作為電解槽上重要構(gòu)件之一的陰極碳?jí)K，其主要功能是作為電解槽內(nèi)襯材料和用于傳導(dǎo)電流。因此，其在鋁電解過程中對(duì)電解槽壽命及運(yùn)行狀態(tài)至關(guān)重要。目前我國(guó)預(yù)焙電解槽的平均槽壽命只能達(dá)到1200天左右，這與國(guó)外先進(jìn)的平均槽壽命3000天相比，具有明顯的差距，并且由于我國(guó)的電解槽普遍存在電流密度過低（國(guó)內(nèi)0.65～0.72A/cm2），因此同樣大小的電解槽也要比國(guó)外先進(jìn)水平少產(chǎn)鋁10％以上（國(guó)際先進(jìn)水平約0.75～0.9A/cm2）。究其主要原因是所使用陰極碳?jí)K的性能不佳所致。因此，提高陰極碳?jí)K檔次和使用高品質(zhì)的陰極碳?jí)K，是今后我國(guó)鋁工業(yè)和碳素工業(yè)的發(fā)展方向和必然趨勢(shì)。

　　本文是近年來(lái)中鋁貴州分公司碳素廠根據(jù)鋁電解的發(fā)展方向和市場(chǎng)需要，所進(jìn)行高石墨質(zhì)系列陰極碳?jí)K的開發(fā)過程和在鋁電解槽上進(jìn)行工業(yè)性應(yīng)用情況的介紹。
　　研制過程
　　2000年公司在此基礎(chǔ)上，參照法國(guó)沙瓦公司HC系列陰極碳?jí)K指標(biāo)，重新對(duì)技術(shù)路線和研制目標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整，在高起點(diǎn)上重新開展高石墨質(zhì)系列陰極碳?jí)K的研制和開發(fā)工作。在數(shù)年的時(shí)間里，經(jīng)過對(duì)二十多個(gè)配方進(jìn)行研究和改進(jìn)并在對(duì)煅燒、混捏成型和焙燒工藝進(jìn)行反復(fù)的研究和探索基礎(chǔ)上，作了三十多次小規(guī)模試驗(yàn)和十余次較大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)試驗(yàn)后獲得了成功。各種產(chǎn)品的理化性能均達(dá)到了目標(biāo)要求。

　?。?）研制目標(biāo)

　　高石墨質(zhì)系列陰極碳?jí)K的各項(xiàng)理化性能指標(biāo)參照法國(guó)沙瓦公司同類系列產(chǎn)品的典型值進(jìn)行制定。

　?。?）研制方案及技術(shù)手段

　?、僦饕希簾o(wú)煙煤、人造石墨、改質(zhì)瀝青。

　?、谧畲罅＜?jí)的確定：如果粒徑過大，雖然能提高制品的抗震能力和減少制品的熱膨脹系數(shù)，但是從另一個(gè)角度上來(lái)說(shuō)又會(huì)提高制品的氣孔率，降低制品的機(jī)械強(qiáng)度和密度，反過來(lái)又影響了制品在電解過程中的抗鈉浸蝕能力和抗熔鹽機(jī)械磨損和沖刷能力，最終確定了各型陰極碳?jí)K的最大粒徑。

　?、叟浞降闹贫ǎ涸趯?duì)國(guó)外陰極碳?jí)K配方進(jìn)行研究及結(jié)合我們長(zhǎng)期的工作經(jīng)驗(yàn)，確定了配方的粒級(jí)和大致的配合比例。經(jīng)過二十多次的工藝性驗(yàn)證、探索和優(yōu)化后，確定了高石墨質(zhì)系列陰極碳?jí)K工業(yè)性試驗(yàn)用配方。

　?、芄に噮?shù)優(yōu)化：在研制前期，對(duì)主要和關(guān)鍵的工藝技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，使之能適應(yīng)和滿足研制要求。

　?、輰?duì)無(wú)煙煤進(jìn)行超高溫處理：通常情況下原料的煅燒一般溫度在1350℃左右，在該種狀態(tài)下進(jìn)行煅燒，其煅后煤的粉末比電阻在1100～1300μΩm之間，不適宜用于高石墨質(zhì)系列陰極碳?jí)K的生產(chǎn)。

　?、捱m當(dāng)提高焙燒溫度，提升制品的導(dǎo)電性能：常規(guī)的陰極碳?jí)K在進(jìn)行焙燒時(shí)，其溫度一般控制在1250～1300℃之間，但為了提高碳?jí)K導(dǎo)電能力，可采用適當(dāng)提高碳?jí)K的焙燒溫度和延長(zhǎng)焙燒時(shí)間的技術(shù)手段。

　?、吖に嚵鞒痰拇_定：高石墨質(zhì)系列陰極炭塊的開發(fā)及生產(chǎn)，是在原半石墨質(zhì)陰極炭塊生產(chǎn)流程上進(jìn)行的，根據(jù)高石墨質(zhì)陰極炭塊開發(fā)及生產(chǎn)工藝需要做了局部的改造。

　?、嘌兄朴弥饕O(shè)備：雙軸Z型攪刀間斷式熱媒加熱混捏機(jī)；滾筒式?jīng)隽蠙C(jī)；3000 t 立臥式擠壓成型機(jī)；32室?guī)w式環(huán)型焙燒爐。
　　高石墨質(zhì)系列陰極碳?jí)K在鋁電解生產(chǎn)中的應(yīng)用情況
　?。?）試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

　　試驗(yàn)槽在壽命期內(nèi)運(yùn)行狀況良好，陰極碳?jí)K工作正常，沒有出現(xiàn)早期破損現(xiàn)象，三臺(tái)高石墨質(zhì)陰極碳?jí)K槽槽壽命平均1817天，比三臺(tái)半石墨質(zhì)陰極碳?jí)K槽的平均壽命1439天長(zhǎng)378天。

　　在壽命期內(nèi)，三臺(tái)高石墨質(zhì)陰極碳?jí)K槽的爐底壓降平均為404.57mV，三臺(tái)半石墨質(zhì)陰極碳?jí)K槽的爐底壓降平均為430mV。GS－1高石墨質(zhì)陰極碳?jí)K槽的爐底壓降比半石墨質(zhì)陰極碳?jí)K對(duì)比槽平均低25.43mV，有利于電解槽的節(jié)能。

　　（2）在貴州分公司230KA電解槽上的使用情況

　　2000年10月在230KA電解槽上進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，1＃、2＃、3＃槽采用30％石墨含量的高石墨質(zhì)陰極碳?jí)K，4＃、5＃、6＃槽采用半石墨質(zhì)陰極碳?jí)K，焙燒啟動(dòng)后的前8個(gè)月測(cè)試數(shù)據(jù)表明：

　　通過對(duì)陰極碳?jí)K的摸底檢查，使用30％石墨含量的高石墨質(zhì)陰極碳?jí)K的槽爐底平整，吸鈉膨脹變形很小。而使用半石墨質(zhì)陰極碳?jí)K的槽爐底不平整，且有一定的膨脹變形。

　?。?）在其它電解槽上的應(yīng)用情況

　　2002年3月17日在廣西分公司電解廠160KA電解槽和云南鋁業(yè)l86KA電解槽上分別砌筑了兩臺(tái)30％石墨含量的高石墨質(zhì)陰極碳?jí)K槽進(jìn)行試驗(yàn)，至今工藝狀況穩(wěn)定、運(yùn)行情況良好。

　?。?）產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用

　　2005年電解鋁廠在57臺(tái)鋁電解槽上投入了高石墨質(zhì)陰極碳生產(chǎn)；

　　2006年到8月1日為止，又有20臺(tái)高石墨質(zhì)陰極碳投入生產(chǎn)。

　?。?）國(guó)外企業(yè)大規(guī)模應(yīng)用高石墨質(zhì)陰極碳?jí)K（30％人造石墨含量）狀況

　　2004年6月印度BALOCO鋁業(yè)公司向我分公司訂購(gòu)了2600噸高石墨質(zhì)陰極碳?jí)K在其250KA鋁電解槽上進(jìn)行使用，充分體現(xiàn)了其在抗熱震性能方面的優(yōu)越特性。因此，2006年年初印方又向我分公司緊急訂購(gòu)了3000噸同類型產(chǎn)品用于破損槽的大修。
　　分析與討論
　　工業(yè)性試驗(yàn)和鋁電解槽上生產(chǎn)性應(yīng)用的結(jié)果表明：通過對(duì)煅燒工序、混捏成型工序和焙燒工序工藝參數(shù)以及配方進(jìn)行研究和改進(jìn)后，利用現(xiàn)有流程完全能生產(chǎn)出理化指標(biāo)符合研制方案要求的高石墨質(zhì)系列陰極碳?jí)K，并且在電解槽上使用時(shí)能取得節(jié)電、降耗、提高產(chǎn)能和延長(zhǎng)壽命的功效。

　　（9）高石質(zhì)系列陰極碳?jí)K的導(dǎo)電性能分析

　　從理論上說(shuō)，陰極碳?jí)K的導(dǎo)電性能與其所使用原料的石墨化度有關(guān)，而所用原料的石墨化程度又與其粉末比電阻值的關(guān)系較為密切，基本上是呈線性關(guān)系。若配方中主要原料的石墨化度越高，粉末比電阻值越低，則碳?jí)K的電阻率也越低。反之亦然。為了提高各型高石墨質(zhì)陰極碳?jí)K的導(dǎo)電能力，在研制方案中采用了提高陰極碳?jí)K整體石墨化度的技術(shù)手段，主要通過下述環(huán)節(jié)加以實(shí)現(xiàn)。

　　由于織金無(wú)煙煤本身具有強(qiáng)度高、致密性好特點(diǎn)，將其放入電煅爐中進(jìn)行煅燒，通常情況下煅燒溫度控制在1600～1800℃時(shí)，能將煅后煤粉未比電阻值控制在650±l00μΩm之間，基本能滿足常規(guī)產(chǎn)品的生產(chǎn)。但其在該范圍內(nèi)所得到的高溫處理，使用于高石墨質(zhì)系列陰極制品的生產(chǎn)，不足以使各類制品的導(dǎo)電性能發(fā)生明顯變化。只有采用高溫調(diào)控技術(shù)將煅燒溫度進(jìn)一步升至1800～2100℃左右，在該溫度下無(wú)煙煤得到了近似石墨化過程的工藝處理，使其六角碳原子的平面網(wǎng)格從無(wú)序的二維空間排列轉(zhuǎn)為有序的三維空間排列；從無(wú)定型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為具有石墨的晶格結(jié)構(gòu)。因此，使煅后煤的粉末比電阻值有了明顯的降低。試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，在配方中用過煅煤替代普通煅后煤而不改變各種原料比例的情況下，可以降低碳?jí)K的電阻率，就是用提高煅燒度后的原料進(jìn)行試驗(yàn)和生產(chǎn)的配方，用其試制碳?jí)K的電阻率在36μΩm左右，比使用普通溫度煅燒無(wú)煙煤生產(chǎn)碳?jí)K的電阻率降低3～4μΩm，能降低9.2個(gè)百分點(diǎn)。由此可見，降低原料無(wú)煙煤的粉末比電阻值能有效提高碳?jí)K導(dǎo)電能力性能。

　?。?）高石墨質(zhì)系列陰極碳?jí)K抗鈉浸蝕性能分析

　　從理論上說(shuō)電解槽提前破損就其陰極碳?jí)K方面所引起的原因，主要是抗鈉浸蝕差，孔隙度高和膨脹率高所致。

　　在電解過程中如果陰極塊材料的選擇不當(dāng)，抗鈉浸蝕能力弱，那么鈉離子容易滲透到碳?jí)K里，從而引起高溫膨脹，它遠(yuǎn)大于從室溫到1000℃膨脹。椐報(bào)導(dǎo)：在冰晶石分子比為4的熔鹽中，普通碳?jí)K的膨脹率1.0％～3.0％。而含有較多石墨材料的總膨脹率為0.5％～0.7％。而全部石墨化的碳?jí)K在相同的情況下僅有0.25％。

　　從國(guó)內(nèi)外眾多廠家對(duì)電解槽進(jìn)行干刨后，分析其破損的機(jī)理來(lái)看，結(jié)論大都是因?yàn)殁c的滲透導(dǎo)致陰極碳?jí)K膨脹，使陰極碳?jí)K破裂，中間隆起及槽殼變形所致。因此，提高電解糟使用壽命的主要手段之一，是整體提高陰極碳?jí)K的石墨化度。

　?。?）高石墨質(zhì)系列陰極碳?jí)K抗熱震性能分析

　　所謂抗熱震性能是指陰極碳?jí)K在經(jīng)受高溫劇變時(shí)不被破壞的性能。當(dāng)溫度發(fā)生劇變時(shí)，若材料不能及時(shí)把熱傳出，那么在碳?jí)K內(nèi)部和表面就會(huì)產(chǎn)生溫度梯度，由此因膨脹和收縮不均而產(chǎn)生熱應(yīng)力的現(xiàn)象，當(dāng)熱應(yīng)力達(dá)到極限后，陰極碳?jí)K就被破壞。因此，要提高陰極碳?jí)K的抗熱震性，必須從減小熱應(yīng)力的產(chǎn)生、緩沖熱應(yīng)力的發(fā)展和增強(qiáng)抵抗熱應(yīng)力的能力等方面進(jìn)行考慮。而在陰極碳?jí)K的諸多指標(biāo)中，熱膨脹率、導(dǎo)熱系數(shù)、楊氏摸量、機(jī)械強(qiáng)度等指標(biāo)，是衡量其抗熱震性能是否優(yōu)異的綜合體現(xiàn)。

　?。?）高石墨質(zhì)系列陰極碳?jí)K其它指標(biāo)狀況

　　①真密度、體積密度、氣孔率

　　從常規(guī)指標(biāo)比較表所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可看出，我分公司所開發(fā)的各型高石墨質(zhì)陰極碳?jí)K的試驗(yàn)塊最終真密度、體積密度和氣孔率的典型值均比法國(guó)沙瓦公司HC系列中同類產(chǎn)品的真密度、體積密度和氣孔率的典型值在數(shù)值上更優(yōu)。這說(shuō)明了本高石墨質(zhì)系列制品在碳質(zhì)顆粒的結(jié)構(gòu)和排列更為規(guī)則和有序，致密度更高。因此在電解過程中，被鈉離子浸蝕的速度就更加緩慢，從而進(jìn)一步提高了本系列產(chǎn)品的抗鈉浸蝕能力。

　?、诳箟簭?qiáng)度

　　本公司所開發(fā)的各型高石墨質(zhì)陰極制品的抗壓強(qiáng)度典型值同樣也優(yōu)于法國(guó)沙挖公司HC系列的同類產(chǎn)品。這說(shuō)明本系列制品在抗機(jī)械磨損和抗融鹽沖刷方面的能力更強(qiáng)，有助于提高電解槽壽命。

　?。?）高石墨質(zhì)系列陰極碳?jí)K對(duì)電解槽的正常運(yùn)行產(chǎn)生良好的效果

　　根據(jù)上述分析和工業(yè)性應(yīng)用后的效果可看出，由于高石墨質(zhì)系列陰極碳?jí)K具有良好的致密性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和抗鈉浸蝕性能，因而在使用過程中能保證電解槽有較好的熱平衡和槽膛規(guī)整，并能使陰極電流的分布更加均勻。這對(duì)于電解槽正常、穩(wěn)定運(yùn)行，改善電解工藝技術(shù)指標(biāo)，延長(zhǎng)槽壽命、提高電流效率都將產(chǎn)生積極的影響。
　　陰極碳?jí)K應(yīng)用鋁電解槽生產(chǎn)后的經(jīng)濟(jì)分析

　　高石墨質(zhì)陰極碳?jí)K是一種全新的鋁電解槽用陰極碳?jí)K，就目前我分公司數(shù)次應(yīng)用的結(jié)果來(lái)看，使用該系列陰極碳?jí)K和使用半石墨質(zhì)陰極碳?jí)K相比，具有如下優(yōu)勢(shì)：

　?。?）電阻率降低：能大幅降低爐底壓降，降低電解電耗

　　高石墨質(zhì)系列陰極碳?jí)K具有良好的導(dǎo)電性能，其電阻率比半石墨質(zhì)陰極碳?jí)K低10～20μΩm，能在較大程度上降低電解槽爐底壓降，因此為降低鋁電解電耗創(chuàng)造了條件。從我分公司在產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用過程中所測(cè)試和統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)中可得到如下結(jié)論：

　　高石墨質(zhì)陰極碳?jí)K比半石墨質(zhì)陰極碳?jí)K的槽電壓要低5～10mv。按照噸鋁節(jié)約7.5mv，每噸電解鋁可降低電耗24.2kwh／t—Al，電的單價(jià)按0.32元／kwh計(jì)，貴州公司電解鋁產(chǎn)能按34萬(wàn)噸／年計(jì)，如用高石墨質(zhì)陰極碳?jí)K代替半石墨質(zhì)陰極碳?jí)K，一年節(jié)約電能為82.28萬(wàn)KWH，合人民幣263.3萬(wàn)元。

　?。?）延長(zhǎng)槽壽命，節(jié)約制造費(fèi)用

　　l60KA電解槽大修費(fèi)34萬(wàn)元，啟動(dòng)費(fèi)17.7萬(wàn)元，用半石墨質(zhì)陰極碳?jí)K合計(jì)費(fèi)用51.7萬(wàn)元。使用壽命按1439天計(jì)，每噸鋁的大修啟動(dòng)費(fèi)均攤為：

　　若用高石墨質(zhì)陰極碳?jí)K（其價(jià)格比半石墨質(zhì)陰極碳?jí)K大約高2200元）替代半石墨質(zhì)陰極碳?jí)K：每臺(tái)槽大修費(fèi)增加16×1.205×2200＝42416，使用壽命按1817天計(jì)，每噸鋁的大修啟動(dòng)費(fèi)均攤為：

               
　?。?）因電流效率的提高所產(chǎn)生的效益
　　在高石墨質(zhì)陰極碳?jí)K（30％人造石墨）和全石墨質(zhì)陰極碳?jí)K進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用時(shí)，電流效率平均分別提高0.13和0.39個(gè)百分點(diǎn)，按照這個(gè)結(jié)論將其推廣到全廠842臺(tái)槽進(jìn)行使用，高石墨質(zhì)陰極碳?jí)K一年可以多產(chǎn)鋁：34萬(wàn)噸×0.13％＝442噸。按噸鋁利潤(rùn)3000元計(jì)算，一年可以多創(chuàng)造利潤(rùn)397.8萬(wàn)元。
　　結(jié)論
　?。?）工業(yè)性試驗(yàn)后的結(jié)果說(shuō)明在不進(jìn)行石墨化處理的條件下，通過改變配方和工藝技術(shù)條件，生產(chǎn)高石墨質(zhì)系列陰極碳?jí)K的技術(shù)方案和技術(shù)路線是可行的。各類制品的理化性能均達(dá)到了目標(biāo)要求，并總體優(yōu)于法國(guó)沙瓦公司HC系列產(chǎn)品。

　　（2）各類制品的導(dǎo)電性能、抗鈉浸蝕性能和抗熱震性能與半石墨質(zhì)陰極碳?jí)K相比上了一個(gè)檔次，可大幅度提高電解槽壽命。

　?。?）GS系列產(chǎn)品在鋁電解槽上時(shí)，能提高電流效率、降低能耗和延長(zhǎng)電解槽壽命。