【炭阳极在电解铝生产中的重要作用综述2000字】

炭阳极在电解铝生产中的重要作用综述铝在自然界中分布极广，地壳中铝的含量约为7.5%，居第三位。在各种金属元素中，铝居首位。由于铝的密度低，导电导热性优良，易加工以及可构成高强度、耐腐蚀性的合金，因而金属铝的应用非常广泛。铝的化学性质非常活泼，自然界中仅发现了少量元素状态的铝，大多是与其它矿物共生，因此必须还原铝的化合物才能制备单质铝。现代铝工业生产主要采取冰晶石-氧化铝熔盐电解法炼铝。随着我国经济建设的快速发展，国民经济建设的各个重要领域对铝及铝合金的需求量大增，带动了我国电解铝产业的发展。从2002年至2007年，我国电解铝行业取得了迅猛的发展，电解铝产量年平均增长率达到29.7%，在世界电解铝产量中所占的比例由2001年的14%迅速上升到2007年的33%。2009年全国电解铝总产量已达1363万吨，占世界电解铝总产量三分之一。在铝电解生产中，作为铝电解槽“心脏”的炭阳极（预焙阳极，简称阳极）起着把电流导入电解槽和参与阳极反应的作用，所以其质量和工作状况对铝电解生产是否正常、电能消耗、产品等级等经济技术指标影响十分巨大。如果阳极的质量差，如密度小、孔隙度大、机械强度低等，会造成在铝电解过程中阳极电流密度增大，阳极和电解质发热，电解槽温度升高，阳极炭块掉渣，电解质电阻率增加，阳极过量消耗。同时炭阳极的主要原料-石油焦市场价格上涨过快，石油焦粉焦含量增多，质量大幅波动，严重影响了阳极质量，提高了阳极的生产成本，同时也影响了铝厂的经济效益，造成了大量的经济损失和资源浪费。因此，采用新原料新技术降低阳极生产成本，提高炭阳极质量，降低阳极额外消耗是目前铝用炭素行业普遍关注的问题。1880年，美国人霍尔和法国人埃鲁特同时提出冰晶石-氧化铝熔盐电解法炼铝，阳极炭块随之诞生，最早采用木炭、焦粉和焦油经过混合、成型、烧结制作的炭棒为阳极，阳极的规格小，质量指标落后。铝电解发展初期，采用挤压法生产小型预焙阳极，单个阳极尺寸甚小，阳极电流4KA，1924年挪威人Soderberg发明了连续自焙阳极，使阳极面积逐步增大，电解槽电流容量随之提高。1934年法国Peckiney铝业公司研制成功上插自焙阳极，随后又用多功能天车进行阳极操作。20世纪50年代之后，成功用挤压和振动成型机制造了大规格阳极炭块，预焙阳极又逐步被广泛采用。20世纪80年代后期，预焙阳极电解系列，电流容量达280～350KA，最新的炭阳极电解槽电流达500KA。由于预焙阳极操作比较简单，阳极电压降比自焙阳极低，易于实现机械化和自动化，且减少了电解过程中沥青烟的危害，有利于电解槽向大容量方向发展。因此20世纪末，普遍采用预焙阳极炼铝[3]。随着科学技术的发展和人们节能环保意识的提高，惰性阳极逐渐成为人们的研究热点。目前，金属氧化物陶瓷、金属合金和金属陶瓷等成为惰性阳极的优先选择材料。Vecchio-Sadus等对SnO2基惰性阳极在不同组成的电解质中的行为进行了研究，实验温度为830～975℃，电极组成为96wt%SnO2-2wt%CuO-2wt%Sb2O3，发现SnO2基阳极的腐蚀速率随着温度的变化而变化。Galasi也对上述组成的阳极进行了研究，表明其电阻在较高电流密度时随温度和电流密度呈线性变化，使用上述组成的阳极进行电解槽实验，结果较好。东北大学的石忠宁等人制备了Cu-Ni-Al合金阳极，发现阳极的导电导热性好，电压降低，耐熔盐腐蚀性能良好，但是电解得到的铝质量低，杂质含量偏高。Glucina[7]等人制备了Al的质量分数为9.4%的Cu-Al合金阳极，并在实验室的电解槽中测试了其性能，阳极电流密度为0.5A/cm2，发现阳极各方面的性能都较好，但是铜基体易被腐蚀，经过预处理的阳极表面生成的氧化物薄膜孔隙较多，电解质渗透腐蚀基体，未经预处理的阳极在原位形成氧化铝薄膜，但这不足以保护基体不受腐蚀。田忠良等人研究了烧结气氛和烧结温度对Cu含量在5～20%之间的NiFe2O4-Cu金属陶瓷惰性阳极的物相组成、微观形貌和基本物理性能的影响。结果表明，通过控制烧结气氛氧分压可以制备出具有目标物相组成的NiFe2O4-Cu金属陶瓷电极材料。但是固相NiFe2O4陶瓷颗粒和液相金属Cu之间的润湿性不好，制备的阳极相对密度不高，孔隙率较大。焦万丽、张磊等人研究了NiFe2O4合成工艺对惰性阳极力学性能及电导率的影响。结果表明：800℃时NiO和Fe2O3的固相反应先于致密化过程结束。当未经压制成型的粉料直接在900℃的合成温度下合成6h，试样的体积密度和强度最大，孔隙率最小，高温电导率也最大。虽然惰性阳极不仅可以减少能耗，避免温室气体CO2的排放，而且可以降低劳动强度和阳极更换频率，提高电解的稳定性，但是仍然有很多科学问题没有解决，距离工业应用还有很长一段的距离，有待进一步深入研究。炭阳极作为铝电解过程的阳极材料参与电解反应，随着电解过程的进行不断消耗。1991年，瑞士W.K.Fisher等推导了下列阳极净消耗与电解工艺参数和阳极质量参数的关系式，见式(1.1)：Nc=C+334/CE+1.2(BT–960)–1.7CRR+9.3AP+8TC–1.5ARR(1.1)式中：Nc－阳极净消耗，kg/t–Al；C－电解槽系数；CE－电流效率，%；BT－电解温度，℃；CRR－阳极CO2反应后剩余量，%；AP－阳极空气渗透率