新型复合层阴极炭块的研究.pdf

新型复合层阴极炭块的研究与应用 杨宏杰, 陈开斌, 刘凤琴, 罗英涛 中国铝业股份有限公司郑州研究院 河南 郑州450041 摘要 通过硼化钛 炭复合层阴极炭块的实验室研究及工业应用试验 开发了一种全新的硼化钛 炭复合层阴极炭 块的生产方法 掌握了工业化生产大规格硼化钛 炭复合层阴极炭块的工艺技术条件 总结了该种新型复合层阴极 炭块在铝电解槽上的应用效果 研究结果表明 硼化钛 炭复合层阴极炭块是一种理想的铝电解槽用阴极材料 关键词 铝电解槽 硼化钛 炭 复合层 新型阴极炭块 1 前言 目前 铝电解槽直接接触铝液 电解质的阴极内衬材料全部是采用由电煅煤 普煅煤 冶金焦 石墨碎 煤沥青等原料生产的炭素制品 这种炭素材料具有较好的导电性和耐电解质腐蚀性 但用 这种炭素材料砌筑的电解槽在启动初期及生产过程中 从电解质中吸收大量的金属钠 石墨化含量 石墨化度越低 抵抗钠的侵蚀能力越差 金属钠与碳反应生成稳定的嵌层化合物其晶格尺寸大于碳 晶格尺寸造成阴极膨胀 化学反应式 Al+3NaF(熔体)+C=3NaC+AlF3(熔体) 另外 碳钠化合物的形成 使电解质对炭块的湿润性改善 更促进了电解质对阴极炭块的渗透 由于这些因素的影响 在生产过程中 阴极炭块会出现膨胀 变形 槽底容易形成硬沉淀 成为电 解槽早期破损 槽寿命短 后期生产技术指标差 生产操作困难 难于稳定的主要原因 随着电解槽容量的不断增加 每台电解槽一次性的筑炉 启动费用也在增加 因此电解槽的寿 命对铝的生产成本有更大的影响 为了提高经济技术指标 延长槽寿命 对阴极材料提出了更高更 新的要求 目前 我国大型预焙电解槽寿命平均只有1300 天 与世界平均水平2600 天相比 差距 很大 是影响我国大型预焙槽技术经济指标的一个非常重要的科题 硼化钛具有很好的导电性 较强的耐高温抗腐蚀性 对熔融铝液有良好的湿润性 抗电解质侵 蚀性 因此TiB2 是一种较理想的隋性阴极材料 但是 采用纯的 TiB2 做阴极是极为昂贵的 也存 在着许多技术问题 如何把TiB2 科学地用作铝电解槽阴极材料还需要做许多实验研究工作 从八十 年代开始 国内外许多科研工作者对硼化钛 炭复合材料进行了较深入的研究 实验结果发现 TiB -C 复合材料中随着TiB 含量的增加 导电性能提高 对铝液的湿润性逐步改善 当复合材料中 2 2 TiB2 含量超过27%时 铝液在TiB2 C 复合材料表面上已完全铺展[1,2] 1984 年美国Martin marietta 公司在AIME 年会上发表了该公司TiB [3] 2 阴极涂层试验研究的结果 试验是在阴极炭块表面涂一层 含有TiB2 粉的涂层材料 为获得合理的涂层配方 先进行了实验室试验和半工业化试验 1981~1982 年在6 台105kA 的上插阳极电解槽上进行了涂层试验 1985 年该公司又进行了12 台槽的整体涂层 试验 前次试验是每块阴极炭块分别涂 后在槽内安装 这次是在安装好的电解槽内整体涂层 即 炭块之间无接缝 槽底均匀为TiB2 C 复合材料 采用专用的焙烧炉架在槽壳上 焙烧温度为 500 ~650 试验结果表明 阴极表面清洁 很少沉渣结疤 电流效率较高 试验槽平均电耗降低 0.15~0.2kwh/磅 九十年代初 我国多家铝厂与科研院所 高等院校合作相继开展了TiB2 阴极涂层的研究及工业 应用试验[4,5] 各个铝厂在工业试验过程中发现该方法存在以下不足 1 采用硼化钛涂层技术需人 工涂抹 涂抹后需按严格的温度制度对涂抹层进行热处理 涂层加热焙烧时间为几十小时不等 这 种加热方法需制作专门的加热工具 对不同槽型 这种加热工具不可以通用 2 硼化钛涂层与阴 极基体结合力不牢 因为阴极炭块已经过成型 焙烧 而涂刷在阴极炭块表面的含TiB2 的糊料是未 经过成型 焙烧的生糊料 与炭块基体的成分组成 粘结剂种类 粘结剂含量都不完全相同 涂层 中含有较高的挥发分 经预焙烧后 挥发分逸出 产生较多的孔隙 该涂层的密度 强度很低 而