铝用炭素材料

铝用炭素材料

编者按：冶金百科全书“炭素材料卷”钢铁冶金用炭素材料分支，本刊已于1995年第3期到1999年第1期连载完毕。应广大读者的要求，从本期开始，本刊将继续连载冶金百科全书“炭素材料卷的其他分支”。

1 铝用炭素材料（carbonmaterialfor aluminiummanufacturing)

1）定义以石油焦、沥青焦或无烟煤为主要骨料，以煤沥青等作粘结剂制成的糊类或块类炭素制品，主要供金属铝电解生产过程中用作阴极和阳极，镁冶炼、铁合金生产，一些化工窑炉有时也使用这些炭素材料。

2）作用铝用炭素材料是铝电解工业的支柱材料之一，主要作用为：用作电解槽的阳极，把电流导入电解槽，并参与电化学反应；用作电解槽的阴极内衬，盛装铝液和电解质，并把电流导出电解槽外。

3）分类根据在电解槽中的位置和作用不同，可分为阳极材料和阴极材料两大类（包括糊类和块类制品），见表1。

表1铝用炭素材料分类

4）铝电解工业采用炭素材料的历史电解法制铝的发明和每一次大的技术进步都是和炭素材料的发明和技术发展分不开的。19世纪70年代，已能生产炭质电极和炭质耐腐蚀材料。1888年，美国人霍尔（Hall.C.M）和法国人埃鲁（Heroult.P.L.T）〔1〕分别申请了冰晶石－氧化铝熔盐体系以炭电极为阳极、以石墨坩埚为容器和阴极，电解生产金属铝的专利。这种工业炼铝方法，简称霍尔－埃鲁法，到20世纪90年代，仍是唯一可以适于大规模工业生产金属铝的方法。由于冰晶石－氧化铝体系具有强烈的腐蚀作用，要求电解槽的阳极和阴极材料具有耐高温、导电性能良好、抗腐蚀、杂质少等性能，一百多年的科学试验和生产实践表明，炭素材料是唯一能选作阳极和阴极的廉价的工业材料。图1是铝电解槽结构示意图。

(a)预焙阳极电解槽（中部打壳）(b)预焙阳极电解槽（边部打壳）

(c)上插自焙阳极电解槽(d)侧插自焙阳极电解槽

图1铝电解槽结构示意图

铝电解生产初期，采用小型预焙阳极。1887～1888年间，美国匹兹堡Reduction公司（AICOA公司的前身），瑞士冶金公司（AIAG和Aluoaisse 的前身）依据霍尔－埃鲁法，分别兴建铝电解槽，当时的电流1300～1800A。这种槽阳极横截面积小（8～10cm2），电流密度高（2～4A/cm2），阳极消耗量大（约2kg/kg），电流效率低（50％～60％）。由于当时炭素技术水平不高，阳极质量差，规格小，使电解槽的容量受到限制。

20世纪20年代，按照当时铁合金炉上连续自焙电极形式，在铝电解槽上使用了连续自焙阳极，阳极导电棒采用侧插式（1924年，挪威的Soderberg研制成功连续自焙阳极）。这种槽型在世界范围推广使用，阳极由圆形改为矩形，面积逐渐扩大，电解槽容量随之提高，侧插槽容量可达60kA以上。为了提高操作机械化程度和进一步扩大电解槽容量，1934年，法国彼施涅铝业公司（Pechiney）研制成功上插自焙阳极，随后又实现多功能天车进行阳极操作。上插阳极的发展，使单槽电流容量达100～150kA以上。20世纪80年代，新型自焙阳极电解槽，以炭材料为主体构成的自焙阳极每个重达60～100t，吨铝消耗阳极糊降至600kg 以下。但自焙阳极在使用过程中产生大量有害气体，不利于实现机械化、自动化。

20世纪50年代，由于炭素电极质量的提高以及振动成型制造大规模预焙阳极炭块的成功，由预焙阳极炭块组装而成预焙阳极电解槽被广

泛采用。20世纪80年代后期世界最新式的预焙阳极电解槽，预焙阳极由40余块阳极炭块组成，整个阳极重达50余t，电解槽电流容量已达230kA以上。大型预焙阳极电解槽的电流效率可达93％以上，吨铝消耗阳极炭块降至500kg以下。但是，预焙阳极生产的投资较大。

炭素材料生产技术的发展促进了铝电解工业的发展，从而使铝电解工业成为炭素制品的最大消费部门。图2显示了世界原铝生产产量和炭阳极消耗量。

图2世界原铝生产产量和炭阳极消耗量

我国90年代初，大多数中小电解铝厂采用侧插自焙阳极（30～50kA 电解槽）和上插自焙阳极（80～100kA电解槽），大型电解铝厂多采用预焙阳极（75，135，140，155，160kA电解槽），国内280kA的铝电解槽处于试验阶段。

5）铝电解工业对铝用炭素制品的质量要求炭素材料在铝电解槽中参与导电和电化学反应，并直接与具有强腐蚀性的氟化物熔盐接触，因而，铝电解工业对炭素材料提出如下要求：

①电阻率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。

②体积密度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CO

2

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〔2〕不小于1.36g/cm3。

③机械强度以炭素材料为主体构成的电解槽阳极重达几十吨，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。

④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。

⑤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％。

⑥与CO

2

气体的反应性能炭素材料在950℃左右的高温下使用，处于

电解反应所产生的CO

2气体包围之中，因此，抵抗CO

2

气体渗透和降低其

反应性，成为铝用炭素材料的一项特殊性能要求。铝用炭素材料CO

2

反应性能指标为：

与CO

2

的反应总消耗率，炭块类，小于40mg/（cm2．h）；炭糊类，

小于60mg/（cm2．h）；

气化率，炭块类，小于20％；炭糊类，小于30％；

脱落度，炭块类，小于10％，炭糊类，小于15％。

⑦电解膨胀率阴极材料长期受到电解质的化学腐蚀而被破坏，电解膨胀率（或破损系数）表示阴极材料在电解过程中抵抗电解质腐蚀的能力。阴极材料的电解膨胀率小于1.4％，破损系数小于1.5。

6）我国铝用炭素工业概况我国铝用炭素工业是与铝工业相伴发展起来的。中华人民共和国建立之前，我国没有单独的铝工业和铝用炭素工业。在台湾高雄和东北的抚顺，日本人开办的两个小铝厂设有阳极糊车间。50年代，我国第一家铝厂——抚顺铝厂、第一家炭素厂——吉林炭素厂建有阳极糊和阴极炭块生产线。50年代以来，我国相继建立的抚顺、山东、包头、郑州、青铜峡、贵州、兰州、青海等铝厂，都建有铝用阳极材料生产线。70年代以前，各大铝厂主要生产和使用阳极糊，当时有十几家地方小铝厂，自己不设阳极糊生产，所用阳极糊从各大铝厂购进。70年代以后，我国自行研制成功预焙阳极炭块制造技术和预焙阳极电解槽技术；80年代初，从国外引进了先进的预焙阳极炭块制造及预焙阳极电解槽技术，这使我国铝电解工业和铝用炭素工业获得巨大发展。贵州、抚顺、包头、郑州、白银、青海等大铝厂都部分或全部采用本厂生产的预焙阳极炭块。80年代投产的大型铝工业基地——平果铝业公司也是采用预焙阳极。90年代，全国还有50余家中小铝厂，它们中约有半数厂家自己生产阳极糊。

80年代以前，我国铝用阴极制品主要由吉林炭素厂、兰州炭素厂、上海炭素厂等供应的普通阴极炭块及糊类。80年代初，贵州铝厂从日本引进了半石墨阴极炭块及阴极糊类生产线，促进了我国阴极生产技术的发展，随后建立的山西炭素厂是我国阴极制品的专业生产厂家。

80年代，我国为铝电解服务的有几十家中小炭素厂，它们主要生产阳极糊、阴极炭块、侧部炭块等。1992年，全国铝用炭素制品生产能力约66万t/a，见表2。到90年代中期，我国铝用炭素制品年产量近100万t。

7）我国铝用炭素材料的科研进展铝用炭素材料的质量对铝电解生产的电流效率、直流电耗和生产成本影响很大。1984年，中国有色金属工业总公司成立后，提出“优先发展铝”的方针，十分重视铝用炭素的科技发展。1985年成立了以郑州轻金属研究院为组长单位的铝用炭素科技协作网，把“提高铝用炭素材料质量”列为国家“七五”科技攻关项目，拨100多万元专款在郑州轻金属研究院建立铝用炭素研究室和铝用炭素质检中心，为全国铝行业和铝用炭素行业服务。1985年以来，全国科研、设计、生产几十家单位联合攻关，已先后成功研制了半石墨阴极炭块、干阳极糊、添加剂阳极糊、SiC侧部炭块、冷捣糊、大颗粒配方、改质沥青、多工位震动成型机等新产品、新技术、新装备；并先后开发了一系列铝用炭素专用的检测设备，如阴极材料电解膨胀率测定仪、阳极材料CO2反应性测定仪等。

参考文献：

〔1〕邱竹贤 预焙槽炼铝〔M〕．北京：冶金工业出版社，1988．〔2〕黄永忠，等．铝电解生产〔M〕．长沙：中南工业大学出版社，1994．

王平甫罗英涛供稿待续