炼铝用阳极材料(carbon anode materials  for  aluminium  electrolysis)

以石油焦、沥青焦等为骨料，以煤沥青等为黏结剂，经加工制成的炭糊或炭块，主要用做铝电解槽阳极。也可用于硅、镁冶金及化工窑炉做电极材料。

分类 阳极材料可分为阳极糊(见阳极糊)和预焙阳极炭块(见阳极炭块)两大类。阳极糊未经焙烧，直接用在自焙铝电解槽上做阳极；阳极炭块已经成型和焙烧，用于预焙铝电解槽做阳极。阳极材料归类如下：

以阳极糊为主体所构成的连续自焙阳极可以连续工作而不必更换；利用电解槽热量焙烧阳极，节省能量；制造阳极糊不需建压型、焙烧设备，节省投资。但由于沥青烟直接在电解槽上部散发，环境污染严重，给铝电解生产的烟气净化和自动化操作带来困难，自焙阳极横截面积的局限限制了电解槽容量的提高。另外，自焙阳极操作比预焙阳极复杂，阳极电阻率较高，电耗较大。

以阳极炭块为本体构成的预焙阳极操作比较简单；阳极电压降比自焙阳极低；易于实现机械化、自动化；消除了电解过程中的沥青烟害；有利于电解槽向大容量方向发展。因此新建大铝厂都采用预焙阳极。

特性要求 炼铝生产就是对熔融的冰晶石一氧化铝体系的电解过程，炭素阳极材料把电流导入电解槽并参与电化学反应。

炭素阳极安装在电解槽上部，强大的直流电(30～300kA)通过炭素阳极导入铝电解槽，在炭素阳极底部发生分解氧化铝的复杂的电化学反应(阳极反应)，阳极最终产物是CO和CO₂。铝电解生产中，炭阳极参与反应而逐渐消耗，每生产1t铝，炭素阳极净耗450～600kg。定期向电解槽中添加新阳极糊(对自焙阳极)或更换新阳极块(对预焙阳极)以保持阳极连续正常工作。

铝电解生产对炭素阳极材料提出如下要求：

(1)纯度高。铝电解生产中，炭素阳极材料被电解反应逐渐消耗，其中的灰分杂质将进入金属铝液中，污染铝的质量。因此，要求炭素阳极材料中的杂质含量越低越好，—般灰分不应大于0.5％。

(2)导电性能良好。在铝电解槽上，炭素阳极参与传导电流，消耗在炭阳极的电压降达0.35～0.5v，每生产lt铝消耗在阳极上的电能约1500～2000kW•h，占铝生产电耗的10％～15％。因此，降低阳极材料的电阻率对降低铝生产成本十分重要。阳极炭块电阻率不应大于60μΩ.m，阳极糊烧结体电阻率不应大于80μΩ•m。

(3)足够的机械强度。铝电解槽上阳极重达几十吨，还要承受电、热等的冲击。因此要有足够的机械强度。阳极糊烧结体和阳极炭块的耐压强度不应低于27MPa。

(4)抵抗与CO₂反应性能良好。铝电解生产中，阳极反应生成CO₂，再次与炭发生反应，从而引起炭的过量消耗，产生脱落、掉渣等现象，并降低电解反应的电流效率。铝电解生产要求炭素材料在CO₂气氛中稳定。通常对抵抗CO₂反应性的指标为反应速度、总消耗率、气化率、脱落度等。

生产工艺 生产铝用阳极炭素材料的原料有石油焦、沥青焦、预焙阳极的残极及少量添加剂，黏结剂为煤沥青。原料焦经过煅烧、破碎、分级、按—定的配方与煤沥青混捏，冷却后即成为阳极糊；混捏后的糊料经成型、焙烧，成为阳极炭块。阳极糊与阳极炭块的配方—般不同。

原料 阳极材料要求杂质含量低，因此使用少灰的原料。原料分为骨料和黏结剂两大类，用做骨料的有石油焦、沥青焦、预焙阳极的残极等，其杂质含量—般不大于0.5％(残极中有电解质成分，灰分要求可适当放宽)，黏结剂为煤沥青。

石油焦、沥青焦的质量标准见表1。

表1 延迟石油焦、沥青焦的质量指标(ZB E44002-88和GB 3070—32)

注：1.延迟石油焦的真密度是指1300℃煅烧5h的真密度；

2.粉焦含量，石油焦是指8mm以下，沥青焦是指25mm以下。

残极是阳极炭块在电解槽使用以后的残余部分，其表面覆盖有氧化铝和氟化盐，将其清理掉以后，可返回用做生产阳极材料的原料。

用于制造阳极的煤沥青(表2)，主要有中温煤沥青和高温煤沥青或改质煤沥青(表3)。石油沥青经过改性处理后，也可以作为制造阳极的黏结剂。

表2 煤沥青的质量指标(GB2290—80)

表3 改质煤沥青质量指标(YB/T6194—93)

生产工艺与设备 阳极材料的生产工艺包括原料的预碎、煅烧、破碎、筛分分级、配料，黏结剂的预处理、混捏，混捏后的糊料成型、焙烧及清理加工。

工艺流程图见图。

阳极材料生产工艺流程图

(1)煅烧。煅烧作业是将炭素原料在隔绝空气的条件下进行高温热处理的过程。煅烧的目的是排除原料中挥发分，提高其热稳定性、密度、机械强度、导电率和抗氧化性等。中国石油焦的煅烧多在炭素厂或铝厂进行。中国煅烧石油焦的主要设备是罐式煅烧炉和回转窑。

罐式煅烧炉根据物料与加热气流的运动方向，可分为顺流式罐式煅烧炉和逆流式罐式煅烧炉两种。(见罐式煅烧炉)罐式炉煅烧的焦炭质量稳定，氧化烧损少，节省外加能源。

炭素工业的回转窑与其他工业的回转窑结构相似，但通常设有二次风、三次风装置。回转窑的产能较大。(见回转窑)

(2)破碎筛分。将煅烧石油焦破碎，按照配方要求筛分和磨粉分成不同粒级的料。装入各自的料仓内。破碎机械通常用颚式、对辊、锤击、反击等型式的破碎机。磨粉通常采用球磨机、雷蒙磨等。

(3)配料。配料按设定的配方进行。配方根据原料、产品的种类及性能要求，通过科学试验和工业实践而得到。不同产品的配方是不同的。阳极糊的典型配方如下：

沥青含量占总糊料的28％±1％。

干阳极糊的骨料配方中的最大颗粒尺寸为12～10mm，沥青含量24％～26％，通常用高温煤沥青。

预焙阳极炭块的配方，有大颗粒配方和小颗粒配方两种，沥青含量根据干料配方和成型工艺而有所不同，—般为16％～18％。

(4)混捏。混捏的目的是使各种不同粒级的骨料均匀地混合，使熔化的沥青浸润颗粒表面，并渗入焦炭内部的孔隙。在黏结剂粘结力的作用下，所有颗粒互相粘结起来，使糊料具有塑性，利于成型。—般用中温煤沥青的混捏温度为145℃±5℃，用高温煤沥青的混捏温度为180℃±5℃。

常用的混捏设备是间断式的混捏锅或连续混捏机。常用的双轴混捏锅—般用电、蒸汽或热油加热，内部有两个转速不同的“z”形搅刀。大型铝厂多采用连续混捏机。连续混捏机与较精确的连续配料设备配套使用，机械化自动化程度高，产量大，劳动条件较好。连续混捏—般是用两台混捏机分别进行—段和二段混捏。较先进的连续混捏机采用导热油加热，搅刀在径向转动的同时，还可进行纵向窜动，从而大大加强混捏效果。

(5)成型。阳极糊的成型较简单，铸成500kg以上大块或15kg以下的小块，冷却，使用时直接加在电解槽上部即可。但干阳极糊通常为1kg以下的球形小块。

阳极炭块常用两种方法成型：振动成型和挤压成型。挤压成型设备采用水压机或油压机，振动成型采用专用的振动成型机组。振动成型法是目前大型铝电解厂制造阳极炭块广泛采用的方法，生产效率高，生炭块质量较好，且可直接制成炭碗。

20世纪80年代中国引进消化吸收了先进的多工位振动成型机组，在—个可转动的工作平台上，连续完成下料、振动成型、脱模推出工序，使成型得以连续进行，大大提高了生产效率。

(6)阳极炭块的焙烧。焙烧的目的是排出挥发分，使黏结剂焦化并与固体颗粒牢固地粘结在—起，提高炭块的机械强度和导电性能。

现代铝工业焙烧阳极炭块常用敞开式环式焙烧炉。它是由若干个结构相同的焙烧室组成，每个焙烧室又分隔成若干个炭块箱，在炭块箱内分层堆放炭块，在炭块与炭块、炭块与炉墙之间，以及炭块上下均用焦粒填充作为保护介质。其运行特点是把整个焙烧炉划分成几个火焰系统，每个火焰系统实行多室串联生产，焙烧时散发出来的挥发分可作为燃料用。炭块焙烧周期16～30昼夜(包括冷却在内)，最高焙烧温度1200～1300℃，并保持15～20h。升温速度根据在不同的温度区段有很大不同，200℃以下可以快速升温；200～600℃，每小时2～5℃；600～800℃，可以稍快些，800℃以后，每小时10～15℃。环式炉常用的焙烧曲线根据炉型和制品的规格而不同，升温时间—般为160～400h。阳极炭块也有采用带盖式环式焙烧炉焙烧的。

表4列出中国阳极生产采用的煅烧设备，焙烧设备与世界先进水平的对比。

表4 中国煅烧炉窑、焙烧炉与世界先进水平的对比