高質(zhì)量鋁用陰極的發(fā)展方向與應(yīng)用前景

何 川

（貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550018）

1 概述

鋁用陰極材料是指以煅燒無煙煤、石墨等為骨料，煤瀝青等為黏結(jié)劑制成的，主要用于制作鋁電解槽炭質(zhì)內(nèi)襯的塊類或糊類炭素制品，是鋁電解槽最重要的組成部分之一，與陽極一起被譽為鋁電解槽的心臟。在鋁電解生產(chǎn)過程中，陰極不但要起到導(dǎo)電作用，還要承受高溫冰晶石熔體的侵蝕，承受高溫熔鹽的電化學(xué)作用。因此，在鋁電解生產(chǎn)過程中，要求陰極炭塊必須具備有良好的抗熱震性、耐磨性、以及抗鈉侵蝕性。

陰極炭塊具有耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電等特性，在鋁電解槽高溫冶金爐中得到廣泛應(yīng)用。在電解鋁行業(yè)，陰極炭塊是制作電解槽內(nèi)襯和大修時的重要材料。根據(jù)石墨含量與生產(chǎn)方法的不同，鋁用陰極炭塊分為無煙煤基炭塊（包括普通質(zhì)、半石墨質(zhì)、高石墨質(zhì)）、全石墨質(zhì)和石墨化陰極炭塊，目前主要采用的陰極為高石墨質(zhì)陰極和石墨化陰極。

表1 鋁用陰極炭塊分類與應(yīng)用情況

表2 鋁用陰極炭塊分類與應(yīng)用情況

2 國內(nèi)外陰極發(fā)展趨勢

2.1 國外鋁用陰極現(xiàn)狀

國外鋁廠不配套陰極生產(chǎn)，陰極只需定期從市場上采購；國外鋁廠約70%采用石墨化陰極、30%采用高石墨質(zhì)陰極，陰極采用磷鐵澆注；鋁電解槽平均壽命較長（2500天～3000天），噸鋁消耗陰極較低（7kg/t·Al～ 9kg/t·Al）。

國外陰極年產(chǎn)能約18萬t/年～20萬t/年，基本滿足了國外電解鋁的需求；其陰極產(chǎn)能主要分布在歐洲和亞洲，歐洲占約70%、亞洲占約20%；主要生產(chǎn)企業(yè)有德國西格里（SGL）公司、法國莎瓦（SAVOIE）公司、日本昭和（SEC）公司、NDK（電極公司）和印度炭素公司等[1]。

2.2 國外鋁用陰極發(fā)展趨勢

（1）為了滿足鋁電解槽大容量、高電流強度的需求，鋁用陰極炭塊的產(chǎn)品逐漸走向石墨化、大規(guī)格化。（2）振動成型工藝逐漸成為陰極生產(chǎn)成型的主流工藝，該工藝具有對產(chǎn)品規(guī)格適應(yīng)性強、均質(zhì)性好、成品率高、生產(chǎn)維護成本較低等優(yōu)勢。（3）陰極生產(chǎn)的石墨化工序，由以前的艾奇遜爐工藝向串接爐工藝轉(zhuǎn)變，大幅度降低了生產(chǎn)電耗。（4）磷鐵澆注、陰極糊料等配套技術(shù)近幾年與石墨化炭塊技術(shù)同步發(fā)展。（5）專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)正成為市場主流。

2.3 國內(nèi)鋁用陰極現(xiàn)狀

與國外先進陰極企業(yè)相比，我國石墨陰極制造呈現(xiàn)出起步晚、裝備參差不齊、人員技術(shù)儲備不足等現(xiàn)象，這造成國內(nèi)陰極炭塊的質(zhì)量指標落后于國際先進水平。國內(nèi)生產(chǎn)陰極炭塊企業(yè)大約有17家～20家，主要分布在10個省區(qū)，山西、河南、山東、寧夏、云南等為主要產(chǎn)地；其中山西產(chǎn)能達30余萬噸（主要基于原料供應(yīng)與能源優(yōu)勢），占全國總產(chǎn)能的50%以上，全部為民營企業(yè)所有。

目前國內(nèi)電解鋁廠主要使用高石墨質(zhì)陰極炭塊，占陰極炭塊使用量的90%左右；石墨化陰極逐步在大型電解槽中批量使用，近兩年使用比例呈上升趨勢，民營企業(yè)使用量超過國有企業(yè)，例如河南萬基、青銅峽、內(nèi)蒙古錦聯(lián)鋁材、山東魏橋等。

2.4 國內(nèi)鋁用陰極生產(chǎn)裝備水平

河南萬基、青海分公司等企業(yè)主要裝備以引進為主，裝備水平較高；振動成型和擠壓成型兩種工藝均有過采用，焙燒系統(tǒng)以帶蓋焙燒爐為主，自動化程度高，其中河南萬基控股集團等三家企業(yè)可生產(chǎn)石墨化陰極；山西晉陽炭素、山西亮宇炭素、山西宇通炭素、河北連冠電極等企業(yè)主要裝備以國產(chǎn)設(shè)備為主的，大多數(shù)沒有電煅爐，主要從市場上購買電煅煤，主要采用國產(chǎn)振動成型機和敞開式焙燒爐，自動化程度較低。

2.5 國內(nèi)鋁用陰極發(fā)展趨勢

（1）鋁用陰極產(chǎn)品仍然會以高石墨質(zhì)陰極為主。由于鋁市場低迷，電價較高，電解鋁企業(yè)一方面為了降低投資成本，另一方面主要采取低電壓低能耗路線，因而陰極仍然將以高石墨質(zhì)為主；石墨化陰極價格是高石墨質(zhì)的兩倍左右，加上在國內(nèi)電解槽使用效果一時不是很明顯，石墨化陰極目前在國內(nèi)沒有大面積推廣。

（2）未來石墨化陰極的使用比例會逐年增加，前景廣闊。石墨化炭塊電阻率很底、熱導(dǎo)率很高、抗鈉侵蝕性強，具有優(yōu)越的抗熱震性、性能均勻，抗熱震性強、電解膨脹率低，可降低槽電壓（60mV～80mV），延長槽壽命（400天～500天），并減少廢舊槽內(nèi)襯排放量，有益于環(huán)境和保護生態(tài)，最終提高電解鋁廠的經(jīng)濟效益和社會效益，前景廣闊；采用石墨化炭塊是提高電流密度的需要，局部早期破損概率很小，這一點對于大型槽來說尤為重要。

研究表明，采用石墨化炭塊的鋁電解槽，電流提高8%到15%后，取得了如下效果：陰極電阻減小、電解槽穩(wěn)定性改善（槽電壓擺動減?。?、電流效率提高（約1%）、噸鋁電耗降低（約300kWh ／ t·A1）。

表3 國內(nèi)某電解鋁廠采用高石墨質(zhì)與石墨化陰極前后對比

（3）陰極炭塊的規(guī)格呈現(xiàn)大型化（加長、加寬、加高）。國內(nèi)今后電解鋁的生產(chǎn)以500kA以上大型槽為主流，陰極炭塊規(guī)格呈現(xiàn)大型化，主要體現(xiàn)在加長、加寬、加高。

（4）采用振動成型工藝，專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)成為市場主流。采用振動成型工藝、由專業(yè)化企業(yè)生產(chǎn)逐漸成為陰極生產(chǎn)成型主流工藝，該工藝具有對產(chǎn)品規(guī)格適應(yīng)性強、均質(zhì)性好、成品率高、生產(chǎn)維護成本較低等優(yōu)點。

（5）石墨化陰極是發(fā)展方向。國內(nèi)鋁用陰極炭塊的發(fā)展趨勢為高石墨質(zhì)、石墨化和大規(guī)格化。近段時間鋁用陰極產(chǎn)品仍然會以30%～50%高石墨質(zhì)陰極為主；將來石墨化陰極的使用比例會逐年增加，預(yù)計4年～5年以后大幅度推廣，前景廣闊。

3 陰極對鋁電解槽的影響

3.1 陰極在電解槽上的應(yīng)用狀況

我國陰極質(zhì)量整體水平落后于世界先進水平，除少數(shù)幾家采用石墨化陰極的企業(yè)外，鋁電解槽平均壽命為～1800天，低于平均槽壽命為3000天的國際水平，這嚴重影響我國鋁工業(yè)的國際競爭力，是我國鋁工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要頸瓶問題之一。造成這一問題的原因是多方面，首先，國外普遍采用半石墨化和石墨化陰極，而我國雖然在2005年便成功研究開發(fā)了石墨化陰極生產(chǎn)技術(shù)，但每噸石墨化陰極采購價格要高出～5000元，使很多企業(yè)望而生畏，不少企業(yè)由于資金有限也不得不放棄，因此大部分電解鋁企業(yè)仍然采用半石墨質(zhì)和高石墨質(zhì)陰極；其次，我國近十幾年來電解鋁的迅猛發(fā)展催生了幾十家陰極生產(chǎn)企業(yè)，隨著世界經(jīng)濟放緩，電解鋁產(chǎn)能起伏波動，供應(yīng)市場出現(xiàn)較大過剩，造成行業(yè)惡性競爭，不少企業(yè)為了求生存，采用對陰極壽命有負面影響的廉價原料，如添加石油焦、冶金焦、采用煅燒溫度不夠的電煅燒無煙煤、采用石墨化過程中的保溫料充當(dāng)石墨碎等劣質(zhì)原料。由于我國質(zhì)量檢測機構(gòu)只對來樣負責(zé)，以次充好的現(xiàn)象比較普遍，從而使得我國陰極劣質(zhì)化現(xiàn)象較為嚴重。

3.2 陰極性能對槽壽命的影響

影響電解槽壽命的因素眾多，但最重要的莫過于鈉侵蝕的影響。鈉與炭塊中的碳作用生成嵌入化合物，使碳晶格間的距離增大，炭塊的體積因此膨脹，容易產(chǎn)生裂紋或剝離，嚴重時會導(dǎo)致漏爐，因而降低槽壽命。可以說鈉侵蝕是炭塊破損的主要原因。

《預(yù)焙槽煉鋁》（邱竹賢編著）一書認為“要延長槽壽命，就必須開發(fā)新型的抗鈉侵蝕的陰極炭塊”，這一觀點一針見血地指出了我國陰極壽命短的核心問題。研究表明，石墨化陰極鈉膨脹率下降尤其明顯，眾多研究結(jié)論和實際使用效果都充分證明了這一點。

3.3 影響陰極性能的主要因素

（1）生產(chǎn)原料對陰極性能的影響。目前，國內(nèi)電解槽用陰極炭塊以高石墨質(zhì)炭塊為主，其生產(chǎn)原料為主要為無煙煤、石墨碎和煤瀝青等。無煙煤在原料中占比較大，對成本的影響也相應(yīng)較大。一般具有煤化度好、強度高、低灰、低硫、熱穩(wěn)定性高的無煙煤是生產(chǎn)陰極的最佳原料，以這類煤生產(chǎn)出來的陰極炭塊，在電阻率、灰分、機械強度、抗熱沖擊方面都表現(xiàn)優(yōu)良，在電解生產(chǎn)中相應(yīng)體現(xiàn)能耗低、壽命長的優(yōu)點，但原料價格較高。

原料中另一部分為石墨碎，石墨碎選用優(yōu)質(zhì)石墨電極切削碎或廢次品，重點控制粉末電阻率和真密度兩項主要指標，以進一步降低鋁用陰極炭塊的電阻率，提高鋁用陰極炭塊的抗鈉侵蝕能力。石墨碎價格更高，石墨質(zhì)炭塊的牌號就是根據(jù)石墨碎的加入量進行區(qū)分定價。石墨化爐的保溫料雖然具有一定的石墨化度，但同樣由于吸鈉膨脹率較高，不適宜作為陰極生產(chǎn)的石墨碎原料。

一般情況下，陰極生產(chǎn)的原料占到成本的50%以上，由于市場競爭的激烈，為降低成本，有的企業(yè)將上述不適宜摻入的原料加入生產(chǎn)流程，并通過配方及生產(chǎn)參數(shù)的調(diào)整達到指標數(shù)值，電解用戶很難判斷陰極的真正質(zhì)量，上槽后短期看不出差別，時間長了將會影響槽壽命。

（2）生產(chǎn)工藝對陰極性能的影響。在無煙煤的電煅燒過程中，嚴格控制電煅燒運行的工藝參數(shù)，保證電煅無煙煤的煅燒質(zhì)量均勻，防止夾生煤是關(guān)鍵。實際生產(chǎn)中，控制電煅無煙煤的粉末電阻率在500μΩ·m～600μΩ·m，有利于提高陰極炭塊的抗壓強度和抗沖刷能力。在配料、混捏、成型、焙燒過程中，工藝及配方參數(shù)的控制將有利于生產(chǎn)出均質(zhì)制品，均勻的陰極質(zhì)量對電解槽的穩(wěn)定性運行有很大貢獻，甚至比采用指標更優(yōu)但質(zhì)量波動大的陰極制品獲得更好的效益。

在機加過程中，陰極炭塊的內(nèi)部缺陷將會顯現(xiàn)出來，此時應(yīng)嚴格按照內(nèi)部質(zhì)量控制要求返回破碎，雖然造成成本浪費，但能保證質(zhì)量。而有的陰極生產(chǎn)企業(yè)在成本壓力下，采用補縫的方式處理內(nèi)部缺陷，這樣的不合格陰極炭塊在極易造成由于應(yīng)力集中導(dǎo)致的電解槽早期破損[2]。

4 結(jié)論

（1）我國鋁電解槽平均壽命為～1800天，遠低于國際平均水平，這嚴重影響我國鋁工業(yè)的國際競爭力，是我國鋁工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要頸瓶問題之一。（2）隨著電解槽技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，石墨化陰極、陰極炭塊大型化將是未來陰極發(fā)展的主要方向，市場前景廣闊。（3）研究表明，提高陰極石墨含量能夠有效提高陰極炭塊的抗鈉侵蝕性，從而降低陰極炭塊的破損，提高電解槽的使得壽命。（4）陰極生產(chǎn)原料及其生產(chǎn)工藝均對陰極成品質(zhì)量有較大的影響，只有通過提高生產(chǎn)原料的質(zhì)量、選擇適合的陰極配方、嚴格控制生產(chǎn)工藝參數(shù)等一系列技術(shù)及措施才能生產(chǎn)出滿足電解鋁生產(chǎn)需求的優(yōu)質(zhì)陰極炭塊。