铝电解用碳阴极(carbon cathode used inaluminium electrolysis)

铝电解槽中与电源负极相联的碳质电极。为铝电解槽的重要组成部分，包括底部碳块、侧部碳块、连接碳块的捣固碳糊或碳胶及阴极钢棒等。铝电解用碳阴极位于电解槽底部，其外部砌筑耐火材料并用钢壳加固。

作用 铝电解用碳阴极之上为铝液和电解液，在其与铝液界面上进行析出铝的电解反应。直流电流经铝液、底部碳块和阴极钢棒导出槽外，碳阴极为铝电解槽最重要结构部分。铝电解用碳阴极的材质情况、安装质量及工作状况对铝电解电流效率和铝电解电能消耗影响甚大。铝电解用碳阴极电压降或称炉底电压降一般在．400mV以上，占槽电压的10%左右。在铝电解生产中，阴极受熔盐和铝液的侵蚀和冲刷及各种应力作用而发生变形和断裂。当其破损严重时，需要停槽进行大修理。铝电解用碳阴极内衬的正常使用寿命为4～5a。

制造 低碳分无烟煤、沥青焦、冶金焦、天然及人造石墨和煤沥青等是制造阴极碳块、侧部碳块、捣固碳糊及碳胶的主要原料。这些原料首先要经过煅烧处理，无烟煤和沥青焦在罐式煅烧炉或回转窑中，于1473～1623K的高温下进行煅烧，以提高其致密性和热稳定性，并降低其电阻率。无烟煤也可在电煅烧炉中进行煅烧，煅烧温度一般为2073～2173K。通过煅烧可进一步提高无烟煤的热稳定性和降低其比电阻。

煅后焦与经过脱水的冶金焦、石墨经破碎和磨粉，按一定粒度配比进行混合，在间断或连续混捏机中与粘结剂煤沥青一起，混捏制成碳糊料。

碳底糊用捣固的方法填充在碳块之间的缝子内。碳底糊的骨料粒度小于4mm，沥青配入量为19%～21%。为了降低碳底糊的软化点，并改善捣固施工环境，可用蒽油、焦油、洗油等代替部分沥青作粘结剂来制造碳底糊，这种碳底糊可在常温下应用，故称之为冷捣糊。

碳胶为挤压粘结碳块间细缝(小于4ram)的碳糊料，碳胶的骨料粒度小于1mm，粘结剂含量为40%左右。

制造底部碳块或侧部碳块的碳糊料，其骨料粒度可大到10mm以上，煤沥青配入量为16%～18%，采用挤压、模压或振动法成形。成形后的碳块(生坯)体积密度可达到1600kg/m³。以上。

生碳块的焙烧在密闭式或敞开式多室环式焙烧炉中进行。中国的中小炭素厂多用倒焰窑或多室并排式焙烧窑进行焙烧，其热能效率较低。阴极碳块的焙烧温度为1123～1423K，石墨焦或半石墨焦阴极碳块可用较低的焙烧温度。石墨化或半石墨化阴极碳块则需要更高的焙烧温度，一般为1073～1123K。焙烧是为了使粘结剂沥青热解、焦化，使生坯具有较高的机械强度、较好的热稳定性和较高的导电性。焙烧曲线以及装炉操作对烧成品质量影响很大。

阴极钢棒具有矩形截面，按照所选用的钢棒尺寸，在阴极碳块上加工出装入钢棒的槽孔(燕尾槽)。用生铁浇铸或碳糊捣固的方法把阴极钢棒与碳块连接在一起。

砌筑与安装在铝电解槽的耐火砖层之上，用碳底糊捣固一层30～50mm厚的底垫，其上放置阴极碳块组。阴极碳块组通常排成两行，也有采用单一行的，即采用通长阴极碳块和通长阴极钢棒。

阴极碳块组间有40～50mm的大缝结构时，用碳底糊捣固将碳块组连为一整体；当阴极碳块组间有4mm以下的细缝结构时，用碳胶将碳块组连结为一整体。整个铝电解槽阴极碳块四周砌一层或两层侧部碳块。侧部碳块间缝用生石膏灌浇或用碳胶粘结。侧部碳块的内侧有时用碳糊捣固成一个斜坡(人造伸腿)，以保护侧壁。

质量要求安装好的碳阴极要符合下列质量要求：炭素槽底是一个无缝的整体，没有空洞和裂纹；导电率要足够高，钢棒与碳块有良好的接触点；具有能抵御电解质和铝液冲刷磨蚀的足够强度。

对底部碳块的质量除了严格的尺寸要求外，还要求其电阻率小于60μΩ•m，抗压强度不小于30MPa，电解膨胀率小于1．2%，灰分小于10%，密度大于1520kg/m³。

电解膨胀率是反映碳块在铝电解过程中耐电解质和钠盐侵蚀性指标，也有用破损系数表示的(小于1．5)。近年来世界上一些国家都在积极研究和开发半石墨质和石墨质碳块，这些碳块具有好的电导率和耐钠侵蚀能力。对侧部碳块的质量要求，除电阻率不作规定外，其余相同于底部碳块。对碳底糊和碳胶的质量则要求其灰分不大于12%，烧结后试样抗压强度不小于15MPa，试样体积密度不小于1400kg/m³，含碳量不少于80%。

破损与修理 在铝电解槽启动和运转过程中，碳阴极在电解质和铝液的侵蚀及冲刷下会发生溶液渗透、选择吸收钠、生成碳化铝等物理化学作用及热应力作用，使碳阴极逐步产生变形、隆起和裂缝等，最终导致电解槽停产而要进行大修。碳阴极内衬破损需要进行大修的征兆为：铝中含铁量突然升高，碳阴极钢棒被铝液熔化，槽底电压显著升高，碳阴极内衬隆起严重，碳阴极电流分布严重不均，槽壳变形严重，危及正常操作等。

碳阴极内衬大修时，铝电解槽先行停电，全部清除槽中的电解质和铝液，将旧内衬全部刨除并按照新电解槽施工要求进行整个碳阴极内衬的砌筑与安装。

碳阴极内衬的使用寿命一般为_4～5a。碳阴极材料质量，施工质量和铝电解槽焙烧启动及生产管理质量是影响铝电解槽使用寿命的主要因素。为了延长阴极内衬使用寿命和降低阴极电压降，近年来正在研究TiB₂阴极涂层，侧部SiC砖层以及研究开发新的碳阴极结构形式等。