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新型铝电解电极材料应用技术介绍

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2024-01-25 08:55:15
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环境中,承担着重要的功能性作用,铝用电极质量的好坏对电解槽的稳定运行、经济技术指标的先进性以及槽寿命都具有举足轻重的影响。因此,未来铝电解技术的发展在相当大的程度上,取决于电极材料的性能与质量。


铝电解的电极材料的生产技术和应用情况将在本书第6篇中详述。本节主要简要介绍新型电极材料如何影响未来铝电解技术的发展。


石墨化阴极


20世纪90年代后,国外以原法国铝业公司为代表的多家大铝业公司,为实现电解槽的大型化和生产运行的稳定性,通过强化电流提高产能,在新建大型槽或进行电流强化的电解槽,采用了石墨化阴极炭块取代高石墨质阴极。


采用石墨化阴极,可以对铝电解过程产生如下作用:一是可降低阴极压降,为节能或强化电流创造更大空间:二是在阴极区域能量基本保证自耗状态下,能减少槽熔体区向四周散出热流的负荷,有利于形成完整的炉帮并维持稳定:三是增强阴极炭块的抗钠腐蚀,延长阴极使用寿命。


石墨化阴极炭块有如下优点:


(1)石墨化阴极炭块抗钠侵蚀性能好。在电解过程中产生的少量金属钠通过界面反应与阴极炭内衬形成稳定的嵌层化合物,造成阴极炭内衬局部膨胀,产生内应力,导致阴极炭内衬破损。而石墨由于品格结构发育完整,是各种炭材料中抗钠侵蚀性能最好的一种,其电解膨胀率仅为0.1%左右。


(2)使用石墨化阴极的电解槽炉底压降低。由于石墨化阴极炭块的电阻率较低,阴极压降一般可降低80~100mV。


(3)石墨化阴极炭块的导热性能好。石墨化阴极炭块的导电性、导热性性能好,电解槽散热性能也好,有利于电解槽形成完整炉帮。


(4)石墨化阴极炭块,有利于强化电流、提高产量。由于石墨化阴极炭块导热性能好、阴极压降低,为强化电流提供了可能。


(5)石墨化阴极的抗热震性能好。抗热震性能(材料对温度突变的耐抗性)与制品的抗弯强度和导热性成正比,与弹性模量和热膨胀性成反比。石墨化阴极导热性好,具有优越的抗热震性能。


(6)电解槽运行期间石墨化阴极的变质度低。电解槽运行期间,阴极材料的性能不可避免地要随时间延长而发生质变,性能指标变差。如:无定形炭的阴极在电解槽运行1000多天后,抗弯强度明显变差,仅约为原始数据的30%~40%,而石墨化阴极几乎无变化。


可湿润阴极


开发可湿润阴极技术的主要思路是:采用与铝液具有良好湿润性能阴极取代炭素阴极,铝离子可以直接在此阴极上放电而生成铝。如果在阴极表面保持较薄的铝液层,则可消除磁场对电解过程的干扰,大大降低极距和极间电压,从而大幅度地提高电能效率。


理想的可湿润阴极应该满足以下要求:对铝液有良好的湿润性;难溶于电解质和铝液中,能耐高温、能抵御铝液和电解质的腐蚀;在高温下有良好的导电性、高的机械强度、抗磨损性和抗热冲击能力;能够和基体材料良好地结合;容易加工成形,原料来源广泛生产制造、安装施工应用成本低。


能够满足可湿润阴极要求的材料不多。有一类被称为“RHM”的物质,即元素周期表中第ⅣB~ⅥB族过渡金属元素的硼化物、碳化物、硅化物和氮化物,一般都具有高熔点、高硬度、良好的导电性和导热性,与熔融金属具有良好的湿润性,能抵挡熔融金属铝和氧化铝冰晶石熔盐的腐蚀与渗透等优点,但这类化合物脆性大,抗热震性较差。RHM中的硼化物,尤其是TiB,(见表37-3)和ZrB,被认为是铝电解可湿润性阴极的首选材料。


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在新型结构电解槽技术的开发过程中,中国铝业公司同时开发出了大规格、一体化成形TiB2-C复合层可湿润阴极生产技术。该技术成为又一项具有中国自主知识产权的铝电解新技术,为新型结构电解槽技术的推广应用提供了性能更为优越的阴极材料。


表37-4和图37-4为TiB2-C复合层阴极炭块的性能分析数据及比较。


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工业试验证明,电解槽采用可湿润阴板后,生产运行稳定,且槽底干净、沉淀少,电流效率同比提高约1%。


高石墨质阴极


高石墨质阴极炭块是配人的石墨含量高于30%的阴极炭块。通常根据其用途分别可配入30%、50%和100%的石墨,其中100%石墨含量的阴极炭块又称为全石墨质阴极炭块。


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高石墨质阴极炭块与石墨化阴极相比,机械强度和耐磨性能更好;而与半石墨质阴极相比,导电性能好、抗钠侵蚀能力和抗热震性能强,因而是一种兼顾各种性能、较适宜于大型电解槽上使用的新型阴极材料。由于电阻率和钠膨胀率较低,可降低槽底压降、改善炉底状况,延长槽寿命,同时为提升和强化电流创造了一定的有利条件。高石墨质阴极炭块的制造成本也较适中利于推广应用。


开槽阳极


通常铝电解槽所采用的炭阳极均为底掌水平的矩形阳极。随着电解槽容量的不断增加,阳极面积也需要扩大。面积越大,越不利干阳极气体的排放。因此,在阳极底掌下总有部分工作面积被电解产生的气泡所覆盖,使电解质与炭阳极之间接触面积减少,极间电阻增大。当电解过程中极间氧化铝浓度降低,电解质同炭阳极之间的湿润性变差,析出的气体容易进入阳极和电解质的界面上,随着阳极气泡的逐渐增多,由小气泡聚合成较大气泡,形成连续的气体膜,就会引发阳极效应,危害电解正常进行。


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优化阳极结构,应用开槽阳极,可以使电解产生的气体排放更加便捷,降低阳极气体对阳极底掌的覆盖率以及阳极气膜电阻,降低电解质电压降或阳极过电压;减小阳极气体在极间的占据空间,在阳极周围形成的电解质流场,更好地促进槽内的传质传热;阳极气体逸出时间缩短,可减小铝的直接二次损失,提高电流效率;阳极气体逸出对熔体的扰动减小,有利于电解槽的稳定运行。


开槽阳极的外形设计有多种,但按照开槽的方向可分为纵向开和横向开槽两种方法。


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