铝电解用碳阳阴极介绍

1、 铝电解用碳阴极 铝电解用碳阴极(carbon cathode used inaluminium electrolysis)铝电解槽中与电源负极相联的碳质电极。为铝电解槽的重要组成部分，包括底部碳块、侧部碳块、连接碳块的捣固碳糊或碳胶及阴极钢棒等。铝电解用碳阴极位于电解槽底部，其外部砌筑耐火材料并用钢壳加固。作用 铝电解用碳阴极之上为铝液和电解液，在其与铝液界面上进行析出铝的电解反应。直流电流经铝液、底部碳块和阴极钢棒导出槽外，碳阴极为铝电解槽最重要结构部分。铝电解用碳阴极的材质情况、安装质量及工作状况对铝电解电流效率和铝电解电能消耗影响甚大。铝电解用碳阴极电压降或称炉底电压降一般在400mV

2、以上，占槽电压的10%左右。在铝电解生产中，阴极受熔盐和铝液的侵蚀和冲刷及各种应力作用而发生变形和断裂。当其破损严重时，需要停槽进行大修理。铝电解用碳阴极内衬的正常使用寿命为45a。制造 低碳分无烟煤、沥青焦、冶金焦、天然及人造石墨和煤沥青等是制造阴极碳块、侧部碳块、捣固碳糊及碳胶的主要原料。这些原料首先要经过煅烧处理，无烟煤和沥青焦在罐式煅烧炉或回转窑中，于14731623K的高温下进行煅烧，以提高其致密性和热稳定性，并降低其电阻率。无烟煤也可在电煅烧炉中进行煅烧，煅烧温度一般为20732173K。通过煅烧可进一步提高无烟煤的热稳定性和降低其比电阻。煅后焦与经过脱水的冶金焦、石墨经破碎和磨粉

3、，按一定粒度配比进行混合，在间断或连续混捏机中与粘结剂煤沥青一起，混捏制成碳糊料。碳底糊用捣固的方法填充在碳块之间的缝子内。碳底糊的骨料粒度小于4mm，沥青配入量为19%21%。为了降低碳底糊的软化点，并改善捣固施工环境，可用蒽油、焦油、洗油等代替部分沥青作粘结剂来制造碳底糊，这种碳底糊可在常温下应用，故称之为冷捣糊。碳胶为挤压粘结碳块间细缝(小于4ram)的碳糊料，碳胶的骨料粒度小于1mm，粘结剂含量为40%左右。制造底部碳块或侧部碳块的碳糊料，其骨料粒度可大到10mm以上，煤沥青配入量为16%18%，采用挤压、模压或振动法成形。成形后的碳块(生坯)体积密度可达到1600kg/m3。以上。生

4、碳块的焙烧在密闭式或敞开式多室环式焙烧炉中进行。中国的中小炭素厂多用倒焰窑或多室并排式焙烧窑进行焙烧，其热能效率较低。阴极碳块的焙烧温度为11231423K，石墨焦或半石墨焦阴极碳块可用较低的焙烧温度。石墨化或半石墨化阴极碳块则需要更高的焙烧温度，一般为10731123K。焙烧是为了使粘结剂沥青热解、焦化，使生坯具有较高的机械强度、较好的热稳定性和较高的导电性。焙烧曲线以及装炉操作对烧成品质量影响很大。阴极钢棒具有矩形截面，按照所选用的钢棒尺寸，在阴极碳块上加工出装入钢棒的槽孔(燕尾槽)。用生铁浇铸或碳糊捣固的方法把阴极钢棒与碳块连接在一起。砌筑与安装在铝电解槽的耐火砖层之上，用碳底糊捣固一层

5、3050mm厚的底垫，其上放置阴极碳块组。阴极碳块组通常排成两行，也有采用单一行的，即采用通长阴极碳块和通长阴极钢棒。阴极碳块组间有4050mm的大缝结构时，用碳底糊捣固将碳块组连为一整体；当阴极碳块组间有4mm以下的细缝结构时，用碳胶将碳块组连结为一整体。整个铝电解槽阴极碳块四周砌一层或两层侧部碳块。侧部碳块间缝用生石膏灌浇或用碳胶粘结。侧部碳块的内侧有时用碳糊捣固成一个斜坡(人造伸腿)，以保护侧壁。质量要求安装好的碳阴极要符合下列质量要求：炭素槽底是一个无缝的整体，没有空洞和裂纹；导电率要足够高，钢棒与碳块有良好的接触点；具有能抵御电解质和铝液冲刷磨蚀的足够强度。对底部碳块的质量除了严格的

6、尺寸要求外，还要求其电阻率小于60m，抗压强度不小于30MPa，电解膨胀率小于12%，灰分小于10%，密度大于1520kg/m3。电解膨胀率是反映碳块在铝电解过程中耐电解质和钠盐侵蚀性指标，也有用破损系数表示的(小于15)。近年来世界上一些国家都在积极研究和开发半石墨质和石墨质碳块，这些碳块具有好的电导率和耐钠侵蚀能力。对侧部碳块的质量要求，除电阻率不作规定外，其余相同于底部碳块。对碳底糊和碳胶的质量则要求其灰分不大于12%，烧结后试样抗压强度不小于15MPa，试样体积密度不小于1400kg/m3，含碳量不少于80%。破损与修理 在铝电解槽启动和运转过程中，碳阴极在电解质和铝液的侵蚀及冲刷下会

7、发生溶液渗透、选择吸收钠、生成碳化铝等物理化学作用及热应力作用，使碳阴极逐步产生变形、隆起和裂缝等，最终导致电解槽停产而要进行大修。碳阴极内衬破损需要进行大修的征兆为：铝中含铁量突然升高，碳阴极钢棒被铝液熔化，槽底电压显著升高，碳阴极内衬隆起严重，碳阴极电流分布严重不均，槽壳变形严重，危及正常操作等。碳阴极内衬大修时，铝电解槽先行停电，全部清除槽中的电解质和铝液，将旧内衬全部刨除并按照新电解槽施工要求进行整个碳阴极内衬的砌筑与安装。碳阴极内衬的使用寿命一般为_45a。碳阴极材料质量，施工质量和铝电解槽焙烧启动及生产管理质量是影响铝电解槽使用寿命的主要因素。为了延长阴极内衬使用寿命和降低阴极电压

8、降，近年来正在研究TiB2阴极涂层，侧部SiC砖层以及研究开发新的碳阴极结构形式等。 铝电解用碳阳极 铝电解用碳阳极(carbon anode used in aluminium electrolysis)铝电解槽中与电源正极相联的碳质电极，为铝电解槽的重要组成部分。包括碳阳极本体和金属阳极导电体。简史   在铝工业发展初期，采用数干安培的小型预焙阳极，这与当时炭素工业的生产水平相适应。为了扩大阳极尺寸借以提高电流强度，在20世纪20年代初参照当时铁合金电炉的连续自焙电极型式，在铝电解槽上装设，连续自焙阳极，采取旁插棒式。在40年代，为了简化阳极操作和提高机械化程度，又发展

9、了上插棒式自焙阳极。在50年代，由于碳电极质量的提高以及振动成型制造大规格预焙阳极碳块的成功，预焙阳极被广泛采用。在80年代后期，最新式的预焙阳极铝电解槽的电流容量已达到280300kA以上。作用   铝电解过程中碳阳极日平均消耗2cm左右，需要定期向电解槽中添加新阳极糊(自焙阳极)，或定期更换新阳极块(预焙阳极)，使铝电解槽保持正常运转。铝电解生产对碳阳极的基本要求是：抗熔盐侵蚀，有较低的电阻、较高的纯度和较好的机械强度。碳阳极质量及工作状况对铝电解电流效率、铝电解电能消耗及物料消耗的影响较大。铝电解槽正常运转时，碳阳极的欧姆电压降为300600mV，占槽电压的1015，

10、吨铝碳阳极净耗400500kg(按残极回收计)。通过提高原料质量，改进生产配方和工艺、阳极结构形式以及阳极的工作制度，可以提高阳极工作质量。类型   有连续白焙阳极(简称自焙阳极)和预焙阳极两类。自焙阳极   自焙阳极是利用铝电解槽自身热量使阳极糊中的沥青热解，焦化后与骨料碳粒形成致密的固体阳极。自焙阳极多为整体式单阳极，按导电钢棒(阳极棒)插入方式分为侧插(或旁插)棒白焙阳极和上插棒自焙阳极两种。(1)上插棒自焙阳极。导电钢棒从阳极上部插入者称上插自焙阳极。上插自焙阳极由阳极框套、阳极钢棒、碳阳极本体及框套升降机构等组成。上插棒自焙阳极铝电解槽的电流容

11、量达80160kA，阳极电流密度为0.60.75A/cm2。(2)侧插自焙阳极。导电棒(阳极棒)从侧部插入者称侧插自焙阳极。侧插自焙阳极由阳极框架、阳极棒、碳阳极本体及阳极升降机构组成。侧插棒自焙阳极铝电解槽的电流容量达到40130kA，阳极电流密度为0.71.0A/cm2，电流容量在10万A以下的中小型铝电解槽大多用侧插自焙阳极。由于从铝电解槽的侧部插入阳极棒，电流均匀分布受到阳极宽度的限制。此外，阳极底部中心部位温度高，散热不好，也限制了铝电解槽容量的扩大。自焙阳极的操作包括加阳极糊、拔阳极棒、钉阳极棒(上插自焙阳极为插入)、转接阳极小母线、抬阳极框架和调整阳极高度等。当自焙阳极操作不当和

12、阳极糊质量差时，会引起阳极故障，直接影响铝电解槽的电流分布并破坏原有的温度制度，导致铝电解电流效率下降和铝电解电能消耗增加等。常见的自焙阳极故障有流(漏)阳极糊、阳极断层、阳极裂纹、阳极掉块、阳极长包、阳极着火和氧化等。与预焙阳极相比，自焙阳极的优点是可以连续工作而不用更换，利用电解槽热量焙烧阳极，节省能量；阳极制造不需要成形和焙烧设备，节省投资。缺点是沥青烟直接在铝电解槽上部散发，严重污染环境，给铝电解产生的烟气净化和铝电解自动化操作带来困难；另外，自焙阳极操作比预焙阳极复杂，阳极欧姆压降也较高。20世纪80年代以后，新建大铝厂已不采用此种槽型。预焙阳极   铝电解槽预焙

13、阳极由多个阳极碳块组组成。每个阳极碳块组由12块宽700900mm、长14001700mm、高500600mm的阳极碳块、阳极导杆和钢爪等部分组成。用生铁浇铸或碳糊捣固，把碳块与钢爪固结在一起，与钢爪连结的阳极导杆用专用卡具压紧固定在阳极母线上，阳极升降机构用以升降阳极。预焙阳极多为间断式操作，即每组阳极可使用1828d。当阳极碳块消耗到其原有高度的25%左右时，为避免钢爪熔化在铝电解槽中，须将预焙旧阳极碳块吊出，用新的预焙阳极碳块取代。取出的碳块被称为“残极”。清除铝电能质后的残极经破碎可用作制造阳极的原料。预焙阳极导杆和钢爪经清理和修理后可重复使用。原西德汉堡铝公司(Hamburger A

14、luminiumWerk GmbH)试用过连续预焙阳极。其方法是通过从侧面插入棒孔中的钢棒导电，并按照阳极的消耗程度将新的预焙阳极块叠加到旧块上，并用特制的碳糊将它们粘接成整体。预焙阳极的操作有吊出残极、清理残极、阳极组装、换上新阳极和调整阳极高度等。预焙阳极操作比较简单，易于机械化，没有沥青烟害，有利于电解槽向大容量化方向发展，但建设制造预焙阳极的工厂投资较高，为大多数新建大铝厂所采用。原料   主要有石油焦和煤沥青两种。石油焦是石油加工中渣油焦的化产物，含有80%95%的碳和10%20%的挥发物和水分。根据焦化方法不同将石油焦分为延迟石油焦、釜式石油焦、针状石油焦和流态

15、化石油焦等。延迟石油焦是制造铝电解用碳阳极的主要原料。煤沥青焦化形成的沥青焦也是制造这种阳极的优等原料。煤经过加工除灰代替石油焦作为制造铝电解用碳阳极的原料正受到重视。煤沥青是用蒸馏法从煤焦油中除去易挥发成分而制得的。依软化点高低可将煤沥青分为中温沥青(软化点338368K)和高温沥青(软化点高于368K)。高温沥青又称改质沥青或硬质沥青。石油沥青经过加工，也可作为制造铝电解用碳阳极的原料。对制造铝电解用阳极碳石油焦的质量要求为：挥发分小于15%，硫分小于1.5%，水分小于3%。此种石油焦需经过1573K的煅烧方可使用。对中温煤沥青的质量要求为：灰分不多于0.3%，软化点348363K，甲苯不

16、溶物15%25%，水分不多于5%，挥发分60%70%，喹啉不溶物不多于10%。对改质沥青的质量要求为：软化点用环球法测得373393K，甲苯不溶物20%34%，喹啉不溶物6%15%。B树脂含量不少于18%，结焦碳不少于50%，灰分不多于0.3%，水分不多于5%。使用改质沥青，有利于提高铝电解用碳阳极质量，但需要改进混捏设备，提高混捏温度。生产工艺由煅烧，破碎、配料与混捏，成形与焙烧，组装等作业组成。煅烧将石油焦破碎至80mm以下粒度，然后在罐式煅烧炉、回转窑或倒焰窑中煅烧至1573K，以排除石油焦中的挥发分，提高其机械强度、导电性和抗氧化性。煅后焦真密度为19902030kg/m3，粉末比电阻

17、率在650·m以下。中国石油焦多在铝厂和炭素厂内进一步煅烧，其他国家多由炼油厂直接加工出煅后焦。破碎、配料与混捏   将煅后焦破碎、磨粉、按一定比例(粒度配比)配料后，进行混合，并配加一定量的液体或固体沥青，在间断式或连续式混捏机中混捏。混捏的目的是使骨、粒焦被熔化的沥青浸润，以获得均匀的糊料。混捏机用电、蒸汽或其他热媒加热。粘结剂沥青配入量阳极糊为24%30%(24%26%称干阳极糊)，预焙阳极为14%19%。混捏出的热糊可直接在自焙阳极铝电解槽上使用，亦可将阳极糊铸成500kg以上的大块或15kg以下的小块，以供随时使用。成形与焙烧   混捏好的阳极糊料在413433K温度下送入模压成形机、挤压成形机或振动成形机成形。成形后的生阳极碳块体积密度达1.580kg/m3。成形后的碳块送入焙烧炉内焙烧。焙烧的目的是排除挥发分，粘结剂焦化并与固体颗粒牢固地连在一起，以提高碳块机械强度和导电率。焙烧炉有密闭式或敞开式多室环式焙烧炉、隧道窑、倒焰窑等。最常用多室环式焙烧炉。采用煤气、重油或