[摘 要] 石墨化阴极具有良好导热性、高电导率、低电阻率、低钠膨胀率等特点，采用石墨化阴极炭块及其配套技术可以提高电解槽的磁流体稳定性，降低电解槽的阴极压降，延长电解槽寿命，为电解槽在低电压下稳定运行创造条件。本文详细阐述了铝电解槽阴极炭块的选择标准、石墨化阴极的特点和石墨化阴极炭块的工程应用实例。
[关键词] 石墨化阴极； 阴极炭块； 铝电解槽； 内衬
0 前言
近年来，国内铝电解工业迅速发展， 2016年中国原铝产量约3 220万吨，产量较2015年增幅为3.5%，原铝产量仍位居世界第一位[1]。目前，国内铝电解生产主要以300 kA以上电解槽为主力槽型。
受世界经济增速放缓及产能过剩等因素的影响，近年来铝价始终停留在低价位波动，使得国内铝行业经营压力不断加大，企业在不断强化内部管理之外，还都通过应用日渐成熟的节能技术来降低铝生产成本，增加企业经济效益。此外，《铝行业规范条件》已明确提出“新建和改造的电解铝铝液交流电耗必须低于12 750 kW·h/t-Al”的能耗指标要求，这些因素都将加快国内电解铝行业节能减排技术的推进步伐[2]。石墨化阴极炭块具有良好的导电性、导热性、抗热震性和抗钠侵蚀性，不但可以降低电解铝电耗，提高电解槽的生产率和电流效率，同时还可以延长电解槽的使用寿命，减少废阴极炭块对环境的污染[3]。这些优良性能很有助铝电解工业节能降耗减排。
1 铝电解槽阴极炭块的选择
自Hall-Heroult铝电解法应用的100多年来，铝电解槽阴极结构没有太大的变化。阴极炭块作为铝电解槽阴极内衬的主体部分，它在铝电解生产中起着阴极导电体和作为电解槽容纳熔融铝液、电解质容器的内衬材料的双重作用。阴极炭块的质量直接影响着铝电解槽的使用寿命和电解能量消耗等指标，因此国内外铝电解工业都十分重视高质量阴极炭块的选择与应用[4]。
铝电解槽用阴极炭块的选择标准具有如下要求：物理性质上要求电导率高、相对膨胀率低、抗折强度高、热导率高；抗蚀性方面要求不与冰晶石电解质起反应、不与铝和钠反应、不溶于铝和冰晶石熔体中、低孔隙度；经济方面要求费用较低、便于加工、便于粘接。根据铝电解生产经验来看，铝电解槽寿命与阴极炭块质量息息相关，因此，为了延长电解槽使用寿命，在设计和施工过程中要进行优选材料。优质阴极炭块不仅能大幅度降低电耗，提高电流效率，还能延长电解槽的寿命。
根据国内外铝电解槽用阴极炭块的使用现状，可分为无定形阴极炭块、半石墨质阴极炭块、高石墨质阴极炭块、全石墨质阴极炭块和石墨化阴极炭块。由于使用的原材料和工艺不同，产品的理化指标差异也较大。铝电解槽用阴极炭块的分类及使用情况如表1所示，铝电解槽用阴极炭块的理化指标如表2所示。
表1 铝电解槽用阴极炭块的分类及使用情况
表2 铝电解槽用阴极炭块的理化指标[5-7]
通过表2可以看出，石墨化阴极炭块相比其他阴极炭块具有以下优点：电阻率低、导热性好、具有较高的抗钠侵蚀能力和较高的抗热冲击能力。目前，国内石墨化阴极炭块生产厂商的产品性能指标已达到国外同类产品水平，而且具备规模生产的能力，可供国内电解铝企业选择。
2 石墨化阴极炭块的特点
石墨化阴极炭块是铝电解槽用阴极炭块中的高档产品，是国外电解铝企业采用的主要阴极炭块材料之一。与其他类型的阴极炭块相比，石墨化阴极炭块具有如下特点：
(1)电阻率低。石墨化阴极炭块的电阻率约为50%高石墨质阴极炭块电阻率的一半，因此，采用石墨化阴极炭块的电解槽有利于降低电解槽炉底压降，从而降低吨铝电耗。
目前，铝电解槽采用石墨化阴极炭块的电解铝企业，基本上都是采用磷铁浇铸的方式组装阴极钢棒，具有机械化程度高，操作人员少，可以改善工人操作环境等优点。目前，采用磷铁浇铸组装阴极钢棒主要有电加热和燃气加热两种方式。
国内某500 kA电解槽，选用石墨化阴极炭块并配有磷铁浇铸技术，在启动初期阴极压降约为220 mV,随着槽龄的增加一直稳定在240 mV左右。而采用高石墨质阴极炭块的电解槽在启动初期阴极压降约为280 mV,随着槽龄的增长阴极压降也在逐渐增加。
(2)导热性好。由于石墨化阴极炭块导热系数高，有利于电解槽侧部散热，有利于电解槽形成良好的炉帮形状，保持热量平衡，延长电解槽使用寿命。
(3)较高的抗钠侵蚀性。阴极炭块必须能够有效地阻碍铝液及电解质液体的渗漏而造成的剥蚀及钠膨胀的侵蚀。在铝电解槽用阴极炭块中，石墨化阴极炭块的钠膨胀率最低，其抗钠侵蚀性最好。
(4)热膨胀率低和较高的抗热冲击性能。从无定形阴极炭块到半石墨质阴极炭块、高石墨质阴极炭块、全石墨质阴极炭块、石墨化阴极炭块，其焙烧温度由1 200 ℃提高到2 200 ℃以上。随着焙烧温度的提高，阴极炭块的孔隙率、热膨胀系数、电导率等性能均得到提高，由热膨胀而引起的断裂几率不断减小，可延长电解槽寿命，降低吨铝生产成本，减少废阴极炭块对环境的污染。
3 工程应用实践
国内某电解铝企业400 kA大修电解槽节能技术升级改造主要包括选用石墨化阴极炭块，阴极炭块与阴极钢棒采用磷铁浇铸组装以及与其配套的内衬结构优化等内容。
采用磷铁浇铸组装阴极钢棒与阴极炭块，即：先将阴极钢棒和阴极炭块按要求定位，然后放置在阴极预热装置内进行预热。当阴极炭块表面达到一定温度后，将熔融液态磷铁均匀浇铸在阴极炭块钢棒槽内，使阴极钢棒与阴极炭块形成一个整体。
3.1 石墨化阴极的应用及效果
某400 kA电解槽原为早期设计的普通电解槽(采用普通阴极钢棒形式)，于2013年陆续进入大修期。通过方案比选，对于通槽进行大修的电解槽选用石墨化阴极炭块及其配套磷铁浇铸的改造技术方案。
改造后的电解槽大幅度降低了阴极压降，大幅度提高了电解槽的稳定性，为进一步降低电解槽电压创造了条件。石墨化阴极节能槽与普通槽水平电流和阴极压降计算结果对比如图1所示。从图1可以看出，优化后的电解槽在400 kA电流下生产运行时，其水平电流密度最大值由原来普通阴极钢棒电解槽时的7 465 A/m2降低到4 211 A/m2，降低了43.6%。水平电流的降低，提高了电解槽磁场的稳定性，降低了铝液界面变形波动幅度，为降低极距创造了条件，从而降低了能耗，能够为业主带来显著的经济效益。
图1 石墨化阴极节能槽与普通槽水平电流计算和阴极压降计算结果对比图
从图1还可以看出，传统普通槽的阴极压降设计值为310 mV，而采用石墨化阴极节能槽的阴极压降设计值为239 mV，对比降低了71 mV，在其他条件相同的条件下，吨铝直流电耗至少降低230 kW·h。通过采用石墨化阴极炭块及其配套改造方案，可以大幅度降低电解槽物理压降，从而达到降低电解槽能耗的目的。
3.2 内衬结构优化及效果
由于石墨化阴极散热量较大，为了保证阴极区域热平衡，新的设计形式必须降低电解槽散热量，需选择具有良好的保温性能、耐电解质及蒸汽腐蚀的保温材料。在阴极压降大幅度降低的情况下保证区域及整体的热平衡，同时在不过多额外损失能耗的情况下解决电解槽适应四季气温的变化的问题。因此，对采用石墨化阴极炭块的电解槽匹配合理的内衬结构显得非常重要。在改造后的内衬结构设计中，借助ANSYS有限元软件建立电- 热耦合有限元模型进行仿真模拟计算，对内衬结构进行优化设计，在保证电解槽侧部防渗能力的基础上对内衬增加保温措施，同时在槽底部增加了保温及防渗处理，使其与石墨化阴极炭块相匹配。改造后的电解槽内衬等温线分布如图2所示。
图2 改造后的电解槽内衬等温线分布图
从图2可以看出，电解槽内部等温线分布合理，900 ℃等温线位于阴极炭块以下，800 ℃等温线在保温层以上，同时阴极炭块窗口区等温线竖直，间隔合理。电解槽炉膛上口炉帮较厚，伸腿较短，达到了内衬设计的最终目的。计算结果说明优化后的内衬形式能够使电解槽在生产中保持规整的炉帮形状和合理的炉帮厚度，既保证了电解槽的稳定生产，又很好地保护了侧部内衬，延长了槽寿命。
4 生产运行效果
与原电解槽相比，改造后的电解槽在装炉、焙烧启动的过程基本相同。采用湿法无效应启动方式，严格控制电解槽焙烧温度，焙烧时间控制在48～72 h内。在启动后期电压调整中采用快速降电压技术，启动一个月内电压降至电解槽工作电压，电解槽转入正常生产。
通过启动后期的技术条件调整，改造后的电解
槽各项经济技术指标稳步提高。通过对4台电解槽进行性能测试，其测试结果表明：改造后的电解槽平均阴极压降在运行六个月后仍能够保持在246 mV，相比同期普通槽的阴极压降332 mV降低了86 mV，平均电流效率达到92.8%，吨铝直流电耗为12 650 kW·h/t-Al，与原普通电解槽相比吨铝直流电耗可节省约320 kW·h。
