中国铝用阴极炭块的现状与发展

随着我国铝工业的迅猛发展，电解铝技术日新 月异，电解槽容量增大，砌筑电解槽用阴极炭块的 规格逐步向大型化方向发展。 由于电解槽容量增 大，使得铝电解过程中电场、磁场、热场更加复杂 化，因此对阴极炭块的技术要求越来越高。 为适应 现代高效能、大型化、强电流铝电解槽技术发展的 需要， 电解槽阴极设计必须保证有较长的工作寿 命、较好的保温、较规整的槽膛以及底部阴极炭块
我国电解铝产量激增，是与近几年新建电解铝 厂采用最新技术及建设速度快相关。 2008 年以来， 国内新建的电解系列几乎全部采用 300～400 kA 新 技术。 系列电流 160 kA 及以下的电解槽不少已经 被淘汰关闭。 目前我国 80%的铝产量来源于 200～ 400 kA 的电解槽。 表 2 为近几年我国电解铝新技术 与旧技术比较。 2.3 中国铝用阴极炭块质量改进措施
作 者 简 介 ：潘 三 红 男 汉 族 ，1967 年 12 月 生 ，工 程 师 ，现 从事炭素生产工艺技术研究与管理工作，在《炭素技术》发 表论文 11 篇，获省 部 级 科 技 进 步 奖 1 项 ，主 编 的 《铝 用 炭 素 煅烧工培训教材》由中国矿业大学出版社出版。 收 稿 日 期 ：2011－02－01
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炭素技术
第 30 卷
料总产量达 40 万 t 以上，产品品种逐渐增多，增加 了石墨含量为 30%，50%，100%的阴极炭块、石墨化 阴极炭块和优质阴极糊料。
2 我国铝用阴极炭块质量的改进措施及取 得的主要技术进步
2.1 中国铝产量的发展情况 铝用阴极炭块生产技术发展是与电解铝技术的
进步密不可分的。 自改革开放以来，特别是近十多年 来，中国电解铝生产连续多年发展势头迅猛，见表 1， 从 2002 年起， 中国电解铝产量增加量每年都在 100 万 t 以上，年铝产量连续增加量居世界第一，2007 年 更是创造了年铝产量增加量 321 万 t 的世界纪录。 2008 年下半年起受金融危机的影响产量有所降低， 转入起伏波动期,2009 年同比下降 2.51%。 2.2 中国电解铝技术进步情况
大于 10 万 t/年
1~2 万 t/年 云铝、太谷、山晋、新平、平定、灵石宏源、东兴、 祁县三利、华宇、宝光、眉县、平遥、运城、吉林 长春、兰州、青海大同铝业炭素、山东兖矿炭素、 士达眉山炭素等。
20 万 t/年
小于 1 万 t/年 祁县、宇通、包头、乌海、 平阴、河北冀州、新化等。
10 万 t/年
第4期
潘三红 中国铝用阴极炭块的现状与发展
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表 4 我国阴极炭块生产厂家产能分布 Table 4 Distribution of cathode carbon block capacity and factories in china
产能 单位名称
产能合计
大于 2 万 t/年 贵铝炭素、青铜峡青鑫 炭素、河南万基铝业炭 素、山西晋阳炭素等。
纪 50 年代开始使用石墨及半石墨阴极炭块， 这种 材料比普通炭块导电、导热性能好，耐电解质侵蚀 能力强，有较好的强度和抗热震性能；惰性阴极材 料（如 TiC、NbN、TiB2 等）、SiC 侧部材料是铝电解槽 的新型阴极材料。
中国铝用阴极炭素材料的生产是与铝工业同 步发展起来的，1954 年第一个铝厂— ——抚顺铝厂投 产，以后其他铝厂陆续投产建设，与其相适应的铝 用 炭 素 材 料 也 逐 步 发 展 起 来 。 在 20 世 纪 50 年 代 初， 吉林炭素厂年产 2 000 t 阴极炭块及配套糊料 生产线建成投产。 其后，陆续建成的兰州炭素厂、上 海炭素厂、山西炭素厂都生产阴极炭素材料。 20 世 纪 70 年代，我国已能生产规格为 400 mm ×400 mm 普通阴极炭块，全国的生产规模约为 1.7 万 t（含糊 0.4 万 t）。 20 世纪 80 年代初贵州铝厂从日本引进了 以电煅无烟煤为主要原料生产阴极炭块和配套阴 极糊料的生产线， 可以生产规格为 3 250 mm×515 mm×450 mm 的半石墨阴极炭块及其配套半石墨阴 极糊， 供大型预焙电解槽使用，1992 年扩建后产能 达 2.0 万 t，其中含糊料 0.6 万 t，使我国阴极炭素材 料生产的装备水平、产品质量有很大提高。“七五” 、 “八五”期间，国家实行“优先发展铝”的方针，阴极 材料的生产得到迅速发展， 有 30 余家中小企业先 后投产。 20 世纪 90 年代中期以来，全国铝用阴极材
（4） 可 浸 渍 的 硼 化 钛 涂 层 惰 性 阴 极 技 术 得 到 了 进一步发展。
（5）2008 年以来，为应对世界金融危机的影响， 加大了对电解槽节能的研究。 国内首创的新型阴极 结构高效节能铝电解槽试验与研制成功；高质量高 效节能铝用异型阴极炭块研发成功并批量生产，投 入使用后，运行效果良好。
有较均匀的温度和电流分布。 经研究，大型电解槽 对阴极炭块的主要技术要求是：（1） 有较高的导电 性； （2）有较高的强度； （3）对电解质和钠有较高的 耐侵蚀能力和耐冲刷能力。
为达到上述要求，必须提高铝用阴极炭块的石 墨化程度和内部结构的均质性，以降低炭块的电阻 率，提高炭块的耐侵蚀能力和耐冲刷能力。 曾对不 同石墨含量的炭块进行对比试验,并用“寿命系数” 来代表炭块的质量。 实验结果见表 3。
系列产能/ 万 t/年 20 以上 10 以下
吨铝直流电耗/ 间/ 年 1 2～3
表 3 石墨含量对炭块质量的影响 Table 3 Influence of graphite content on carbon block quality
石墨含量/% 抗压强度/MPa 电阻率/μΩ·m ※寿命系数/min
进步，并针对存在的问题提出了发展思路。
关键词：阴极炭块；电解铝；技术进步
中图分类号：TQ127．1 1; TF821
文 献 标 识 码 ：B
文 章 编 号 ：1001-3741（2011）04-41-04
Situation and development of cathode carbon blocks for aluminium in China
表 1 中国电解铝产量的变化 万 t/年 Table 1 Electrolytic aluminium output change in China （Ten
thousand tons per year）
年份 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 铝产量 342 433 556 667 778 935 1256 1336 1285
品 。 现 阶 段 实 际 使 用 中 以 30% 石 墨 质 品 种 为 主 ， 50%和 100%石墨质阴极炭块使用量逐步加大的趋 势非常明显。
（2） 开 发 出 高 质 量 的 “ 氮 化 硅 结 合 碳 化 硅 ” 阴 极 块及配套产品。
（3）开 发 出 了 以 石 油 焦 为 原 料 ，利 用 内 串 石 墨 化炉生产的铝用石墨化阴极炭块。 这些石墨化阴极 炭块在一些铝厂部分槽使用（青海、伊川、万基铝业 等）。 新安万基铝业公司的一期 2 万 t 石墨化阴极炭 块项目已生产出了高质量的石墨化阴极炭块，并已 投入电解槽使用并出口到国外。
铝用炭素材料具有抗高温、耐腐蚀、导电性能 好等特性，因此，自从 1886 年霍尔（Hall）和埃 鲁 特 （Heroult） 发 明 电 解 法 生 产 金 属 铝 以 来 ， 就 一 直 被 用 作铝电解槽的内衬和导电阴极。 最初使用的是用炭 糊捣打成的整体炭素阴极；1920 年出现了预焙阴极 炭块，为提高抗电解质侵蚀能力，现在用煅烧无烟 煤为骨料进行生产，并称之为普通阴极炭块；本世
（2）使用优质改质沥青; （3）杜绝使用高灰分的冶金焦; （4）配方中石墨碎的比例增加到 30%、50%、80%、 100%; （5）以石油焦为原料，生产石墨化阴极炭块； （6）用 浸 渍 的 方 法 进 一 步 改 善 内 部 结 构 ，增 密 补强，降低电阻率; （7）惰性复合材料的使用。 2.4 铝用阴极炭块生产的主要技术进步情况 （1）高 石 墨 质 无 定 型 阴 极 炭 块 已 普 遍 推 广 ，基 本淘汰了无定型的普通阴极炭块和半石墨质阴极 炭块，配方中人造石墨的含量增加，炭块各项性能 稳定提高。 成功开发出石墨含 量 30%、50%、80%、 100% 的 高 石 墨 质 铝 用 阴 极 炭 块 及 配 套 糊 料 系 列 产
（6）引进国外进口大吨位抽真空振动成型机（例 如河南万基铝业、 青铜峡青鑫炭素公司引进的德国 振动成型机） 及国内大吨位振动成型机生产的 4400 mm×(600～700 mm）×450 mm 阴极炭块推广使用，并 探索出了一套成熟生产经验。
由表 3 可见，随着石墨含量的增加，炭块的导 电性明显增强，寿命系数显著提高。 基于这一原理， 借鉴国外铝用阴极炭块的生产经验，目前国内对铝 用炭块已经采取了如下生产工艺技术改进措施，并 已实现工业化应用。
（1） 用 电 煅 烧 炉 煅 烧 无 烟 煤 替 代 普 通 煅 烧 无 烟 煤，提高了无烟煤的煅烧温度，使无烟煤达到了半 石墨化，提高了煅后无烟煤的导电率和抗钠侵蚀能 力;
0
28.5
108.5
7.6
10
25.8
73.9
9.4
20
24.3
61.5
10.1
30
22.3
53.9
9.7
50
18.2
41.9
11.5
60
18.7
34.7
16.0
80
25.9
24.7
36.6
100
15.9
20.5
51.9
注： 寿命系数是指一根长为 60 mm 的炭块试 样 在 电 解 质中反应，电解质渗透到炭块试样中使试样膨胀，试样 伸长 0.1%所需要的时间。
PAN San-hong, MI Shou-jie
（Yankuang Carbon Co., Ltd., Shandong Zoucheng 273500， China）