淺談石墨化陰極炭塊的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

谷柳｜文

本文通過對(duì)國內(nèi)石墨化陰極炭塊理化性能指標(biāo)的研究，以及通過其與高石墨質(zhì)陰極炭塊的對(duì)比，對(duì)石墨化陰極炭塊在電解槽上應(yīng)用時(shí)的優(yōu)勢(shì)、推廣應(yīng)用中存在的問題，以及應(yīng)用前景進(jìn)行了分析與說明，為電解鋁節(jié)能生產(chǎn)提供了新途徑。

石墨化陰極炭塊的背景

經(jīng)過了六十多年的發(fā)展，鋁電解行業(yè)取得了令人矚目的成就。截至2017年，國內(nèi)電解鋁在產(chǎn)產(chǎn)量為3227.3萬噸，中國電解鋁產(chǎn)能現(xiàn)居世界首位。目前，400kA以上大型預(yù)焙電解槽占國內(nèi)電解鋁產(chǎn)能的50%以上，甚至已有世界首條600kA的電解槽投產(chǎn)，目前運(yùn)行平穩(wěn)、技術(shù)指標(biāo)良好。鋁電解行業(yè)已發(fā)生了質(zhì)的飛躍！

隨著大型預(yù)焙電解槽在國內(nèi)的普及，電解槽大型化的問題也逐漸暴露出來。我國最先進(jìn)的大型預(yù)焙電解槽與國外先進(jìn)國家的大型預(yù)焙電解槽相比，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都較為接近，但壽命較短、熱平衡難以控制、電解槽穩(wěn)定性差。究其原因，是陰極炭塊與大型預(yù)焙電解槽匹配度不夠所致。

從對(duì)國內(nèi)各電解鋁生產(chǎn)企業(yè)的調(diào)研看，根據(jù)其自身槽型結(jié)構(gòu)、電流強(qiáng)度和技術(shù)狀況的不同，常用高石墨質(zhì)陰極炭塊、全石墨質(zhì)陰極炭塊和石墨化陰極炭塊等。高石墨質(zhì)陰極炭塊的石墨化程度較普通炭塊有了較大的提升，可以提高電解槽的穩(wěn)定性，但無法解決電解槽熱平衡難以控制的問題。而石墨化陰極炭塊的誕生，標(biāo)志著陰極炭塊的生產(chǎn)取得了技術(shù)性的突破。石墨化陰極炭塊具有高導(dǎo)電率、高導(dǎo)熱率、高抗鈉侵蝕性能和高抗熱震性能，可以有效解決電解槽熱平衡難以控制的問題。

自2006年石墨化陰極炭塊研發(fā)成功以來，經(jīng)過對(duì)生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)技術(shù)的不斷優(yōu)化與改進(jìn)，現(xiàn)如今國內(nèi)石墨化陰極炭塊的生產(chǎn)水平和理化性能指標(biāo)已優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，其潛在生產(chǎn)產(chǎn)能大約在20萬噸/年。

石墨化陰極炭塊的性能指標(biāo)分析

1.2007年與2017年石墨化陰極炭塊理化性能指標(biāo)的對(duì)比

2006年，石墨化陰極炭塊研發(fā)成功后，首次制定了YS/T 699-2009《鋁電解用石墨化陰極炭塊》標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)，國內(nèi)石墨化陰極炭塊的生產(chǎn)還處于摸索階段。該版標(biāo)準(zhǔn)主要參考了法國沙瓦公司生產(chǎn)的石墨化陰極炭塊的理化指標(biāo)體系，再結(jié)合國內(nèi)實(shí)際情況，制定了代表當(dāng)時(shí)國內(nèi)石墨化陰極炭塊生產(chǎn)水平的標(biāo)準(zhǔn)。

為了滿足下游客戶的需求，以及促進(jìn)石墨化陰極炭塊產(chǎn)品質(zhì)量的整體提升，工信部下達(dá)了對(duì)YS/T 699的修訂計(jì)劃。由山西亮宇炭素有限公司牽頭，對(duì)國內(nèi)主要石墨化陰極炭塊企業(yè)進(jìn)行了走訪調(diào)研。

由表1可知，經(jīng)過近十年的發(fā)展，目前國內(nèi)石墨化陰極炭塊的理化性能指標(biāo)有所提升。相較于產(chǎn)品研發(fā)初期，石墨化陰極炭塊的質(zhì)量得到了較大提高，可以有效延長電解槽使用壽命，降低電解鋁所需成本。

表1 2009版標(biāo)準(zhǔn)與2018版調(diào)研所得石墨化陰極炭塊的理化性能

2.石墨化陰極炭塊與高石墨質(zhì)陰極炭塊的理化性能指標(biāo)的對(duì)比

現(xiàn)如今，國內(nèi)鋁電解生產(chǎn)企業(yè)可選擇使用的陰極炭塊種類較少，大多數(shù)鋁電解槽采用 30%（GS-3）、50%（GS-5）高石墨質(zhì)陰極炭塊和石墨化陰極炭塊，其理化性能指標(biāo)對(duì)比見表2。

據(jù)研究表明，在電解槽運(yùn)行過程中，熱沖擊、鈉侵蝕、電化學(xué)腐蝕和機(jī)械磨損會(huì)影響陰極炭塊的使用壽命。此外，電解槽的電流效率也受到陰極炭塊導(dǎo)電性的影響。因此，陰極炭塊應(yīng)具有抗熱震性、抗鈉侵蝕性以及良好的導(dǎo)電性。

（1）抗熱震性。陰極炭塊的抗熱震性能是指其在電解過程中，經(jīng)受高溫劇變不被破壞的性能。當(dāng)溫度發(fā)生劇變時(shí)，若炭塊不能及時(shí)將熱量傳出，炭塊內(nèi)部和表面會(huì)出現(xiàn)較大的溫度梯度，產(chǎn)生膨脹和收縮不均，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力達(dá)到極限后，陰極炭塊被損壞。

因此，要提高陰極炭塊的抗熱震性，必須從減小熱應(yīng)力的產(chǎn)生、緩沖熱應(yīng)力的發(fā)展和增強(qiáng)抵抗熱應(yīng)力。而熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、楊氏模量、機(jī)械強(qiáng)度等指標(biāo)，是衡量其抗熱震性能是否優(yōu)異的綜合體現(xiàn)。從表2分析可知，石墨化陰極炭塊的抗熱震性能指標(biāo)優(yōu)于現(xiàn)普遍使用的高石墨質(zhì)陰極炭塊。

（2）抗鈉侵蝕性。陰極炭塊的鈉侵蝕是指其在電解過程中，鈉離子滲透到陰極炭塊內(nèi)部，導(dǎo)致電解槽在運(yùn)行過程中，產(chǎn)生高溫膨脹，致使陰極炭塊破裂、中間隆起及槽殼變形的現(xiàn)象。事實(shí)上，陰極炭塊的抗鈉侵蝕性與石墨化程度有關(guān)，而與其生產(chǎn)工藝關(guān)系不大。從表2分析可知，石墨化陰極炭塊的抗鈉侵蝕能力高于現(xiàn)普遍使用的高石墨質(zhì)陰極炭塊。石墨化陰極炭塊更利于在電解過程中抵抗鈉離子的侵蝕，減少鈉離子的滲透，提高電解槽壽命。

表2 高石墨質(zhì)陰極炭塊與石墨化陰極炭塊的理化性能指標(biāo)對(duì)比

（3）導(dǎo)電性。陰極炭塊的導(dǎo)電性與電解槽的電流效率與爐底壓降密切相關(guān)，導(dǎo)電性越高即炭塊可以承受更高的電流，平衡電與熱之間的轉(zhuǎn)換，從而有效控制電解槽的熱平衡。據(jù)近年來實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)實(shí)踐表明，與普通常規(guī)炭塊相比，石墨化陰極炭塊平均能降低爐底壓降70mV，電流效率提高1%～2%。由此可見，相較于高石墨質(zhì)陰極炭塊，在電解鋁生產(chǎn)過程中，石墨化陰極炭塊能夠承受更高的電流，進(jìn)行熱電平衡，從而降低噸鋁成本和節(jié)能降耗。

石墨化陰極炭塊推廣應(yīng)用存在的問題

自2006年石墨化陰極炭塊問世以來，各炭素生產(chǎn)企業(yè)極力開展產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用工作，但效果不佳，目前僅有少數(shù)企業(yè)進(jìn)行過上槽應(yīng)用性試生產(chǎn)。分析陰極炭塊產(chǎn)業(yè)狀況，筆者認(rèn)為石墨化陰極炭塊的推廣應(yīng)用存在以下問題：

1.鋁電解行業(yè)產(chǎn)能過剩

中國鋁電解行業(yè)在經(jīng)歷快馬加鞭和大干快上的建設(shè)過程后，出現(xiàn)了嚴(yán)重的產(chǎn)能過?，F(xiàn)象，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈。特別是2008年經(jīng)濟(jì)危機(jī)后，電解鋁價(jià)格出現(xiàn)大幅下滑，國內(nèi)鋁電解生產(chǎn)企業(yè)虧損嚴(yán)重，基本都在追求低成本運(yùn)行。而石墨化陰極炭塊價(jià)格較高，使得石墨化陰極炭塊的推廣應(yīng)用工作出現(xiàn)了停滯不前狀況。

2.石墨化陰極炭塊的高導(dǎo)熱性與現(xiàn)有電解槽結(jié)構(gòu)不匹配

在大型電解槽上使用時(shí)，石墨化陰極炭塊的熱導(dǎo)率指標(biāo)與現(xiàn)有槽型結(jié)構(gòu)存在不適配的問題。如果要規(guī)?；氖褂檬帢O炭塊，需要根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際對(duì)現(xiàn)有電解槽的結(jié)構(gòu)與保溫進(jìn)行改造。在當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)環(huán)境較弱的情況下，多數(shù)電解鋁生產(chǎn)企業(yè)不愿過多地投入有限資金，這也致使石墨化陰極炭塊推廣緩慢。

石墨化陰極炭塊的應(yīng)用前景

隨著國家對(duì)鋁電解行業(yè)調(diào)控與整合，以及鋁行業(yè)的經(jīng)濟(jì)回暖，多數(shù)鋁電解生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)盈利，行業(yè)之間的無序競(jìng)爭(zhēng)和低成本運(yùn)行現(xiàn)象正逐漸得到改善。多數(shù)電解鋁企業(yè)已認(rèn)識(shí)到使用低端、劣質(zhì)陰極炭塊的危害，在對(duì)陰極炭塊的選擇和應(yīng)用上，已經(jīng)從低成本化向高品質(zhì)化轉(zhuǎn)變。此外，石墨化陰極炭塊在鋁電解行業(yè)的推廣使用，可以有效降低電解電耗，提高電解槽單位面積產(chǎn)能，從而滿足環(huán)保對(duì)電解鋁行業(yè)的要求。

因此，提高電解槽電流效率、提高鋁電解槽單位產(chǎn)能和降低噸鋁電耗，作為企業(yè)關(guān)注焦點(diǎn)，為石墨化陰極炭塊的產(chǎn)業(yè)化推廣帶來了機(jī)遇。由于石墨化陰極炭塊具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來，會(huì)迎來石墨化陰極炭塊發(fā)展的新時(shí)代，它將在我國鋁工業(yè)生產(chǎn)過程中扮演重要角色。