铝用炭阳极成型工艺参数优化试验

杜国庆、辛志胜、孙鑫、周春刚

摘要：炭阳极是由石油焦、残极和煤沥青胶结组成的多孔性材料，沥青作为粘结剂，将不同粒径的骨料、细粉按一定比例准确配方制成的。在生阳极生产过程中，当原料未发生明显变化时，在保证生阳极合格率的前提下，可通过正交试验的方法优选出生阳极体积密度最高时的最佳成型工艺参数组合。生产工艺标准化是阳极生产的必然之路，可保证整个生产的稳定、安全。铝电解用炭素阳极是将煅后焦、沥青、生碎和残极按照一定比例进行混合，经振动成型、高温焙烧和导杆浇铸生产出满足电解需要的组装阳极块。

关键词：成型机 ；工艺参数；管理   

近年来,国产电解铝用炭素阳极生产在产能提升、产品质量提高、新技术应用开发等领域取得了长足的进步。成型是炭阳极生产过程中最重要的工序，其基本决定了所生产预焙阳极的主要质量指标。成型机是成型工序中的核心主体设备之一，成型就是将混捏好的炭糊通过成型机压制成具有一定尺寸形状、密度和机械强度的生阳极的过程；成型机的设备运行参数不仅决定着生阳极体积密度高低及生阳极内部的裂纹缺陷情况，而且也影响到成型机的运行状态及使用寿命；因此加强成型机的点检和维护管理，对提高设备性能和生阳极质量起到至关重要的作用。

一、炭素的概述

碳是自然界中常见的元素，并且其存在形式多种多样，而且是重要的生产和生活材料。碳是非金属元素，其原子序数是 6，元素符号是 C。碳是一种非金属元素，元素符号是 C，原子序数为 6。自然界中碳的生成，是有机物通过热解反应产生的。而生产炭素材料的工厂，则称之为炭素厂。炭素生产所需要的材料主要是沥青焦、石油焦和无烟煤，其生产原理是以电化学反应为基础的，阳极位于电解槽内，电流则通过阳极而导入。电流的导出，则通过电解槽的阴极而实现。炭素材料的种类有很多种，按照性质来分可以分为半石墨质、石墨质和炭质。

二、铝用炭阳极成型工艺参数

在铝用炭阳极生产过程中，当原材料相对固定时，通过合适的试验方法，能够找到最佳成型生产参数，生产出高密度、高质量的阳极。正交试验设计是安排多因素试验、寻求最佳水平组合的一种高效率试验设计方法。正交试验设计的基本特点是: 用部分试验来代替全面试验，通过对部分试验结果的分析，了解全面试验的情况，能有效减少试验数量。

1、成型参数正交试验的因素。成型参数的正交试验法可以采用标准正交表来进行试验设计，成型参数有沥青温度、混捏温度、成型温度、成型振动时间等 4 个因素。考虑到试验的规模，一般采用 3 水平或者 4 水平进行试验设计，它的 3 水平和 4 水平正交试验表可以采用标准正交表 L9 ( 34)和 L16 ( 45) ，见表。

2、成型参数正交试验数据分析

（1）成型参数正交试验方法。在成型车间正常生产时，配方、混捏机转速等其他生产参数保持不变。依次开展试验 S1 ～ S16，开始试验将参数调整到 S1，即沥青温度 172℃，混捏温度 184℃，成型温度 156℃，成型振动时间 62 秒，然后在 10 分钟后连续记录四块炭块的体积密度，取平均值作为 S1 试验的生阳极体积密度。再将参数调整到 S2，保持平稳后等待 10 分钟再记录 4 块炭块体积密度，依次试验至 S16。

（2）数据分析。正交试验的试验数据可采用极差法对数据进行处理和分析。本试验每组试验数据都有四个，以四个炭块体积密度的平均值作为试验数据，试验过程中，当成型温度设定为 168℃时，S4 和S7 共有 4 块生阳极上表面碳碗间出现短裂纹，说明成型温度偏高会导致生阳极外观合格率降低。

三、炭阳极成型机的点检及维护管理

1、模具部分的点检及维护。成型机模具主要由顶模、模箱、底模、螺旋体、过渡板等组成。在振动成型过程中，整个模具是靠主机架上的四根导向柱进行导向，来使得模具上升和下降平稳有序。模具部分的点检及维护内容 ：①检查导向轮地脚螺栓、顶丝是否松动、缺失，连接板螺栓是否松动、缺失。②检查压重体、模框的导向装置是否有螺栓松动、缺失，导向轮与导向柱间隙是否过大，如果不贴紧就根本起不到导向作用。③检查顶模在压重体上的地脚螺栓是否松动，如果松动就会导致顶模与模框四周的间隙不一致，顶模下降时会与模框剐蹭，使模具磨损、使用寿命缩短，同时会使成型后的炭块外观有缺陷，棱角不一致等。④检查模框两端的导向装置、导向轮地脚螺栓、顶丝是否松动、缺失，连接板螺栓是否松动、缺失。⑤检查压重体、模具的液压缸地脚螺栓、连接头及注销是否松动、缺失，液压油管接头是否漏油、松动，管卡是否松动缺失等。⑥检查所有导向轮润滑是否到位，润滑脂是否缺少，检查导向柱的磨损情况、是否缺少润滑脂等。⑦检查提模框链条接头、拉杆是否松动、链条润滑、磨损情况等。⑧检查模具所有导热油管是否漏油现象，如有渗漏及时停机更换，以防导热油泄漏引发事故。⑨检查底模翻角关闭是否到位，油缸地脚是否松动缺失等。⑩检查模具所有感应限位的感应距离位置及固定支架是否松动。

2、移动料仓及行走机构的点检及维护。移动料仓主要由料仓机架、钢板料仓、电机减速机、传动部件、行走轮、卸料门等组成。移动料仓及行走机构的点检及维护内容 ：①检查移动料仓四个行走轮轴承压盖螺栓、地脚螺栓是否松动、缺失，行走轮内轴承是否磨损严重、润滑脂缺失等。②检查行走机构电机减速机地脚螺栓是否松动、缺失，电机冷却风扇是否运行正常，减速机内润滑油油位是否偏低，传动轴（万向轴）联轴器螺栓是否松动、磨损、缺失。③检查料仓卸料门油缸地脚螺栓是否松动、缺失，油缸接头注销是否松动、脱落。

3、加料小车及导轨的点检及维护。加料小车主要由料仓机架、钢板料仓、行走油缸、导向轮、卸料门等组成。加料小车的行走是由油缸伸缩推动，由导向轮来控制行走的方向及平稳性。加料小车及导轨的点检及维护内容 ：①检查料仓四个称重传感器是否受力均匀，连接螺栓有无脱落、缺失、松动。②检查料仓行走油缸底座地脚螺栓是否松动，油缸连接接头注销是否松动、脱落。③检查机架所有导向轮轴承是否缺油、磨损、脱落。④检查加料小车上行走油缸与开门油缸是否漏油，液压油管是否磨损漏油等。⑤检查卸料门开关控制限位是否松动、感应距离是否准确、同步齿轮连接螺栓是否有松动脱落现象。

4、推块机构的点检及维护。推块机构主要由推块架、推块板、液压缸、导向轮及支撑座等组成。推块机构是由液压缸推动，它是将成型好的炭块从模具内推出到冷却框内。推块机构的点检及维护内容 ：①平时主要检查推块油缸底座固定是否松动，地脚螺栓缺失，油缸接头及柱销是否松动缺失。②检查油缸连接的液压油管接头橡胶高压软管是否有渗漏现象，液压管卡是否松动。③检查推块架导向轮地脚螺栓是否松动缺失、润滑脂是否缺失等。

随着电解铝技术的不断进步，大型铝电解槽的开发成功，对阳极质量的要求也越来越高，铝用炭阳极生产企业在原料变化不大时，为了寻找最优成型生产工艺参数，可以采用正交试验法进行试验。成型工艺参数有沥青温度、混捏温度、成型温度、成型振动时间等因素，正交试验法可以采用标准正交表。通过对成型机的点检及维护管理，可有效地维持和改善成型机的工作性能，并满足生阳极生产工艺技术的要求，对降低维修费用、减少停机时间及提高生阳极质量起到关键性作用。

参考文献：

[1]陈明礼.浅谈铝用炭素生产存在的问题和解决措施[J].科技创新与应用,2019(1 0):84.

[2]陈永平,徐丽红.铝电解用炭素应用虚拟仿真实验开发探索与实践[J].微型电脑应用,2018,3 7(7):44-47.

[3]张顺星,张玉洁.基于铝电解用炭素组合工件自动分拣系统研究与设计[J].新技术新工艺,2019(9):1 6-1 8.

[4]蔡汉明,周烨,李昶利.铝电解用炭素材料技术与工艺 [M].北京 :冶金工业出版社 ,2018:10.