全石墨质阴极电解槽在铝电解中的研究及应用

全石墨质阴极电解槽在铝电解中的研究及应用

吕海涛

612522198503182238

摘要：本文针对传统预焙阳极电解槽存在的能耗高、污染大等问题，研究了全石墨质阴极电解槽在铝电解中的应用。通过对全石墨质阴极试验槽的运行情况进行分析，总结了阴极炭块、阴极钢棒、底部防渗层和大面侧部等方面的优化措施。应用结果表明，全石墨质阴极电解槽运行电压更低、电流效率有所提升，具有良好的应用前景。

关键词：铝电解；全石墨质阴极；试验槽；优化措施；应用效果

引言：铝电解是以氧化铝为原料，在电解槽内通过电解熔融盐电解液而制得金属铝的过程。传统的铝电解工艺采用预焙阳极电解槽，存在能耗高、污染大等问题。为了解决这些问题，研究人员开始探索新型电解槽的应用，其中全石墨质阴极电解槽因其独特的优势而受到广泛关注。本文将对全石墨质阴极电解槽在铝电解中的研究及应用进行深入探讨。

1 石墨质阴极应用标准

阴极是铝电解槽结构的主体部分，直接与铝水、电解质接触，并具有导电作用，是影响电解槽使用寿命的关键部位。因此，要求阴极炭块具备一定的机械强度、低电阻率、较强的抗电解质侵蚀能力。石墨化阴极炭块有很多优良的性质。在电解过程中，石墨化炭块的低电阻可以节省能耗了，高导热性满足了现代大电流电解槽热平衡的需要。在电解槽运转期间，炭块抗钠侵蚀性好，热应力低保证了电解槽运行的稳定性。因为这些优点，尽管其相对价格较高，但很多冶炼厂仍愿使用石墨化炭块，如何延长阴极寿命，成为铝电解研究领域中一个经久不衰的重大课题。为了保证全石墨质阴极电解槽的正常运行，需要对石墨质阴极材料的性能指标进行严格控制。根据相关研究，石墨质阴极材料应满足以下标准：

石墨化阴极炭块理化指标

只有符合上述标准的石墨质阴极材料，才能保证电解槽的稳定运行和良好性能。

2 优化措施

2.1 阴极炭块组调整

在阴极炭块的选择上，采用高密度、高强度、高导电率的石墨材料，并对其尺寸和排列方式进行优化。阴极炭块尺寸由3590×680×480变为3560×680×440，加上底部一层70mm防身浇注料总厚度为510mm，燕尾槽由3590×230×148mm变更为3560×215×140mm，两燕尾槽间中心距由260mm变更为270mm。阴极炭块组由原现场组装变为铸铁浇筑。阴极炭块组厚度增加了30mm，但炉膛深度没有变化，保证了良好的导电性能和炉膛深度不变，又提高了阴极的抗侵蚀能力。

2.2 阴极钢棒调整

阴极钢棒是连接阴极炭块与阴极母线的重要导电部件，其设计和布置直接影响电解槽的导电性能。通过优化阴极钢棒的材质、直径和间距，阴极钢棒尺寸由2155×215×110mm变更为130×200×140mm，且钢棒中间无切割缝，有效降低了接触电阻和欧姆压降，提高了电流效率。

2.3 底部防渗层调整

为了防止电解质渗入阴极底部，在阴极炭块下方设置防渗层至关重要。炭块以下内衬层数由原来的4层增加未7层，材料种类和层数均大大增加。实际运行表明，该防渗层具有良好的绝缘性能和抗渗透性能，有效阻止了电解质的渗漏。

2.4 侧部大量调整

电解槽大面侧部的设计影响着阴极侧边的导电性能和密封性能。侧边保温层变厚，由原来的70mm加厚到100mm。侧部浇筑体内钢棒之间的保温层由原隔热耐火砖（65×114×290mm）+（65×114×230mm）变更为五种蛭石保温砖（65×130×230+65×153×230+65×104×230+65×65×230+29×65×140），且侧边增加了60mm厚硬硅钙石复合绝热砖。侧部复合块有原整体式改为分体式，侧块和异性块错缝砌筑，均有效增加防渗和保温性能。

3全石墨质阴极试验槽运行情况分析

为了研究全石墨质阴极电解槽的实际应用效果，某铝电解企业建设了一批400kA全石墨质阴极试验槽，并对其运行情况进行了详细分析。

3.1 焙烧启动运行情况

在试验槽的焙烧启动阶段，通过合理控制焙烧升温速率和保温时间，使阴极钢棒与石墨块之间形成良好的接触

[1]。焙烧结束后，开始逐步通电，电解质在大电流的作用下熔化并渗入阴极底部，与阴极炭块充分接触，形成导电通路。在此过程中，槽壳温度最高达到520℃左右，但温度分布均匀，未出现明显的热应力变形。

3.2 启动后运行情况

试验槽启动后，在工作温度下稳定运行。通过对运行参数的连续监测发现，阴极电压较低降低明显；阴极电流分布均匀，最大偏差不超过5%；阴极钢棒温度稳定在200℃以下，满足设计要求。同时，阴极表面未发现异常磨损或侵蚀，电解质与阴极炭块之间的润湿性良好，极大地降低了阴极过电位，提高了电解槽的稳定性[2]。

4 应用效果

通过对全石墨质阴极电解槽的优化和改进，其应用效果得到了显著提升，主要体现在运行电压低、电流效率高、能耗降低、生产成本下降等方面。

4.1 运行电压低

与传统预焙阳极电解槽相比，全石墨质阴极电解槽的运行电压明显更低。这主要得益于石墨材料优异的导电性能和耐腐蚀性能。在相同电流强度下，全石墨质阴极电解槽的平均运行电压可降低0.2～0.3V。运行电压的降低意味着在生产同等量电解铝的情况下，所需的电能更少。据测算，运行电压每降低0.1V，每吨铝可节约电能100~150kWh。因此，全石墨质阴极电解槽在降低能耗方面具有明显优势，可显著降低铝冶炼的电力成本。

4.2 电流效率有所提升 

电流效率是衡量电解槽运行质量的重要指标，对电解铝生产成本有直接影响。由于全石墨质阴极导电性能优异，阴极面与电解质接触紧密，有利于减小接触电阻，降低阴极过电位。同时，石墨材料化学稳定性好，能有效抵御电解质的腐蚀，减少阴极溶解损失。在改善导电条件和降低阴极消耗的双重作用下，全石墨质阴极电解槽的电流效率得到明显提升。

电流效率的提高意味着在消耗同样电能的情况下，产出的电解铝更多，有助于降低综合交流电耗。据估算，电流效率每提高1个百分点，综合交流电耗可降低80~100kWh/t-Al。可见，全石墨质阴极对于节能增效、降本增利具有重要意义。

除了节能降耗，全石墨质阴极还具有减排、环保等优点。由于阴极过电位和阴极溶解损失减小，电解槽内阳极气体产生量相应减少，含氟化合物的排放量也随之降低。据测算，全石墨质阴极电解槽的氟化物排放强度可降低15%～20%。此外，阴极寿命的延长，也意味着阴极更换频次降低，废阴极处理量减少，废渣、废液排放量相应减少，有利于实现清洁生产。

结语：

全石墨质阴极电解槽是一种全新的铝电解技术，具有运行电压低、电流效率高、能耗低、污染小等优点，代表了铝电解技术的发展方向。通过对石墨质阴极材料标准的制定、试验槽运行情况的分析以及阴极结构的优化，全石墨质阴极电解槽的应用效果得到了显著提升。随着相关技术的不断成熟和完善，全石墨质阴极电解槽有望在铝电解行业得到广泛推广和应用，为铝电解工艺的节能降耗和绿色发展做出重要贡献。

参考文献：

[1]周洋,丁梦晨.石墨化和全石墨质阴极材料在350kA铝电解系列中的应用[J].有色冶金节能,2013,28(5):14-16+40.

[2]薛峰平.全石墨质阴极在300KA电解槽应用实践[J].世界有色金属,2022,47(10):23-25.