收藏词条 编辑词条 铝电解用碳阳极
铝电解用碳阳极(carbon anode used in aluminium electrolysis)
铝电解槽中与电源正极相联的碳质电极，为铝电解槽的重要组成部分。包括碳阳极本体和金属阳极导电体。
简史 在铝工业发展初期，采用数干安培的小型预焙阳极，这与当时炭素工业的生产水平相适应。为了扩大阳极尺寸借以提高电流强度，在20世纪20年代初参照当时铁合金电炉的连续自焙电极型式，在铝电解槽上装设，连续自焙阳极，采取旁插棒式。在40年代，为了简化阳极操作和提高机械化程度，又发展了上插棒式自焙阳极。在50年代，由于碳电极质量的提高以及振动成型制造大规格预焙阳极碳块的成功，预焙阳极被广泛采用。在80年代后期，最新式的预焙阳极铝电解槽的电流容量已达到280～300kA以上。
作用 铝电解过程中碳阳极日平均消耗2cm左右，需要定期向电解槽中添加新阳极糊(自焙阳极)，或定期更换新阳极块(预焙阳极)，使铝电解槽保持正常运转。
铝电解生产对碳阳极的基本要求是：抗熔盐侵蚀，有较低的电阻、较高的纯度和较好的机械强度。碳阳极质量及工作状况对铝电解电流效率、铝电解电能消耗及物料消耗的影响较大。
铝电解槽正常运转时，碳阳极的欧姆电压降为300～600mV，占槽电压的10％～15％，吨铝碳阳极净耗400～500kg(按残极回收计)。通过提高原料质量，改进生产配方和工艺、阳极结构形式以及阳极的工作制度，可以提高阳极工作质量。
类型 有连续白焙阳极(简称自焙阳极)和预焙阳极两类。
自焙阳极 自焙阳极是利用铝电解槽自身热量使阳极糊中的沥青热解，焦化后与骨料碳粒形成致密的固体阳极。自焙阳极多为整体式单阳极，按导电钢棒(阳极棒)插入方式分为侧插(或旁插)棒白焙阳极和上插棒自焙阳极两种。
(1)上插棒自焙阳极。导电钢棒从阳极上部插入者称上插自焙阳极。上插自焙阳极由阳极框套、阳极钢棒、碳阳极本体及框套升降机构等组成。上插棒自焙阳极铝电解槽的电流容量达80～160kA，阳极电流密度为0.6～0.75A/cm2。
(2)侧插自焙阳极。导电棒(阳极棒)从侧部插入者称侧插自焙阳极。侧插自焙阳极由阳极框架、阳极棒、碳阳极本体及阳极升降机构组成。侧插棒自焙阳极铝电解槽的电流容量达到40～130kA，阳极电流密度为0.7～1.0A/cm2，电流容量在10万A以下的中小型铝电解槽大多用侧插自焙阳极。由于从铝电解槽的侧部插入阳极棒，电流均匀分布受到阳极宽度的限制。此外，阳极底部中心部位温度高，散热不好，也限制了铝电解槽容量的扩大。
自焙阳极的操作包括加阳极糊、拔阳极棒、钉阳极棒(上插自焙阳极为插入)、转接阳极小母线、抬阳极框架和调整阳极高度等。当自焙阳极操作不当和阳极糊质量差时，会引起阳极故障，直接影响铝电解槽的电流分布并破坏原有的温度制度，导致铝电解电流效率下降和铝电解电能消耗增加等。常见的自焙阳极故障有流(漏)阳极糊、阳极断层、阳极裂纹、阳极掉块、阳极长包、阳极着火和氧化等。
与预焙阳极相比，自焙阳极的优点是可以连续工作而不用更换，利用电解槽热量焙烧阳极，节省能量；阳极制造不需要成形和焙烧设备，节省投资。缺点是沥青烟直接在铝电解槽上部散发，严重污染环境，给铝电解产生的烟气净化和铝电解自动化操作带来困难；另外，自焙阳极操作比预焙阳极复杂，阳极欧姆压降也较高。20世纪80年代以后，新建大铝厂已不采用此种槽型。
预焙阳极 铝电解槽预焙阳极由多个阳极碳块组组成。每个阳极碳块组由1～2块宽700～900mm、长1400～1700mm、高500～600mm的阳极碳块、阳极导杆和钢爪等部分组成。用生铁浇铸或碳糊捣固，把碳块与钢爪固结在一起，与钢爪连结的阳极导杆用专用卡具压紧固定在阳极母线上，阳极升降机构用以升降阳极。
预焙阳极多为间断式操作，即每组阳极可使用18～28d。当阳极碳块消耗到其原有高度的25%左右时，为避免钢爪熔化在铝电解槽中，须将预焙旧阳极碳块吊出，用新的预焙阳极碳块取代。取出的碳块被称为“残极”。清除铝电能质后的残极经破碎可用作制造阳极的原料。预焙阳极导杆和钢爪经清理和修理后可重复使用。原西德汉堡铝公司(Hamburger AluminiumWerk GmbH)试用过连续预焙阳极。其方法是通过从侧面插入棒孔中的钢棒导电，并按照阳极的消耗程度将新的预焙阳极块叠加到旧块上，并用特制的碳糊将它们粘接成整体。
预焙阳极的操作有吊出残极、清理残极、阳极组装、换上新阳极和调整阳极高度等。预焙阳极操作比较简单，易于机械化，没有沥青烟害，有利于电解槽向大容量化方向发展，但建设制造预焙阳极的工厂投资较高，为大多数新建大铝厂所采用。
原料 主要有石油焦和煤沥青两种。石油焦是石油加工中渣油焦的化产物，含有80%～95%的碳和10%～20%的挥发物和水分。根据焦化方法不同将石油焦分为延迟石油焦、釜式石油焦、针状石油焦和流态化石油焦等。延迟石油焦是制造铝电解用碳阳极的主要原料。煤沥青焦化形成的沥青焦也是制造这种阳极的优等原料。煤经过加工除灰代替石油焦作为制造铝电解用碳阳极的原料正受到重视。
煤沥青是用蒸馏法从煤焦油中除去易挥发成分而制得的。依软化点高低可将煤沥青分为中温沥青(软化点338～368K)和高温沥青(软化点高于368K)。高温沥青又称改质沥青或硬质沥青。石油沥青经过加工，也可作为制造铝电解用碳阳极的原料。
对制造铝电解用阳极碳石油焦的质量要求为：挥发分小于15%，硫分小于1.5%，水分小于3%。此种石油焦需经过1573K的煅烧方可使用。
对中温煤沥青的质量要求为：灰分不多于0.3%，软化点348～363K，甲苯不溶物15%～25%，水分不多于5%，挥发分60%～70%，喹啉不溶物不多于10%。
对改质沥青的质量要求为：软化点用环球法测得373～393K，甲苯不溶物20%～34%，喹啉不溶物6%～15%。B树脂含量不少于18%，结焦碳不少于50%，灰分不多于0.3%，水分不多于5%。使用改质沥青，有利于提高铝电解用碳阳极质量，但需要改进混捏设备，提高混捏温度。
生产工艺由煅烧，破碎、配料与混捏，成形与焙烧，组装等作业组成。
煅烧将石油焦破碎至80mm以下粒度，然后在罐式煅烧炉、回转窑或倒焰窑中煅烧至1573K，以排除石油焦中的挥发分，提高其机械强度、导电性和抗氧化性。煅后焦真密度为1990～2030kg/m3，粉末比电阻率在650μΩ·m以下。中国石油焦多在铝厂和炭素厂内进一步煅烧，其他国家多由炼油厂直接加工出煅后焦。
破碎、配料与混捏 将煅后焦破碎、磨粉、按一定比例(粒度配比)配料后，进行混合，并配加一定量的液体或固体沥青，在间断式或连续式混捏机中混捏。混捏的目的是使骨、粒焦被熔化的沥青浸润，以获得均匀的糊料。混捏机用电、蒸汽或其他热媒加热。粘结剂沥青配入量阳极糊为24%～30%(24%～26%称干阳极糊)，预焙阳极为14%～19%。混捏出的热糊可直接在自焙阳极铝电解槽上使用，亦可将阳极糊铸成500kg以上的大块或15kg以下的小块，以供随时使用。
成形与焙烧 混捏好的阳极糊料在413～433K温度下送入模压成形机、挤压成形机或振动成形机成形。成形后的生阳极碳块体积密度达1.580kg/m3。
成形后的碳块送入焙烧炉内焙烧。焙烧的目的是排除挥发分，粘结剂焦化并与固体颗粒牢固地连在一起，以提高碳块机械强度和导电率。焙烧炉有密闭式或敞开式多室环式焙烧炉、隧道窑、倒焰窑等。最常用多室环式焙烧炉。采用煤气、重油或煤燃烧加热。多室环式焙烧炉可循环连续工作，碳块焙烧周期为16～30d(包括冷却时间)，最高焙烧温度1473～1573K。用无烟煤、焦炭或石英砂作为填充料覆盖在碳块上面和周围。焙烧在隔绝空气下进行。由耐火砖墙把火道中的热传递到碳块制品上，火焰从一个炉室传到另一个炉室，一个火焰系统有18个左右的炉室，分为预热带、加热带和冷却带，以提高热能利用率。焙烧炉一般由1～4个火焰系统组成。升温制度、装炉方式、填充料等对焙烧产品质量的影响较大。
组装 焙烧后的阳极碳块经检查合格，送组装车间，用生铁浇铸或用碳糊捣固，与导杆钢爪和阳极碳块连续接在一起。