鋁電解用石墨化陰極專利技術綜述

摘 要：鋁業發展水平決定了一個國家的經濟、工業發展水平。因而文章針對目前鋁電解用石墨化陰極的使用進行了論述，以及國內外鋁電解用石墨化陰極方面的專利技術，從兩方面論述了目前世界石墨化陰極主要的研究方向，即如何對石墨化陰極的耐磨性以及強度進行提高，如何避免陰極兩端由于電流過于集中而首先被侵蝕。由此可以了解當前世界鋁電解用石墨化陰極的技術方向。

關鍵詞：鋁；電解；石墨化陰極

鋁是地殼中儲量居第三位的元素，在各種金屬元素中鋁居首位。鋁是許多礦物的重要組元，包括泥土、鋁土礦、云母、氟石、明礬石、冰晶石等。由于鋁具有質輕、良好的導熱性和導電性、可加工性以及構成高強度、耐腐蝕性的合金和可再生循環利用等優良的性能，因而鋁成為有色金屬中應用最廣泛的金屬，鋁在全世界的消耗量僅次于鋼鐵，是第二大基礎金屬材料。隨著冶金技術的發展，電解法煉鋁己成為工業生產原鋁的唯一方法。而在電解鋁工業中與其配套的陰極炭素工業的興衰也和世界鋁業形勢密切相連。研究和開發高品質陰極炭塊，已經成為我國電解鋁陰極今后的發展主題。

1 石墨化陰極的發展

根據原料和生產工藝的不同，電解鋁用陰極大致可分為五類，即無定形、半石墨質、高石墨質、全石墨質和石墨化等陰極炭塊。

而目前國際市場上已經很少使用半石墨質炭塊以及無定形炭塊，但是一些發展中國家仍舊使用該種材料。石墨質炭塊具有較高的綜合性能，北美、西歐使用該種材料較為廣泛，我國鋁業生產中也常使用該種材料。中國鋁業股份有限公司在2004年提出了高石墨質陰極炭塊的生產方法（CN1651611A）。自2004年以來，為了滿足大型預焙槽的使用要求，國內企業陸續開發了全石墨質和石墨化炭塊，例如：2004年4月15日蘭州海龍新材料科技股份有限公司提出了專利申請（CN1683597A），該專利中介紹了一種鋁電解槽用石墨化陰極炭塊及其制備方法，原料為煤瀝青，石油焦或瀝青焦，Fe2O3粉，硬脂酸，以石油焦或瀝青焦為骨料以煤瀝青為粘結劑，加入Fe2O3粉防止制品在石墨化過程中發生氣脹，使用硬脂酸提高糊料的塑性，經混捏，涼料，擠壓成型，焙燒，浸漬，二燒，內串石墨化得到石墨化陰極炭塊；2004年7月2日貴陽鋁鎂設計院提出了專利申請（CN1594662A），該專利中介紹了一種石墨化陰極生產工藝，其選用延遲石油焦、瀝青焦混合，經煅燒后，破碎篩分，混合后加入硬質瀝青粘結劑，經過混捏，加工成毛坯，經焙燒將粘結劑瀝青碳化，制得石墨化陰極炭塊。2007年4月9日中國鋁業股份有限公司提出了專利申請（CN101158047A），該專利中介紹了一種鋁電解槽用的石墨化可潤濕陰極炭塊的生產方法，其生產過程是以煅燒石油焦、瀝青焦、石墨化石油焦、石墨化冶金焦的一種或一種以上為骨料，以煤瀝青、煤焦油為粘結劑，將經過破碎、篩分的骨料按比例配合在一起，加入能夠控溫加熱的容器，并加入粘結劑，混捏，將混捏好的陰極基體糊料放入振動成型機成型模具內成型后，再在成型模具中放入硼酸、TiO2、炭質材料及粘結劑組成的可潤濕層糊料，進行一體化振動成型，將成型后的炭塊生坯焙燒后，進行石墨化焙燒處理，進而得到石墨化可潤濕陰極炭塊。

國外石墨化陰極發展較早，使用普遍，日本Sumitomo Aluminum Smelting Co.Ltd.和Kyowa Carbon Company，Limited于1970年首次申請了鋁電解槽用石墨化陰極專利（US4046650）。

2 石墨化陰極研究的發展方向

石墨化陰極具有很多優良特性，例如，電阻率很低，導熱率很高，抗鈉膨脹性好以及熱應力低。然而，事物具有優勢必然存在缺陷，石墨化陰極的缺陷主要有兩方面：（1）其耐磨性相對較差，強度相對較低，其磨損速率相對較快；（2）電阻率低，在陰極電流容易集中在電極的兩端，因而兩端容易受到侵蝕。目前，國內外對于石墨化陰極的研究也主要集中在如何克服石墨化陰極存在的上述缺點。

2.1 提高石墨化陰極的強度和耐磨性

目前提高石墨化陰極的強度和耐蝕性的方法主要有：（1）在石墨化陰極上制備涂層，例如：將石墨化后的陰極塊進行浸漬，通過石油瀝青或者煤瀝青的浸漬后再進行焙燒，由于石墨氣孔被涂了一層炭，因而使得石墨化陰極的耐磨性得以提高，但是導熱性能以及導電性能不會發生改變。（FR2789093）。或者采用二硼化鈦等離子體噴射至陰極塊表面形成含有至少80%重量的二硼化鈦的涂層（DE19714433A）。（2）改善焙燒工藝，例如：四川廣漢士達碳素股份有限公司采用硫含量1～3%的高硫石油焦、改質煤瀝青為原料，經煅燒、破碎、篩分、磨粉、配料、濕混、大型震動成型、焙燒、浸漬、二次焙燒、內串石墨化得到石墨化陰極，工序中運用二次高溫煅燒技術，有效的除去了高硫石油焦中的硫份。其所制得的耐磨蝕石墨化陰極炭塊強度高，氣孔率低，耐鋁液沖刷磨蝕性好（CN101665957A）。

2.2 防止陰極兩端首先被蝕損造成的鋁電解槽壽命低

目前防止陰極兩端首先被蝕損造成的鋁電解槽壽命低的方法主要有：（1）石墨化陰極采用拼接的方法制備，例如：由相互獨立的三部分拼接而成的石墨化陰極，該陰極的兩端部分的電阻率高中間部分的電阻率相對較低，在電解過程中使電流均勻地流過陰極塊，減小陰極兩端電流的集中程度（JP200226091）。或者由兩部分組成的石墨化陰極，沿長度方向，電阻率分布呈“V”字型。陰極塊從中間到兩端，電阻率依次升高，兩端電阻率與中間部位電阻率之比為1.05：1（DE10164008C1）。（2）通過改善石墨化工藝，使石墨化陰極兩端處的電阻率高于中間處在電解槽中使用時，可以使電流向陰極中間部位推移，使電流分布均勻，避免石墨化陰極的局部過度蝕損，有效延長電解槽壽命（JP2000149588，FR2789091，DE10164008C1）。

3 結束語

中國是原鋁的生產和消費大國，而鋁電解技術的發展與發達國家還有一定的差距，陰極炭塊的使用壽命是影響大型槽鋁電解生產槽壽命的一個重要因素，因而，進一步提高石墨化陰極的耐磨性和耐蝕性是今后研究的主要方向和焦點。

參考文獻

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