鋁用異型陰極炭塊的材質與生產加工

楊 軍,寧湘南

（中電投 寧夏能源鋁業青鑫炭素公司）

鋁用異型陰極炭塊的材質與生產加工

楊 軍,寧湘南

（中電投 寧夏能源鋁業青鑫炭素公司）

異型陰極炭塊如何選擇材質影響槽壽命,加工工藝要保證砌筑要求.

由東北大學馮乃祥教授發明的鋁用異型陰極炭塊最顯著的特點之一就是將陰極炭塊工作面設計為凸起,變平整的陰極為帶槽溝.研究者認為,采用異型陰極結構電解槽在陰極炭塊表面形成若干凸起,可以減緩鋁液流速和降低鋁液波動高度,從而提高鋁液的穩定性,提高電流效率和降低極距,降低電耗.

與發明者合作,青鑫炭素公司開發 350 kA鋁電解槽異型陰極炭塊,現在已經應用于生產實踐.

1 炭塊的材質

陰極炭塊如采用無煙煤基,即不加石墨碎,是否合適呢?僅就國內而言,經過近 30年的發展,鋁用陰極炭塊材質經歷了從無煙煤基普通炭塊,到石墨含量在 15%以下的半石墨質炭塊,再到近年來大行其道、被廣泛應用于大型預焙電解槽的高石墨質陰極炭塊 （石墨含量在 30%以上）,以及石墨含量為 100%的全石墨質陰極炭塊,和處于高端技術檔次的石墨化陰極炭塊.由于無煙煤的特性,無煙煤基陰極炭塊的強度相對較高,在電解槽中的抗沖刷能力強——尤其是針對異型陰極炭塊,它的凸起在電解槽中被流動的高溫鋁水反復沖刷、侵蝕.但是它的電阻率較高,達55μΩ·m以上,且抗鈉侵蝕能力較弱;同時考慮到配套的陰極糊的技術匹配問題,故從材質上講,無煙煤基陰極炭塊屬國內淘汰產品不宜采用.目前,國內鋁用陰極炭塊技術標準已由 YS/T287-2007替代以前標準,在新標準中也尚無無煙煤基陰極炭塊的質量標準,主要是理化指標的標準.

考慮到這種異型炭塊凸起的顯著特征,同時兼顧炭塊本身的抗侵蝕性和導電性能——如采用石墨化陰極炭塊,它的強度較低,耐沖刷能力的不足.因此,可以采用高石墨質陰極炭塊進行試驗.

2 異型炭塊的生產

國內 350 kA鋁電解槽原設計采用的 HC35高石墨質陰極炭塊規格主要為 525mm ×450mm×3 340 mm.考慮到加工余量,將生塊毛坯規格確定為 590mm ×560mm ×3 550mm.

陰極炭塊采用 HC35系列配方.為便于試驗對比,新型陰極炭塊的理化性能應與現 350 kA電解系列所采用的高石墨質炭塊一致.與研究單位、應用單位協作,跟蹤反饋試驗槽運行試驗信息,以優化新型陰極炭塊技術性能.

根據設計者提供的成品規格圖紙,將異型陰極炭塊的加工工序分解為銑面、劃痕、開鋼棒槽以及炭塊工作面和縱向凹槽的加工,最后是橫向凹槽的加工.為滿足新型炭塊加工大批量需要,設計了新的槽床技術方案,以購進新型設備進行多種新型炭塊的加工.

對東北大學設計的異型炭塊的結構形式,進行了分析.考慮到凸起的有效高度,將炭塊的總高度確定為 560mm.為便于制作刀具,有效縮短加工刀具制作周期,炭塊工作面圓弧槽及側部圓弧尺寸由 R 37.5改為 R 40.炭塊寬度為 525mm,鋼棒槽底角部斜度參照現采用的350 kA電解槽陰極炭塊尺寸,即 15×45°.陰極炭塊的表面劃痕與350 kA電解槽陰極炭塊一致.這種產品生產的不足之處在于,在加工生產中也存在著生產工序復雜,其中開槽需 5次,吊裝、轉運繁雜,因而生產效率低,加工進度緩慢.

產品樣圖如圖 1所示.

3 炭塊的應用

2009年下半年,向青銅峽鋁業 350 kA電解系列提供了三臺試驗槽的異型陰極炭塊.目前試驗槽已運行半年多,鋁電解廠和炭塊的生產者 ,以及設計者,按計劃對試驗槽進行能量平衡等測試與分析,并進行試驗槽技術改進與完善,同時確定下一步推廣應用的計劃.

圖 1 異型陰極炭塊產品樣圖

目前試驗槽的技術指標也在進一步驗證著姚世煥先生在撰文中在的一句話:“這提供了一條降低電耗的新途徑,如果在 300 kA以上電解槽應用,其效果將會充分發揮.積極開發工業化低電耗的電解槽,包括異型陰極和導流槽的工業化應用,研究在低極距的條件下讓電流效率盡可能的提高,以達到節電的效能”.

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1671-6620（2010）S1-0085-01