預(yù)焙陽極是以石油焦、瀝青焦為骨料，煤瀝青為黏結(jié)劑制造而成，用作預(yù)焙鋁電解槽作陽極材料。這種炭塊已經(jīng)過焙燒，具有穩(wěn)定的幾何形狀，所以也稱預(yù)焙陽極炭塊，習(xí)慣上又稱為鋁電解用炭陽極。用預(yù)焙陽極炭塊作陽極的鋁電解槽稱預(yù)焙陽極電解槽，簡稱預(yù)焙槽，這是一種現(xiàn)代化的大型鋁電解槽。

我國的敞開式環(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)計產(chǎn)能為4.2萬噸/年，由三個火焰系統(tǒng)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(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，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，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自動控制系統(tǒng)，可精確對每條火道的溫度和負(fù)壓進(jìn)行自動調(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℃。

我們在控制方法上的改進(jìn)是：對低溫和高溫爐室進(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，粘結(jié)劑的分解和縮聚反應(yīng)同時進(jìn)行，如果增加體系的壓力，反應(yīng)將向縮聚方向移動，同時還可減少分解產(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停留時間，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(chǎn)品質(zhì)量的提高及實收率的增加。

對于填充料，原設(shè)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(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，價格僅330元/t，可以解決上述兩個問題。但由于揮發(fā)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(qiáng)，會導(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個參數(shù)：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(fā)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(fā)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(yán)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(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)時附帶烘爐職能，采用的是48小時移動周期，7室運轉(zhuǎn)，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(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室運轉(zhuǎn)、36小時移動周期，產(chǎn)品質(zhì)量及合格率無實質(zhì)性變化。

7月份，我們做了多次試驗，初步將1P移動前目標(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，我們已將火焰移動周期縮短到28h，由于一些技術(shù)手段的運用，產(chǎn)品質(zhì)量比36h移動周期更好。我們計劃不久將生產(chǎn)曲線縮短至27h。

27h的試驗數(shù)據(jù)于2002年9月已經(jīng)取得，經(jīng)測試，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，這個階段的升溫速率為6-8℃/h。[2]

圖1　　27h移動周期火道及陽極升溫曲線

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，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百分點，特別是當(dāng)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(xué)活性也降低，反電勢增大，對于電解來說，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，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，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 高溫保溫時間

高溫保溫時間是產(chǎn)品內(nèi)外質(zhì)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(dá)1080±50℃后，一般應(yīng)保持15-20h。測試結(jié)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(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、實收率增加；耐壓強(qiáng)度大幅提高；電阻率有所下降。月累計指標(biāo)對比情況見表1。

表1　　焙燒工藝優(yōu)化前后指標(biāo)對比表

4.3 揮發(fā)分被控制在2P-3P均勻緩慢排出，燃燒充分，且熱量能被充分利用，減少了有害氣體排放，有利于環(huán)保。

4.4 鋁電解使用性能良好，抗氧化性強(qiáng)，炭渣量非常小。焦作萬方280KA鋁電解槽陽極毛耗、凈耗指標(biāo)列于表2。

表2　　　　焦作萬方鋁電解陽極毛耗、凈耗指標(biāo)

5. 經(jīng)濟(jì)效益和社會效益

5.1        提高產(chǎn)量的收益：與設(shè)計的36小時移動周期相比，27小時移動周期年產(chǎn)量可由4.6萬噸提高到6.1萬噸，年可新增產(chǎn)值3500萬元。

5.2       提高陽極實收率產(chǎn)生收益：實收率提高2.46%，年可新增利稅350萬元。

5.3       降低鋁電解陽極毛耗價值：焦作萬方鋁電解陽極毛耗30kg/噸鋁，對年產(chǎn)6.8萬噸電解鋁廠來講，年可同比節(jié)約陽極采購成本480萬元。

5.4       對周邊環(huán)境的影響極?。簱]發(fā)分在火道內(nèi)燃燒充分，減少了瀝青煙氣的排放量，電捕焦油器收集的瀝青非常少，看不到煙囪排出黃煙，有極好的環(huán)境效益。

6. 結(jié)論

6.1        分別對低溫和高溫爐室進(jìn)行控溫，揮發(fā)分排出爐室自由升溫，可保障揮發(fā)分的充分燃燒，降低燃料消耗。

6.2        爐墻縫控制在1－3mm之間，新填充料不直接接觸陽極，增加填充料密實程度、減少負(fù)壓泄漏，有利于提高產(chǎn)品合格率和實收率。

6.3        由于陽極升溫容易出現(xiàn)低溫慢、中間快的缺點，所以1P升溫速度應(yīng)加快， 4P應(yīng)放慢，這樣才能保障揮發(fā)分均勻緩慢排出，提高析焦量。

6.4        最終焙燒溫度控制在1180℃能夠滿足鋁電解需求，再提高火焰溫度燃料消耗增加，對產(chǎn)品質(zhì)量影響不大。

6.5        火焰移動周期縮短到27h是可行的，產(chǎn)品質(zhì)量均勻穩(wěn)定，與36h周期相比，可增加產(chǎn)量33%，降低了燃料消耗，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[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(diào)整與預(yù)焙陽極質(zhì)量.世界有色金屬. 2000增刊