采用石墨化阴极碳块

一、引言

当今世界铝电解槽向大型（大电流）、高效（高单位面积产率、高电流效率）、节能方向发展。新建电解槽容量多在250千安以上（最大的已达500千安），阳极电流密度0.85安/平方厘米以上，电流效率大于95％，吨铝综合交流电耗小于14000度。

近年来，我国铝电解工业在大型高效节能方面也取得了长足的进步。电解槽容量已达350千安，电流效率94％，吨铝直流电耗小于13800度。但与世界先进水平相比，我们还有差距，特别是在单位面积产率和槽寿命上，我们的差距还相当大。究其原因，主要是由于我们的阴极技术落后所致。我们的阴极技术落后主要表现在两个方面：一是阴极材料（主要是阴极碳块）质量低；二是内衬设计经验不足。我国大型槽普遍采用半石墨质碳块（石墨含量15％-30％，其余为电煅无烟煤）；而国外大型槽普遍采用石墨化或全石墨质碳块；我国大型槽的内衬应力和热平衡设计上存在较大的缺陷，而国外大型槽的内衬设计考虑比较周到、细致。

提高电解槽产率的经济效益是相当可观的。如果我国铝电解槽的产率平均提高15％，我国的原铝产能就将增加100万吨以上。相当于几乎不投资就兴建了一个百万吨级的特大型铝电解厂。

随着大中型预焙铝电解槽近年来在我国的广泛应用，开发高档阴极碳块成为一项紧迫的任务。一些科研院所和企业都积极行动，开发石墨质和石墨化阴极碳块。特别是河南万基铝业股份有限公司、贵阳铝镁设计研究院和华中科技大学合作开发并建设了一座设计年产为20000吨石墨化和全石墨质阴极碳块的工厂。该厂采用了不少先进设备和技术，其生产和实验室装备达到甚至超过了西方阴极碳块生产厂 。目前该厂已经投产，并生产出了约400吨合格的石墨化阴极碳块。随着高档碳块在我国实现工业化规模生产，我国铝电解厂使用高档阴极碳块已是势在必行。这不仅是提高产率、提高电效和延长槽寿的需要，同时也必将大大促进我国铝电解槽设计水平的进步，使我国的阴极技术攀上一个新台阶。

二、内衬应力设计

石墨化和石墨质碳块与我国目前广泛使用的普通半石墨质碳块的主要差别是前者的电解膨胀率小、导热率高、电阻率小和磨损指数大。其中电解膨胀率对内衬应力设计和导热率、电阻率对内衬热平衡设计影响均较大。磨损指数对内衬设计无直接影响。石墨化碳块的磨损指数远大于半石墨质碳块，意味着石墨化碳块远较半石墨质碳块容易被磨损。这就对采用石墨化碳块的电解槽的下料方法和磁场平衡提出了更高的要求，以减少沉淀，降低铝液流速。

内衬应力设计的原则是要使内衬在整个电解槽运行期间，始终保持适当的压应力。内衬设计的重点之一是侧部，特别是与阴极碳块对应的侧下部。此处是关乎铝、电解质是否渗漏和槽邦伸腿形状是否合理的关键。

现代化大型槽侧上部已无伸缩缝，碳化硅侧块直接贴在钢壳上，但侧下部还需保留伸缩缝。这是调整内衬应力的重要环节。理想的伸缩缝材料应该是：当压应力大于某一设定值时可以被压缩而缓冲应力；当压应力小于设定值时可以反弹，对内衬施加应力，从而帮助内衬维持一定量的压应力。理想的伸缩缝材料是没有的，实践中通常采用可压缩的并具有一定弹性的耐火或保温材料。需要指出的是，伸缩缝材料应做成

板块状，以避免象颗粒料那样容易流失。

前面已指出，高档碳块与低档碳块性能的一个重要差别是前者的电解膨胀率小，而后者的电解膨胀率较大，这对电解槽内衬应力设计有很大影响。我们知道，采用焦粒或铝液焙烧法时，周边糊要在电解槽启动后数日内才能被焙烧好。也就是说，周边糊在电解槽启动后会收缩。而此时阴极碳块的温度已基本稳定，不会再有热膨胀，甚至还有少量收缩（从初期的高温降到正常生产温度）。这时在周边糊与碳块间形成缝隙的可能性较大，从而给铝和电解质造成长期的渗漏渠道。这个问题对于使用普通碳块的电解槽并不大，但对于使用高档碳块的电解槽却是一个大问题。这是因为电解槽启动后，普通碳块的电解膨胀通常足以消除缝隙，防止铝和电解质的进一步渗漏。而高档碳块尤其是石墨化碳块由于其电解膨胀率小，不足以消除缝隙，使铝和电解质能够较长时间的渗漏，严重时甚至导致停槽大修。

由于电解膨胀率的不同，还会导致高档碳块电解槽和低档碳块电解槽的内衬应力上的另一个重要差别。我们知道电解膨胀主要发生在电解槽开动初期，表现为内衬初期大量吸收钠而使电解槽初期需要大量补充钠。但碳块的电解膨胀并非在电解槽开动初期就全部完成了，而是在相当长一段时间内甚至在电解槽整个运行周期内一直进行着。这样就会导致内衬应力的积累，严重时会使槽壳变形或碳块断裂。这个问题对高档碳块来说并不严重，但对低档碳块来说可能相当严重。因此在进行内衬应力设计时，应该充分考虑高档碳块和低档碳块的差别，对内衬结构作必要的改变。

三、内衬热平衡设计

关于电解槽内衬热平衡设计，我国的主要差距是对侧下部的认识不足，缺乏调控手段。不论何种电解槽，我国千篇一律地采用浇注料或耐火砖、保温砖等。而国外除采用浇注料或耐火砖、保温砖外，还使用一种碳块，称为填块。填块一般放在阴极钢棒上，上面放侧块，朝向槽内的一面与周围糊相接。根据需要，填块可以是普通无烟煤基碳块、半石墨质碳块、石墨质碳块或石墨化碳块。使用不同质量碳块的原因是利用其导热系数的差别来达到调整侧下部的散热量的目的，从而使电解槽有一个合适的槽邦伸腿。例如，如果发现采用普通无烟煤基填块时槽邦伸腿过短，下次修槽时就应选用导热率较大的半石墨质填块或全石墨质填块，以增加侧下部散热，从而达到增加槽邦伸腿的目的。反之，如果发现采用全石墨质填块时槽邦伸腿过长，则下次修槽时就应选用导热率较小的半石墨质填块或普通无烟煤基填块，以减小侧下部散热，从而达到减小槽邦伸腿的目的。由此可见，选用导热系数不同的填块是调控槽邦伸腿长短的有效方法。

四、浇注料

需要特别指出的是，侧下部使用过多浇注料是不合适的。浇注料与底部碳块间应留100毫米以上的间隙。如将浇注料紧贴底部碳块，覆盖阴极钢棒，这种做法危害很大。理由如下：

（一）浇注料经高温焙烧后变成强度很大的水泥。这就违反了内衬设计的基本原则之一，即所有与阴极碳块接触的材料，其强度都应小于阴极碳块的强度。这一原则的目的是避免万一内衬产生很大的应力时，受损坏的材料应是侧部材料以缓冲应力，从而保护阴极碳块。因为正常生产时，侧部材料覆盖于槽邦下面，其损坏不致造成严重后果。而一旦阴极碳块受到损坏，就会造成严重后果。

（二）为减小阴极碳块受到弯曲应力，一般应在底碳块端部的下半部施加较小的限制（用强度较小的材料），上半部施加较大的限制（用强度较大的材料，但仍应小于碳块的强度）。但浇注料反其道而行之，下半部是强度很大的水泥（强度大于碳块），上半部是强度较小的周围糊。这种结构会加强弯曲应力，容易损坏碳块。我们知道碳块的抗弯强度远小于其抗压强度。

（三）浇注料的抗腐蚀性小于碳质糊料。一旦铝和电解质渗漏下来，浇注料很容易受到腐蚀而失效。

（四）大量使用浇注料使侧下部形成刚性结构，不能缓冲应力，保护碳块，还限制了阴极钢棒的自由伸缩，容易造成钢棒弯曲，损坏内衬；还容易将应力传递给槽壳，造成槽壳变形。

（五）浇注料所含的水涌入碳块，危害极大。综上所述，侧部内衬应少用浇注料，尤其不能注浇注料紧贴阴极碳块。

五、内衬焙烧

焙烧启动方法也是铝电解槽阴极技术的重要组成部分。目前大型预焙槽常用的两种方法是焦粒焙烧法和燃气或燃油焙烧法。采用何种焙烧方法在内衬设计时就应考虑到，因为焙烧方法对内衬设计有一定的影响。一般来说，采用焦粒焙烧法时阴极碳块的热膨胀可以不考虑。这是因为碳块热膨胀时周边糊还是软的。碳糊可以吸收碳块的膨胀力而不会储存或传递应力。采用燃气焙烧法时，碳块与周边糊的温差与碳块类型和是否把周边糊包括在加热腔内有关。如采用石墨化碳块且将周边糊包括在加热腔内，可以控制碳块和周边糊升温速度差别在200-300℃范围内。碳糊在500℃附近焦化成固体后，开始储存和传递应力。因此，内衬设计时一般应将阴极碳块在700℃以上的热膨胀力考虑在内。另一个重要差别是，采用焦粒焙烧法时，电解槽启动时周边糊可以缓冲碳块的部分电解膨胀力；而采用燃气或燃油焙烧法并将周边糊包括在加热腔内时，电解槽启动时周边糊已固化，不能再缓冲应力而不传递或储存应力。因此，可以认为这时几乎所有的电解膨胀力都传递到了周边糊以外的内衬，部分被伸缩缝吸收，部分传递到槽壳，由于槽壳的刚性而成为内衬中的压应力（足够的槽壳的强度是维持内衬适当压应力的必要条件）。需要指出的是，如果周边糊缝太宽，糊的收缩率太大，以致碳块的热膨胀小于碳糊的收缩；或者控制不好且碳块的升温速度（例如相差500℃），则采用燃气或燃油焙烧法时，也有可能在碳块与周边糊间形成缝隙。

最后需要强调的是，尽管目前已开发了不少很好的计算机模型，可以对内衬应力、热平衡和焙烧过程中的温度分布等进行相当准确的计算和预测，但这些模型计算结果还是只能作为参考。适合于我国铝电解槽的阴极技术需要通过我国的实践、摸索和不断总结经验的过程中得来。

六、结语

由于原材料和电力成本增加，以及由于我国铝电解工业前几年的过度扩张，当前我国铝电解工业处于一个相对困难时期，正面临国际市场愈来愈大的竞争压力。降低成本提高效率以增强竞争力关系到我国铝工业的可持续发展和生存。采用高档阴极碳块、提高阴极技术以完善和提高我国大型预焙槽炼铝技术，已成为提高我国铝电解工业竞争力的关键之一。