焙燒及成型工藝對焙燒塊裂紋影響因素研究與應(yīng)用*

陳 祥，馬華遠(yuǎn)，田素蘭

（云南源鑫炭素有限公司，云南 建水 654300）

某公司炭素廠成型一期生產(chǎn)線采用Hasler配料秤、K?llemann四軸預(yù)熱螺旋、B&P臥式混捏機(jī)、EIRICH強(qiáng)力冷卻機(jī)的連續(xù)配料混捏生產(chǎn)線，配套Outotec三工位滑臺式振動成型機(jī)。長期以來由于回轉(zhuǎn)窯煅燒石油焦燒損大，煅后焦振實容重偏低，導(dǎo)致成型工序瀝青配比高。為攻克這一難題，二期煅燒生產(chǎn)線選擇了罐式爐生產(chǎn)工藝流程。

2020年2月份罐式爐正式投產(chǎn)，成型工序的煅后焦物料也從原來的單一的回轉(zhuǎn)窯煅后焦變?yōu)楣奘綘t、回轉(zhuǎn)窯兩種煅燒工藝的混合煅后焦。2020年6月份開始成型一期生產(chǎn)的一期生塊焙燒后出現(xiàn)大面裂紋廢塊。本文針對這一問題分析查找成型一期生塊焙燒后產(chǎn)生大面裂紋的原因。

1 裂紋的類型

1）凸臺裂紋，凸臺邊緣與平面交接處產(chǎn)生裂紋[1]；

2）側(cè)面裂紋，出現(xiàn)在四個側(cè)面的裂紋，為平行于底平面單條連續(xù)性裂紋和多條層狀裂紋；

3）不規(guī)則裂紋，斜面與面積較小的側(cè)面的交界處細(xì)小裂紋。

2 裂紋產(chǎn)生原因分析

2.1 焙燒工藝的影響

1）預(yù)熱階段過慢。制品表層瀝青氧化結(jié)殼收縮，由于表層下面的糊料還是軟化狀態(tài)，這種表層收縮裂紋表現(xiàn)為不規(guī)則網(wǎng)狀龜裂，深度較淺，如果后面的升溫曲線正常，產(chǎn)品內(nèi)部仍然可以有好的結(jié)構(gòu)。預(yù)熱階段升溫過慢，有的時候雖然沒有裂紋，但是表面密度會變低，顏色上也有所區(qū)別。這個階段還有一些成型工藝特殊的制品因內(nèi)應(yīng)力存留比較大，預(yù)熱溫度不均勻也可能因應(yīng)力釋放引起開裂，大部分是垂直于產(chǎn)品受力面開裂[2]；

2）輕質(zhì)餾分揮發(fā)和瀝青熱聚合初期階段升溫過快。表層揮發(fā)過快開始收縮結(jié)硬殼，里層還在融化膨脹，將表層脹裂；表層過快結(jié)殼焦化，對內(nèi)部大量揮發(fā)分溢出造成較大阻力，將制品表層撐裂，有時這種裂紋還會進(jìn)一步發(fā)展成內(nèi)裂；表層結(jié)硬殼后隨著繼續(xù)升溫硬殼失去向內(nèi)收縮彈性，里層在隨后的的收縮過程中和表層硬殼分離，形成內(nèi)裂；

3）熱聚合階段升溫過快。熱聚合初期和輕質(zhì)餾分揮發(fā)階段不是截然分開的，當(dāng)輕質(zhì)餾分揮發(fā)開始后，熱聚合也隨溫度升高逐漸展開，產(chǎn)品的表象就是從軟化逐漸硬化，體積收縮由快變慢，逐漸失去彈性，強(qiáng)度逐漸增加。此時的開裂問題就是制品由表至里的溫差造成了收縮不一致，收縮不一致產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力大于制品本身強(qiáng)度時制品就會“崩開”，這種開裂一般都會比較深，往往會沿著制品本身存在的缺陷或應(yīng)力點開裂，裂紋比較長比較明顯。由于熱聚合初期制品收縮還是比較快的，問題也往往出現(xiàn)在這個階段；熱聚合后期由于粘接焦形態(tài)趨于穩(wěn)定，制品強(qiáng)度逐漸提高，往往不容易出現(xiàn)問題；

4）冷卻階段降溫過快，出爐溫度過高。冷卻往往遭到忽視，一些制品熱膨脹系數(shù)高，冷卻速度過快也是開裂的原因之一。這種裂紋往往表現(xiàn)為炸裂。出爐溫度過高，尤其在冬季炸裂現(xiàn)象很容易發(fā)生。

2.2 成型工藝的影響

1）振動成型機(jī)影響。振動成型機(jī)主要由偏心軸轉(zhuǎn)動產(chǎn)生激振力而產(chǎn)生振動，由于振動臺不同軸激起的頻率不同步，甚至是相反，使振動臺的某些部位形成振幅極小，甚至是零振幅，致使該處的糊料沒有被振實焙燒后產(chǎn)生碗間裂紋。另外，由于目前振動成型機(jī)采用預(yù)加壓氣囊，壓力可自由調(diào)整，當(dāng)重錘預(yù)加壓氣囊壓力過大時，生塊易產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，焙燒過程應(yīng)力釋放造成裂紋[3]；

2）布料器布料效果的影響。當(dāng)糊料布料比較均勻時，在振動成型時，重錘對糊料施加的力會相對均勻，成型效果較好，當(dāng)布料器的布料效果差時，會導(dǎo)致進(jìn)入成型機(jī)模具內(nèi)的糊料分布的水平性較差，在加壓振動過程中，炭塊各個點應(yīng)力不均，在焙燒過程中由于應(yīng)力偏差，應(yīng)力相對較大的位置拉裂[4]；

3）粉料配比的影響。對側(cè)面裂紋產(chǎn)生主要影響的是75 μm粉料用量和瀝青用量。當(dāng)粉料較細(xì)，配方中75 μm料較多時，糊料比表面積增大，顆粒間的摩擦面增大，成型時生坯中儲存的內(nèi)應(yīng)力相應(yīng)加大，這種情況焙燒過程易出現(xiàn)裂紋[5]；

4）煅后焦搭配比例的影響。由于兩種煅燒工藝的差別較大，生產(chǎn)的煅后焦指標(biāo)上存在明顯的差異[6]，具體兩種煅燒工藝煅燒的煅后焦指標(biāo)如表1、表2。具體差異有以下幾點：①瀝青浸潤性罐式煅后焦較回轉(zhuǎn)窯煅后焦高0.18；②顆粒穩(wěn)定性罐式爐煅后焦較回轉(zhuǎn)窯煅后焦高19%；③振實容重罐式爐煅后焦較回轉(zhuǎn)窯煅后焦高0.09；④回轉(zhuǎn)窯煅后采用噴水直冷方式冷卻、罐式爐煅后焦采用水夾套間接冷卻，回轉(zhuǎn)窯煅后焦水分含量高于罐式爐煅后焦0.08%左右。

表1 回轉(zhuǎn)窯煅后焦指標(biāo)分析Tab.1 Indicators analysis on calcined coke of rotary kiln

表2 罐式爐煅后焦指標(biāo)分析Tab.2 Indicators analysis on calcined coke of pot furnace

回轉(zhuǎn)窯煅后焦、罐式爐煅后焦指標(biāo)差異性較大，因此兩種煅后焦在搭配使用過程中可能會引起內(nèi)部缺陷，造成生塊焙燒過程中燒裂。

為摸索回轉(zhuǎn)窯、罐式爐兩種不同煅燒工藝生產(chǎn)的煅后焦混合使用對焙燒塊裂紋的影響開展試驗。成型一期煅后焦搭配試驗數(shù)據(jù)分析。試驗數(shù)據(jù)如表3。

表3 煅后焦搭配生產(chǎn)試驗Tab.3 Match production test of calcined coke

成型一期回轉(zhuǎn)窯煅后焦與罐式爐煅后焦的搭配，罐式爐搭配比例超過40%，焙燒塊裂紋比例增加。在焙燒工藝不變的前提下，罐式爐煅后焦比例越高出現(xiàn)大面裂紋的幾率就越高。

生塊體積密度超過1.630 g/cm3，在焙燒工藝條件不變的前提下，體積密度越高出現(xiàn)裂紋的占比就越高。煅后焦振實容重過低，通過增加瀝青配比來提升生塊的體積密度，是產(chǎn)生大面裂紋的主要原因。

全罐式爐煅后焦試驗生產(chǎn)對比同期80%回轉(zhuǎn)窯煅后焦、20%罐式爐煅后焦配比生產(chǎn)，瀝青上升1.5%。對該批批罐式爐煅后焦進(jìn)行取樣分析發(fā)現(xiàn)，該批罐式爐煅后焦粉料偏多，判斷為該批煅后焦存在過燒的情況。

排除焙燒首層廢塊多的現(xiàn)象，單獨分析成型工序生塊生產(chǎn)后焙燒出現(xiàn)大面裂紋的原因有：罐式爐煅后焦過燒、回轉(zhuǎn)窯煅后焦料潮、煅后焦振實容重低，采用加瀝青的方式提升生塊體積密度，煅后焦中罐式爐煅后焦配比超過40%。

一期炭塊生產(chǎn)中出現(xiàn)大面裂紋廢塊多的月份統(tǒng)計如表4。對應(yīng)的原料煅后焦搭配比例及生產(chǎn)工藝控制參數(shù)統(tǒng)計如表5。

表4 2021年4月份焙燒塊外觀合格率情況Tab.4 Appearance qualified rate of roasting block in April of 2021

表5 2021年3月份煅后焦物料搭配及控制指標(biāo)Tab.5 Matching and control indicators of calcined coke material in March of 2021

如表5所示，物料搭配情況為30%回轉(zhuǎn)窯煅后焦、70%罐式爐煅后焦時，對應(yīng)的一期生塊焙燒炭塊裂紋率為14.75%。

通過對4月份的一期使用的煅后焦振實容重進(jìn)行分析，振實容重平均值為：1#回轉(zhuǎn)窯煅后焦倉0.81 g/cm3、2#回轉(zhuǎn)窯煅后焦倉0.80 g/cm3、3#罐式爐煅后焦倉0.85 g/cm3。

實際生產(chǎn)中3月份一期生塊體積密度按照1.650 g/cm3控制。通過對生塊取樣，檢測結(jié)果為生塊實際體積密度高于機(jī)顯體積密度0.02 g/cm3。因此初步分析得出，一期生塊生產(chǎn)，罐式爐煅后焦配比不能超過40%，當(dāng)前煅后焦物料質(zhì)量條件下實際生塊體積密度不能超1.650 g/cm3。進(jìn)一步跟蹤2021年4月份生塊焙燒后裂紋廢塊情況，統(tǒng)計如表6。

表6 2021年5月份焙燒塊外觀合格率情況Tab.6 Appearance qualified rate of roasting block in May of 2021

對應(yīng)的原料煅后焦搭配比例及生產(chǎn)工藝控制參數(shù)統(tǒng)計如表7。

表7 2021年4月份物料搭配及控制指標(biāo)Tab.7 Matching and control indicators of calcined coke material in April of 2021

4月份生產(chǎn)的一期生塊炭塊物料搭配情況統(tǒng)計為：4月4日～4月6日80%回轉(zhuǎn)窯煅后焦、20%罐式爐煅后焦搭配，4月7日60%回轉(zhuǎn)窯煅后焦、40%罐式爐煅后焦搭配，4月3日、4月8日70%回轉(zhuǎn)窯煅后焦、30%罐式爐煅后焦搭配，4月25日～4月30日60%回轉(zhuǎn)窯煅后焦、40%罐式爐煅后焦生產(chǎn)，對應(yīng)焙燒5月份生產(chǎn)的一期一期生塊炭塊裂紋率為10.78%。

通過對4月份1#回轉(zhuǎn)窯煅后焦平均振實容重0.77 g/cm3，其中>0.80 g/cm3占比為0%；2#倉回轉(zhuǎn)窯振實容重0.78 g/cm3，其中>0.80 g/cm3占比僅為18.1%。實際生產(chǎn)中，4月份生塊體積密度按照1.650 g/cm3的中值進(jìn)行控制，瀝青配比19.2%，對比其他月份偏高。通過統(tǒng)計分析得出4月份生塊出現(xiàn)裂紋的原因有：煅后焦振實容重低，為滿足生塊體積密度，用加大瀝青配比來彌補(bǔ)煅后焦振實容重低的不足。當(dāng)煅后焦振實容重低的時候，應(yīng)該降低生塊體積密度。

3 解決措施及效果評價

在煅燒及焙燒工藝不變的前提下，為保證一期生塊炭塊焙燒后不出大面裂紋，成型工序應(yīng)控制的關(guān)鍵點：①回轉(zhuǎn)窯煅后焦與罐式爐煅后焦的冷卻方式?jīng)Q定了煅后焦的水分含量，回轉(zhuǎn)窯煅后焦采用噴水直接冷卻，罐式爐煅后焦采用水套間接冷卻，控制好回轉(zhuǎn)窯煅后焦的料潮問題，出現(xiàn)料潮停止使用；②回轉(zhuǎn)窯煅后焦振實容重低于罐式爐煅后焦，兩種煅后焦振實容重偏差不能過大，回轉(zhuǎn)窯煅后焦振實容重不低于0.8 g/cm3、罐式爐煅后焦振實密度不低于0.83 g/cm3；③根據(jù)試驗數(shù)據(jù)證明該生產(chǎn)線在焙燒與煅燒工藝不變的情況下，罐式爐煅后焦搭配比例不超過40%；④當(dāng)前煅后焦質(zhì)量狀況下及成型、焙燒工藝不變的情況下生塊體積密度不超1.640 g/cm3控制。

通過多次的試驗總結(jié)，確定了成型一期煅后焦搭配回轉(zhuǎn)窯煅后焦70%、罐式爐煅后焦30%。同時對成型機(jī)的生產(chǎn)工藝進(jìn)行重新規(guī)范：生塊體積密度穩(wěn)定在（1.625～1.635） g/cm3，瀝青配比不超19%，振動時間（45～55） s，氣囊壓力 （3.5～4.0） bar，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速 （1 400～1 450） r/min，偏心塊角度110°。成型一期規(guī)范煅后焦搭配比例和穩(wěn)定生產(chǎn)工藝后，焙燒裂紋塊已經(jīng)消除。具體統(tǒng)計如表8、表9所示。

表8 2021年7月份物料搭配及控制指標(biāo)Tab.8 Matching and control indicators of calcined coke material in July of 2021

表9 2021年8月份焙燒塊外觀合格率情況Tab.9 Appearance qualified rate of roasting block in August of 2021

4 結(jié)語

當(dāng)炭素生產(chǎn)線選用回轉(zhuǎn)窯煅后焦、罐式爐煅后焦搭配使用的工藝路線時，在煅燒、焙燒工藝不變的條件下，為避免焙燒塊裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)遵循以下4點：

1）要穩(wěn)定控制煅后焦大搭配比例，回轉(zhuǎn)窯煅后焦的配比不低于60%；

2）在滿足炭塊理化指標(biāo)的前提下，生塊的體積密度控制在 （1.625～1.635） g/cm3；

3）鋁用陽極炭素生產(chǎn)中，應(yīng)高度關(guān)注煅后焦振實容重的指標(biāo)。煅后焦振實容重不低于0.80 g/cm3；

4）由于回轉(zhuǎn)窯煅后焦冷卻方式的特殊性，煅燒需控制好噴水量，避免料潮，當(dāng)不能完全杜絕時，應(yīng)靜置擺放排出水分，方能使用。煅后焦水分含量不宜高于0.05%。