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预焙阳极焙烧工艺的优化与实践
王喜春　高翔 　李东根

焦作万方铝业股份有限公司，河南,焦作 454171

摘要：本文介绍了焦作万方对预焙阳极焙烧炉控制方法的改进，炉墙缝的合理设置和填充料的正确使用，最终焙烧温度的确定，焙烧曲线的优化，使挥发分能燃烧充分，降低了重油消耗，产品质量、实收率及外观合格率都得到了大幅提高，铝电解使用性能良好。火焰移动周期可从36h缩短到27h，效益显著。
关键词：预焙阳极；焙烧工艺；优化；挥发分；充分燃烧；质量提高

我国的敞开式环式焙烧炉是在消化80年代初引进的日轻焙烧技术的基础上发展起来的，常用的焙烧工艺不能充分利用挥发分燃烧产生的热量，致使焙烧热能消耗一直较高；挥发分燃烧不充分，造成烟气净化负担较重；升温速度控制不理想，产品质量较差。
焦作万方54室敞开式阳极焙烧炉设计产能为4.2万吨/年，由三个火焰系统组成，每个炉室有8条火道7个料箱，分6层卧装；焙烧炉面设备采用机电一体化燃烧架和机电一体化排烟架，DCS自动控制系统；以重油作燃料；所用生阳极为大颗粒配方，沥青用量为17%；于2001年3月投入生产。
经过对焙烧工艺的不断探索和优化，焦作万方在挥发分充分燃烧、燃料消耗降低、实收率增加、阳极内在质量及外观合格率提高等方面取得了较好效果。
1. 控制方法的改进
传统升温曲线一般都是控制每个炉室的每条火道的温度，根据温度情况，用人工调节排烟架风门开度和燃料量进行温度控制。挥发分开始排出时由于炉室温度低基本不能燃烧，到次高温炉室，炭块挥发分大量排出导致炉室温度超高时，则打开看火孔透入冷空气降温，所以挥发分燃烧产生的热量，没有得到充分利用。
一种方法是只控制燃烧架加热的高温炉室温度，负压控制完全凭人工经验，保证高温炉室不带正压就行了，低温炉室温度不控制。结果是预热炉室温度跟不上升温曲线，挥发分基本没有燃烧就排入了烟道，燃料消耗高，产品实收率低。
焦作万方阳极焙烧加热设备采用脉冲式燃烧控制器，DCS自动控制系统，可精确对每条火道的温度和负压进行自动调节，控温精度为：预热段±20℃；加热段±2℃。炉室水平及垂直温差小于30℃。
我们在控制方法上的改进是：对低温和高温炉室进行控温，挥发分排出炉室自由升温—即只需控制1P、4P、5P、6P炉室温度，2P、3P炉室自由升温。在优化的焙烧曲线下，挥发分排出区域的火道温度可达650℃以上，保障了挥发分的充分燃烧，节约了燃料消耗。
2．炉墙缝的合理设置及填充料的正确使用

这里重点要解决的是焙烧气氛和压力的问题。
由于粘结剂分解生成的气体不断地通过制品内部和填充料间隙，使制品内外层和填充料内外层之间都存在着分解气体的浓度梯度，若分解气体浓度低，则分解气体从制品中向外扩散的速度快，促进了粘结剂热分解反应的进行，使粘结剂的析焦量减少，反之，若分解气体排出速度慢，则析焦量增加。
当焙烧体系达到300－400℃时，粘结剂的分解和缩聚反应同时进行，如果增加体系的压力，反应将向缩聚方向移动，同时还可减少分解产物的浓度梯度，使第一次反应产物在焙烧体系中延长停留时间，有利于参与缩聚反应，既可提高析焦量，又有利于中间相小球体的生成[1]
由于多种原因，焦作炉的炉墙缝分布在2－10mm之间，非常不利于生产，投产初期的质量及实收率都不太理想。我们采取措施，将炉墙缝控制在1-3mm之间，实践证明有益于产品质量的提高及实收率的增加。
对于填充料，原设计为6-3mm的煅后焦。煅后焦一方面价格贵（1200元/t），另一方面透气率太高，挥发分排出过快，体系压力低。因此我们改用了冶金焦，粒度选为6-1mm，价格仅330元/t，可以解决上述两个问题。但由于挥发分在通过填充料的过程中，一部分会被吸收，一部分在热的填充料颗粒表面形成热解炭膜，而新冶金焦的吸附性恰恰较强，会导致析焦量减少，因此在如何使用的问题上，我们的做法是将新冶金焦做覆盖料，避免与阳极直接接触。另外一个措施是在预热炉室填充料表面覆盖塑料薄膜，一方面减少了负压泄漏，可以低负压操作，另一方面也使得挥发分排出速度减慢，增加析焦量。
3.　焙烧曲线的优化
从工艺的角度，焙烧曲线应考虑3个参数：阳极升温梯度，阳极最终焙烧温度和高温保温时间。
3.1　阳极升温梯度
阳极升温梯度主要是控制挥发分大量逸出的中温阶段，这个阶段制品温度为200－700℃之间，此阶段大量排出挥发分，同时粘焦剂逐渐焦化，为了提高沥青析焦量，改善制品的各种理化性能，该阶段必须严格控制升温速率，尤其是200－500℃之间，否则升温过快，会造成裂纹、疏松、孔度增加、体积密度下降。
同时，还要调整好挥发分的燃烧位置，防止挥发分燃烧过快或过慢。一般来说，挥发分燃烧的炉室要离强制加热区（燃烧炉室）足够远，这样可增大烟气与阳极块之间的温度差，有利于热量的传递；挥发分燃烧区亦要离排烟架足够远，以防止挥发分产生的热量没有被充分利用就由排烟架排走。因此，挥发分燃烧的位置一般都控制在预热段的中部。
焦作万方阳极焙烧系统投产时附带烘炉职能，采用的是48小时移动周期，7室运转，制品低温阶段较长，温升只有2-3℃/h，而这个阶段恰恰是粘结剂发生迁移的阶段，是制品产生轴向和径向不均匀的一个重要因素，所以产品质量较差：疏松、表面氧化、强度差，外观合格率很低。
2001年5月，烘炉完成后改为6室运转、36小时移动周期，产品质量及合格率无实质性变化。
7月份，我们做了多次试验，初步将1P移动前目标温度定为594℃，外观合格率逐步提高到80%。但根据检测数据，挥发分排出位置多数在2P，制品低温阶段升温速度慢，而靠近第一个强制加热炉室的3P却升温过快（这正是需要放慢升温速度的炉室），沥青析焦量低，挥发分没有充分燃烧就被排入烟道，排烟架与环形烟道接口处可见到挥发分的凝固物。
于是我们重新制订了技术方案，在低温阶段适当提高负压，尽量使制品升温加快，同时将4P的强制加热升温速率降低。此后内在质量得到提高，外观合格率逐步提高到98.5%以上。
2004年，我们已将火焰移动周期缩短到28h，由于一些技术手段的运用，产品质量比36h移动周期更好。我们计划不久将生产曲线缩短至27h。
27h的试验数据于2002年9月已经取得，经测试，挥发分的燃烧情况控制良好，燃烧位置都发生在2P－3P之间，即预热段的中间位置，这个阶段的升温速率为6-8℃/h。[2]
3.2　阳极最终焙烧温度
焙烧热处理温度高，有利于制品内部微晶生成增长，提高抗氧化性，从而减少铝电解阳极消耗：在850℃～1300℃的温度范围内，阳极焙烧温度每提高 100℃，阳极的消耗就减少几个百分点，特别是当升高到1000℃～1100℃范围的时候阳极的抗氧化性会有更大的改善[3]；焙烧热处理温度高能降低阳极比电阻，但同时阳极的化学活性也降低，反电势增大，对于电解来说，消耗的电能增多,当焙烧温度从900℃上升到1270℃，反电势增加0.1V，故阳极比电阻并非越小越好[4]。另一方面，700℃以后，焦炭烧结发展到热老化过程，强度随温度升高而下降。所以，在达到阳极理化反应、制品性能能够均匀一致的最低条件时，即可进入保温阶段。
焦作万方的火焰最终温度为1180℃，阳极目标温度控制在1080±20℃。经测试，阳极表面温度为1085℃，中心温度可达1075℃。
需要指出的是，我们做过火焰最高温度为1250℃的生产试验，结果显示理化指标无明显差异，仅电阻率下降了1-2μΩm，重油消耗却增加约10%。
3.3 高温保温时间
高温保温时间是产品内外质量均匀的一个重要因素。从工艺要求的角度来说，阳极温度到达1080±50℃后，一般应保持15-20h。测试结果显示焦作焙烧炉该阶段阳极冷热端的保温时间分别为18-35h，满足质量要求。
4. 应用效果
4.1 炭素制品最难解决的问题是产品的均一性问题，即每一项指标的稳定性及每块阳极之间质量的均一性，此问题已在焦作万方得到很好解决。
4.2 通过对焙烧工艺的不断探索和优化，预焙阳极质量、合格率均有很大提高：由于沥青析焦量的增大，使得炭块体积密度上升，熟块平均块重、实收率增加；耐压强度大幅提高；电阻率有所下降。月累计指标对比情况见表1。
表1　　焙烧工艺优化前后指标对比表
指标名称
电阻率（μΩm）
耐压强度（MPa）
真密度（g/cm3）
体积密度（g/cm3）
平均块重（kg）
实收率
（%）
优化前
59.1
34.3
2.06
1.53
749
92.01
优化后
55.4
41.9
2.06
1.57
769
94.47
4.3 挥发分被控制在2P-3P均匀缓慢排出，燃烧充分，且热量能被充分利用，减少了有害气体排放，有利于环保。
4.4 铝电解使用性能良好，抗氧化性强，炭渣量非常小。焦作万方280KA铝电解槽阳极毛耗、净耗指标列于表2。
表2　　　　焦作万方铝电解阳极毛耗、净耗指标
指 标
2002年
2003年
阳极毛耗
508
501
阳极净耗
428
431
5. 经济效益和社会效益
5.1 提高产量的收益：与设计的36小时移动周期相比，27小时移动周期年产量可由4.6万吨提高到6.1万吨，年可新增产值3500万元。
5.2 提高阳极实收率产生收益：实收率提高2.46%，年可新增利税350万元。
5.3 降低铝电解阳极毛耗价值：焦作万方铝电解阳极毛耗30kg/吨铝，对年产6.8万吨电解铝厂来讲，年可同比节约阳极采购成本480万元。
5.4 对周边环境的影响极小：挥发分在火道内燃烧充分，减少了沥青烟气的排放量，电捕焦油器收集的沥青非常少，看不到烟囱排出黄烟，有极好的环境效益。
6. 结论
6.1 分别对低温和高温炉室进行控温，挥发分排出炉室自由升温，可保障挥发分的充分燃烧，降低燃料消耗。
6.2 炉墙缝控制在1－3mm之间，新填充料不直接接触阳极，增加填充料密实程度、减少负压泄漏，有利于提高产品合格率和实收率。
6.3 由于阳极升温容易出现低温慢、中间快的缺点，所以1P升温速度应加快， 4P应放慢，这样才能保障挥发分均匀缓慢排出，提高析焦量。
6.4 最终焙烧温度控制在1180℃能够满足铝电解需求，再提高火焰温度燃料消耗增加，对产品质量影响不大。
6.5 火焰移动周期缩短到27h是可行的，产品质量均匀稳定，与36h周期相比，可增加产量33%，降低了燃料消耗，有显著的经济效益。
参考文献：
[1]童芳森等.炭素材料生产问答.冶金工业出版社，1991.11
[2]华中科技大学.焦作万方阳极焙烧炉实炉测试报告.2002.3
[3]赖延清等.电解铝炭素阳极消耗研究评述.轻金属.2002.8
[4]张平等.焙烧曲线调整与预焙阳极质量.世界有色金属. 2000增刊

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