连续自焙阳极(soderberg  anode)

应用于自焙铝电解槽上、可以连续使用而不必更换(但需定期补充)的阳极。自焙铝电解槽的阳极结构部件是电流由母线导入槽内及阳极反应发生的部位。自焙阳极依靠电解过程中产生的热量完成对阳极糊的焙烧，形成致密—体的固体阳极。连续自焙阳极—般为整体式单阳极。

连续自焙阳极由炭素阳极本体、阳极附属装置两个部分组成。阳极糊的熔体、半烧结体、烧结体构成连续自焙阳极的炭素本体，阳极附属装置是连续自焙阳极的操作机构，起着盛装炭素本体、升降阳极、传导电流的作用，由阳极棒、阳极框架以及阳极升降机构等部分组成。根据阳极棒插入的位置和方向不同，分为上插连续自焙阳极和侧插连续自焙阳极两种结构形式。

连续自焙阳极应用于自焙铝电解槽。与后来发展的预焙阳极相比，它具有以下优点：阳极糊生产流程短，成本低，节省投资；生产规模可大可小；在电解槽上可以连续使用而没有残极出现。但在电解槽上使用存在缺点：对环境影响较大，劳动条件恶劣；阳极电压降增大，电耗高；不利于电解生产的机械化、自动化。所以1955年以后，新建的大型铝厂大都采用预焙槽形式。但在—些国家和地区，自焙阳极电解槽继续使用并得到发展。侧插自焙阳极电解槽系列最大电流强度达到130～140kA，而上插自焙阳极电解槽系列最大电流强度达150kA。

连续自焙阳极的热学特性  连续自焙阳极的焙烧是在电解槽上直接完成的。焙烧所需的热量来源于两个方面：(1)阳极本身在通过强大电流时所产生的热量(阳极电压降约0.4V)；(2)从电解槽内吸收的热量。阳极本体温度自下而上逐渐降低，其温度与高度的变化见图1。阳极最下部浸于电解质中，处于电解温度(约900℃)，而上表面温度约l00～160℃。阳极内部温度分布见图2及表1。

图1 阳极温度与高度变化关系

图2阳极温度区域划分示意图

a—侧插连续自焙阳极；b—上插连续自焙阳极(用干阳极糊)

表1 侧插阳极与上插阳极温度场分布(℃)

连续自焙阳极的焙烧 根据阳极糊烧结过程及程度，从上到下可以把阳极分成3个带：

(1)预热带。温度约100~400℃。其上部温度262约100~140℃(对普通阳极糊)或100～180℃(对于阳极糊)，阳极糊原始成分没有改变，沥青已软化，处于熔化流动状态；软化带电阻很大，基本上不能导电。阳极上层保持软化带是为了粘结新加入的阳极糊，使阳极成为—体，避免断层，同时也能调节锥体高度。其下部，阳极糊黏结剂开始发生热解反应，挥发分部分逸出，阳极糊流动性减弱，整体是黏稠状态。未通电的阳极棒就插在温度为350~400℃之间的区域内。

也有把温度低于350℃的区域称软化带，温度为350～400℃的区域称半焦带。

(2)烧结带。温度约为400～550℃。焦化反应剧烈进行，烧结体的密度、强度和导电性能逐步提高。

(3)导电带。温度约为550℃至电解温度(约960℃)。焦化过程逐渐结束，形成机械强度高、导电性能好的烧结锥体。通电的阳极棒处于该带中，这是真正的导电部位。

有时把烧结带和导电带统称为烧结带，其形状近似圆锥体，俗称阳极锥体。

(4)阳极过热。为保证阳极锥体均匀地上升，阳极必须保持—定的热平衡状态，若阳极吸收热量过多，处于热状态，危害极大，会降低机械强度，产生的炭渣过多，容易发生掉块、裂缝等情况，在与空气接触部位，氧化程度加深，会严重影响阳极导电面积，影响阳极正常工作，造成病槽。造成阳极过热的原因有：电解质温度过高；阳极电阻率过大；阳极电流密度过大；阳极棒与阳极接触不好；阳极棒排布不合理。

连续自焙阳极电学特性  连续自焙阳极虽然为—整体，但由于各部分温度不同，烧结状态也不—致，以致造成电流分布不均。上插连续自焙阳极电场比侧插连续自焙阳极电场分布得均匀—些。阳极热场分布与电场分布有关，电压降大的部位温度高，电压降小的部位温度低。因此，电解槽设计中，应选择适宜的阳极宽与阳极棒长度，合适配置阳极棒，在实际生产中，应注意调节阳极棒负荷及锥体高度等。

(1)阳极电流密度。是电解槽设计的重要参数，—般不应大于1A/cm²，过大的电流密度，使阳极本身的电压降过高，造成直流电耗增加，会使阳极过热，影响阳极机械性能和其他性能。

(2)阳极电压降。由3部分组成；阳极棒电压降，阳极棒与炭阳极接触电压降，炭素阳极本体电压降。降低阳极棒电压降，应改进阳极棒材质，精心设计尺寸和形状，并保持与母线压接良好。接触电压降与接触表面的清洁程度、接触面积及接触部位的温度有关。阳极本身的电压降与阳极糊的质量及烧结程度有很大的关系。阳极电压降与阳极高度间的关系见图3。

图3  阳极电压降与其高度的变化关系

炭素阳极体内温度越高的部位，烧结程度越好j导电性能就越好，图4表示炭素阳极体不同部位的电阻率与其温度之间的关系。—般来说，温度高于650℃时有较好的导电性。阳极钢棒的大量电流是在650*(2以上温度区域内通过的。

图4  自焙阳极电阻率与温度的关系

(3)阳极电流分布。阳极导电各部分温度不—，中心温度高，电阻率低，电流分布就多；越接近外部温度越低，电流分布就越少，所以应加强四周保温，尽力使电流分布较为均匀。对上插自焙阳极，电流分布还受阳极棒水平配置、阳极导电部分高度、电解槽槽膛形状等的影响，对侧插自焙阳极，电流分布还受阳极棒钉入的位置、深度、角度、转接小母接点质量、槽膛形状等影响。

(4)阳极反应。冰晶石—氧化铝熔盐电解的阳极反应比较复杂，因为炭阳极本身也参加电化学反应。冰晶石—氧化铝熔盐体系中含有多种阴离子，由于含氧离子的电负性较高，因此首先放电的是含氧离子。含氧离子在碳参与下放电，生成碳—氧络合物C_xO，络合物分解生成CO和CO₂：

最后，CO₂和CO自阳极表面释放。

最简单的可表示为如下的形式：

铝电解槽内的反应可简单表示如下：

—般情况下，生成的CO约占30％左右。

由于阳极在生产中参与电化学反应被逐渐消耗，所以必须定期补充阳极糊(对连续自焙阳极)或更换新的阳极炭块(对预焙阳极)。理论上计算，每吨铝消耗阳极炭333kg(按式(1)，生成100％的CO₂)到667kg(按式(2)，生成100％的CO)之间。但由于受到电流效率、阳极氧化及掉渣等影响，阳极炭耗量常大于理论消耗量。工业生产中阳极糊消耗量经验计算公式如下：

式中C_糊为阳极糊的消耗量，kg/t；K为阳极气体中CO的含量，％；V为含挥发分在内的损失量，%；η为电流效率，％。

在电解生产过程中，炭阳极不仅参与电化学反应而消耗，也有部分被氧化、掉渣等，生产1t铝需消耗阳极糊500~600kg。