鋁電解用碳陽極(carbonanodeusedinaluminiumelectrolysis)

鋁電解槽中與電源正極相聯的碳質電極，為鋁電解槽的重要組成部分。包括碳陽極本體和金屬陽極導電體。

簡史在鋁工業發展初期，采用數干安培的小型預焙陽極，這與當時炭素工業的生產水平相適應。為了擴大陽極尺寸借以提高電流強度，在20世紀20年代初參照當時鐵合金電爐的連續自焙電極型式，在鋁電解槽上裝設，連續自焙陽極，采取旁插棒式。在40年代，為了簡化陽極操作和提高機械化程度，又發展了上插棒式自焙陽極。在50年代，由于碳電極質量的提高以及振動成型制造大規格預焙陽極碳塊的成功，預焙陽極被廣泛采用。在80年代后期，最新式的預焙陽極鋁電解槽的電流容量已達到280～300kA以上。

作用鋁電解過程中碳陽極日平均消耗2cm左右，需要定期向電解槽中添加新陽極糊(自焙陽極)，或定期更換新陽極塊(預焙陽極)，使鋁電解槽保持正常運轉。

鋁電解生產對碳陽極的基本要求是：抗熔鹽侵蝕，有較低的電阻、較高的純度和較好的機械強度。碳陽極質量及工作狀況對鋁電解電流效率、鋁電解電能消耗及物料消耗的影響較大。

鋁電解槽正常運轉時，碳陽極的歐姆電壓降為300～600mV，占槽電壓的10％～15％，噸鋁碳陽極凈耗400～500kg(按殘極回收計)。通過提高原料質量，改進生產配方和工藝、陽極結構形式以及陽極的工作制度，可以提高陽極工作質量。

類型有連續白焙陽極(簡稱自焙陽極)和預焙陽極兩類。

自焙陽極自焙陽極是利用鋁電解槽自身熱量使陽極糊中的瀝青熱解，焦化后與骨料碳粒形成致密的固體陽極。自焙陽極多為整體式單陽極，按導電鋼棒(陽極棒)插入方式分為側插(或旁插)棒白焙陽極和上插棒自焙陽極兩種。

(1)上插棒自焙陽極。導電鋼棒從陽極上部插入者稱上插自焙陽極。上插自焙陽極由陽極框套、陽極鋼棒、碳陽極本體及框套升降機構等組成。上插棒自焙陽極鋁電解槽的電流容量達80～160kA，陽極電流密度為0.6～0.75A/cm²。

(2)側插自焙陽極。導電棒(陽極棒)從側部插入者稱側插自焙陽極。側插自焙陽極由陽極框架、陽極棒、碳陽極本體及陽極升降機構組成。側插棒自焙陽極鋁電解槽的電流容量達到40～130kA，陽極電流密度為0.7～1.0A/cm²，電流容量在10萬A以下的中小型鋁電解槽大多用側插自焙陽極。由于從鋁電解槽的側部插入陽極棒，電流均勻分布受到陽極寬度的限制。此外，陽極底部中心部位溫度高，散熱不好，也限制了鋁電解槽容量的擴大。

自焙陽極的操作包括加陽極糊、拔陽極棒、釘陽極棒(上插自焙陽極為插入)、轉接陽極小母線、抬陽極框架和調整陽極高度等。當自焙陽極操作不當和陽極糊質量差時，會引起陽極故障，直接影響鋁電解槽的電流分布并破壞原有的溫度制度，導致鋁電解電流效率下降和鋁電解電能消耗增加等。常見的自焙陽極故障有流(漏)陽極糊、陽極斷層、陽極裂紋、陽極掉塊、陽極長包、陽極著火和氧化等。

與預焙陽極相比，自焙陽極的優點是可以連續工作而不用更換，利用電解槽熱量焙燒陽極，節省能量；陽極制造不需要成形和焙燒設備，節省投資。缺點是瀝青煙直接在鋁電解槽上部散發，嚴重污染環境，給鋁電解產生的煙氣凈化和鋁電解自動化操作帶來困難；另外，自焙陽極操作比預焙陽極復雜，陽極歐姆壓降也較高。20世紀80年代以后，新建大鋁廠已不采用此種槽型。

預焙陽極鋁電解槽預焙陽極由多個陽極碳塊組組成。每個陽極碳塊組由1～2塊寬700～900mm、長1400～1700mm、高500～600mm的陽極碳塊、陽極導桿和鋼爪等部分組成。用生鐵澆鑄或碳糊搗固，把碳塊與鋼爪固結在一起，與鋼爪連結的陽極導桿用專用卡具壓緊固定在陽極母線上，陽極升降機構用以升降陽極。

預焙陽極多為間斷式操作，即每組陽極可使用18～28d。當陽極碳塊消耗到其原有高度的25%左右時，為避免鋼爪熔化在鋁電解槽中，須將預焙舊陽極碳塊吊出，用新的預焙陽極碳塊取代。取出的碳塊被稱為“殘極”。清除鋁電能質后的殘極經破碎可用作制造陽極的原料。預焙陽極導桿和鋼爪經清理和修理后可重復使用。原西德漢堡鋁公司(HamburgerAluminiumWerkGmbH)試用過連續預焙陽極。其方法是通過從側面插入棒孔中的鋼棒導電，并按照陽極的消耗程度將新的預焙陽極塊疊加到舊塊上，并用特制的碳糊將它們粘接成整體。

預焙陽極的操作有吊出殘極、清理殘極、陽極組裝、換上新陽極和調整陽極高度等。預焙陽極操作比較簡單，易于機械化，沒有瀝青煙害，有利于電解槽向大容量化方向發展，但建設制造預焙陽極的工廠投資較高，為大多數新建大鋁廠所采用。

原料主要有石油焦和煤瀝青兩種。石油焦是石油加工中渣油焦的化產物，含有80%～95%的碳和10%～20%的揮發物和水分。根據焦化方法不同將石油焦分為延遲石油焦、釜式石油焦、針狀石油焦和流態化石油焦等。延遲石油焦是制造鋁電解用碳陽極的主要原料。煤瀝青焦化形成的瀝青焦也是制造這種陽極的優等原料。煤經過加工除灰代替石油焦作為制造鋁電解用碳陽極的原料正受到重視。

煤瀝青是用蒸餾法從煤焦油中除去易揮發成分而制得的。依軟化點高低可將煤瀝青分為中溫瀝青(軟化點338～368K)和高溫瀝青(軟化點高于368K)。高溫瀝青又稱改質瀝青或硬質瀝青。石油瀝青經過加工，也可作為制造鋁電解用碳陽極的原料。

對制造鋁電解用陽極碳石油焦的質量要求為：揮發分小于15%，硫分小于1.5%，水分小于3%。此種石油焦需經過1573K的煅燒方可使用。

對中溫煤瀝青的質量要求為：灰分不多于0.3%，軟化點348～363K，甲苯不溶物15%～25%，水分不多于5%，揮發分60%～70%，喹啉不溶物不多于10%。

對改質瀝青的質量要求為：軟化點用環球法測得373～393K，甲苯不溶物20%～34%，喹啉不溶物6%～15%。B樹脂含量不少于18%，結焦碳不少于50%，灰分不多于0.3%，水分不多于5%。使用改質瀝青，有利于提高鋁電解用碳陽極質量，但需要改進混捏設備，提高混捏溫度。

生產工藝由煅燒，破碎、配料與混捏，成形與焙燒，組裝等作業組成。

煅燒將石油焦破碎至80mm以下粒度，然后在罐式煅燒爐、回轉窯或倒焰窯中煅燒至1573K，以排除石油焦中的揮發分，提高其機械強度、導電性和抗氧化性。煅后焦真密度為1990～2030kg/m³，粉末比電阻率在650μΩ·m以下。中國石油焦多在鋁廠和炭素廠內進一步煅燒，其他國家多由煉油廠直接加工出煅后焦。

破碎、配料與混捏將煅后焦破碎、磨粉、按一定比例(粒度配比)配料后，進行混合，并配加一定量的液體或固體瀝青，在間斷式或連續式混捏機中混捏。混捏的目的是使骨、粒焦被熔化的瀝青浸潤，以獲得均勻的糊料。混捏機用電、蒸汽或其他熱媒加熱。粘結劑瀝青配入量陽極糊為24%～30%(24%～26%稱干陽極糊)，預焙陽極為14%～19%。混捏出的熱糊可直接在自焙陽極鋁電解槽上使用，亦可將陽極糊鑄成500kg以上的大塊或15kg以下的小塊，以供隨時使用。

成形與焙燒混捏好的陽極糊料在413～433K溫度下送入模壓成形機、擠壓成形機或振動成形機成形。成形后的生陽極碳塊體積密度達1.580kg/m³。

成形后的碳塊送入焙燒爐內焙燒。焙燒的目的是排除揮發分，粘結劑焦化并與固體顆粒牢固地連在一起，以提高碳塊機械強度和導電率。焙燒爐有密閉式或敞開式多室環式焙燒爐、隧道窯、倒焰窯等。最常用多室環式焙燒爐。采用煤氣、重油或煤燃燒加熱。多室環式焙燒爐可循環連續工作，碳塊焙燒周期為16～30d(包括冷卻時間)，最高焙燒溫度1473～1573K。用無煙煤、焦炭或石英砂作為填充料覆蓋在碳塊上面和周圍。焙燒在隔絕空氣下進行。由耐火磚墻把火道中的熱傳遞到碳塊制品上，火焰從一個爐室傳到另一個爐室，一個火焰系統有18個左右的爐室，分為預熱帶、加熱帶和冷卻帶，以提高熱能利用率。焙燒爐一般由1～4個火焰系統組成。升溫制度、裝爐方式、填充料等對焙燒產品質量的影響較大。

組裝焙燒后的陽極碳塊經檢查合格，送組裝車間，用生鐵澆鑄或用碳糊搗固，與導桿鋼爪和陽極碳塊連續接在一起。