鋁電解用陰極糊性能探究

谷柳|文

陰極糊主要用于填充炭塊與炭塊之間、炭塊與電解槽之間和其他部位之間的縫隙，以及用于鋁電解槽的墊層。陰極糊作為鋁電解槽陰極材料中的重要組成部分，其用量占所有陰極材料總量的25%左右，相當于整個電解槽槽底面積的25%。但是，這種用量占據陰極材料四分之一的陰極糊，與炭塊之間的成分存在不可避免的差異，致使在鋁電解生產過程中，電解質溶液與炭塊之間會由于鈉離子的滲透形成一種層狀化合物，導致陰極炭塊膨脹、破損，乃至最終停槽。因此，陰極糊的質量是影響電解槽效率以及壽命的重要原因之一。所以，對鋁電解用陰極糊的性能指標進行研究極其重要。

陰極糊的質量是影響電解槽效率以及壽命的重要原因之一。本文對鋁電解用陰極糊的性能指標進行研究探討，希望炭素生產企業進一步改善陰極糊配方及生產工藝，促進電解鋁行業的發展。

中國鋁電解用陰極糊的發展

中國鋁電解用陰極糊的發展主要經歷了三個階段，分別以熱搗糊、冷搗糊與熱搗糊并存和以冷搗糊為主導地位，其中冷搗糊與熱搗糊并存時期多以施工溫度為70℃的溫搗糊（又稱之為中溫糊）為主。

鋁電解用陰極糊發展的初期，鋁廠多采用煅燒石油焦為原材料的熱搗糊，這種熱搗糊即為炭素生產企業已經在生產的陽極糊，被直接用于填充炭塊間和炭塊與電解槽之間的縫隙。

但是施工溫度在100℃以上的熱搗糊，對電解槽筑爐時的條件要求較高。所以，炭素生產企業均投入資金對低施工溫度的陰極糊進行研發，即煅燒石油焦基冷搗糊，其中還添加煤瀝青和煤焦油作為粘結劑。由于冷搗糊的施工溫度低（30℃左右），可以在室溫下進行施工而無需加熱，因此可以有效節約能源、減少筑爐成本，并且可以在一定程度上延長電解槽的壽命。之后，炭素生產企業不斷調整陰極糊配方、改進生產工藝，轉而采用煅燒無煙煤和石墨作為主要原材料生產陰極糊，從而降低陰極糊的抗壓強度，提高電解槽的使用壽命。

此外，陰極糊作為陰極材料配套陰極炭塊使用，其性能指標也應該與陰極炭塊形成配套。考慮到中國陰極炭塊和陰極糊的生產情況，以及企業降本的需求，石墨質陰極炭塊和全石墨陰極炭塊多采用熱搗糊和溫搗糊。但是，熱搗糊和溫搗糊卻無法匹配石墨化陰極炭塊進行使用，石墨化陰極炭塊作為降低大型預焙電解槽生產成本的有效利器，急需確定與之相配套的冷搗糊的性能指標。

表1 不同企業內襯糊的理化性能指標典型值

表2 不同企業鋼棒糊的理化性能指標典型值

國內外冷搗糊性能指標對比

冷搗糊根據其使用位置不同，可以分為兩種：內襯糊（包括周圍糊和炭間糊）和鋼棒糊。內襯糊適用于填充底部炭塊與側部炭塊、耐火磚之間的縫隙，以及炭塊之間的縫隙；鋼棒糊適用于填充陰極鋼棒與炭塊之間的縫隙。不同使用位置的陰極糊，其性能指標也有所差異。

根據對不同炭素生產企業調研、取樣，得到內襯糊的理化性能指標典型值如表1所示，鋼棒糊的理化性能指標典型值如表2所示。

而在國外眾多的相關產品中，并沒有統一的國際標準對陰極糊性能進行規定。因此，此處選取了國外陰極糊產品的典型值與指標體系進行分析，見表3。

表3 國外陰極糊產品的理化性能指標的典型值

國外陰極糊產品的理化性能指標，除包含我國目前常用的電阻率、抗壓強度、體積密度、灰分等指標外，還增加了導熱率、氣孔率等指標，可以較全面地反映陰極糊在鋁電解槽筑爐和焙燒氣動過程中的性能要求。但是由于國內生產技術與測試技術的限制，部分性能指標很難得到準確的數據，有待進一步的研究。對于已有數據，對比國內外陰極糊產品的性能指標，內襯糊和鋼棒糊的各項性能指標均接近國際先進水平。

冷搗糊重點性能指標分析

1.電阻率

內襯糊的電阻率應大于陰極炭塊的電阻率，方能有效保護周圍糊縫和炭塊間糊縫。石墨化陰極炭塊的電阻率在9.1～11.8μΩ·m范圍內，在兼顧電解鋁用戶需求和生產廠家成本的基礎上，該性能指標無需過低。

鋼棒糊的電阻率對陰極鋼棒有所影響，鋼棒糊電阻率越小，可以減少扎固后陰極炭塊的壓降，從而達到節約電能、降低噸鋁電耗的目的。因此該性能指標應高于內襯糊的電阻率。

2.耐壓強度

陰極糊的耐壓強度與鋁電解槽的壽命關系密切。陰極糊的耐壓強度不能高于陰極炭塊的耐壓強度，方能對陰極炭塊起到保護作用。如果內襯出現較大應力，周邊糊縫開裂可以緩沖應力。若陰極糊耐壓強度高于陰極炭塊的耐壓強度，在出現較大應力時，會導致陰極炭塊開裂，降低電解槽使用壽命。考慮到石墨化陰極炭塊的耐壓強度為19.8～30.5MPa，該性能指標應低于該值。

3.表觀密度與真密度

表觀密度是判斷和表征焙燒后陰極糊內部顆粒的結構和排列是否均質、有序和致密的依據。表觀密度越高，更有利于提高產品的抗滲透能力，因此該性能指標越高越好。

真密度關乎于陰極糊的導電性能和抗鈉侵蝕性能，真密度越高，陰極糊的導電性能越好、抗鈉侵蝕能力越高，從而使用壽命越長。因此該性能指標越高越好。

展望

（1）國際上沒有統一的國際標準對陰極糊產品進行規定，應盡快制定相應國際標準，以滿足陰極糊產品國際貿易的需求。

（2）國內陰極糊常規理化性能指標接近國際先進指標，但仍缺少導熱率、氣孔率等指標數據，需要炭素生產企業進行深一步研究。

（3）對于國內陰極糊常規理化性能指標，仍需進一步探索其與電解槽使用壽命、電解效率之間的關系，以便炭素生產企業進一步改善陰極糊配方及生產工藝，促進電解鋁行業的發展。