鋁電解用碳陽陰極介紹

1、 鋁電解用碳陰極 鋁電解用碳陰極(carbon cathode used inaluminium electrolysis)鋁電解槽中與電源負(fù)極相聯(lián)的碳質(zhì)電極。為鋁電解槽的重要組成部分，包括底部碳?jí)K、側(cè)部碳?jí)K、連接碳?jí)K的搗固碳糊或碳膠及陰極鋼棒等。鋁電解用碳陰極位于電解槽底部，其外部砌筑耐火材料并用鋼殼加固。作用 鋁電解用碳陰極之上為鋁液和電解液，在其與鋁液界面上進(jìn)行析出鋁的電解反應(yīng)。直流電流經(jīng)鋁液、底部碳?jí)K和陰極鋼棒導(dǎo)出槽外，碳陰極為鋁電解槽最重要結(jié)構(gòu)部分。鋁電解用碳陰極的材質(zhì)情況、安裝質(zhì)量及工作狀況對(duì)鋁電解電流效率和鋁電解電能消耗影響甚大。鋁電解用碳陰極電壓降或稱爐底電壓降一般在400mV

2、以上，占槽電壓的10%左右。在鋁電解生產(chǎn)中，陰極受熔鹽和鋁液的侵蝕和沖刷及各種應(yīng)力作用而發(fā)生變形和斷裂。當(dāng)其破損嚴(yán)重時(shí)，需要停槽進(jìn)行大修理。鋁電解用碳陰極內(nèi)襯的正常使用壽命為45a。制造 低碳分無煙煤、瀝青焦、冶金焦、天然及人造石墨和煤瀝青等是制造陰極碳?jí)K、側(cè)部碳?jí)K、搗固碳糊及碳膠的主要原料。這些原料首先要經(jīng)過煅燒處理，無煙煤和瀝青焦在罐式煅燒爐或回轉(zhuǎn)窯中，于14731623K的高溫下進(jìn)行煅燒，以提高其致密性和熱穩(wěn)定性，并降低其電阻率。無煙煤也可在電煅燒爐中進(jìn)行煅燒，煅燒溫度一般為20732173K。通過煅燒可進(jìn)一步提高無煙煤的熱穩(wěn)定性和降低其比電阻。煅后焦與經(jīng)過脫水的冶金焦、石墨經(jīng)破碎和磨粉

3、，按一定粒度配比進(jìn)行混合，在間斷或連續(xù)混捏機(jī)中與粘結(jié)劑煤瀝青一起，混捏制成碳糊料。碳底糊用搗固的方法填充在碳?jí)K之間的縫子內(nèi)。碳底糊的骨料粒度小于4mm，瀝青配入量為19%21%。為了降低碳底糊的軟化點(diǎn)，并改善搗固施工環(huán)境，可用蒽油、焦油、洗油等代替部分瀝青作粘結(jié)劑來制造碳底糊，這種碳底糊可在常溫下應(yīng)用，故稱之為冷搗糊。碳膠為擠壓粘結(jié)碳?jí)K間細(xì)縫(小于4ram)的碳糊料，碳膠的骨料粒度小于1mm，粘結(jié)劑含量為40%左右。制造底部碳?jí)K或側(cè)部碳?jí)K的碳糊料，其骨料粒度可大到10mm以上，煤瀝青配入量為16%18%，采用擠壓、模壓或振動(dòng)法成形。成形后的碳?jí)K(生坯)體積密度可達(dá)到1600kg/m3。以上。生

4、碳?jí)K的焙燒在密閉式或敞開式多室環(huán)式焙燒爐中進(jìn)行。中國的中小炭素廠多用倒焰窯或多室并排式焙燒窯進(jìn)行焙燒，其熱能效率較低。陰極碳?jí)K的焙燒溫度為11231423K，石墨焦或半石墨焦陰極碳?jí)K可用較低的焙燒溫度。石墨化或半石墨化陰極碳?jí)K則需要更高的焙燒溫度，一般為10731123K。焙燒是為了使粘結(jié)劑瀝青熱解、焦化，使生坯具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、較好的熱穩(wěn)定性和較高的導(dǎo)電性。焙燒曲線以及裝爐操作對(duì)燒成品質(zhì)量影響很大。陰極鋼棒具有矩形截面，按照所選用的鋼棒尺寸，在陰極碳?jí)K上加工出裝入鋼棒的槽孔(燕尾槽)。用生鐵澆鑄或碳糊搗固的方法把陰極鋼棒與碳?jí)K連接在一起。砌筑與安裝在鋁電解槽的耐火磚層之上，用碳底糊搗固一層

5、3050mm厚的底墊，其上放置陰極碳?jí)K組。陰極碳?jí)K組通常排成兩行，也有采用單一行的，即采用通長陰極碳?jí)K和通長陰極鋼棒。陰極碳?jí)K組間有4050mm的大縫結(jié)構(gòu)時(shí)，用碳底糊搗固將碳?jí)K組連為一整體；當(dāng)陰極碳?jí)K組間有4mm以下的細(xì)縫結(jié)構(gòu)時(shí)，用碳膠將碳?jí)K組連結(jié)為一整體。整個(gè)鋁電解槽陰極碳?jí)K四周砌一層或兩層側(cè)部碳?jí)K。側(cè)部碳?jí)K間縫用生石膏灌澆或用碳膠粘結(jié)。側(cè)部碳?jí)K的內(nèi)側(cè)有時(shí)用碳糊搗固成一個(gè)斜坡(人造伸腿)，以保護(hù)側(cè)壁。質(zhì)量要求安裝好的碳陰極要符合下列質(zhì)量要求：炭素槽底是一個(gè)無縫的整體，沒有空洞和裂紋；導(dǎo)電率要足夠高，鋼棒與碳?jí)K有良好的接觸點(diǎn)；具有能抵御電解質(zhì)和鋁液沖刷磨蝕的足夠強(qiáng)度。對(duì)底部碳?jí)K的質(zhì)量除了嚴(yán)格的

6、尺寸要求外，還要求其電阻率小于60m，抗壓強(qiáng)度不小于30MPa，電解膨脹率小于12%，灰分小于10%，密度大于1520kg/m3。電解膨脹率是反映碳?jí)K在鋁電解過程中耐電解質(zhì)和鈉鹽侵蝕性指標(biāo)，也有用破損系數(shù)表示的(小于15)。近年來世界上一些國家都在積極研究和開發(fā)半石墨質(zhì)和石墨質(zhì)碳?jí)K，這些碳?jí)K具有好的電導(dǎo)率和耐鈉侵蝕能力。對(duì)側(cè)部碳?jí)K的質(zhì)量要求，除電阻率不作規(guī)定外，其余相同于底部碳?jí)K。對(duì)碳底糊和碳膠的質(zhì)量則要求其灰分不大于12%，燒結(jié)后試樣抗壓強(qiáng)度不小于15MPa，試樣體積密度不小于1400kg/m3，含碳量不少于80%。破損與修理 在鋁電解槽啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，碳陰極在電解質(zhì)和鋁液的侵蝕及沖刷下會(huì)

7、發(fā)生溶液滲透、選擇吸收鈉、生成碳化鋁等物理化學(xué)作用及熱應(yīng)力作用，使碳陰極逐步產(chǎn)生變形、隆起和裂縫等，最終導(dǎo)致電解槽停產(chǎn)而要進(jìn)行大修。碳陰極內(nèi)襯破損需要進(jìn)行大修的征兆為：鋁中含鐵量突然升高，碳陰極鋼棒被鋁液熔化，槽底電壓顯著升高，碳陰極內(nèi)襯隆起嚴(yán)重，碳陰極電流分布嚴(yán)重不均，槽殼變形嚴(yán)重，危及正常操作等。碳陰極內(nèi)襯大修時(shí)，鋁電解槽先行停電，全部清除槽中的電解質(zhì)和鋁液，將舊內(nèi)襯全部刨除并按照新電解槽施工要求進(jìn)行整個(gè)碳陰極內(nèi)襯的砌筑與安裝。碳陰極內(nèi)襯的使用壽命一般為_45a。碳陰極材料質(zhì)量，施工質(zhì)量和鋁電解槽焙燒啟動(dòng)及生產(chǎn)管理質(zhì)量是影響鋁電解槽使用壽命的主要因素。為了延長陰極內(nèi)襯使用壽命和降低陰極電壓

8、降，近年來正在研究TiB2陰極涂層，側(cè)部SiC磚層以及研究開發(fā)新的碳陰極結(jié)構(gòu)形式等。 鋁電解用碳陽極 鋁電解用碳陽極(carbon anode used in aluminium electrolysis)鋁電解槽中與電源正極相聯(lián)的碳質(zhì)電極，為鋁電解槽的重要組成部分。包括碳陽極本體和金屬陽極導(dǎo)電體。簡(jiǎn)史   在鋁工業(yè)發(fā)展初期，采用數(shù)干安培的小型預(yù)焙陽極，這與當(dāng)時(shí)炭素工業(yè)的生產(chǎn)水平相適應(yīng)。為了擴(kuò)大陽極尺寸借以提高電流強(qiáng)度，在20世紀(jì)20年代初參照當(dāng)時(shí)鐵合金電爐的連續(xù)自焙電極型式，在鋁電解槽上裝設(shè)，連續(xù)自焙陽極，采取旁插棒式。在40年代，為了簡(jiǎn)化陽極操作和提高機(jī)械化程度，又發(fā)展

9、了上插棒式自焙陽極。在50年代，由于碳電極質(zhì)量的提高以及振動(dòng)成型制造大規(guī)格預(yù)焙陽極碳?jí)K的成功，預(yù)焙陽極被廣泛采用。在80年代后期，最新式的預(yù)焙陽極鋁電解槽的電流容量已達(dá)到280300kA以上。作用   鋁電解過程中碳陽極日平均消耗2cm左右，需要定期向電解槽中添加新陽極糊(自焙陽極)，或定期更換新陽極塊(預(yù)焙陽極)，使鋁電解槽保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。鋁電解生產(chǎn)對(duì)碳陽極的基本要求是：抗熔鹽侵蝕，有較低的電阻、較高的純度和較好的機(jī)械強(qiáng)度。碳陽極質(zhì)量及工作狀況對(duì)鋁電解電流效率、鋁電解電能消耗及物料消耗的影響較大。鋁電解槽正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，碳陽極的歐姆電壓降為300600mV，占槽電壓的1015，

10、噸鋁碳陽極凈耗400500kg(按殘極回收計(jì))。通過提高原料質(zhì)量，改進(jìn)生產(chǎn)配方和工藝、陽極結(jié)構(gòu)形式以及陽極的工作制度，可以提高陽極工作質(zhì)量。類型   有連續(xù)白焙陽極(簡(jiǎn)稱自焙陽極)和預(yù)焙陽極兩類。自焙陽極   自焙陽極是利用鋁電解槽自身熱量使陽極糊中的瀝青熱解，焦化后與骨料碳粒形成致密的固體陽極。自焙陽極多為整體式單陽極，按導(dǎo)電鋼棒(陽極棒)插入方式分為側(cè)插(或旁插)棒白焙陽極和上插棒自焙陽極兩種。(1)上插棒自焙陽極。導(dǎo)電鋼棒從陽極上部插入者稱上插自焙陽極。上插自焙陽極由陽極框套、陽極鋼棒、碳陽極本體及框套升降機(jī)構(gòu)等組成。上插棒自焙陽極鋁電解槽的電流容

11、量達(dá)80160kA，陽極電流密度為0.60.75A/cm2。(2)側(cè)插自焙陽極。導(dǎo)電棒(陽極棒)從側(cè)部插入者稱側(cè)插自焙陽極。側(cè)插自焙陽極由陽極框架、陽極棒、碳陽極本體及陽極升降機(jī)構(gòu)組成。側(cè)插棒自焙陽極鋁電解槽的電流容量達(dá)到40130kA，陽極電流密度為0.71.0A/cm2，電流容量在10萬A以下的中小型鋁電解槽大多用側(cè)插自焙陽極。由于從鋁電解槽的側(cè)部插入陽極棒，電流均勻分布受到陽極寬度的限制。此外，陽極底部中心部位溫度高，散熱不好，也限制了鋁電解槽容量的擴(kuò)大。自焙陽極的操作包括加陽極糊、拔陽極棒、釘陽極棒(上插自焙陽極為插入)、轉(zhuǎn)接陽極小母線、抬陽極框架和調(diào)整陽極高度等。當(dāng)自焙陽極操作不當(dāng)和

12、陽極糊質(zhì)量差時(shí)，會(huì)引起陽極故障，直接影響鋁電解槽的電流分布并破壞原有的溫度制度，導(dǎo)致鋁電解電流效率下降和鋁電解電能消耗增加等。常見的自焙陽極故障有流(漏)陽極糊、陽極斷層、陽極裂紋、陽極掉塊、陽極長包、陽極著火和氧化等。與預(yù)焙陽極相比，自焙陽極的優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)工作而不用更換，利用電解槽熱量焙燒陽極，節(jié)省能量；陽極制造不需要成形和焙燒設(shè)備，節(jié)省投資。缺點(diǎn)是瀝青煙直接在鋁電解槽上部散發(fā)，嚴(yán)重污染環(huán)境，給鋁電解產(chǎn)生的煙氣凈化和鋁電解自動(dòng)化操作帶來困難；另外，自焙陽極操作比預(yù)焙陽極復(fù)雜，陽極歐姆壓降也較高。20世紀(jì)80年代以后，新建大鋁廠已不采用此種槽型。預(yù)焙陽極   鋁電解槽預(yù)焙

13、陽極由多個(gè)陽極碳?jí)K組組成。每個(gè)陽極碳?jí)K組由12塊寬700900mm、長14001700mm、高500600mm的陽極碳?jí)K、陽極導(dǎo)桿和鋼爪等部分組成。用生鐵澆鑄或碳糊搗固，把碳?jí)K與鋼爪固結(jié)在一起，與鋼爪連結(jié)的陽極導(dǎo)桿用專用卡具壓緊固定在陽極母線上，陽極升降機(jī)構(gòu)用以升降陽極。預(yù)焙陽極多為間斷式操作，即每組陽極可使用1828d。當(dāng)陽極碳?jí)K消耗到其原有高度的25%左右時(shí)，為避免鋼爪熔化在鋁電解槽中，須將預(yù)焙舊陽極碳?jí)K吊出，用新的預(yù)焙陽極碳?jí)K取代。取出的碳?jí)K被稱為“殘極”。清除鋁電能質(zhì)后的殘極經(jīng)破碎可用作制造陽極的原料。預(yù)焙陽極導(dǎo)桿和鋼爪經(jīng)清理和修理后可重復(fù)使用。原西德漢堡鋁公司(Hamburger A

14、luminiumWerk GmbH)試用過連續(xù)預(yù)焙陽極。其方法是通過從側(cè)面插入棒孔中的鋼棒導(dǎo)電，并按照陽極的消耗程度將新的預(yù)焙陽極塊疊加到舊塊上，并用特制的碳糊將它們粘接成整體。預(yù)焙陽極的操作有吊出殘極、清理殘極、陽極組裝、換上新陽極和調(diào)整陽極高度等。預(yù)焙陽極操作比較簡(jiǎn)單，易于機(jī)械化，沒有瀝青煙害，有利于電解槽向大容量化方向發(fā)展，但建設(shè)制造預(yù)焙陽極的工廠投資較高，為大多數(shù)新建大鋁廠所采用。原料   主要有石油焦和煤瀝青兩種。石油焦是石油加工中渣油焦的化產(chǎn)物，含有80%95%的碳和10%20%的揮發(fā)物和水分。根據(jù)焦化方法不同將石油焦分為延遲石油焦、釜式石油焦、針狀石油焦和流態(tài)

15、化石油焦等。延遲石油焦是制造鋁電解用碳陽極的主要原料。煤瀝青焦化形成的瀝青焦也是制造這種陽極的優(yōu)等原料。煤經(jīng)過加工除灰代替石油焦作為制造鋁電解用碳陽極的原料正受到重視。煤瀝青是用蒸餾法從煤焦油中除去易揮發(fā)成分而制得的。依軟化點(diǎn)高低可將煤瀝青分為中溫瀝青(軟化點(diǎn)338368K)和高溫瀝青(軟化點(diǎn)高于368K)。高溫瀝青又稱改質(zhì)瀝青或硬質(zhì)瀝青。石油瀝青經(jīng)過加工，也可作為制造鋁電解用碳陽極的原料。對(duì)制造鋁電解用陽極碳石油焦的質(zhì)量要求為：揮發(fā)分小于15%，硫分小于1.5%，水分小于3%。此種石油焦需經(jīng)過1573K的煅燒方可使用。對(duì)中溫煤瀝青的質(zhì)量要求為：灰分不多于0.3%，軟化點(diǎn)348363K，甲苯不

16、溶物15%25%，水分不多于5%，揮發(fā)分60%70%，喹啉不溶物不多于10%。對(duì)改質(zhì)瀝青的質(zhì)量要求為：軟化點(diǎn)用環(huán)球法測(cè)得373393K，甲苯不溶物20%34%，喹啉不溶物6%15%。B樹脂含量不少于18%，結(jié)焦碳不少于50%，灰分不多于0.3%，水分不多于5%。使用改質(zhì)瀝青，有利于提高鋁電解用碳陽極質(zhì)量，但需要改進(jìn)混捏設(shè)備，提高混捏溫度。生產(chǎn)工藝由煅燒，破碎、配料與混捏，成形與焙燒，組裝等作業(yè)組成。煅燒將石油焦破碎至80mm以下粒度，然后在罐式煅燒爐、回轉(zhuǎn)窯或倒焰窯中煅燒至1573K，以排除石油焦中的揮發(fā)分，提高其機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性和抗氧化性。煅后焦真密度為19902030kg/m3，粉末比電阻

17、率在650·m以下。中國石油焦多在鋁廠和炭素廠內(nèi)進(jìn)一步煅燒，其他國家多由煉油廠直接加工出煅后焦。破碎、配料與混捏   將煅后焦破碎、磨粉、按一定比例(粒度配比)配料后，進(jìn)行混合，并配加一定量的液體或固體瀝青，在間斷式或連續(xù)式混捏機(jī)中混捏?；炷蟮哪康氖鞘构?、粒焦被熔化的瀝青浸潤，以獲得均勻的糊料?；炷髾C(jī)用電、蒸汽或其他熱媒加熱。粘結(jié)劑瀝青配入量陽極糊為24%30%(24%26%稱干陽極糊)，預(yù)焙陽極為14%19%?；炷蟪龅臒岷芍苯釉谧员宏枠O鋁電解槽上使用，亦可將陽極糊鑄成500kg以上的大塊或15kg以下的小塊，以供隨時(shí)使用。成形與焙燒   混捏好的陽極糊料在413433K溫度下送入模壓成形機(jī)、擠壓成形機(jī)或振動(dòng)成形機(jī)成形。成形后的生陽極碳?jí)K體積密度達(dá)1.580kg/m3。成形后的碳?jí)K送入焙燒爐內(nèi)焙燒。焙燒的目的是排除揮發(fā)分，粘結(jié)劑焦化并與固體顆粒牢固地連在一起，以提高碳?jí)K機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電率。焙燒爐有密閉式或敞開式多室環(huán)式焙燒爐、隧道窯、倒焰窯等。最常用多室環(huán)式焙燒爐。采用煤氣、重油或