鋁電解用碳陰極(carboncathodeusedinaluminiumelectrolysis)

鋁電解槽中與電源負極相聯的碳質電極。為鋁電解槽的重要組成部分，包括底部碳塊、側部碳塊、連接碳塊的搗固碳糊或碳膠及陰極鋼棒等。鋁電解用碳陰極位于電解槽底部，其外部砌筑耐火材料并用鋼殼加固。

作用鋁電解用碳陰極之上為鋁液和電解液，在其與鋁液界面上進行析出鋁的電解反應。直流電流經鋁液、底部碳塊和陰極鋼棒導出槽外，碳陰極為鋁電解槽最重要結構部分。鋁電解用碳陰極的材質情況、安裝質量及工作狀況對鋁電解電流效率和鋁電解電能消耗影響甚大。鋁電解用碳陰極電壓降或稱爐底電壓降一般在．400mV以上，占槽電壓的10%左右。在鋁電解生產中，陰極受熔鹽和鋁液的侵蝕和沖刷及各種應力作用而發生變形和斷裂。當其破損嚴重時，需要停槽進行大修理。鋁電解用碳陰極內襯的正常使用壽命為4～5a。

制造低碳分無煙煤、瀝青焦、冶金焦、天然及人造石墨和煤瀝青等是制造陰極碳塊、側部碳塊、搗固碳糊及碳膠的主要原料。這些原料首先要經過煅燒處理，無煙煤和瀝青焦在罐式煅燒爐或回轉窯中，于1473～1623K的高溫下進行煅燒，以提高其致密性和熱穩定性，并降低其電阻率。無煙煤也可在電煅燒爐中進行煅燒，煅燒溫度一般為2073～2173K。通過煅燒可進一步提高無煙煤的熱穩定性和降低其比電阻。

煅后焦與經過脫水的冶金焦、石墨經破碎和磨粉，按一定粒度配比進行混合，在間斷或連續混捏機中與粘結劑煤瀝青一起，混捏制成碳糊料。

碳底糊用搗固的方法填充在碳塊之間的縫子內。碳底糊的骨料粒度小于4mm，瀝青配入量為19%～21%。為了降低碳底糊的軟化點，并改善搗固施工環境，可用蒽油、焦油、洗油等代替部分瀝青作粘結劑來制造碳底糊，這種碳底糊可在常溫下應用，故稱之為冷搗糊。

碳膠為擠壓粘結碳塊間細縫(小于4ram)的碳糊料，碳膠的骨料粒度小于1mm，粘結劑含量為40%左右。

制造底部碳塊或側部碳塊的碳糊料，其骨料粒度可大到10mm以上，煤瀝青配入量為16%～18%，采用擠壓、模壓或振動法成形。成形后的碳塊(生坯)體積密度可達到1600kg/m³。以上。

生碳塊的焙燒在密閉式或敞開式多室環式焙燒爐中進行。中國的中小炭素廠多用倒焰窯或多室并排式焙燒窯進行焙燒，其熱能效率較低。陰極碳塊的焙燒溫度為1123～1423K，石墨焦或半石墨焦陰極碳塊可用較低的焙燒溫度。石墨化或半石墨化陰極碳塊則需要更高的焙燒溫度，一般為1073～1123K。焙燒是為了使粘結劑瀝青熱解、焦化，使生坯具有較高的機械強度、較好的熱穩定性和較高的導電性。焙燒曲線以及裝爐操作對燒成品質量影響很大。

陰極鋼棒具有矩形截面，按照所選用的鋼棒尺寸，在陰極碳塊上加工出裝入鋼棒的槽孔(燕尾槽)。用生鐵澆鑄或碳糊搗固的方法把陰極鋼棒與碳塊連接在一起。

砌筑與安裝在鋁電解槽的耐火磚層之上，用碳底糊搗固一層30～50mm厚的底墊，其上放置陰極碳塊組。陰極碳塊組通常排成兩行，也有采用單一行的，即采用通長陰極碳塊和通長陰極鋼棒。

陰極碳塊組間有40～50mm的大縫結構時，用碳底糊搗固將碳塊組連為一整體；當陰極碳塊組間有4mm以下的細縫結構時，用碳膠將碳塊組連結為一整體。整個鋁電解槽陰極碳塊四周砌一層或兩層側部碳塊。側部碳塊間縫用生石膏灌澆或用碳膠粘結。側部碳塊的內側有時用碳糊搗固成一個斜坡(人造伸腿)，以保護側壁。

質量要求安裝好的碳陰極要符合下列質量要求：炭素槽底是一個無縫的整體，沒有空洞和裂紋；導電率要足夠高，鋼棒與碳塊有良好的接觸點；具有能抵御電解質和鋁液沖刷磨蝕的足夠強度。

對底部碳塊的質量除了嚴格的尺寸要求外，還要求其電阻率小于60μΩ•m，抗壓強度不小于30MPa，電解膨脹率小于1．2%，灰分小于10%，密度大于1520kg/m³。

電解膨脹率是反映碳塊在鋁電解過程中耐電解質和鈉鹽侵蝕性指標，也有用破損系數表示的(小于1．5)。近年來世界上一些國家都在積極研究和開發半石墨質和石墨質碳塊，這些碳塊具有好的電導率和耐鈉侵蝕能力。對側部碳塊的質量要求，除電阻率不作規定外，其余相同于底部碳塊。對碳底糊和碳膠的質量則要求其灰分不大于12%，燒結后試樣抗壓強度不小于15MPa，試樣體積密度不小于1400kg/m³，含碳量不少于80%。

破損與修理在鋁電解槽啟動和運轉過程中，碳陰極在電解質和鋁液的侵蝕及沖刷下會發生溶液滲透、選擇吸收鈉、生成碳化鋁等物理化學作用及熱應力作用，使碳陰極逐步產生變形、隆起和裂縫等，最終導致電解槽停產而要進行大修。碳陰極內襯破損需要進行大修的征兆為：鋁中含鐵量突然升高，碳陰極鋼棒被鋁液熔化，槽底電壓顯著升高，碳陰極內襯隆起嚴重，碳陰極電流分布嚴重不均，槽殼變形嚴重，危及正常操作等。

碳陰極內襯大修時，鋁電解槽先行停電，全部清除槽中的電解質和鋁液，將舊內襯全部刨除并按照新電解槽施工要求進行整個碳陰極內襯的砌筑與安裝。

碳陰極內襯的使用壽命一般為_4～5a。碳陰極材料質量，施工質量和鋁電解槽焙燒啟動及生產管理質量是影響鋁電解槽使用壽命的主要因素。為了延長陰極內襯使用壽命和降低陰極電壓降，近年來正在研究TiB₂陰極涂層，側部SiC磚層以及研究開發新的碳陰極結構形式等。