铝电解预焙阳极生块裂纹问题的探讨

铝电解预焙阳极生块裂纹问题的探讨

丁邦平

摘要：根据四川启明星铝业公司铝用阳极生产新线特点，对阳极生块生产中经常出现的几种裂纹以及阳极焙烧后较大的抗压强度进行了原因分析，并

提出了一些具体措施，以期对生块生产有所指导。

关键词：预焙阳极、生块、裂纹、抗压强度

1、前言

目前世界铝产量3500万吨，国内产量已达900万吨以上，产能已超过1000万吨。预焙阳极的需求将达 600万t。生块经焙烧而成预焙阳极，因而生块质量对预焙阳极的质量至关重要。就四川启明星铝业有限责任公司阳极生产而言，生块经常出现的质量缺陷主要缺损、掉棱、尺寸超标、裂纹、表面粗糙等，其中裂纹出现最多，也最难解决。本文就生块裂纹以及阳极焙烧后较大的抗压强度产生的原因进行探讨，并提出一些措施，供参考。

2、铝用阳极生产新线简介

2.1生产工艺流程新配置

中碎系统生产的四种不同粒级通过七台配料秤配料形成骨料，由集合螺旋、斗式提升机及过渡螺旋输送到四周预热螺旋加热到180—190℃，热骨料与180—190℃液体沥青连续进入到强力混捏机混捏4－5分钟，一般混捏温度在200—210℃，高温混捏后的糊料进入强力冷却机由喷入的冷却水均匀冷却到160—

165℃，冷却后糊料通过振动给料机送到真空型成型机振动成型，成型制品由悬链带入冷却水池经过两小时左右水浴冷却，制品继续被悬链带入到输送辊道处，再由推进器推到辊道上输送到制品库。

2．2生产工艺新线特点

该新线特点较多，这里仅列出可能产生裂纹有关系的工艺新线特点：

●选用EIRICH立式高速混捏机作为糊料混捏设备，替代传统的低速单轴或

双轴卧式混捏机。

●采用真空型振型机，振型温度可达160±5℃，高于非真空型温度混捏温

度（145±5℃），高温振型要求高温混捏，因此混捏温度远高于非真空

型混捏温度。

●混捏机虽无加热装置，但因混捏机高速运行发热，由此带来混捏温度高

于热骨料和沥青的混合温度。

●强力冷却机不仅起到冷却作用，还对混捏后的糊料在冷却过程中再混捏。

●真空成型机的真空度能达到730—745mmHg。

●真空成型机的预压气囊可以在振动前充进3—5kg压力的压缩空气对糊

料提前预压实。

3、问题的由来

启明星自2005年1月28日投产以来生产近两年半的时间，产量已达25万吨，期间除生产自用产品以外，还生产有不同规格的国内铝电解需求的产品以及国外俄罗斯铝电解需求的产品，各类产品都出现过不同类型的裂纹，以下列出不同阶段一些典型裂纹案例，包括焙烧后出现的可能是上工序引起的生块暗裂纹。

（1）生产初期，成型后的生块经冷却水池冷却后出现较多的裂纹，并伴有爆裂声，一般出现在长侧面的垂直裂纹，严重时出现生块断裂。

（2）2006年年初，焙烧制品出现大面积的裂纹，焙烧废品率超过30％，同时这批制品在组装过程中也产生裂纹，进入电解槽出现较多的阳极垂

直断裂而化爪现象，导致电解槽生产不正常。

（3）2007年年初，生产外销制品时，生块出冷却水池放置几天后出现数量较多的炭碗内部各向裂纹，并伴有爆裂声。

（4）生产过程中有时发生长侧面横向裂纹，裂纹处非常光洁。

4、预焙阳极生块裂纹种类

预焙阳极生块经振动成型、脱模后，裂纹出现的位置、粗细(宽窄)、深度各不相同，按出现的部位大致可分为碗裂、侧面裂纹和不规则裂纹，其中碗裂又分为碗边缘裂纹、碗间裂纹和碗底部裂纹，侧面裂纹分为水平和垂直两种裂纹，见表 1。

表1 预焙阳极生块裂纹种类

5、生块裂纹产生原因及采取的措施

不同类型的裂纹，其产生的原因不同，所采取的措施也不尽相同，下面分别探讨。

5.1炭碗裂纹

5.1.1 碗边缘裂纹

预焙阳极生块在成型过程中，受到振动力、摩擦力以及其他力的作用，在生块内部的某些部位残余一些相互作用的力，这些应力使生块内部存在细微的松裂和外胀，生块脱模后由于弹性后效作用而出现裂纹。根据经验，这种力的作用主要来源于两方面：

（1）一方面与成型机的模头是否转动灵活有关，如模头转动灵活，模头很容易

从生块的炭碗中脱出；若模头转动失灵，脱模时模头将对炭碗施加力的作

用，从而造成碗边缘裂纹；

（2）另一方面与成型机重锤是否处于水平状态有关，当重锤水平偏差过大时，模头对炭碗的作用力不均匀，某处作用力超出糊料的粘结力时，产生碗边

缘裂纹。

针对这种裂纹，采取的措施：成型工在生块成型前必须认真检查每个模头，保证模头转动灵活；经常检查并调整成型机的重锤，使之处于水平状态。

5.1.2碗间裂纹及碗底部裂纹

形成碗间裂纹和碗底部裂纹的因素基本相同，可以归到一起来讨论。

（1）与生块外形尺寸和炭碗分布有关

碗间裂纹根据制品形状不同和碳碗排布方式不同，其造成废品量明显有差异。一般来讲：炭阳极窄而长；碳碗(棒孔)呈一条直线分布，有较多的碗间裂纹，相对较宽类型的炭阳极；碳碗呈对称分布，碳碗间距较大，则极少有碗间裂纹出现。碳碗间距小，强度低，在弹性后效作用下易形成中间开裂。

（2）台阶高度

炭阳极外型因为要减少电解残极量和工艺上考虑，一般将其外型上部设计为斜面。如图1所示。

图 1

因此在振动成型过程中，将改变力的分布状态，因物料为塑性材料，外力将均匀分布向下传递，这样在斜面上产生了反支力，使力在水平方向有分力作用。

设：外作用力分布密度为：f

则水平分力分布密度：f平=aftgθ／b=f

而水平分力：F=bf

由上分析说明：当有斜面时，水平方向分布密度与垂直方向分布密度相等，与斜面斜角大小无关，斜面高度越大，水平方向力越大，撤去外力后，被改变位置的颗粒力图恢复原位，形成的弹性后效越大，尤其是糊料塑性较差时，弹性后效力体现更为显著。当弹性后效力超过颗粒之间粘结力时，出现中间裂纹。另外，物料总是沿垂直于力的方向分层，使物料之间的粘结力变小，是产生裂纹的另一原因。由此可见：炭阳极生坯台阶越高，糊料塑性差，糊料粘结力小则易出现碗间和碗底部裂纹。

（3）与糊料特性有关

胶料论指出：将焦碳颗粒粘结在一起的不是沥青，而是胶料，胶料在制品中是连续相，是制品的基质，焦碳颗粒分散在胶料中，胶料的性质由胶胞决定，小颗粒之间的粘结力大于颗粒之间的粘结力。在生产中若配方中粉子纯度低，碳粉颗粒直径大，则形成的胶料粘结力小：－0.075mm含量小，则混捏时产生的胶料少，糊料塑性差、颗粒之间的粘结力小，振动成型时易形成碳碗间的贯通性大裂纹。反之，形成的胶料粘结力强，但细粉形成的弹性后效力增大，碳碗间形成细小裂纹。另外，当融化好的沥青长时间在较高温度下静置不用时，沥青发生一定程度的老化（氧化），沥青的软化点升高，在混捏温度不变的情况下，糊料塑性变差，沥青粘结力下降，生块易形成裂纹；混捏过程若沥青量小形成的糊料塑料差，同样也形成碗间或碗底部裂纹。

（4）振动台的频率影响

目前启明星使用的振动成型机是真空型预压式，结构主要是振动台、带真空罩和预压气囊的重锤、底部装有密封的模具等部分组成。其中振动台是双轴振动台，由激振器、减震气囊和固定夹具等部件组成，激振器一组两个偏心块与另一组两个偏心块旋转方向相反，但保持同样的旋转速度，两组偏心块的质量相同，它们在水平方向产生的惯性离心力分力在任何角度下都是大小相同，方向相反，因而互相抵消为零，而垂直方向的分力则叠加作用在振动台上。因此偏心轴振动台只具有垂直方向的定向振动。工作时的定向振动引起振动台连同上面的物料颗粒是沿一直线往复运动，所经过的路程是从一个边缘位置到另一个边缘位置（可称为幅度），其振幅是幅度的二分之一。

由于振动台不同组成部件的影响，如：