SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要 ：预烧阳极是一种用于预烧铝电解槽阳极的材料，它以石油焦和沥青胶为主要原料， 并使用煤沥青作为黏合剂。预烧阳极由于经过高温烧结处理， 因此具有稳定的几何形状， 并被称为预烧阳极炭块。然而，根据相关实践经验，预烧阳极中铁的含量可能会对其性能、稳定性等方面造成一定的影响， 需要明确其具体影响并加以改善与优化。因此，本文将对预烧阳极中Fe 含 量的影响因素及改进措施进行深入研究和分析，总结一些实践 经验和措施， 旨在为相关人员提供帮助。
关键词 ：预焙阳极,铁含量,影响因素,改进措施,优化方案
在电解铝的生产过程中，预烧阳极不仅需要作为导电材料， 还需要参与化学反应。如果杂质也参与进这个反应过程中， 产品 质量就会受到影响。事实上，这些杂质包括铁、硅、钛、钠、铜、 钙和镍等元素，而其中一些元素还可能在化学反应中产生催化效果，强化氧化反应的效果，从而很可能严重影响产品质量。由此，在预烧阳极的生产过程中，应特别留意各元素含量的情况， 特别是铁元素的含量，这是最为关键的影响因素。需要注意的是，在反应过程中，还会受到其他因素的影响，可能导致炭块脱落问题， 而这些炭块也会成为反应过程中的杂质， 于是对铝液的 综合质量产生影响。以A2 企业的预烧阳极生产为例，本文对Fe 含量的影响因素进行了分析， 并提出了相应的优化措施。
1 预焙阳极概述
预烧阳极是以石油焦、沥青胶作为骨料，以煤沥青作为粘结 剂生产的一种材料，用于预烧阳极电解槽阳极。在预烧阳极生 产过程中，需要经过石油焦煅烧、中碎、细碎、沥青熔化、配料、 成型以及焙烧等多个工序。预焙阳极与现代炼铝行业共同发展。 在 1880 年，美国霍尔与法国埃鲁共同提出了冰晶石、氧化铝溶 解炼铝的技术。8 年后，美国某企业将这种炼铝技术应用在了工 业生产中， 建设了世界上最早的预烧阳极电解槽生产基地。所采 用的阳极炭块以木炭作为原材料， 之后通过模压法进行生产。但 因技术水平的影响，其单个阳极的横截面积只有 10cm2左右，阳极的性能指标也较为落后。经过多年的发展后， 预烧阳极工艺逐渐改进， 直到形成了现代预烧阳极生产工艺。在预烧阳极生产过 程中，碳会直接参与反应，且对反应过程会产生影响与干扰，不 同的碳含量产生的影响具有很大差异，主要体现在反应过程与 最终产物中。阳极的最后产物为一氧化碳与二氧化碳。在铝电 解生产过程中， 预烧阳极日平均消耗约为 1cm ~ 2cm， 需要定期 向电解槽中添加新的预烧阳极或更换阳极，以确保预烧阳极能 够连续正常工作。
2 A2企业预焙阳极中Fe含量的情况分析
在现行的有色金属行业标准中，没有明确要求微量元素，为 了确保预焙阳极产品质量，该企业参考行业现状，制定了明确 的标准。这些标准主要规定了预焙阳极中各元素的含量。通过 控制各元素含量，可以提升预焙阳极产品的纯度和质量。同时， 采用不同等级的预焙阳极产品出售，可以获得更高的经济效益。 在规定预焙阳极中各元素含量时，A2 企业规定铁含量不能超过 450ppm。近些年来，A2 企业开始生产高端铝合金产品。由于主 打高端产品线，所以对产品的综合质量具有更高的要求。然而， 当前采用的生产工艺无法保证铁含量达到要求。在铁含量整体 较高的情况下， 会对铝合金材料的理化性能和品质造成影响。同 时，在这个问题未解决之前，A2 企业需要寻求其他方法来保证 产品品质。在2020 年下半年，国家相关部门对包括A2 企业的国 内多家预焙阳极生产企业进行抽样检测，其微量元素的具体情 况 为 ：① 钒。A1 企 业，229 ;A2 企 业，332 ;A3 企 业，339 ;A4 企业， 261 ;A5 企业， 270 ;A6 企业， 237 ;A7 企业， 138 ;A8 企 业，80 ;A9 企业， 302 ;A10 企业， 186.②钠。A1 企业， 81 ;A2 企 业，295 ;A3 企 业，136 ;A4 企 业，49 ;A5 企 业，123 ;A6 企 业， 138 ;A7 企 业，146 ;A8 企 业，146 ;A9 企 业，156 ;A10 企 业，91.③钙。A1 企业， 201 ;A2 企业， 138 ;A3 企业， 156 ;A4 企业，115 ;A5 企业，383 ;A6 企业，158.A7 企业，162 ;A8 企 业， 162 ;A9 企 业，150 ;A10 企 业，126.④ 硅。A1 企 业，214 ; A2 企业，211 ;A3 企业，215 ;A4 企业， 175 ;A5 企业，250 ;A6 企业，208 ;A7 企业， 189 ;A8 企业， 190 ;A9 企业，261 ;A10 企 业，207.⑤铁。A1 企业，331 ;A2 企业，643 ;A3 企业，395 ;A4企业， 322 ;A5 企业， 413 ;A6 企业， 432 ;A7 企业， 241 ;A8 企 业，240 ;A9 企 业，520 ;A10 企 业，371.⑥ 镍。A1 企 业，116 ; A2 企业， 148 ;A3 企业， 166 ;A4 企业， 144 ;A5 企业， 199 ;A6 企业，210 ;A7 企业， 163 ;A8 企业， 163 ;A9 企业，232 ;A10 企 业，165.⑦钛。A1 企业， 4;A2 企业， 5;A3 企业， 5;A4 企业， 7; A5 企业， 10 ;A6 企业， 10 ;A7 企业， 9 ;A8 企业， 9 ;A9 企业， 8 ; A10 企业， 6.
结合对国外部分厂家的调查结果，对于预焙阳极中微量元 素含量的要求为 ：①美国某企业。要求硫 2.5.钒 200.镍 220. 硅 450. 铁 450. 钠 400. 钙 300. 灰分 0.5%。②俄罗斯某企业。要 求硫 1.8.钒 150.硅 500.铁 500.钠 150.灰分 0.6%。③法国某企 业。要求硫 1.6 ~ 2.5.钒250. 镍 150.硅 150.铁 550. 钠 450.钙 150. 灰分 0.5%。④德国某企业。要求硫 1.5.钒 150. 镍 250. 硅 300. 铁 400. 钠 130. 钛 100. 灰分 0.5%。⑤英国某企业。要求硫 2.0.钒 180.镍250.硅270.铁400.钠 150.灰分 0.5%。
结合上述数据可以看出，该企业的产品线中，预焙阳极的铁 含量过高， 达到了643 ppm。与行业平均以及国外其他企业相比， 它的铁含量整体上都偏高。这表明其生产的预焙阳极产品质量 不足。铁含量不仅对预焙阳极的理化指标产生影响， 也会对铝液 造成相应的污染， 导致铝液产品的品质降低， 这将难以保证铝产 品的塑性和抗腐蚀性。A2 企业的铝合金产品占比较高，主要生 产业务为铝合金产品。铁含量较高的铝液意味着该企业无法生 产出符合客户需求的铝合金产品，因此需要降低预焙阳极中的 铁含量。采用此方式可提升铝合金产品的品质，这对A2 企业的 发展具有重要的意义。
3 预焙阳极中Fe含量较高的主要因素分析
3.1 预焙阳极铁含量现状分析
A2 企业对各工序材料使用情况进行了抽样检测。检测结果 显示，在煅后焦工序中，铁含量为 281ppm ;在沥青工艺中，铁 含量为 0 ;在球磨粉工序中， 铁含量为 1080ppm ;在粗残工艺中， 铁含量为 860ppm ;在细残工序中，铁含量为2050ppm ;在生碎 工序中， 铁含量为 796ppm。
综合调查A2 企业成型作业区域物料配比，粗焦配比为 8. 占据 7% ;中焦配比为 10.占据 9% ;细焦配比为 42.占据 37% ; 粉料配比为20%，占据 17% ;沥青配比为 8%，占据 7% ;粗残配 比为 10.占据 9% ;细残配比为 15%，占据 13% ;生碎配比为2. 占据2%。根据这些数据，可以看出球磨粉、细残等物料的铁含 量较高，此外，粉料和细残的占比分别为 17% 和 13%，是占比最高的两项。基于这些数据，预测预焙阳极的铁含量并进行计算。 在考虑焙烧实收率为 95% 的情况下，预焙阳极中的铁含量计算 结果为 643ppm， 煅后焦为 130ppm， 粉料为 193ppm， 沥青为 0. 粗残为 77ppm， 细残为227ppm， 生碎为 16ppm。
3.2 预焙阳极铁含量的综合分析
根据上述结果得知，不同工序中铁含量最高的分别 为煅后焦、粉料以及细残。其中，球磨粉中铁元素含量最 高，表明该工艺是导致预焙阳极中阳极含量较高的主要因 素。通过对球磨粉工艺的前后对比可知，磨前后的差距可达 500ppm ~ 800ppm，与行业中其他企业产品相比，整体差异较 大，达到 400ppm ~ 600ppm，这证明该企业所生产的预焙阳极 低于行业标准， 在市场竞争中缺乏优势。预焙阳极中铁含量的分 解结果为 ：煅后焦 130、粉料 193、沥青 0、粗残 77、细残227、生 碎 16.合计 643.
为明确预焙阳极中铁含量产生的具体情况，对各工序进行 分析，包括以下几项 ：①对煅后焦中铁含量进行分析。煅后焦 中铁含量主要来源于石油焦，而石油焦中的铁含量则主要来自 于原油。A2 企业对多家供应厂商的煅后焦铁含量进行了取样 检测， 结果为 ：供应商 SYJ-1 铁含量 264ppm、供应商 SYJ-2 铁 含量 273ppm、供应商 SYJ-3 铁含量 280ppm、供应商 SYJ-4 铁含 量 290ppm、供应商 SYJ-5 铁含量 285ppm、供应商 SYJ-6 铁含量 291ppm。根据行业现状，由于各企业的石油焦来源较多，难以 对质量进行统一控制。即使采用相应的处理工艺， 如果所采用的 石油焦中铁含量较高， 它的原材料中铁元素基数较大， 去除效果 也会受到限制， 从而导致预焙阳极中的铁含量较高。②球磨粉铁 含量分析。在炭素成型生产期间，球磨机在研磨作业过程中，与 钢球衬板经过持续的研磨、挤压等工序， 使得钢球的粒度逐渐降 低，内衬不断磨损。这导致膜球粉期间球磨粉中铁含量持续上 升。原因是该生产技术在实际生产过程中难以避免。A2 企业球 磨前后球磨粉中的铁含量为 ：试样 1.球磨前 224ppm，球磨后 1080ppm ;试样2.球磨前223ppm， 球磨后 1090ppm ;试样 3.球 磨前 326ppm， 球磨后 1080ppm ;试样 4.球磨前 255ppm， 球磨 后 1080ppm ;试样 5.球磨前279ppm， 球磨后 1040ppm。③细残 铁含量分析。在该企业的工艺体系中，残极主动进行循环利用。 但是在循环过程中， 残极经过了多道工序， 会受到一定程度的污 染。存在许多电解质与外壳面料。在进入生产工序后，采用压脱 的方式对其进行处理， 外壳面料就会被压入产品中， 导致铁含量 增加。由于没有采用去除铁元素含量的工序， 因此导致铁含量增 加。A2 企业细残铁含量情况为 ：试样 1.铁含量为2050ppm ;试样 2.铁含量为 1990ppm ;试样 3.铁含量为 2030ppm ;试样 4. 铁含量为2060ppm ;试样 5.铁含量为2060ppm。④收尘粉铁含 量分析。在预焙阳极生产加工过程中， 残极压脱与破碎工序中会 产生粉料。A2 企业采用P8 除尘器对其进行清理。清理收集的粉 料进入成型生产线内。但是除铁器无法将其铁全部清除，导致 预焙阳极中铁含量增加。A2 企业收尘粉中铁含量的情况为 ：试 样 1.3010ppm ;试 样 2.2206ppm ;试 样 3.2364ppm ;试 样 4. 2522ppm ;试样 5.3004ppm。⑤存储过程中带入的微量元素是 预焙阳极中铁含量增加的原因之一。在生产过程中， 该企业的石 油焦、沥青存储在没有顶棚的仓库中， 且仓库周围的窗户破损问 题较为严重。南方向墙中开设没有防护措施的门， 在沙尘多发的 机械， 很容易将一些其他元素带入原料库中， 其中就有一部分铁 元素。⑥另一个导致预焙阳极中铁含量增加的主要原因是生产 过程中带入微量元素。在煅烧过程中， 回转窑内衬存在磨损与脱 落问题。回转窑的内衬主要构成为含量在 45% 以上的氧化铝及 一部分二氧化硅。部分表皮与内层脱落之后， 与煅后焦共同进入 了生产工序中， 增加了预焙阳极中铁元素的含量。
此外，冷却筒和煅后除尘器存在腐蚀和脱落等问题。回转窑 煅后焦的冷却靠近刚进入冷却筒的高温煅后焦采用直接喷水的 方式。常温冷却水与材料接触后会获得较多的热量，产生水蒸 气与石油焦混合后排出烟气。长期接触导致冷却筒出现酸性腐 蚀，使得筒体与处理烟气的除尘器内壁出现脱落现象。脱落的物 质会进入煅后皮带中，也是导致预焙阳极中铁含量增加的重要 原因之一。此外，部分除铁器的运行存在问题。该企业原料工段 的破碎机与回转窑前皮带中的电磁除铁器线圈存在老化烧毁问 题。导致其除铁功能无法正常发挥， 也是导致预焙阳极中铁含量 增加的因素之一。
4 降低预焙阳极中铁含量的有效改进优化措施分析
基于上文分析 ：以A2 铝电解生产企业作为研究对象，其预 焙阳极生产中的铁含量较高， 由多种因素导致， 从而影响其铝产 品质量无法达到相关规定要求。为了促进企业发展， 必须采取相 应改进措施，确保降低预焙阳极中铁含量。因此，本文结合相关 实践经验总结如下科学有效的措施。
4.1 严格把关原料采购
首先，需要做好进厂石油焦原料的质量把关工作，加强质量 审查。并要对进厂原料进行检验频率控制，依据不同供货商、不 同物料进行分仓堆放， 确保每一项物料存储在专用仓库中。在使用原料时，要依据化验分析的结果，对各种原料进行优化配比，确保进入炉中的材料均匀，使得进入炉中预焙阳极采用的石油 焦含量控制在低于200ppm 的标准。其次，需要严格做好钢球采 购管理工作。球磨机在研磨时会受到静载负荷和研磨体的冲击， 因此需要控制研磨机的钢球轻度不宜过大，同时保持钢球的良 好塑性。A2 企业要求采购锻造钢球，不能使用铸造钢球，钢球 硬度需要在 500HB左右， 从而提升研磨机的运行效果。
4.2 优化成型工艺
成型工艺直接影响预焙阳极的生产质量，因此需要进行工 艺优化具体措施如下。
(1) 采用残极与残极收尘粉外排工艺。A2 企业对组装作业 区域的残极生产线 1 楼至 4 楼斗提间收尘粉全部外排 ;成型工 作区域中残极料仓顶部除尘器收尘粉后，进入煅后焦料仓外排。 为了应对残极破碎中的危险因素， 需要对4 台除尘器进行设置统 一的外排方式。计划在停产期间改造生产区域残极线斜溜槽， 分 别增加 0.8mm 与 6mm 的筛网，对残极进行筛分处理。残极超过 6mm 的进入残极仓，0.8mm 至 6mm 的残极外排用作填充焦，小 于 0.8mm 的残极外排。通过这些措施，能够从源头降低铁进入， 从而降低预焙阳极中的铁含量。
(2) 优化除尘器运行。碳素厂在 500t破碎机出口皮带、高楼 部输送皮带、粗细餐料返回料管以及煅后焦返回料管增加电磁 除尘器、管道式除尘器。确保煅后焦破碎线和残极破碎后线中的 皮带式除尘器与永久除铁器的运行效率提高，从而强化除铁效 果，降低预焙阳极中的铁含量。增加除铁器吸附铁屑清理次数， 并将清理周期从满状态调整为每隔一小时清理一次，可以加强 预焙阳极生产期间的各道工序除铁器管控， 保证其正常运行， 并 及时清理， 避免铁进入生产工序中。定期检查各工序中除铁器的 运行情况，如发现异常，需要进行考核处理。生产区域的管理人 员每天需要对各工序中除铁器的运行情况进行检查，并将检查 结果全面记录。
4.3 组装工艺优化
在残极上线之前，需要做好严格的把关与质量控制工作。主 要包括如下几项 ：①处理预焙阳极底掌清理困难的问题。通过 采用自动化技术， 利用自动化控制高精准性。通过机械去除的方 式，将底掌中存在的杂质进行清除。从而能够避免整体受到污 染，具有良好的应用效果，且能够提升综合处理效率。②残极表 面清理优化。强化钢爪抛挖机的应用， 将上线钢爪中的氧化皮及 时清理。委派专人对残极表面电解质、钢爪表面的氧化皮清理情 况进行检查， 确保表面不存在电解质残留。针对没有清理干净的部分，需要退回到电解进行二次清理。直到彻底清理干净为止。
③强化对工艺流程的管控，防止在生产过程中出现飞溅等问题。 由专人在现场进行监督，确保工艺实施质量。生产完成后，由专 人负责对其进行二次清理， 通过多道清理程序后， 就能够有效提 升综合质量， 在生产过程中取得了良好的效果。④电解厂返回组 装的钢爪细度不能超过 80%。且对于出现变形问题的钢爪与导 杆，需要及时对其进行矫正处理。科学地优化磷生铁成分，使其 能够控制在规定允许范围内， 确保预焙阳极浇筑生产质量， 防止 电解槽内脱极涮爪问题发生， 否则会增加铁含量。⑤优化控制配 比，残极必须确保配置均衡性，将配如总量严格控制在 18% 规 定范围内。⑥确保残极压脱机后皮带输送机皮带式除尘器与除 铁器正常运行。加强日常检修维护工作， 发现存在异常运行状态 后，及时对其进行维修保障， 从而能够提升预焙阳极生产质量。
4.3 优化冷却筒与除尘器防腐
针对冷却筒与除尘器可能出现腐蚀导致铁元素进入生产线 的问题，采用回转窑恒定给料控制技术，改善煅烧生产工艺条 件，提高整体运行稳定性， 更加标准地控制冷却筒的直接冷却水 给水量。采用除尘器与管路保温、密封的方式，排除除尘器与冷 却筒中的水蒸气防止冷凝问题，避免直冷水对设备内部造成损 失，从而有效防止冷却筒与除尘器中产生铁锈的问题。同时，在 回转窑改造中， 在其内壁喷涂耐磨防腐涂料， 降低冷却水对筒体与内壁的腐蚀， 是降低预焙阳极铁含量的有效措施。
4.4 改善内衬隔离装置
针对内衬脱落导致粒度大的浇筑材料进入煅后仓的问题， 在煅后仓定入料口安装格筛， 有效防止此类问题， 并检查与修复 冷却筒尾部位置。同时，采用强化回转窑筑炉、烘炉操作以及日 常管理的方式， 避免内衬过于频繁脱落， 并做好对回转窑内衬的 观察工作， 及时清理脱落的内衬， 有效避免内衬进入预焙阳极生 产工序中。此举对降低预焙阳极铁含量发挥了良好的作用。
4.5 提升物料仓储环境
为避免预焙阳极生产物料在存储过程中进入微量元素，重新建设了密闭性较高的存储仓库。除采用带有顶盖、门窗完好的仓库外， 还对不同物料进行分类存储， 各类物料之间采用分隔的 方式， 以避免不同物料之间发生混合问题。这样能避免化学反应 导致物料质量受到影响，有效降低预焙阳极中铁与其他杂质元 素的含量，提高各项物料质量。通过对仓储环境的优化处理，避 免了源头中过多的铁元素进入预焙阳极，有利于提升预焙阳极 综合质量。
5 预焙阳极中铁含量降低措施的应用效果分析
通过采用上述降低预焙阳极中铁含量的措施，到2021 年上 半年，生阳极中铁含量控制在了 500ppm 左右，预焙阳极中铁含 量降低到了企业要求，一些产品已达到了企业标准一级要求。 A2 企业上半年预焙阳极铁含量统计结果为 ：1 月预焙阳极铁含 量为 510ppm，2 月预焙阳极铁含量为 501ppm，3 月预焙阳极铁 含量为 450ppm，4 月预焙阳极铁含量为 500ppm，5 月预焙阳极 铁含量为 595ppm。结合对细残清理的严格把关，细残铁含量降 低到了 1000ppm 以下，且空气反应性残余率与二氧化碳反应性 残余率显著提高。整体工艺优化效果较好， 预焙阳极质量得到全 面提高， 电解反应消耗有所降低。能够满足电解厂在强化电流期 间及降低电耗期间对预焙阳极使用性能的要求。
6 结语
综上所述，本文详细介绍了预焙阳极的基本概念，并结合 A2 企业的生产现状，对其预焙阳极质量进行了分析。针对预焙 阳极中铁含量较高的问题，总结了多项因素并采用相应的优化 措施， 实践证明优化措施取得了良好的效果。预焙阳极中铁含量 全面降低， 有效促进了预焙阳极品质提升。本文结合企业的具体 生产， 对其预焙阳极中铁含量的影响因素进行全面分析， 得到了 可靠的结论， 优化措施可以在该行业中推广应用。我们希望本研究能在该行业中起到一定的借鉴与帮助作用，促进预焙阳极生产工艺水平的不断提升， 优化质量管理模式。
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