環(huán)境中，承擔著重要的功能性作用，鋁用電極質(zhì)量的好壞對電解槽的穩(wěn)定運行、經(jīng)濟技術指標的先進性以及槽壽命都具有舉足輕重的影響。因此，未來鋁電解技術的發(fā)展在相當大的程度上，取決于電極材料的性能與質(zhì)量。

鋁電解的電極材料的生產(chǎn)技術和應用情況將在本書第6篇中詳述。本節(jié)主要簡要介紹新型電極材料如何影響未來鋁電解技術的發(fā)展。

1 石墨化陰極

20世紀90年代后，國外以原法國鋁業(yè)公司為代表的多家大鋁業(yè)公司，為實現(xiàn)電解槽的大型化和生產(chǎn)運行的穩(wěn)定性，通過強化電流提高產(chǎn)能，在新建大型槽或進行電流強化的電解槽，采用了石墨化陰極炭塊取代高石墨質(zhì)陰極。

采用石墨化陰極，可以對鋁電解過程產(chǎn)生如下作用:一是可降低陰極壓降，為節(jié)能或強化電流創(chuàng)造更大空間:二是在陰極區(qū)域能量基本保證自耗狀態(tài)下，能減少槽熔體區(qū)向四周散出熱流的負荷，有利于形成完整的爐幫并維持穩(wěn)定:三是增強陰極炭塊的抗鈉腐蝕，延長陰極使用壽命。

石墨化陰極炭塊有如下優(yōu)點:

(1)石墨化陰極炭塊抗鈉侵蝕性能好。在電解過程中產(chǎn)生的少量金屬鈉通過界面反應與陰極炭內(nèi)襯形成穩(wěn)定的嵌層化合物，造成陰極炭內(nèi)襯局部膨脹，產(chǎn)生內(nèi)應力，導致陰極炭內(nèi)襯破損。而石墨由于品格結(jié)構發(fā)育完整，是各種炭材料中抗鈉侵蝕性能最好的一種，其電解膨脹率僅為0.1%左右。

(2)使用石墨化陰極的電解槽爐底壓降低。由于石墨化陰極炭塊的電阻率較低，陰極壓降一般可降低80~100mV。

(3)石墨化陰極炭塊的導熱性能好。石墨化陰極炭塊的導電性、導熱性性能好，電解槽散熱性能也好，有利于電解槽形成完整爐幫。

(4)石墨化陰極炭塊，有利于強化電流、提高產(chǎn)量。由于石墨化陰極炭塊導熱性能好、陰極壓降低，為強化電流提供了可能。

(5)石墨化陰極的抗熱震性能好?？篃嵴鹦阅?材料對溫度突變的耐抗性)與制品的抗彎強度和導熱性成正比，與彈性模量和熱膨脹性成反比。石墨化陰極導熱性好，具有優(yōu)越的抗熱震性能。

(6)電解槽運行期間石墨化陰極的變質(zhì)度低。電解槽運行期間，陰極材料的性能不可避免地要隨時間延長而發(fā)生質(zhì)變，性能指標變差。如:無定形炭的陰極在電解槽運行1000多天后，抗彎強度明顯變差，僅約為原始數(shù)據(jù)的30%~40%，而石墨化陰極幾乎無變化。

2 可濕潤陰極

開發(fā)可濕潤陰極技術的主要思路是:采用與鋁液具有良好濕潤性能陰極取代炭素陰極，鋁離子可以直接在此陰極上放電而生成鋁。如果在陰極表面保持較薄的鋁液層，則可消除磁場對電解過程的干擾，大大降低極距和極間電壓，從而大幅度地提高電能效率。

理想的可濕潤陰極應該滿足以下要求:對鋁液有良好的濕潤性；難溶于電解質(zhì)和鋁液中，能耐高溫、能抵御鋁液和電解質(zhì)的腐蝕；在高溫下有良好的導電性、高的機械強度、抗磨損性和抗熱沖擊能力；能夠和基體材料良好地結(jié)合；容易加工成形，原料來源廣泛生產(chǎn)制造、安裝施工應用成本低。

能夠滿足可濕潤陰極要求的材料不多。有一類被稱為“RHM”的物質(zhì)，即元素周期表中第ⅣB~ⅥB族過渡金屬元素的硼化物、碳化物、硅化物和氮化物，一般都具有高熔點、高硬度、良好的導電性和導熱性，與熔融金屬具有良好的濕潤性，能抵擋熔融金屬鋁和氧化鋁冰晶石熔鹽的腐蝕與滲透等優(yōu)點，但這類化合物脆性大，抗熱震性較差。RHM中的硼化物，尤其是TiB,(見表37-3)和ZrB,被認為是鋁電解可濕潤性陰極的首選材料。

在新型結(jié)構電解槽技術的開發(fā)過程中，中國鋁業(yè)公司同時開發(fā)出了大規(guī)格、一體化成形TiB2-C復合層可濕潤陰極生產(chǎn)技術。該技術成為又一項具有中國自主知識產(chǎn)權的鋁電解新技術，為新型結(jié)構電解槽技術的推廣應用提供了性能更為優(yōu)越的陰極材料。

表37-4和圖37-4為TiB2-C復合層陰極炭塊的性能分析數(shù)據(jù)及比較。

工業(yè)試驗證明，電解槽采用可濕潤陰板后，生產(chǎn)運行穩(wěn)定，且槽底干凈、沉淀少，電流效率同比提高約1%。

3 高石墨質(zhì)陰極

高石墨質(zhì)陰極炭塊是配人的石墨含量高于30%的陰極炭塊。通常根據(jù)其用途分別可配入30%、50%和100%的石墨，其中100%石墨含量的陰極炭塊又稱為全石墨質(zhì)陰極炭塊。

高石墨質(zhì)陰極炭塊與石墨化陰極相比，機械強度和耐磨性能更好；而與半石墨質(zhì)陰極相比，導電性能好、抗鈉侵蝕能力和抗熱震性能強，因而是一種兼顧各種性能、較適宜于大型電解槽上使用的新型陰極材料。由于電阻率和鈉膨脹率較低，可降低槽底壓降、改善爐底狀況，延長槽壽命，同時為提升和強化電流創(chuàng)造了一定的有利條件。高石墨質(zhì)陰極炭塊的制造成本也較適中利于推廣應用。

4 開槽陽極

通常鋁電解槽所采用的炭陽極均為底掌水平的矩形陽極。隨著電解槽容量的不斷增加，陽極面積也需要擴大。面積越大，越不利干陽極氣體的排放。因此，在陽極底掌下總有部分工作面積被電解產(chǎn)生的氣泡所覆蓋，使電解質(zhì)與炭陽極之間接觸面積減少，極間電阻增大。當電解過程中極間氧化鋁濃度降低，電解質(zhì)同炭陽極之間的濕潤性變差，析出的氣體容易進入陽極和電解質(zhì)的界面上，隨著陽極氣泡的逐漸增多，由小氣泡聚合成較大氣泡，形成連續(xù)的氣體膜，就會引發(fā)陽極效應，危害電解正常進行。

優(yōu)化陽極結(jié)構，應用開槽陽極，可以使電解產(chǎn)生的氣體排放更加便捷，降低陽極氣體對陽極底掌的覆蓋率以及陽極氣膜電阻，降低電解質(zhì)電壓降或陽極過電壓；減小陽極氣體在極間的占據(jù)空間，在陽極周圍形成的電解質(zhì)流場，更好地促進槽內(nèi)的傳質(zhì)傳熱；陽極氣體逸出時間縮短，可減小鋁的直接二次損失，提高電流效率；陽極氣體逸出對熔體的擾動減小，有利于電解槽的穩(wěn)定運行。

開槽陽極的外形設計有多種，但按照開槽的方向可分為縱向開和橫向開槽兩種方法。