有色金属 2020年2期

李维维

（中国铝业青海分公司，青海西宁 810108）

预焙阳极服务于铝电解生产，是电解槽的主体构成。其生产以石油焦、沥青焦等为原料，经煤沥青黏结后形成炭块，然后再进行焙烧处理得到预焙阳极。预焙阳极作为铝电解过程中的阳极材料，其质量直接关系到整个电化学反应的质量，进而影响电解铝生产效率和产品质量，因此有必要对预焙阳极中微量元素的控制方法做总结性分析。

1 预焙阳极中的微量元素

（1）微量元素来源。预焙阳极中微量元素的来源主要有二。一是预焙阳极生产原料中含有的微量元素。预焙阳极生产主要原料为石油焦，不同厂家生产的石油焦在杂质含量上差异明显，原料中含有的微量元素包括Fe、Na、Al、Ca、Mg、Ni等。这部分微量元素可能为原油中含有，也能在原油开采过程中从外部环境混入，或来源于原油炼制过程中产生的碱金属、运输及存储过程中混入的灰尘等。预焙阳极的另一大生产原料煤沥青中，微量元素的构成与石油焦类似，但总体含量更低。二是预焙阳极生产过程中混入含有微量元素的杂质。预焙阳极生产原料经历运输、传送、分料等流程，期间易导致灰尘等杂质混入，最终使预焙阳极微量元素超标[1]。另外，残极、生熟碎等物质的使用也会增加预焙阳极中的微量元素。

（2）微量元素影响。预焙阳极中微量元素构成复杂，不同微量元素对预焙阳极的影响也不完全相同，但最终都会导致预焙阳极质量降低。①Ni、V等微量元素氧化速度较快，使预焙阳极受到严重的氧化，并出现掉渣、掉块等问题，导致其导电性降低、铝电解电解槽内电流效应减弱，预焙阳极生产过程中，对碳的需求量明显增加。②Si、Ti、Mn、Fe等微量元素主要影响成品原铝的机械性能和纯度。③S、P元素会导致碳素制品质量和物理性能降低。若预焙阳极生产过程中，硫、磷元素含量超标，会提高阳极焙烧过程的脆性，导致预焙阳极出现裂痕。④Na具有较强的催化性，主要影响生产过程中石油焦与二氧化碳和空气的反应，钠元素含量越大，反应性越强。⑤Ca主要影响石油焦与二氧化碳间的反应，钙元素含量越高，石油焦与二氧化碳的反应越剧烈，该影响效果较钠元素更明显。

2 预焙阳极中微量元素控制方法

（1）煅后焦的影响。煅后焦为石油焦煅烧后形成的产物。在预焙阳极生产原料中，石油焦占比在65%左右，生产过程煅后焦、残极、煤沥青等原料成本约占生产总成本的50%。选择优质低价的石油焦可帮助降低预焙阳极生产投入，同时减轻微量元素控制难度。经实验验证，石油焦的参数、性质，及其煅烧质量均会对预焙阳极的生产质量和性能表现产生直接影响。例如，煅后焦中的挥发性物质和水分若挥发完全，可减少后期产品中氢元素的含量，提高产品石墨化程度，带来更强的耐高温特性和耐热性，提高阳极电导率。

（2）明确控制对象。为有效提高预焙阳极生产质量，充分满足内销与出口要求，有必要对预焙阳极生产过程的质量控制对象做进一步明确。预焙阳极生产企业可结合各类微量元素对预焙阳极质量的影响程度，以及本企业使用生产原料中微量元素的构成特点，依照一定权数衡量各类无量元素控制的重要程度，将不同微量元素进行分层，分配不同的控制力度，以最大化微量元素控制成效。结合以往预焙阳极生产经验，认为Si、Ca、Na和Fe等四项元素应作为预焙阳极微量元素的控制重点。

（3）优化原料选择。生产原料中的杂质是预焙阳极中微量元素的主要来源之一，因此其含量控制必须从原料的合理选择开始。国内生产厂商主要使用石油焦和煤沥青进行预焙阳极的生产，高温煅烧处理后，石油焦中水分和挥发性物质被大量去处，主要杂质包括Si、S、Fe、Ni、Ca等。通过大量数据统计分析，原油来源、配比区别使得石油焦中微量元素的结构及含量差异较大，即便来自同一厂家，不同生产阶段形成的石油焦在微量元素上也存在较大变动。

因此在选择生产原料时，不可通过经验判断来决定。统计国内主要石油焦供应厂家的石油焦微量元素含量情况，发现Si、Ca、Na和Fe四种元素的含量比例最高，而其他对预焙阳极质量较大的微量元素，如Na、V等，国产石油焦较进口石油焦的含量更低，因此建议选择国内厂家供应的石油焦原料。预焙阳极生产厂家可搭建自身的生产原料微量元素统计数据库，使用专业的微量元素监测设备，获取各个阶段、不同供应厂家石油焦微量元素的变化情况数据，通过数据统计分析，为石油焦原料的优化选择提供理论依据。

（4）石油焦混合处理。考虑到预焙阳极微量元素控制对生产原料质量要求较高，但石油焦中微量元素变化性较强。同时，石油焦的化学组成相对稳定，在生产至煅烧前，其含有的微量元素不发生明显变化。因此提出结合预焙阳极生产需求，对石油焦进行混合处理，自行制备相匹配生产原料的微量元素控制方案。结合不同种类石油焦微量元素构成、含量、挥发性及其他技术指标，设计能够满足预焙阳极生产质量要求的石油焦原料配比方案。为保证配比方案的可行性，可设计3个～5个目标方案，分别进行实验验证，综合考虑预焙阳极生产质量、生产成本、材料获取难度等指标，选择最佳石油焦配比进行正式的预焙阳极生产。需要注意，同一配比方案中石油焦的种类不宜超过4种，且尽可能保证各类石油焦的粒径、挥发性物质及水分含量、密度等属性相同，混合后的石油焦中，挥发性物质的含量应保持在8%～12%左右。

（5）生产过程控制。预焙阳极生产过程的微量元素控制主要针对过程中其他杂质的混入进行。第一，加强原材料运输、储备管理，严禁工业垃圾、杂物、落地料等混入预焙阳极生产流程，按照相关要求开展原料运输及储存工作，并确保传送带上除铁器连续、稳定运行，避免Fe、Si、Ca等微量元素随灰尘、石块、铁料等混入生产过程。第二，石油焦煅烧炉在长期使用过程中易出现内部磨损和脱落，导致煅烧炉材料杂质混入，进而使预焙阳极微量元素增加。因此要求定期进行煅烧炉清理、维护工作，及时清除煅烧炉内壁、冷却筒等位置的脱落物，并进行必要的维修处理。第三，残极压脱、磷铁浇铸等作业环节易将P、Fe带入到残极中，影响预焙阳极生产质量。因此要求定期查看除铁器运行状况，确保将这部分微量元素完全清除。

（6）其他注意事项。①严禁将石油焦露天、接地堆放，要求采取必要的围挡防护措施，避免原料在存储过程中被污染。②生产过程中形成的粉尘、掉落的原料等，严禁再次投入到生产流程当中。③严格控制残极用量及Na的含量。预焙阳极生产过程中添加残极的目的是提高材料利用率、降低生产成本、提高预制阳极的密度和机械强度。预焙阳极的生产中，其表面附着大量电解质，其中含有的钠元素会向阳极内部渗透，导致残极氟化钠含量超标。此时可适当降低残极用量，并定期进行清洁作业。