陡文化

1 铝电解槽碳阴极简介

现在的铝行业竞争越来越激烈，各生产企业都在生产成本上想办法，因为目前原材料降成本几乎不可能，企业只能在能源和工艺过程等方面上降低生产成本。目前，各企业在电解槽电耗上降低成本的较多，尤其是在槽低压降方面做的比较多。同时在这方面也取得了好的成绩，槽低压降的控制在于阴极炭块与阴极钢棒的构造。

阴极碳块是铝电解槽的重要组成部分，包括底碳块、侧炭块、连接炭块的捣打浆或炭胶、阴极钢棒。铝电解槽的碳块阴极位于电解槽底部，外部由钢壳加固的耐火材料制成。铝液和电解液置于用于铝电解的碳阴极上，在其与铝桥的界面处进行电解铝沉积反应。直流电通过铝液、低碳块和阴极钢棒从电解槽中引出，碳阴极是铝电解槽最重要的结构部件。用于铝电解的碳阴极的材料状况、安装质量和操作条件对铝电解的输出功率和铝电解的能耗有很大影响。铝电解中使用的碳阴极上的电压降，或炉子上的较低电压降，通常超过400mV，约为电池电压的10%。在电解铝的生产中，阴极会因熔盐和铝液的侵蚀和冲击，以及各种负荷而发生变形和断裂。当它严重损坏时，必须停止维修，铝电解用碳阴极衬里的正常寿命为4年～5年。

低碳无烟煤、沥青胶、冶金胶、天然和人造石墨和煤焦油沥青的生产是生产阴极炭块、侧炭块、捣打浆和木炭的主要原料。这种原料必须先煅烧，将无烟煤和沥青胶放入耐火窑或回转窑中，在1473K～1623K的高温下煅烧，以提高其致密性和热稳定性，并降低其电阻率。无烟煤也可在电煅烧炉中煅烧，煅烧温度通常为2073K～2173K，煅烧可进一步提高无烟煤的热稳定性，降低其电阻率。

锻压后，将焦炭和脱水冶金焦炭和石墨粉碎、研磨，按一定的粒度比混合，在间歇式或连续式混合机中与煤沥青作结合剂混合，制成炭糊。碳底漆被夯实到碳块之间的间隙中。煤泥骨尺寸小于4mm，沥青混合量为19%～21%。为降低炭底漆的软化点，改善结构的压实条件，可使用大葱、焦油、冲洗油等作为炭底漆的粘结剂，代替部分沥青作为粘结剂。碳底漆可以在室温下使用，这就是为什么它被称为冷冲压。

炭胶为挤压粘接炭块间细缝（＜4mm）的碳糊料，碳胶骨尺寸小于1mm，粘结剂含量在40%左右。用于制造底部碳块或侧边碳块的碳糊可能具有大于10mm的骨颗粒尺寸。煤焦油沥青的范围为16%～18%，通过挤压、成型或振动获得。成型后的炭块（生坯）的堆积密度可达1600公斤/立方米以上。

生煤块的烧成在封闭或开放的多室环形烧成窑中进行。我国中小型燃煤电厂多采用倒焰炉或并列多室炉进行焙烧，热能效率低。阴极炭块的烧结温度为1473K～1623K，石墨焦或半石墨焦的阴极炭块可在较低温度下烧结。石墨化或半石墨化阴极炭块需要更高的烧成温度，通常为1073K～1123K。焙烧旨在结合沥青的热解和焦化过程，使生坯具有更高的机械强度、更好的热稳定性和更高的导电性，烧成曲线和窑炉负荷对成品影响很大。

阴极钢筋截面为矩形，根据选定的钢筋尺寸，在阴极碳块上加工出钢筋切孔。用铸铁或碳糊法将阴极钢棒连接到碳块上。在铝电解槽一层耐火砖上进行砌筑和安装，在下部平台上压实一层30mm～50mm厚的煤底漆，阴极组炭块铺设在该平台上。阴极碳块组通常排列成两排，也有一行，即全长阴极碳块和全长阴极钢棒。炭块的阴极组之间有30mm～50mm的大接缝结构，炭块组通过夯实炭底糊连接在一起；当每个阴极组的碳块之间有小于4mm的小焊接结构时，碳块与Harvester碳胶粘合成一体。在整个铝电解槽的阴极碳块周围构建一个或两个侧边碳块。侧边碳块之间的接缝处填充绿色石膏或碳胶。侧边碳块内侧有时会用碳膏压实，形成斜坡（人工延伸）以保护侧壁。

质量要求安装的碳阴极必须满足以下质量要求：煤槽底部为一体式，无空隙和裂纹；电导率必须足够高，钢筋和碳块必须有良好的接触点；铝液有足够的强度可以清洗和磨损。低碳砌块质量除尺寸要求严格外，电阻率必须小于6欧姆米，抗压强度不小于30兆帕，电解膨胀度小于1.2%，灰分含量为小于10%，密度大于1520kg/m3。电解膨胀率是衡量铝电解过程中碳块抵抗电解液和钠盐腐蚀的能力，也用损伤因子表示（小于1.5）。近年来，世界上一些国家对半石墨和石墨碳块进行了积极的研究和开发，它们具有良好的导电性和抗钠腐蚀能力。侧面碳块的质量要求与底部碳块相同，只是不需要阻力。对煤底漆和碳胶的质量要求要求灰分不大于12%，烧结后试样的抗压强度不小于25MPa。试样容重不小于1400公斤/立方米，含碳量不小于80%。

损坏与修复铝电解槽在启动和运行过程中，由于电解液和铝液的侵蚀，以及物理和化学影响以及选择性吸收钠等热应力，碳阴极会暴露在溶液中。而碳化铝的产生会导致碳阴极逐渐变形，发生膨胀和开裂，最终导致电解槽停工，需要检修。需要大修的碳阴极衬里损坏迹象：铝的铁含量突然上升，碳阴极钢棒和铝液熔化，下槽电压显着升高，碳阴极衬里损坏严重，电流分布在碳阴极处非常严重。机箱两侧严重变形会影响正常运行等。

碳阴极衬板检修时，首先关闭铝电解槽，清除所有电解液和铝液，拆除旧衬板，按照新的设计要求组装安装整个碳阴极衬板。碳阴极衬里的使用寿命通常为4年～5年。碳正极材料的质量、设计效率、点火启动和铝电解槽生产的质量控制是影响铝电解槽寿命的主要因素。延长阴极衬里的寿命并降低阴极两端的电压降。近年来，铝工业一直在研究开发新型TIB阴极涂层、SIC侧层块，以及研究开发顶槽等新型碳阴极结构。

钢棒糊将阴极钢棒用捣固糊捣固工艺。目前铝行业通用方法是利用钢棒糊，将阴极钢棒用捣固糊捣固构造在阴极碳块钢棒预留槽内。首先对阴极组装体预热，将大块钢棒糊先用小风镐破为小块，糊料在未加入混捏锅之前，应检查混捏锅内部是否清理干净，要检查线路与仪表，进行空运转，确认检查无误方可投料进行糊料加热。糊料必须保持清洁无杂质，防止油、水的侵入，否则不能使用。除锈后的阴极钢棒和阴极炭块应在预热炉内进行加热。钢棒糊充分混捏后温度为65±5℃，阴极炭块与阴极钢棒加热温度为70±5℃。测量阴极钢棒温度：阴极钢棒两端750mm为第一测温点和第三测温点，阴极钢棒中心点为第二测温点，阴极钢应在各点测量棒的中心顶部和各点侧面的温度，并记录各点的实际测量值。

（1）用起重机将预热适度的阴极炭块吊到安装台上放置，然后用压缩空气将煤粉和碎屑迅速吹出两个燕尾槽和阴极炭块顶面。

（2）用组装台上特制的装置将阴极炭块的两个端头用铁挡板顶紧。

（3）捣固机在使用前，必须经过检查、加油、试用无误后方可使用。

（4）捣固机总管风压不低于0.6Mpa，分流管风压不低于0.55Mpa。

（5）钳形锤必须按照规定的型号（方锤和组装锤）、规格和顺序使用。所有类型的夹锤必须平整光滑，表面光滑。

（6）阴极组装用糊量须按定量进行加糊，要求每批次必须称重记录存档。

（7）拧紧时，先在燕尾槽底部绑一层18mm～20mm的碳垫，然后放置阴极钢筋，用方锤将180mm钢筋固定在碳块中间。

（8）然后放置阴极钢棒。阴极钢棒的中心线应与炭块燕尾槽的中心线对齐，挠度不应超过3mm。放置阴极钢棒后，燕尾槽与燕尾槽之间的间隙应用立式开槽锤固定；组装后总长偏差不大于5mm，曲率不大于3mm。

（9）组装中每次加糊后用样板尺刮平，第一层捣固时要求不少于两个往返，其余各层要求扎固三个来回，最后两层用导向板辅助施工，捣固锤行程移动每次10mm左右，扎固压缩比大于1.75：1。

（10）组装阴极炭块时，分6层次扎固完成；扎固层次如下表所示。扎完后炭块表面、糊与阴极钢棒均呈水平，且表面整洁、不允许有麻面。

（11）加糊层次及捣固高度。

表1 加湖层次及捣固高度

（12）用2000A直流电以工作面和阴极钢棒露出端为两极测其电压降平均值不大于220mV（在室温下）或铁碳压降测试仪（400A直流电）测其电压降平均值不大于40mV（热测值）。

这种构造使阴极碳块钢棒组电压降较大，很难得到优异的指标。为进一步降低原铝液直流电耗，逐步适应国家对电解铝的相关政策指标要求，实现电耗降低至12300kWh/t.Al的目标，本人从降低平均电压与提高电流效率两个方面，进行了各种探索，现就阴极磷生铁钢棒整体浇铸工艺及效果进行简要介绍。

2 阴极磷生铁钢棒整体浇铸构造工艺

研究表明，通过改变电解槽结构、阴极、阳极组装方式和完善电解控制工艺，是实现大幅 降低铝电解电能消耗的主要途径。用磷铁浇铸的方式虽然节能效果要大大优于捣糊方式，但是由于炭块和钢棒在浇铸过程中的升温速率及膨胀系数不同，如果不将两者 提前加热到一定温度再进行浇铸，势必会由于受热不均产生的应力导致炭块破裂报废的情况。阴极炭块磷铁浇铸技术的铸前加热，目前主要有挪威ALMEQ炭块—钢棒一体加热技术和法国炭块---钢棒分体加热技术两种。这两种技术针对全石墨化阴极炭块采用电加热的方式进行铸前加热，效果良好。但全石墨化阴极炭块造价昂贵，会大大增加电解铝厂的投资成本，国内铝厂很少使用。针对使用较多的50%和30%高石墨质阴极炭块，由于其导热性能和膨胀系数不如全石墨化炭块优异，使用以上两种铸前加热技术成品率仅为60%左右，固采用国外技术加热高石墨质阴极炭块在国内仅处于实验研究阶段，无法真正工业化应用。

实现磷铁浇铸工艺，可以采用天然气、发生炉煤气等为预热热源，操作便捷，温控准确，预热能耗低，浇铸成功率高，可达到99 %以上。预热均匀，并可针对不同材质的阴极炭块及钢棒大幅度调整预热温度，满足各种情况的需求。燃烧控制精准使预热进程严格按照设定的温升曲线进行，温升可控；风比分配供风燃烧先进使预热炉内处于低氧气氛状态，有效防止了阴极炭块及钢棒的氧化，保证了生铁的膨胀性适合浇铸作业与电 解槽正常生产的要求。

（1）专用夹具工艺控制：设计专用夹具吊运至阴极钢棒预组装工位进行吊装作业，避免损伤碳块。

（2）固定量尺工艺控制：设计制作针对不同槽型的固定量尺，在阴极碳块表面标示出阴极块与钢棒安装中心位置，严格控制组装尺寸工艺。

两钢棒中心位置详见附图1。

（3）钢棒与阴极块组装工艺控制：用压缩空气及软毛刷将阴极碳块钢棒槽内吹扫干净，保证无灰尘及杂物，避免灰尘和杂物影响导电性。

（4）组装尺寸工艺控制：钢棒轴向中心线与碳块钢棒槽轴向中心线平行度偏差不准超过碳块长度的1%，预组装后的钢棒底表面与钢棒槽底表面距离控制在15±1mm，保证阴极块与钢棒总高尺寸500±2mm。

阴极块与钢棒组装浇铸详见附图1。

3 阴极钢棒整体加热工艺过程控制

加热工艺的控制目的是阴极块均匀的加热到要求温度。

（1）加热位置工艺控制。将预组装好的阴极碳块及钢棒用专用夹具吊运至阴极预热工位，利用预先画好的标识对碳块组进行精确定位。

（2）防止磷铁溢出工艺控制。用强光手电检查，钢棒中心处和端部的硅酸铝圆编绳是否密封完全，如漏光，则用耐火材料或消失模涂料封堵，防止浇铸时磷铁溢出。

（3）加热炉加热工艺参数的控制，根据不同的尺寸，对加热炉加热工艺参数，加热的时间和温度进行不同系列的设定。

（4）加热升温曲线调整控制。阴极碳块组的加热过程会严重影响阴极组装的成功率，升温曲线在升温过程中随着温度发生变化，由于每个加热点加热空间不同，必须严格控制调整喷火装置的开度，达到最佳均匀的加热状态。

（5）加热温度的控制。待阴极碳块组加热达到浇铸温度，此时必须经过红外线测温阴极块温度核实达到430±20℃左右时，方可进行磷生铁浇铸工作，但此时钢棒温度要确定在550±30℃左右。

（6）磷生铁浇铸温度控制工艺

①阴极预组装的同时，进行磷生铁熔化及成分调整工作，磷生铁浇铸温度1450℃±20℃（出炉温度1500℃±30）。②在测温结束后，用浇包转运磷生铁开始浇铸。浇铸过程应迅速，浇铸速度为28kg/min～33kg/min，同时保证铁水完全充满钢棒槽两侧端部。浇铸时，铁水应直接浇在钢棒侧部的钢棒槽内，不可浇铸在阴极炭块表面。③浇铸时完毕后，立即用铁铲将表面多余磷生铁铲除，浇铸完毕的阴极炭块组在冷却初期的1h内需有专人巡视，通过照射及是否有开裂声音，对应图1检查炭块有无裂纹，如发现立刻用粉笔标识出位置。

图1 180KA（200KA）极阴浇铸尺寸示意图

4 磷生铁配方及熔炼工艺过程控制

目前国内磷生铁配方较多，经过试验对于磷生铁各化学成分进行了相对的配比要求，针对熔炼温度，伸缩性和浇铸流动性进行严格控制。

（1）磷生铁的配方的控制。初期具体成分如下表所示。

表2 磷生铁配方控制

经过熔炼后，化验各要素成分，根据要素参数和磷生铁流动性再次进行调整。

（2）磷生铁熔化出炉温度与浇注温度的控制。出炉温度测温后达到1500±30℃后，经过转运过程浇铸温度必须保证在1450±20℃后进行浇铸工艺。

（3）浇铸过程的控制。浇铸过程应保证应慢-快-慢的节奏，控制铁水完全充满钢棒槽两侧端部，不可浇铸在阴极碳块表面。

5 检验工艺过程控制

检验工艺的控制对于磷生铁整体浇铸是最后一道工艺，浇铸后对接阴极块全方位检验至关重要，所以每一步骤的检验不能忽视。

（1）碳块有无裂纹检验控制。浇铸完毕的阴极碳块组在冷却初期的1小时内需有专人巡视，通过照射及是否有开裂声音，对应图1检查碳块有无裂纹，如发现立刻用粉笔标识出位置。

（2）浇铸后对阴极块整体尺寸的检验控制。①对阴极碳块组总长度（含钢棒长度）偏差小于±5mm进行检验，便于确定收缩量。②严格控制碳块组端部钢棒中心距误差不大于±1mm；钢棒组装后总长度偏差不大于±5mm，弯曲度不大于3mm，总高度控制在偏差小于±2mm。③浇铸完成后的阴极碳块组冷却后阴极碳块与磷铁之间的缝隙控制在不大于1mm。

6 效果分析

通过改变电解槽阴极组装工艺，采用阴极组装浇铸技术，可以大量减少常温糊捣固所需人员和工具设备，提高劳动生产率，降低生产过程人工费用。通过严格控制磷生铁钢棒整体浇铸工艺的各环节，固化了阴极炭块的温升曲线，准确地风比分配形成了良好的低氧气氛状态，有效地防止了阴极炭块及钢棒的氧化，缩短了预热准备时间，使得组装作业更加简捷、高效、安全，保证了生铁的膨胀性适应浇铸作业与电解槽正常生产的要求。

电解槽磷生铁钢棒整体浇铸每一道工艺直接影响到最后的质量，任何一道工艺出现问题，就会导致阴极块裂缝，伸缩尺寸变动等原因，最终导致浇铸失败，造成较大的浪费。所以说整体浇铸质量优劣取决于对每一道工艺控制是否到位。通过控制阴极组装浇铸工艺，保证磷生铁浇铸组装牢固，导电效率显著提高，槽底压降降低了70mV～80mV，大幅降低了铝电解电能消耗，提高了电解槽的使用寿命；电解槽阴极组装工艺和浇铸控制工艺综合利用，解决了由于炭块和钢棒的温度相对较低导致炭块易发生开裂废品问题，阴极组装产品的合格率为100%。

经过工业化适应及整系列工程化应用的结果表明，磷生铁钢棒整体浇铸技术与传统组装技术相比，可降低电解槽阴极压降70-80mV，并能长期维持这样差值。同时，电解槽运行的平稳性显著提高，炉底温度分布、阴极钢棒电流分布也更加均匀。在某电解铝180kA电解槽大修中目前实施30台，整体直流电耗完成12286kWh/t·AL，比原阴极组装技术生产槽直流电耗降低158Wh/t·AL，节能效果显著。