高質量鋁用陰極的發展方向與應用前景

何 川

（貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，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，煤瀝青等為黏結劑制成的，主要用于制作鋁電解槽炭質內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。在鋁電解生產過程中，陰極不但要起到導電作用，還要承受高溫冰晶石熔體的侵蝕，承受高溫熔鹽的電化學作用。因此，在鋁電解生產過程中，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、導電等特性，在鋁電解槽高溫冶金爐中得到廣泛應用。在電解鋁行業，陰極炭塊是制作電解槽內襯和大修時的重要材料。根據石墨含量與生產方法的不同，鋁用陰極炭塊分為無煙煤基炭塊（包括普通質、半石墨質、高石墨質）、全石墨質和石墨化陰極炭塊，目前主要采用的陰極為高石墨質陰極和石墨化陰極。

表1 鋁用陰極炭塊分類與應用情況

表2 鋁用陰極炭塊分類與應用情況

2 國內外陰極發展趨勢

2.1 國外鋁用陰極現狀

國外鋁廠不配套陰極生產，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%；主要生產企業有德國西格里（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，鋁用陰極炭塊的產品逐漸走向石墨化、大規格化。（2）振動成型工藝逐漸成為陰極生產成型的主流工藝，該工藝具有對產品規格適應性強、均質性好、成品率高、生產維護成本較低等優勢。（3）陰極生產的石墨化工序，由以前的艾奇遜爐工藝向串接爐工藝轉變，大幅度降低了生產電耗。（4）磷鐵澆注、陰極糊料等配套技術近幾年與石墨化炭塊技術同步發展。（5）專業化生產企業正成為市場主流。

2.3 國內鋁用陰極現狀

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

目前國內電解鋁廠主要使用高石墨質陰極炭塊，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，民營企業使用量超過國有企業，例如河南萬基、青銅峽、內蒙古錦聯鋁材、山東魏橋等。

2.4 國內鋁用陰極生產裝備水平

河南萬基、青海分公司等企業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可生產石墨化陰極；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主要裝備以國產設備為主的，大多數沒有電煅爐，主要從市場上購買電煅煤，主要采用國產振動成型機和敞開式焙燒爐，自動化程度較低。

2.5 國內鋁用陰極發展趨勢

（1）鋁用陰極產品仍然會以高石墨質陰極為主。由于鋁市場低迷，電價較高，電解鋁企業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為主；石墨化陰極價格是高石墨質的兩倍左右，加上在國內電解槽使用效果一時不是很明顯，石墨化陰極目前在國內沒有大面積推廣。

（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、熱導率很高、抗鈉侵蝕性強，具有優越的抗熱震性、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），并減少廢舊槽內襯排放量，有益于環境和保護生態，最終提高電解鋁廠的經濟效益和社會效益，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、電解槽穩定性改善（槽電壓擺動減小）、電流效率提高（約1%）、噸鋁電耗降低（約300kWh ／ t·A1）。

表3 國內某電解鋁廠采用高石墨質與石墨化陰極前后對比

（3）陰極炭塊的規格呈現大型化（加長、加寬、加高）。國內今后電解鋁的生產以500kA以上大型槽為主流，陰極炭塊規格呈現大型化，主要體現在加長、加寬、加高。

（4）采用振動成型工藝，專業化生產企業成為市場主流。采用振動成型工藝、由專業化企業生產逐漸成為陰極生產成型主流工藝，該工藝具有對產品規格適應性強、均質性好、成品率高、生產維護成本較低等優點。

（5）石墨化陰極是發展方向。國內鋁用陰極炭塊的發展趨勢為高石墨質、石墨化和大規格化。近段時間鋁用陰極產品仍然會以30%～50%高石墨質陰極為主；將來石墨化陰極的使用比例會逐年增加，預計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用狀況

我國陰極質量整體水平落后于世界先進水平，除少數幾家采用石墨化陰極的企業外，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的國際競爭力，是我國鋁工業可持續發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年便成功研究開發了石墨化陰極生產技術，但每噸石墨化陰極采購價格要高出～5000元，使很多企業望而生畏，不少企業由于資金有限也不得不放棄，因此大部分電解鋁企業仍然采用半石墨質和高石墨質陰極；其次，我國近十幾年來電解鋁的迅猛發展催生了幾十家陰極生產企業，隨著世界經濟放緩，電解鋁產能起伏波動，供應市場出現較大過剩，造成行業惡性競爭，不少企業為了求生存，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石墨碎等劣質原料。由于我國質量檢測機構只對來樣負責，以次充好的現象比較普遍，從而使得我國陰極劣質化現象較為嚴重。

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，容易產生裂紋或剝離，嚴重時會導致漏爐，因而降低槽壽命。可以說鈉侵蝕是炭塊破損的主要原因。

《預焙槽煉鋁》（邱竹賢編著）一書認為“要延長槽壽命，就必須開發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）生產原料對陰極性能的影響。目前，國內電解槽用陰極炭塊以高石墨質炭塊為主，其生產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較大。一般具有煤化度好、強度高、低灰、低硫、熱穩定性高的無煙煤是生產陰極的最佳原料，以這類煤生產出來的陰極炭塊，在電阻率、灰分、機械強度、抗熱沖擊方面都表現優良，在電解生產中相應體現能耗低、壽命長的優點，但原料價格較高。

原料中另一部分為石墨碎，石墨碎選用優質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，石墨質炭塊的牌號就是根據石墨碎的加入量進行區分定價。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的石墨碎原料。

一般情況下，陰極生產的原料占到成本的50%以上，由于市場競爭的激烈，為降低成本，有的企業將上述不適宜摻入的原料加入生產流程，并通過配方及生產參數的調整達到指標數值，電解用戶很難判斷陰極的真正質量，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，保證電煅無煙煤的煅燒質量均勻，防止夾生煤是關鍵。實際生產中，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，工藝及配方參數的控制將有利于生產出均質制品，均勻的陰極質量對電解槽的穩定性運行有很大貢獻，甚至比采用指標更優但質量波動大的陰極制品獲得更好的效益。

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

4 結論

（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的國際競爭力，是我國鋁工業可持續發展的主要頸瓶問題之一。（2）隨著電解槽技術的持續發展，石墨化陰極、陰極炭塊大型化將是未來陰極發展的主要方向，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）陰極生產原料及其生產工藝均對陰極成品質量有較大的影響，只有通過提高生產原料的質量、選擇適合的陰極配方、嚴格控制生產工藝參數等一系列技術及措施才能生產出滿足電解鋁生產需求的優質陰極炭塊。