鋁用炭素材料

1、鋁用炭素材料編者按：冶金百科全書“炭素材料卷”鋼鐵冶金用炭素材料分支， 本刊已于1995年第3期到1999年第1期連載完畢。應(yīng)廣大讀者的要求， 從本期開始，本刊將繼續(xù)連載冶金百科全書“炭素材料卷的其他分支”。1 鋁用炭素材料（carbonmaterialfor aluminiummanufacturing）1）定義以石油焦、瀝青焦或無煙煤為主要骨料，以煤瀝青等作粘結(jié) 劑制成的糊類或塊類炭素制品，主要供金屬鋁電解生產(chǎn)過程中用作陰極 和陽極，鎂冶煉、鐵合金生產(chǎn)，一些化工窯爐有時也使用這些炭素材料。2）作用鋁用炭素材料是鋁電解工業(yè)的支柱材料之一，主要作用為： 用作電解槽的陽極，把電流導(dǎo)入電解槽，并參

2、與電化學(xué)反應(yīng)；用作電解 槽的陰極內(nèi)襯，盛裝鋁液和電解質(zhì)，并把電流導(dǎo)出電解槽外。3）分類根據(jù)在電解槽中的位置和作用不同，可分為陽極材料和陰極 材料兩大類（包括糊類和塊類制品），見表1。表1鋁用炭素材料分類煜捫iitff韓料招吊陽概辯希 陽握慘：用在翳搦自焙畝極利上插白靖陽槌矣型的電解糟 陽段換垸：吊在垣格阿版電基槽殘概：陽槌炭墳使用以后的戒策部分怛用職梃st骨胡概炭拱底埃L用于臨筑電.解槽的底部側(cè)部炭煥：用于晦成電懈艷的州郡胡梃糊：用于阻槌紫姓、藺蟀塊的搜垃等處4）鋁電解工業(yè)采用炭素材料的歷史電解法制鋁的發(fā)明和每一次大的 技術(shù)進(jìn)步都是和炭素材料的發(fā)明和技術(shù)發(fā)展分不開的。19世紀(jì)70年代， 已能生

3、產(chǎn)炭質(zhì)電極和炭質(zhì)耐腐蝕材料。1888年，美國人霍爾（Hall.C.M） 和法國人埃魯（Heroult.P.L.T）1）分別申請了冰品石一氧化鋁熔鹽 體系以炭電極為陽極、以石墨坩蝸為容器和陰極，電解生產(chǎn)金屬鋁的專 利。這種工業(yè)煉鋁方法，簡稱霍爾一埃魯法，到20世紀(jì)90年代，仍是 唯一可以適于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)金屬鋁的方法。由于冰品石一氧化鋁體系 具有強(qiáng)烈的腐蝕作用，要求電解槽的陽極和陰極材料具有耐高溫、導(dǎo)電 性能良好、抗腐蝕、雜質(zhì)少等性能，一百多年的科學(xué)試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐表 明，炭素材料是唯一能選作陽極和陰極的廉價(jià)的工業(yè)材料。圖1是鋁電 解槽結(jié)構(gòu)示意圖。（b）預(yù)焙陽極電解槽（邊部打殼）（a）預(yù)焙陽極電解

4、槽（中部打殼）（c）上插自焙陽極電解槽（d）側(cè)插自焙陽極電解槽圖1鋁電解槽結(jié)構(gòu)示意圖鋁電解生產(chǎn)初期，采用小型預(yù)焙陽極。18871888年間，美國匹茲 堡Reduction公司（AICOA公司的前身），瑞士冶金公司（AIAG和Aluoaisse 的前身）依據(jù)霍爾一埃魯法，分別興建鋁電解槽，當(dāng)時的電流1300 1800A。這種槽陽極橫截面積?。?10頃），電流密度高（24A/cm2）， 陽極消耗量大（約2kg/kg），電流效率低（50%60%）。由于當(dāng)時炭 素技術(shù)水平不高，陽極質(zhì)量差，規(guī)格小，使電解槽的容量受到限制。20世紀(jì)20年代，按照當(dāng)時鐵合金爐上連續(xù)自焙電極形式，在鋁電 解槽上使用了連續(xù)自焙

5、陽極，陽極導(dǎo)電棒采用側(cè)插式（1924年，挪威的 Soderberg研制成功連續(xù)自焙陽極）。這種槽型在世界范圍推廣使用， 陽極由圓形改為矩形，面積逐漸擴(kuò)大，電解槽容量隨之提高，側(cè)插槽容 量可達(dá)60kA以上。為了提高操作機(jī)械化程度和進(jìn)一步擴(kuò)大電解槽容量， 1934年，法國彼施涅鋁業(yè)公司（Pechiney）研制成功上插自焙陽極，隨 后又實(shí)現(xiàn)多功能天車進(jìn)行陽極操作。上插陽極的發(fā)展，使單槽電流容量 達(dá)100150kA以上。20世紀(jì)80年代，新型自焙陽極電解槽，以炭材料 為主體構(gòu)成的自焙陽極每個重達(dá)60100t，噸鋁消耗陽極糊降至600kg 以下。但自焙陽極在使用過程中產(chǎn)生大量有害氣體，不利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、

6、 自動化。20世紀(jì)50年代，由于炭素電極質(zhì)量的提高以及振動成型制造大規(guī) 模預(yù)焙陽極炭塊的成功，由預(yù)焙陽極炭塊組裝而成預(yù)焙陽極電解槽被廣 泛采用。20世紀(jì)80年代后期世界最新式的預(yù)焙陽極電解槽，預(yù)焙陽極 由40余塊陽極炭塊組成，整個陽極重達(dá)50余t，電解槽電流容量已達(dá) 230kA以上。大型預(yù)焙陽極電解槽的電流效率可達(dá)93%以上，噸鋁消耗 陽極炭塊降至500kg以下。但是，預(yù)焙陽極生產(chǎn)的投資較大。炭素材料生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了鋁電解工業(yè)的發(fā)展，從而使鋁電解 工業(yè)成為炭素制品的最大消費(fèi)部門。圖2顯示了世界原鋁生產(chǎn)產(chǎn)量和炭 陽極消耗量。圖2世界原鋁生產(chǎn)產(chǎn)量和炭陽極消耗量我國90年代初，大多數(shù)中小電解鋁廠

7、采用側(cè)插自焙陽極（3050kA 電解槽）和上插自焙陽極（80100kA電解槽），大型電解鋁廠多采用 預(yù)焙陽極（75，135，140，155，160kA電解槽），國內(nèi)280kA的鋁電解 槽處于試驗(yàn)階段。5）鋁電解工業(yè)對鋁用炭素制品的質(zhì)量要求炭素材料在鋁電解槽中參 與導(dǎo)電和電化學(xué)反應(yīng)，并直接與具有強(qiáng)腐蝕性的氟化物熔鹽接觸，因而， 鋁電解工業(yè)對炭素材料提出如下要求：電阻率電阻率低有利于降低電能消耗，炭塊電阻率一般小于60p Q.m，炭糊焙燒體電阻率一般小于80p Q.m。體積密度較高的體積密度有利于抵抗熔鹽的侵蝕，降低氣體滲透、 減少與CO和空氣的反應(yīng)消耗。炭塊體積密度一般不小于1.5g/cm3,炭

8、糊 焙燒體的體積密度不小于1.36g/cm3。機(jī)械強(qiáng)度以炭素材料為主體構(gòu)成的電解槽陽極重達(dá)幾十噸，在電、 熱沖擊下承重負(fù)荷，因此其機(jī)械強(qiáng)度要求比一般的炭素材料要高。炭塊 的耐壓強(qiáng)度約為2535MPa，炭糊焙燒體的耐壓強(qiáng)度約為1828MPa。真密度陽極材料的真密度約為1.982.00g/cm3,陰極材料的真密 度為 1.84 1.90g/cm3。雜質(zhì)含量陽極材料消耗以后，其中的雜質(zhì)直接進(jìn)入電解質(zhì)和金屬 鋁中，因此，要求陽極材料的雜質(zhì)含量低，一般不超過1%；陰極材料 的雜質(zhì)含量一般不超過10%。與CO氣體的反應(yīng)性能炭素材料在950C左右的高溫下使用，處于 電解反應(yīng)所產(chǎn)生的CO氣體包圍之中，因此，抵

9、抗CO氣體滲透和降低其 反應(yīng)性，成為鋁用炭素材料的一項(xiàng)特殊性能要求。鋁用炭素材料CO2反應(yīng) 性能指標(biāo)為：與CO2的反應(yīng)總消耗率，炭塊類，小于40mg/ （cm2. h）；炭糊類，小于 60mg/ （cm2, h）；氣化率，炭塊類，小于20% ；炭糊類，小于30%；脫落度，炭塊類，小于10%，炭糊類，小于15%。電解膨脹率陰極材料長期受到電解質(zhì)的化學(xué)腐蝕而被破壞，電解 膨脹率（或破損系數(shù)）表示陰極材料在電解過程中抵抗電解質(zhì)腐蝕的能 力。陰極材料的電解膨脹率小于1.4%，破損系數(shù)小于1.5。6）我國鋁用炭素工業(yè)概況我國鋁用炭素工業(yè)是與鋁工業(yè)相伴發(fā)展起 來的。中華人民共和國建立之前，我國沒有單獨(dú)的鋁

10、工業(yè)和鋁用炭素工 業(yè)。在臺灣高雄和東北的撫順，日本人開辦的兩個小鋁廠設(shè)有陽極糊車 間。50年代，我國第一家鋁廠撫順鋁廠、第一家炭素廠一一吉林炭 素廠建有陽極糊和陰極炭塊生產(chǎn)線。50年代以來，我國相繼建立的撫順、 山東、包頭、鄭州、青銅峽、貴州、蘭州、青海等鋁廠，都建有鋁用陽 極材料生產(chǎn)線。70年代以前，各大鋁廠主要生產(chǎn)和使用陽極糊，當(dāng)時有 十幾家地方小鋁廠，自己不設(shè)陽極糊生產(chǎn)，所用陽極糊從各大鋁廠購進(jìn)。 70年代以后，我國自行研制成功預(yù)焙陽極炭塊制造技術(shù)和預(yù)焙陽極電解 槽技術(shù)；80年代初，從國外引進(jìn)了先進(jìn)的預(yù)焙陽極炭塊制造及預(yù)焙陽極 電解槽技術(shù)，這使我國鋁電解工業(yè)和鋁用炭素工業(yè)獲得巨大發(fā)展。貴

11、州、 撫順、包頭、鄭州、白銀、青海等大鋁廠都部分或全部采用本廠生產(chǎn)的 預(yù)焙陽極炭塊。80年代投產(chǎn)的大型鋁工業(yè)基地平果鋁業(yè)公司也是采 用預(yù)焙陽極。90年代，全國還有50余家中小鋁廠，它們中約有半數(shù)廠 家自己生產(chǎn)陽極糊。80年代以前，我國鋁用陰極制品主要由吉林炭素廠、蘭州炭素廠、 上海炭素廠等供應(yīng)的普通陰極炭塊及糊類。80年代初，貴州鋁廠從日本 引進(jìn)了半石墨陰極炭塊及陰極糊類生產(chǎn)線，促進(jìn)了我國陰極生產(chǎn)技術(shù)的 發(fā)展，隨后建立的山西炭素廠是我國陰極制品的專業(yè)生產(chǎn)廠家。80年代，我國為鋁電解服務(wù)的有幾十家中小炭素廠，它們主要生產(chǎn) 陽極糊、陰極炭塊、側(cè)部炭塊等。1992年，全國鋁用炭素制品生產(chǎn)能力 約66

12、萬t/a，見表2。到90年代中期，我國鋁用炭素制品年產(chǎn)量近100 萬t。表2我國鋁用炭素制品主要生產(chǎn)廠家及產(chǎn)能t/a產(chǎn)品陽極糊陽極炭塊陰極炭塊側(cè)部炭塊陰極糊貴州鋁廠10000600001000060003000鄭州鋁廠3500021000包頭鋁廠2500025000撫順鋁廠2500015000青銅峽鋁廠50000青海鋁廠35000連城鋁廠38000蘭州鋁廠36000山東鋁廠20000白銀鋁廠25000山西炭素廠8000200010001992年全國產(chǎn)能42.9 萬19.65 萬1.0萬7)我國鋁用炭素材料的科研進(jìn)展鋁用炭素材料的質(zhì)量對鋁電解生產(chǎn)的電流效 率、直流電耗和生產(chǎn)成本影響很大。1984年，中國有色金屬工業(yè)總公司成立后， 提出“優(yōu)先發(fā)展鋁”的方針，十分重視鋁用炭素的科技發(fā)展。1985年成立了以鄭州 輕金屬研究院為組長單位的鋁用炭素科技協(xié)作網(wǎng)，把“提高鋁用炭素材料質(zhì)量”列為 國家“七五”科技攻關(guān)項(xiàng)目，撥100多萬元?？钤卩嵵葺p金屬研究院建立鋁用炭素研 究室和鋁用炭素質(zhì)檢中心，為全國鋁行業(yè)和鋁用炭素行業(yè)服務(wù)。1985年以來，全 國科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)幾十家單位聯(lián)合攻關(guān)，已先后成功