【炭陽(yáng)極在電解鋁生產(chǎn)中的重要作用綜述2000字】

炭陽(yáng)極在電解鋁生產(chǎn)中的重要作用綜述鋁在自然界中分布極廣，地殼中鋁的含量約為7.5%，居第三位。在各種金屬元素中，鋁居首位。由于鋁的密度低，導(dǎo)電導(dǎo)熱性優(yōu)良，易加工以及可構(gòu)成高強(qiáng)度、耐腐蝕性的合金，因而金屬鋁的應(yīng)用非常廣泛。鋁的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，自然界中僅發(fā)現(xiàn)了少量元素狀態(tài)的鋁，大多是與其它礦物共生，因此必須還原鋁的化合物才能制備單質(zhì)鋁?，F(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)主要采取冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法煉鋁。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)重要領(lǐng)域?qū)︿X及鋁合金的需求量大增，帶動(dòng)了我國(guó)電解鋁產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。從2002年至2007年，我國(guó)電解鋁行業(yè)取得了迅猛的發(fā)展，電解鋁產(chǎn)量年平均增長(zhǎng)率達(dá)到29.7%，在世界電解鋁產(chǎn)量中所占的比例由2001年的14%迅速上升到2007年的33%。2009年全國(guó)電解鋁總產(chǎn)量已達(dá)1363萬(wàn)噸，占世界電解鋁總產(chǎn)量三分之一。在鋁電解生產(chǎn)中，作為鋁電解槽“心臟”的炭陽(yáng)極（預(yù)焙陽(yáng)極，簡(jiǎn)稱陽(yáng)極）起著把電流導(dǎo)入電解槽和參與陽(yáng)極反應(yīng)的作用，所以其質(zhì)量和工作狀況對(duì)鋁電解生產(chǎn)是否正常、電能消耗、產(chǎn)品等級(jí)等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)影響十分巨大。如果陽(yáng)極的質(zhì)量差，如密度小、孔隙度大、機(jī)械強(qiáng)度低等，會(huì)造成在鋁電解過(guò)程中陽(yáng)極電流密度增大，陽(yáng)極和電解質(zhì)發(fā)熱，電解槽溫度升高，陽(yáng)極炭塊掉渣，電解質(zhì)電阻率增加，陽(yáng)極過(guò)量消耗。同時(shí)炭陽(yáng)極的主要原料-石油焦市場(chǎng)價(jià)格上漲過(guò)快，石油焦粉焦含量增多，質(zhì)量大幅波動(dòng)，嚴(yán)重影響了陽(yáng)極質(zhì)量，提高了陽(yáng)極的生產(chǎn)成本，同時(shí)也影響了鋁廠的經(jīng)濟(jì)效益，造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)。因此，采用新原料新技術(shù)降低陽(yáng)極生產(chǎn)成本，提高炭陽(yáng)極質(zhì)量，降低陽(yáng)極額外消耗是目前鋁用炭素行業(yè)普遍關(guān)注的問(wèn)題。1880年，美國(guó)人霍爾和法國(guó)人埃魯特同時(shí)提出冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法煉鋁，陽(yáng)極炭塊隨之誕生，最早采用木炭、焦粉和焦油經(jīng)過(guò)混合、成型、燒結(jié)制作的炭棒為陽(yáng)極，陽(yáng)極的規(guī)格小，質(zhì)量指標(biāo)落后。鋁電解發(fā)展初期，采用擠壓法生產(chǎn)小型預(yù)焙陽(yáng)極，單個(gè)陽(yáng)極尺寸甚小，陽(yáng)極電流4KA，1924年挪威人Soderberg發(fā)明了連續(xù)自焙陽(yáng)極，使陽(yáng)極面積逐步增大，電解槽電流容量隨之提高。1934年法國(guó)Peckiney鋁業(yè)公司研制成功上插自焙陽(yáng)極，隨后又用多功能天車進(jìn)行陽(yáng)極操作。20世紀(jì)50年代之后，成功用擠壓和振動(dòng)成型機(jī)制造了大規(guī)格陽(yáng)極炭塊，預(yù)焙陽(yáng)極又逐步被廣泛采用。20世紀(jì)80年代后期，預(yù)焙陽(yáng)極電解系列，電流容量達(dá)280～350KA，最新的炭陽(yáng)極電解槽電流達(dá)500KA。由于預(yù)焙陽(yáng)極操作比較簡(jiǎn)單，陽(yáng)極電壓降比自焙陽(yáng)極低，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，且減少了電解過(guò)程中瀝青煙的危害，有利于電解槽向大容量方向發(fā)展。因此20世紀(jì)末，普遍采用預(yù)焙陽(yáng)極煉鋁[3]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的提高，惰性陽(yáng)極逐漸成為人們的研究熱點(diǎn)。目前，金屬氧化物陶瓷、金屬合金和金屬陶瓷等成為惰性陽(yáng)極的優(yōu)先選擇材料。Vecchio-Sadus等對(duì)SnO2基惰性陽(yáng)極在不同組成的電解質(zhì)中的行為進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)溫度為830～975℃，電極組成為96wt%SnO2-2wt%CuO-2wt%Sb2O3，發(fā)現(xiàn)SnO2基陽(yáng)極的腐蝕速率隨著溫度的變化而變化。Galasi也對(duì)上述組成的陽(yáng)極進(jìn)行了研究，表明其電阻在較高電流密度時(shí)隨溫度和電流密度呈線性變化，使用上述組成的陽(yáng)極進(jìn)行電解槽實(shí)驗(yàn)，結(jié)果較好。東北大學(xué)的石忠寧等人制備了Cu-Ni-Al合金陽(yáng)極，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極的導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，電壓降低，耐熔鹽腐蝕性能良好，但是電解得到的鋁質(zhì)量低，雜質(zhì)含量偏高。Glucina[7]等人制備了Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.4%的Cu-Al合金陽(yáng)極，并在實(shí)驗(yàn)室的電解槽中測(cè)試了其性能，陽(yáng)極電流密度為0.5A/cm2，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極各方面的性能都較好，但是銅基體易被腐蝕，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的陽(yáng)極表面生成的氧化物薄膜孔隙較多，電解質(zhì)滲透腐蝕基體，未經(jīng)預(yù)處理的陽(yáng)極在原位形成氧化鋁薄膜，但這不足以保護(hù)基體不受腐蝕。田忠良等人研究了燒結(jié)氣氛和燒結(jié)溫度對(duì)Cu含量在5～20%之間的NiFe2O4-Cu金屬陶瓷惰性陽(yáng)極的物相組成、微觀形貌和基本物理性能的影響。結(jié)果表明，通過(guò)控制燒結(jié)氣氛氧分壓可以制備出具有目標(biāo)物相組成的NiFe2O4-Cu金屬陶瓷電極材料。但是固相NiFe2O4陶瓷顆粒和液相金屬Cu之間的潤(rùn)濕性不好，制備的陽(yáng)極相對(duì)密度不高，孔隙率較大。焦萬(wàn)麗、張磊等人研究了NiFe2O4合成工藝對(duì)惰性陽(yáng)極力學(xué)性能及電導(dǎo)率的影響。結(jié)果表明：800℃時(shí)NiO和Fe2O3的固相反應(yīng)先于致密化過(guò)程結(jié)束。當(dāng)未經(jīng)壓制成型的粉料直接在900℃的合成溫度下合成6h，試樣的體積密度和強(qiáng)度最大，孔隙率最小，高溫電導(dǎo)率也最大。雖然惰性陽(yáng)極不僅可以減少能耗，避免溫室氣體CO2的排放，而且可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度和陽(yáng)極更換頻率，提高電解的穩(wěn)定性，但是仍然有很多科學(xué)問(wèn)題沒(méi)有解決，距離工業(yè)應(yīng)用還有很長(zhǎng)一段的距離，有待進(jìn)一步深入研究。炭陽(yáng)極作為鋁電解過(guò)程的陽(yáng)極材料參與電解反應(yīng)，隨著電解過(guò)程的進(jìn)行不斷消耗。1991年，瑞士W.K.Fisher等推導(dǎo)了下列陽(yáng)極凈消耗與電解工藝參數(shù)和陽(yáng)極質(zhì)量參數(shù)的關(guān)系式，見(jiàn)式(1.1)：Nc=C+334/CE+1.2(BT–960)–1.7CRR+9.3AP+8TC–1.5ARR(1.1)式中：Nc－陽(yáng)極凈消耗，kg/t–Al；C－電解槽系數(shù)；CE－電流效率，%；BT－電解溫度，℃；CRR－陽(yáng)極CO2反應(yīng)后剩余量，%；AP－陽(yáng)極空氣滲透率