淺談石墨化陰極炭塊的發展現狀及應用前景

谷柳｜文

本文通過對國內石墨化陰極炭塊理化性能指標的研究，以及通過其與高石墨質陰極炭塊的對比，對石墨化陰極炭塊在電解槽上應用時的優勢、推廣應用中存在的問題，以及應用前景進行了分析與說明，為電解鋁節能生產提供了新途徑。

石墨化陰極炭塊的背景

經過了六十多年的發展，鋁電解行業取得了令人矚目的成就。截至2017年，國內電解鋁在產產量為3227.3萬噸，中國電解鋁產能現居世界首位。目前，400kA以上大型預焙電解槽占國內電解鋁產能的50%以上，甚至已有世界首條600kA的電解槽投產，目前運行平穩、技術指標良好。鋁電解行業已發生了質的飛躍！

隨著大型預焙電解槽在國內的普及，電解槽大型化的問題也逐漸暴露出來。我國最先進的大型預焙電解槽與國外先進國家的大型預焙電解槽相比，各項技術指標都較為接近，但壽命較短、熱平衡難以控制、電解槽穩定性差。究其原因，是陰極炭塊與大型預焙電解槽匹配度不夠所致。

從對國內各電解鋁生產企業的調研看，根據其自身槽型結構、電流強度和技術狀況的不同，常用高石墨質陰極炭塊、全石墨質陰極炭塊和石墨化陰極炭塊等。高石墨質陰極炭塊的石墨化程度較普通炭塊有了較大的提升，可以提高電解槽的穩定性，但無法解決電解槽熱平衡難以控制的問題。而石墨化陰極炭塊的誕生，標志著陰極炭塊的生產取得了技術性的突破。石墨化陰極炭塊具有高導電率、高導熱率、高抗鈉侵蝕性能和高抗熱震性能，可以有效解決電解槽熱平衡難以控制的問題。

自2006年石墨化陰極炭塊研發成功以來，經過對生產工藝和生產技術的不斷優化與改進，現如今國內石墨化陰極炭塊的生產水平和理化性能指標已優于國外同類產品，其潛在生產產能大約在20萬噸/年。

石墨化陰極炭塊的性能指標分析

1.2007年與2017年石墨化陰極炭塊理化性能指標的對比

2006年，石墨化陰極炭塊研發成功后，首次制定了YS/T 699-2009《鋁電解用石墨化陰極炭塊》標準。此時，國內石墨化陰極炭塊的生產還處于摸索階段。該版標準主要參考了法國沙瓦公司生產的石墨化陰極炭塊的理化指標體系，再結合國內實際情況，制定了代表當時國內石墨化陰極炭塊生產水平的標準。

為了滿足下游客戶的需求，以及促進石墨化陰極炭塊產品質量的整體提升，工信部下達了對YS/T 699的修訂計劃。由山西亮宇炭素有限公司牽頭，對國內主要石墨化陰極炭塊企業進行了走訪調研。

由表1可知，經過近十年的發展，目前國內石墨化陰極炭塊的理化性能指標有所提升。相較于產品研發初期，石墨化陰極炭塊的質量得到了較大提高，可以有效延長電解槽使用壽命，降低電解鋁所需成本。

表1 2009版標準與2018版調研所得石墨化陰極炭塊的理化性能

2.石墨化陰極炭塊與高石墨質陰極炭塊的理化性能指標的對比

現如今，國內鋁電解生產企業可選擇使用的陰極炭塊種類較少，大多數鋁電解槽采用 30%（GS-3）、50%（GS-5）高石墨質陰極炭塊和石墨化陰極炭塊，其理化性能指標對比見表2。

據研究表明，在電解槽運行過程中，熱沖擊、鈉侵蝕、電化學腐蝕和機械磨損會影響陰極炭塊的使用壽命。此外，電解槽的電流效率也受到陰極炭塊導電性的影響。因此，陰極炭塊應具有抗熱震性、抗鈉侵蝕性以及良好的導電性。

（1）抗熱震性。陰極炭塊的抗熱震性能是指其在電解過程中，經受高溫劇變不被破壞的性能。當溫度發生劇變時，若炭塊不能及時將熱量傳出，炭塊內部和表面會出現較大的溫度梯度，產生膨脹和收縮不均，從而產生熱應力，當熱應力達到極限后，陰極炭塊被損壞。

因此，要提高陰極炭塊的抗熱震性，必須從減小熱應力的產生、緩沖熱應力的發展和增強抵抗熱應力。而熱膨脹系數、熱導率、楊氏模量、機械強度等指標，是衡量其抗熱震性能是否優異的綜合體現。從表2分析可知，石墨化陰極炭塊的抗熱震性能指標優于現普遍使用的高石墨質陰極炭塊。

（2）抗鈉侵蝕性。陰極炭塊的鈉侵蝕是指其在電解過程中，鈉離子滲透到陰極炭塊內部，導致電解槽在運行過程中，產生高溫膨脹，致使陰極炭塊破裂、中間隆起及槽殼變形的現象。事實上，陰極炭塊的抗鈉侵蝕性與石墨化程度有關，而與其生產工藝關系不大。從表2分析可知，石墨化陰極炭塊的抗鈉侵蝕能力高于現普遍使用的高石墨質陰極炭塊。石墨化陰極炭塊更利于在電解過程中抵抗鈉離子的侵蝕，減少鈉離子的滲透，提高電解槽壽命。

表2 高石墨質陰極炭塊與石墨化陰極炭塊的理化性能指標對比

（3）導電性。陰極炭塊的導電性與電解槽的電流效率與爐底壓降密切相關，導電性越高即炭塊可以承受更高的電流，平衡電與熱之間的轉換，從而有效控制電解槽的熱平衡。據近年來實驗室研究和工業實踐表明，與普通常規炭塊相比，石墨化陰極炭塊平均能降低爐底壓降70mV，電流效率提高1%～2%。由此可見，相較于高石墨質陰極炭塊，在電解鋁生產過程中，石墨化陰極炭塊能夠承受更高的電流，進行熱電平衡，從而降低噸鋁成本和節能降耗。

石墨化陰極炭塊推廣應用存在的問題

自2006年石墨化陰極炭塊問世以來，各炭素生產企業極力開展產業化推廣應用工作，但效果不佳，目前僅有少數企業進行過上槽應用性試生產。分析陰極炭塊產業狀況，筆者認為石墨化陰極炭塊的推廣應用存在以下問題：

1.鋁電解行業產能過剩

中國鋁電解行業在經歷快馬加鞭和大干快上的建設過程后，出現了嚴重的產能過剩現象，行業競爭激烈。特別是2008年經濟危機后，電解鋁價格出現大幅下滑，國內鋁電解生產企業虧損嚴重，基本都在追求低成本運行。而石墨化陰極炭塊價格較高，使得石墨化陰極炭塊的推廣應用工作出現了停滯不前狀況。

2.石墨化陰極炭塊的高導熱性與現有電解槽結構不匹配

在大型電解槽上使用時，石墨化陰極炭塊的熱導率指標與現有槽型結構存在不適配的問題。如果要規模化的使用石墨化陰極炭塊，需要根據生產實際對現有電解槽的結構與保溫進行改造。在當時經濟環境較弱的情況下，多數電解鋁生產企業不愿過多地投入有限資金，這也致使石墨化陰極炭塊推廣緩慢。

石墨化陰極炭塊的應用前景

隨著國家對鋁電解行業調控與整合，以及鋁行業的經濟回暖，多數鋁電解生產企業已經出現盈利，行業之間的無序競爭和低成本運行現象正逐漸得到改善。多數電解鋁企業已認識到使用低端、劣質陰極炭塊的危害，在對陰極炭塊的選擇和應用上，已經從低成本化向高品質化轉變。此外，石墨化陰極炭塊在鋁電解行業的推廣使用，可以有效降低電解電耗，提高電解槽單位面積產能，從而滿足環保對電解鋁行業的要求。

因此，提高電解槽電流效率、提高鋁電解槽單位產能和降低噸鋁電耗，作為企業關注焦點，為石墨化陰極炭塊的產業化推廣帶來了機遇。由于石墨化陰極炭塊具有不可比擬的優勢，可以預計在不遠的將來，會迎來石墨化陰極炭塊發展的新時代，它將在我國鋁工業生產過程中扮演重要角色。