【摘要】叙述了目前阳极碳块的工作条件、性能要求、现有技术理论及评价、并对阳极碳块的现有技术进行分析研究、讨论、综合归纳。
【关键词】预焙铝电解槽 铝电解槽阳极 阳极碳块 阳极质量
一、前言
在我国，每年有2%～5%的电能用于原铝生产；大量的碳素材料消耗于铝电解槽的阴阳极部分。在阳极生产工艺及阳极质量方面，我国与国际先进水平的差距仍然相当大，加上我国阳极生产原料（石油焦和沥青） 的质量较差，性能不稳定，阳极材料已成为制约我国铝工业发展的一大障碍，这不仅影响了铝电解槽稳定正常地操作，增加铝电解能耗和碳耗，而且阳极粘接剂沥青在焙烧过程中散发的大量有害烟气对环境造成了严重影响。因此，铝电解碳素阳极综合节能与改造成为继我国铝业界铝电解智能模糊控制技术的开发应用之后的又一个备受关注的研究课题。近几年来，国内在预焙阳极的制作方面取得了一些成绩，例如：改进阳极配方及优化工艺制备条件以改善阳极的理化指标，在阳极中掺入添加剂（如氟化铝）来降低阳极碳耗，甚至改变阳极的尺寸来寻求阳极的最佳高度，但是，碳阳极材料的研究还有很大潜力。本文就是对现有的阳极技术理论进行归纳总结。
二、阳极碳块的工作条件和性能要求
（一）阳极碳块的工作条件
现在铝工业生产，主要是采取冰晶石氧化铝熔盐电解法。
直流电流通入电解槽，在阴极和阳极发生化学反应，分别是：阴极AL3+（络合的）+3e——>AL；阳极202-（络合的）-4e+C——>CO2。
电解产物，阴极上是铝液，阳极上是CO2和CO气体，电解槽在工作过程中，槽内电解液及熔融铝液的温度高达970℃，阳极碳块的底掌及侧面受到的熔融铝及电解液的侵蚀作用；在温度及其变化的作用和阳极的影响下，阳极材料的强度，硬度等力学性可能会降低，可产生温度疲劳裂纹及热裂纹。
（二）性能要求
电阻率低有利于降低电能消耗，炭块电阻率一般小于60μΩ·m ，炭糊焙烧体电阻率一般小于80μΩ·m。
较高的体积密度有利于抵抗熔盐的侵蚀，降低气体渗透、减少与CO2和空气的反应消耗。炭块体积密度一般不小于1.5g/cm3，炭糊焙烧体的体积密度不小于1.36g/cm3。
机械强度以炭素材料为主体构成的电解槽阳极较重， 在电、热冲击下承重负荷，因此其机械强度要求比一般的炭素材料要高。炭块的耐压强度约为25～35MPa，炭糊焙烧体的耐压强度约为18～28Mpa。
真密度：阳极材料的真密度约为1.98～2.00g/cm3，阴极材料的真密度为1.84～1.90g/cm3。
杂质含量：阳极材料消耗以后，其中的杂质直接进入电解质和金属铝中，因此，要求阳极材料的杂质含量低，一般不超过1%；阴极材料的杂质含量一般不超过10%。
三、关阳极碳块的现有技术理论及其评价
（一）现有技术理论及其评价
（1）新型阳极材料的研究。现在美国研制惰性阳极，在Mass-
ena铝厂的工业电解槽上应用试验223天。电流效率达到65%～90%，槽电压为5.8～7.2V，所得铝的纯度为90%～93%。其目标是要达到电流效率85%，槽电压5.0V，铝纯度99.3%。
中国国内现在也有众多的惰性阳极研究工作正在进行着。应用惰性阳极的优点是可降低铝生产的成本并免除硫与碳有关污染物的产生， 其阳极反应是生成氧气， 有益于环保。所以，惰性阳极是值得研制的。低温电解与惰性阳极的联合应用将会使工业铝电解发生重大变革（图2）。
从国外研究可以看出，在阳极碳块技术方面取得了不错的研究成果，采用斜面阳极或惰性阳极相对于传统的碳素阳极到有很大的进步，可以进一步提高电流效率，降低碳耗，尤其是惰性阳极，不但可降低铝的生产成本，还可以降低污染，有利于环保。在当前环境污染越来越严重的情况下，环境问题越来越被人们重视，而铝工业有对环境带来很大的污染，所以新型阳极材料的研究要考虑经济效益和社会效益两方面，而惰性阳极不仅能带来经济效益还可以带来社会效益。
图1 Comalco 公司惰性阴极电解槽
图2 惰性阳极（ 左） 与碳阳极（ 右） 的比较
（2）现有阳极碳块的主要原料。目前预焙阳极使用的原料主要是延迟石油焦，中温或改质煤沥青。
影响阳极炭块质量的主要因素：
原料。目前大多数厂家使用的基本上是延迟石油焦。学者们对延迟石油焦对阳极炭块的影响都作了不同程度的研究。
国内外各个学者及研究结构的研究技术可以看出，他们对原料对阳极的影响都作了一定的分析，但分析的角度不同，分析研究的全面性和深度以不同，相比来说国外的研究更全面深入，阳极的原料也更优质，有利于制造有制阳极碳块。
工艺条件对阳极炭块的影响。煅烧焦，沥青及含量，粉料细度，混捏温度及时间，最终焙烧温度及升温速度对未来预焙阳极都会造成很大的影响。参看图3说明问题。
图3 沥青含量对空气渗透率的影响
总结提高生产工艺控制的稳定性的措施：
a根据石油焦杂质含量、挥发分含量进行合理搭配，减少阳极性能的波动，这需要设置不同石油焦掺和的装置。
b配料的精细化控制：调整优化干料配比，适当缩小各粒级范围、减小波动几率。配方各元素的精确控制，主要包括残极数量的精确配入，收尘粉均匀连续返回生产线。采用精确的沥青计量方式，如质量流量计，增加沥青加入量的准确性。
c整体生产工艺配置的均衡性：生产工艺配置力求各工序产能、物料流向和数量的均衡。
d采用先进的焙烧设备：采用热分布合理的焙烧炉，先进的燃烧控制装置，提高阳极焙烧热处理的均匀性。
以上对阳极质量的影响因素分析，现归纳总结提高预焙阳极质量指标的措施如下：
a控制石油焦中的粉焦量，减少其负面影响。
b提高石油焦煅烧水平，使煅后焦真密度达到2.05g/cm3以上。
c采用结焦值更高的改质沥青。
d提高混捏效果：通过增加凉料装置，使混捏温度提高到170-180℃。而且先进的凉料装置如强力冷却机，本身就是混捏的延续。据文献报道，增加冷却机提高混捏效果后，生阳极、焙烧阳极体积密度能提高0.02g/cm3。
（3）碳碳复合材料。碳碳复合材料具有耐高温、抗腐蚀、良好的化学稳定性、较低的热膨胀系数、抗热震性好以及不易发生突发灾难性损坏等一系列优点，因而全世界多家碳碳复合材料制造公司除将其应用于宇航、军事等目的外，对碳碳复合材料的拓展应用目标首当其冲是开发碳碳刹车片，用于航天飞机，军用、民用飞机的刹车系统。随着碳碳刹车片制造技术的日趋成熟和成本的下降，国外也将碳碳刹车片应用于汽车、赛车及火车的制动系统，将制动力矩传递给轮胎。
（二）现有技术对比
（1）不同阳极材料的碳块技术对比。目前主要应用于生产的阳极是炭素阳极，新型材料的阳极主要是美国正在研制的惰性阳极。惰性阳极的各项指标性能：电流效率达到65%～90%，槽电压为5.8～7.2V，所得铝的纯度为90%～93%。其目标是要达到电流效率85%，槽电压5.0V，铝纯度99.3%。炭素阳极的各项指标性能：一般用碳阳极的工业电解槽的指标是，电流效率94%，槽电压4.5V，铝纯度99.8%。
看来，如果能够达到预定目标，则惰性阳极槽的效果接近碳阳极槽了。而氟化氢的排放量相等，二者均为400×10-6，这是一个令人鼓舞的消息。更重要的是惰性阳极对环境不会造成污染可带来巨大的社会效益。
同一碳块的材料的不同工艺的对比。
原料的对比：
石油焦。由于石油焦质量差且质量波动性大，货源不稳定，以及对石油焦对阳极性能影响的研究不足，造成我国电解铝厂经常出现氧化掉渣、裂纹掉块，热槽病槽，钢爪脱落等质量事故，导致铝电解槽电流效率下降，电耗增加。每年约有20%左右的铝厂在不同时期受此困扰，损失数千万元。缺少解决对石油焦与阳极质量的研究，对石油焦质量指标参数标准化实验，对石油焦作电极和阳极制品分类及检测技术联合攻关的牵头单位和筹资途径。石油焦质量问题的解决已刻不容缓，它不仅有利于提高电解铝生产的技术经济指标，对扩大我国高附加值石油焦和炭阳极、石墨电极的出口都是至关重要的。
沥青。当生产工艺条件确定后，煤沥青相对石油焦的可变因素较多，无论混捏、成型、浸渍、焙烧、石墨化都与煤沥青的焦化及分子结构排布有直接的关系。溶化后煤沥青的水分含量、溶化温度、对阳极块的震动成型、是否裂纹、生块是否合格，影响较大。因此，生产石墨电极厂家比较注重煤沥青各个组份的含量。但就预焙阳极生产而言，国家标准基本套用了石墨电极所用煤沥青质量要求，铝用炭素煤沥青指标应该定性分析各种组分对阳极机械强度和电阻率影响。发达国家生产预焙阳极大多采用优质改质沥青做粘结剂。改质沥青的优点在于软化点较中温沥青高250℃以上，便于仓储运输“减少环境污染，且挥发份含量比中温沥青低5—10个百分点”因此结焦值较高对提高预焙阳极机械强度%降低电阻率%降低粘结剂用量有其优越性。
对于目前国内多数炭阳极生产厂现有工艺技术条件下，可以利用较少的资金投入进行必要的技术改造，即可明显提高、均化炭阳极的质量，降低电解生产的阳极消耗，进而可考虑提高电解槽的阳极电流密度，提高电解槽的生产能力，经济效益将十分明显。对此归纳总结如下：
a严格控制炭阳极生产的原料供应质量，对原料中的微量元素进行必要的控制，并对炭阳极生产中的各种原料进行严格控制
b改进煅烧回转窑内衬的浇注工艺，提高6mm以下中细颗粒延迟石油焦的煅烧程度，均化延迟石油焦的煅烧质量。
c改变原料破碎和液体沥青配料控制工艺，研制新的生产配方，以达到“最大堆积容重”和最佳沥青配入量的控制要求。
d改进糊料混捏工艺，提高糊料混捏的输入功率、糊料混捏冷却的均质性和糊料混捏及成型温度的均衡稳定性。
e改进阳极焙烧炉体的上部结构及密封性能，提高焙烧炉的混合燃烧效果及均匀热传递性能，以均化焙烧炉内的各部温度。
f加大焙烧炉室的大修理工作，减少焙烧炉室的漏风串气现象，均化炉室各部温度。
g改进焙烧燃烧工艺控制技术，提高焙烧工艺控制的准确性和稳定性，保证焙烧工艺符合“两头快中间慢”的控制要求。
四、讨论
（一）理论
通过以上的阳极技术理论的总结和分析我们可以看出，目前阳极碳块技术理论，国内和国外有一定的差距，国外在阳极技术的改进，理论研究深入，在新型阳极材料方面作了大量的研究，并取得了一定的成果，如：Comalco铝业公司在92kA的电解槽上采用斜面碳阳极和斜面TiB2/C惰性阴极，电解槽的阴极电流密度为0.97A/cm2，现在美国研制惰性阳极，在Massena铝厂的工业电解槽上应用试验223d。电流效率达到65%～90%，槽电压为5.8～7.2V，所得铝的纯度为90%～93%。其目标是要达到电流效率85%，槽电压5.0V，铝纯度99.3%。所以很值得研究，我国也应该加大对惰性阳极的研究，及早把惰性阳极应用于生产。国内现在虽然也有众多的惰性阳极研究工作正在进行着，但和国外的理论研究有一定差离。
（二）技术发展前景预测、展望
尽管我国铝用预焙阳极生产得到迅猛发展，但所生产的预焙阳极质量与国际先进水平相比仍有较大差距，在努力全面提高预焙阳极质量的同时，如下技术将得到进一步发展：
（1）对原材料石油焦、沥青的要求将更趋严格，尤其是对微量元素如：Na，V，Ca，Ni，Si，S等的含量将加以控制，这些微量元素的存在影响着预焙阳极的CO2反应性。国际上一些先进的电解铝厂，其炭阳极消耗较低，毛耗490kg/t-AL，与之相比，我国阳极消耗平均要高出100Kg/t-AL左右，因此，对原材料质量的要求将会更加严格。
（2）煅烧技术将得到提高。为进一步提高阳极质量，先进的自动控制配料技术和连续混捏技术必将被生产厂家推广应用。阳极掺杂技术将有新的突破。采用新的添加剂，以改善产品的物理化学性能，提高预焙阳极的密度、强度，增加导电率和抗氧化性，已有新的发展并取得良好效果，今后此技术必将有新的突破。检测方法将同国际接轨。众所周知，我国预焙阳极的质量标准和检测方法与国际存在较大差异，为更好地发展我国铝用预焙阳极工业，参与国际竞争，中国长城铝业公司已与国际铝用炭素权威检测机构———瑞士R&D炭素研究所达成协议，全套引进其检测设备及方法，这将为我国铝用阳极质量再上新的台阶起到积极作用。
（3）新型材料的进一步研究；如探索新型的非沥青粘接剂，从根本上消除沥青烟气对人体和环境构成的危害，减少在阳极工作中因沥青优先氧化而造成碳耗增加的弊端； 进一步研究预焙阳极添加剂以改善阳极的化学和电化学性能，对惰性阳极等新型阳极的研究进一步研究。
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