随着电解铝生产工艺改进及节能技术应用，电解槽规格也向着大型化发展，大规格铝电解用阴极炭块市场需求量也同时递增。生产大规格铝电解用阴极炭块所用原料以宁夏优质电锻无烟煤、人造石墨、改质沥青为配伍，以提高炭块的导电率、耐压强度和抗钠浸蚀能力。通过调整人造石墨在其干料配方中所占比例，用以满足用户对不同牌号铝电解用阴极炭块理化性能的需要。炭素制品生产中，配方在决定产品理化指标、内在质量、过程产品和成品率中占有极其重要的影响因素。为此，确定铝用阴极炭块工作配方中固体原料的最大粒级和粒度组成是大规格高石墨质铝用阴极炭块研制、生产的首要关键问题。工艺技术配方的选择要综合考虑产品的技术使用性能、生产设备、产品合格率等多方面因素。
粒度组成中用不同尺寸骨料和粉料的配合比例，生产不同规格的石墨质阴极需要采用不同的粒度组成，一般使用4种颗粒，即大颗粒、中颗粒、小颗粒和细粉(磨粉机产出)，以便得到合适的体积密度和物理化学性能。大颗粒在物料中起骨架作用，适当地提高大颗粒的尺寸和使用比例有利于改善制品的抗热震性和降低线膨胀系数，减少制品在焙烧和石墨化过程中产生的裂纹，但同时会增加制品的孔隙率及降低制品的体积密度和机械强度。中小颗粒和细粉的作用是填充大颗粒之间的空隙，适当的增加细粉的使用比例，有利于提高制品的体积密度和机械强度，而且成品加工后表面比较光滑，但是细粉使用比例过多容易导致制品在焙烧及石墨化过程中的裂纹概率增加。粒度组成的—般规律是大规格阴极应用尺寸较大的骨料颗粒，并适当减少细料的比例;生产不同规格的石墨质阴极时骨料和粉料颗粒尺寸是有区别的。这些粒度组成的规律和理论来基本上来自于石墨电极生产工艺。
炭素原料经煅烧、破碎、筛分、磨粉后按规定配方配料， 配方的制定既需要有—定的理论指导，更要依赖长期的实践经验。研究配料的粒度组成必须对各种炭素原料颗粒的振实密度、颗粒压碎强度系数及颗粒回胀系数进行测定，在此基础上考虑原料配比和粒度组成。学者们对炭素制品生产的配料粒度组成进行过大量的研究，提出—些粒度组成的推导公式，如考虑最佳物理机械性能的“最大密度法”及考虑最佳成品率的“适当密度法”等，这些推导公式对指导生产有重大的指导意义和参考价值。
以最佳物理机械性能的“最大密度法”是美国学者莫罗佐斯基曾提出的一个炭素制品的结构模型，即炭素制品为焦炭颗粒和黏结剂炭化的结焦炭所构成的双组分模型，黏结剂在焦炭颗粒外层覆盖的厚度与焦炭颗粒半径之比为—常数，粒度组成以得到最终成品的最大体积密度为原则，因为成品的电阻率、弹性模量和机械强度、氧化性等表征炭素制品物理化学性能的指标都与炭素制品的体积密度有密切关系，莫罗佐斯基推导出下列几个公式：
式中ρ为电阻率;E为弹性模量;S为机械强度;d为炭素制品的体积密度;d0为焦炭颗粒的体积密度;db为黏结剂结焦炭的体积密度;B0、E0、S’为比例常数;X、Y、Z为特性系数。
以考虑最佳成品率的“适当密度法” 是从生产实践总结出来的。孔隙率过小或体积密度过大的半成品在焙烧或石墨化过程中容易产生裂纹，形成裂纹与半成品受热后体积变化、热应力的作用及挥发分排出有关，因此在骨料粒度组成中必须有—定数量的大颗粒，而且产品规格不同，应该选择不同尺寸的大颗粒。俄罗斯学者克里洛夫提出了对两类直径的产品选择最大尺寸颗粒的公式：
式中φ 为生电极直径，mm;D为最大颗粒尺寸，mm。
根据克里洛夫级配公式，计算出直径500mm石墨电极的最大颗粒尺寸为7.5mm，与目前中国炭素厂生产直径500mm.电极采用最大颗粒尺寸为8～6mm基本符合，也与铝用阴极生产配方吻合。
通过公式(2)及公式(3)，求得对某—指定规格产品应选择的配料最大颗粒尺寸后，再通过解析计算得出最大粒度以下的几种颗粒尺寸及使用比例。
同时计算方法提出几个相关计算式，
骨料和粉料的比表面有关，可用下式表示：
式中B0为渗透系数;S2为骨料比表面;K2为计算材料气孔的相对容积和形状的系数。
骨料比表面和制品规格有如下的关系式：
式中S为骨料比表面;φ为制品直径;A、S0均为比例常数。
根据符合透气性要求的比表面积的推算，知道了最大颗粒尺寸后，再进—步计算其他尺寸颗粒料的使用比例及黏结剂使用数量。这些计算公式对我们如何选择配方提供了强大的工具，指导意义重大。
在炭素生产中，焦炭颗粒本身具有较多的孔隙，混合料的颗粒之间也存在—定数量的孔隙，加上焦炭颗粒对黏结剂的吸附性好，油系炭素制品本身具有较好的热弹性，这一点在生产铝用阴极制品时表现很明显。但高石墨质阴极的主料是电煅无烟煤，其涵养沥青的功能较差，弹性模量不及焦炭颗粒，在焙烧阶段因温度作用产生的沥青迁移现象表现突出，制品在焙烧方向的上下两端密度差大，业内俗称“空头”现象。这也是生产高石墨质阴极的一种共性。我公司的GS5高石墨质阴极炭块在体积密度上都在1.64以上，各项指标都高于国标，但存在焙烧后竖直于炉室方向的上端部有龟裂纹，虽然也符合国标要求，但卖相不尽人意。消除制品上端部龟裂纹是我们的一个主要攻关方向。沥青迁移具有一种自然规律性，防止和减缓沥青迁移的速率和数量需要从多方面综合控制。工作配方和焙烧曲线是两个主要因素。
我们在生产过程中发现有一批GS5阴极炭块焙烧后从结构上内部较均匀，而且制品焙烧方向上下两端的的密度差较小，样品结构均匀并伴有如同沙粒般微孔。经复查该批制品配方是以BS命名的，配入了切削碎的配方。可以说我公司在近几年生产阴极炭块的历程中进步是很快的，但在攻克炭块两端体密差方面进展有反复。我调出了生产过程的混合样粒度分析和成型记录，对焙烧曲线执行过程进行分析，并把炭块样品加工成100mm见方10mm厚的样块，反复观察和琢磨其中的不同之处，一有时间就用放大镜反复的看，大约就这样看了很多天。我发现这一样品与我们前期的阴极炭块不同之处比较突出的是大颗粒多，中颗粒较少。通过对混合样粒度分析的对比确认如此。
表1：BS02混合样粒度分析
成型工艺是干料加热至180℃，加沥青后湿混30min，并喷雾降温，成型温度为150℃～160℃。
表2：焙烧曲线为576h/9室运行。
这是一个很令人感性趣的现象，是在利用混合切削碎生产GS5高石墨质阴极时产生的偶然状态，我们应当对此“偶然”进行剖析和利用，使“偶然”成为“必然 ”。提高我公司的产品档次。
我查阅了一些有关配方的文献书刊，其中中钢吉炭王成华高工《炭素配料中工作配方的离差平方和优选方法》所述的配方关系及组成与分析的很接近。湖南大学熊海泉教授《碳素材料工作配方的几种计算形式》也同时有相关论述。有了理论上的依据。后来又请教专家并召集研发部和生产技术人员开会研讨，经过几次研讨并分析生产工艺的不足和修改方案，达成共识有几点：
1、炭素材料工作配方的原则是两头大中间小，就是大颗粒和细粉料占比例要多，中间颗粒要少。
2、根据我方生产几年的实践，对-0.075的粉子调整纯度为55%,增加了<1mm的细粉料。
3、在混捏过程中坚持干料预加热混捏和成型前喷雾降温的生产工艺。形成干料温度与沥青的温度相近，有利于沥青的浸润。
我认为一个生产工艺首先要在理论上行的通，但在理论上能行通的在实践中仍然是要经过组织生产关、装备水平关、人员技术关、原料质量关、操作水平关等考验才能作为完整的生产工艺，因为生产工艺本身要求就是在操作上具有高的可重复性。生产工艺在理论上过关只是第一步，但是没有理论指导的实践只是撞大运，生产工艺在理论走不通的在实践中必然会失败。
我们统一了认识，查找自己的不足，对生产原料的理化指标进行分析对比，重新设计调整了配方，命名为GS5-SY02，制定了试验目标，对设备和料仓及工艺过程进行了预演，对可能出现的漏洞进行预防。
为了试验方案可靠，我们进行理论计算：
通过计算验算得出：
矩形制品截面780×570的当量直径
一、试验目的：
1、消除炭块芯部裂纹，这是目前我公司生产石墨质炭块存在的主要缺陷炭块的
2、消除制品上端头小裂纹。
二、试验配方：
表3：配方
三、生产工艺：
成型机工序操作做了如下规定，对格控制温度、真空度和时间提出要求。
干料预混温度：180～185℃,
沥青温度：180～185℃,
喷雾水温度：60--80℃
GS5高石墨质成型温度：145～150℃
真空残余压力要求：小震结束前不低于35mba,大震结束前不低于55mba。
震动时间大震20秒，小震40秒。
焙烧工序：采用576h焙烧曲线。
四、实施
在2014年10月19日成型1#线采用GS5-SY-02方案进行生产，到10月20日共计生产50 块，炭块编号：1910AA107-2010A215，在生产过程中基本是按预定方案完成生产的。
表4：在生产过程中对混合样筛分检验，4次结果如下：
焙烧曲线执行如下：
下面是焙烧过程曲线执行情况： 350-500℃温度有波动，偏差10℃左右。升温情况详见温度曲线控制趋势图。
表5：焙烧温度曲线控制趋势图
焙烧品理化指标分析，焙烧出炉后焙烧取样结果见表5
表6: GS5-SY-02焙烧理化指标
质量分析：
从产品的焙烧理化指标上分析，从以上的理化指标上对比可以看出，体积密度、灰分指标几乎没有差别，电阻率也相差不大，指标明显高于现行标准。
加工后外观状况：
图1： 上端切片后表观
图2：加工后上端面及槽内
结语：
从本次对配方进行调整后的试验取得的收获不小，可以感受到已近距离触摸到配方的规律性，此举使我公司的高石墨质阴极从外在质量到内在品质都有了跨越式发展。通过在生产组织中的教育和讨论，职工队伍的技能明显提高了，学习专业技术的气氛浓厚了，爱岗敬业精神发生了令人可喜的变化。当职工们看到自己生产的制品很漂亮，不同岗位的都争相观看，颇有自豪感。一种积极向上的正能量也在我公司感染着大家。
仔细检查仍有不足，个别制品表现出的不稳定现象说明在各个工序仍存在漏洞，如配料不稳定、混捏温度不稳定、焙烧曲线执行中波动等等都会造成制品的质量不稳定。质量工作是一个持久战，是企业永恒的目标。这只是迈开了一小步，对出现的反复要有必要应对心理和措施，主要是一个制品的成功与否，配方只是其中一个首要环节。更需要从原料、配料、混捏、成型、焙烧、加工等各工序的全过程管理。我们仍需要不断虚心学习。真正消除阴极制品上端部龟裂纹仍是一场持久战。沥青向下迁移是一种自然规律性，防止和减缓沥青迁移的速率和数量需要从多方面综合控制。
参考文献：
(1)王成华，中钢吉炭高工 《炭素配料中工作配方的离差平方和优选方法》 炭素技术，2010年第4期 P55-57
(2)熊海泉 湖南大学教授 《碳素材料工作配方的几种计算形式》碳素 1992年 №3 P21-26
声明：
“透过现象，探索铝用阴极配方的规律性” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：万基控股集团石墨公司
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