摘 要：铝电解槽阴极炭块作为电解槽的内衬和阴极导电材料，直接关乎到电解槽的使用寿命及生产指标，在电解铝生产中起到非常重要的作用。本文重点介绍了铝电解槽石墨化阴极炭块电阻率低、热导率高、抗热冲击性能高、钠渗透膨胀率低等主要特点，以及其在降低电解槽能耗、提高电流效率、延长电解槽寿命等方面的作用，并结合东兴铝业公司500kA电解槽实际情况提出该公司采用石墨化阴极后在炉底保温、筑炉质量、技术条件调整以及电解槽日常管理等方面的一些改善措施。
关键词：铝电解槽；石墨化阴极；改善措施；阴极材料
Abstract:The cathode carbon block of aluminum electrolysis cell used as the inner lining of the electrolysis cell and the cathode conductive material is directly related to the electrolytic cell service life and production index.It plays an important role in the electrolytic aluminum production.The paper mainly introduces the main characteristics of low resistivity, high thermal conductivity, high thermal shock resistance and low sodium penetration expansion rate of the graphitized cathode carbon block of aluminum electrolysis cell, as well as its role in saving energy, improving current efficiency, extending electrolysis cell service life and so on.According to the practical production of the large aluminum company 500kA electrolytic cell, the paper proposes some improvement measures on thermal insulation in the furnace bottom, furnacebuilding quality, technical conditions adjustment and electrolytic cell daily management after employing the graphitized cathode.
Keywords:aluminum electrolysis cell; graphitized cathode; improvement measures; cathode material
自2016年以来，煤炭供给侧改革力度较大，带动煤价上涨，氧化铝、氟化铝价格随铝业市场回暖上涨明显，导致电解铝成本大幅度上升；加之国家高度重视环境保护，尤其对重工业的环保要求日益严格，电解铝行业正在面临着成本和环保的双重考验。因此，进一步降低成本和节能减排成为电解铝企业两大努力方向。
酒泉钢铁（集团）公司下属东兴铝业公司目前拥有500kA大型预焙电解槽1008台，设计年产能135万吨。近年来，公司高度重视技术改革，并取得长足进步。由于石墨化阴极材料在电解槽节能降耗、指标提升以及延长槽寿命等方面有显著作用，受到公司技术人员高度重视并在500kA铝电解槽上进行应用研究。
1 铝电解槽阴极炭块特点
炭阴极作为铝电解槽最内层的衬里，承受着巨大的热应力冲击和熔融电解质的侵蚀；作为电解槽的电极，必须具有良好的导电性能[1]。因此，具有良好的抗热冲击性能、抗钠渗透性能、导电性能（表1）的石墨化阴极炭块逐渐受到电解铝行业的青睐。
表1 几种阴极炭块的性质
从表1可以看出，石墨化阴极炭块具有电阻率低、热导率高、抗热冲击性能高、钠渗透膨胀率低等优点，同时具有耐磨性差和强度低等缺点。东兴铝业公司石墨化阴极试验槽阴极炭块主要技术指标见表2。
表2 东兴铝业公司石墨化阴极试验槽阴极炭块主要性能指标
3 石墨化阴极优点
3.1 电阻率低于其它类型炭块
铝电解工业的生产工艺是高能耗工艺，其理论电耗为6340kW·h/t，但由于工艺和设备各环节固有的电阻，要达到理论值是不可能的。当前世界铝电解企业较好的直流电耗为12800 kW·h/t左右，是理论电耗的两倍[2]。而电力成本又占总生产成本的40%左右，因此降低电解槽的电压降是电解铝行业节能降本的主要方向。
由于石墨化阴极炭块电阻率低，导电性能好，在炉底状况相同的情况下，石墨化阴极电解槽具有较低的阴极电压降，查阅各铝厂相关资料，其电压降较其他类型炭块降低70～100mV[3,8]，在节约电耗、降低吨铝成本方面作用显著。
3.2 具有较强的抗钠侵蚀性能
电解槽的停槽再启动不光会造成人力物力的巨大浪费，还会增加有毒有害的固体废弃物的排放[4]。因此，电解槽的长寿给企业带来的不光是经济效益，更是在当前环保形势下的迫切要求，因此，如何延长电解槽寿命是永不过时的课题。
研究表明，导致阴极炭块破损主要原因是炭块的钠渗透膨胀行为。铝电解过程会产生少量的金属钠，金属钠会通过碳素晶格或孔隙向阴极炭块内部扩散，生成嵌入化合物CxNa，引起炭块膨胀和破裂[5]，加速炭块破损，降低电解槽寿命。
由表1看出，石墨化阴极在几类阴极炭块中，抗钠渗透膨胀性能最优，是符合当前铝工业发展的理想阴极材料。大量实验证明，阴极炭块石墨含量多少、石墨化程度的高低是影响阴极炭块理化性能、影响电解槽寿命的关键[6]。经查阅相关资料，石墨化阴极电解槽平均寿命在2500天以上[8]，比全国平均槽龄（1800天左右）延长700天左右。
3.3 有良好的导热性能
电解槽获得较高电流效率与较低电耗率的重要条件之一是保持稳定的热平衡制度。为此,在电解槽设计中，必须选择适宜的槽内衬耐火材料、保温材料的材质及厚度。选择的主要目标是形成良好的槽帮结壳并且形状稳定，减少水平电流和热损失[7]。
由于石墨化阴极导热系数高，能够提高电解槽侧部散热能力，在电解槽启动初期，可使侧部炭块表面形成熔点极高不易融化的高分子比炉帮，有效阻止高温液态电解质对侧部的侵蚀[8]；另一方面，坚实稳固的炉帮更有利于减少水平电流，从而减小磁场作用下的铝液波动，有利于获得更高的电流效率。经查阅相关资料，石墨化阴极电解槽较半石墨质阴极电解槽电流效率提高1～2%[3]。
4 石墨化阴极应用时的改善措施
石墨化阴极电解槽在设计、材料的选择、筑炉、启动以及后期的日常管理上要更加严格，始终把握“设计技术是基础，材料性能是条件，筑炉质量是保证，焙烧启动是前提，参数控制是关键、综合管理是核心”的理念[9]。
4.1 提高保温材料的保温效果
由于石墨化阴极炭块的电阻率较低，电流通过时自身产生的焦耳热偏小，加之其热导率较大，从而引起电解槽散热增加，在生产过程中易出现槽底偏冷、炉底产生沉淀的现象[10]。为了避免出现上述情况的发生，一方面，要改进电解槽槽底的保温材料，选用保温性能更加优越的保温材料；另一方面，要增加电解槽槽底保温材料的厚度，这样才能减少电解槽底部散热，确保电解槽运行过程中的热量平衡。
4.2 严抓筑炉质量，精细化焙烧启动
良好的筑炉材料和筑炉质量是电解槽运行平稳和长寿的基本要素，因此，要严把筑炉材料质量关，并按照筑炉规程的要求进行砌筑。
铝电解槽焙烧启动时，焦粒厚度应均匀且符合技术标准要求，焙烧期间严格按技术标准进行电流分布和炉底温度的测量并及时做好炭阳极电流分布调整，确保焙烧期间电解槽电流分布和阴极受热均匀。
4.3 适宜的技术条件
4.3.1 适当降低铝水平
由于石墨化阴极炭块的热导率较大，会引起电解槽散热增加，在生产过程中易出现槽底偏冷、炉底产生沉淀等现象。适当的降低铝水平，一方面可以减少电解槽侧部和底部散热，有利于电解槽热量平衡的保持；另一方面可以加快炉底沉淀的溶解，降低炉底压降，减弱水平电流，有利于电解槽平稳运行及电流效率的提升。
4.3.2 适当降低分子比
由于石墨化阴极散热性能良好，会产生电解槽槽温偏低的现象，造成炉帮增厚，伸腿肥大，影响电解槽平稳运行。因此，应适当降低分子比，降低电解质体系的初晶温度，确保合理的过热度，有利于电解槽平稳、高效运行。
4.3.3 适当提高电解质水平
3．坚持新老相承以造大势。发展意味着变化，意味着动态，意味着交替和代谢。今天绿叶明天落叶，是事物的一种常规，难以改变。文艺得以流传，就如越剧艺术的12种流派能够传承至今，无疑是越剧界先辈和后代传承的结果。我们既要求走在前面的人提携新人结对子，也要求新一辈抱着后学者的姿态，报以热情、虚心和坚持。这样才可能把先行者、老一代的艺术传得下来，后学者接得下去，实现薪火相传、推陈出新。如此，绍兴文艺从大处着眼，小处入手，才有希望形成创新之大势，出更多的人才、更好的作品，办得成更有影响的活动。
所以，应适当提高电解质水平，增加液态电解质的量，确保氧化铝能够充分溶解。
4.4 提升管理标准
石墨化阴极炭块集诸多优点于一身，是目前投入到铝电解生产中最先进的阴极材料，因此，必须有更加精细的管理制度与之相匹配。
一方面，电解槽日常管理要更加精细，以平稳为主，杜绝出现热量和物料的大幅度波动，减少高温电解质和铝水对阴极炭块的冲蚀；另一方面，杜绝人工处理炉底现象，减少人为因素对电解槽的干预，充分发挥电解槽自我调节能力，才能将石墨化阴极的优势性能充分发挥出来。
5 效益评估
根据东兴铝业公司目前实际生产情况，借鉴其他电解铝企业石墨化阴极应用情况，对石墨化阴极的铝电解槽进行初步效益评估。
上文提到，石墨化阴极电解槽能提升电流效率1～2%，炉底压降降低70～100mV，延长电解槽寿命700天。若均按平均值进行计算，电流效率提升1.5%，炉底压降降低85mV，公司目前电流效率按91%进行计算：
500kA铝电解槽单槽日出铝量的增加量：500×0.3356×24×1.5%=60.408（kg）
500kA铝电解槽吨铝能耗的降低量：0.085×1000÷0.3356÷92.5%＝273.8（kW•h/t）
6 结论
（1）石墨化阴极炭块具有钠膨胀率低、电阻率低、热导率高等优点，在提升铝电解槽指标、节能降耗、延长槽寿命等方面有显著作用。
（2）石墨化阴极电解槽必须在筑炉、焙烧、启动、后期管理等方面制定符合石墨化阴极理化性能的管理、技术及操作规程。
（3）结合公司目前生产状况及其他电解铝企业石墨化阴极应用情况，进行效益评估。结果表明，单槽日产量增加60.408 kg，吨铝直流电耗降低273.8kW•h/t。
