電解鋁及鋁加工用炭素材料（carbonmaterialfor aluminiummanufacturing)  
  1）定義以石油焦、瀝青焦或無煙煤為主要骨料，以煤瀝青等作粘結劑制成的糊類或塊類炭素制品，主要供金屬鋁電解生產過程中用作陰極和陽極，鎂冶煉、鐵合金生產，一些化工窯爐有時也使用這些炭素材料。  
 2）作用鋁用炭素材料是鋁電解工業的支柱材料之一，主要作用為：用作電解槽的陽極，把電流導入電解槽，并參與電化學反應；用作電解槽的陰極內襯，盛裝鋁液和電解質，并把電流導出電解槽外。 
  3）分類根據在電解槽中的位置和作用不同，可分為陽極材料和陰極材料兩大類（包括糊類和塊類制品）


 
  4）鋁電解工業采用炭素材料的歷史電解法制鋁的發明和每一次大的技術進步都是和炭素材料的發明和技術發展分不開的。19世紀70年代，已能生產炭質電極和炭質耐腐蝕材料。1888年，美國人霍爾（Hall.C.M）和法國人埃魯（Heroult.P.L.T）分別申請了冰晶石－氧化鋁熔鹽體系以炭電極為陽極、以石墨坩堝為容器和陰極，電解生產金屬鋁的專利。這種工業煉鋁方法，簡稱霍爾－埃魯法，到20世紀90年代，仍是唯一可以適于大規模工業生產金屬鋁的方法。由于冰晶石－氧化鋁體系具有強烈的腐蝕作用，要求電解槽的陽極和陰極材料具有耐高溫、導電性能良好、抗腐蝕、雜質少等性能，一百多年的科學試驗和生產實踐表明，炭素材料是唯一能選作陽極和陰極的廉價的工業材料。

5）炭素材料石墨常用于鋁材擠壓潤滑劑，保護鋁型材，另外石墨具有良好的導電性，其導熱性能也比一般的非金屬材料和部分金屬材料好，致密石墨的抗壓強度也達到一定水平，因此石墨常用做發熱和成型材料，這樣的材料正好可用于制做熱壓燒結模具，用于生產金剛石刀頭。石墨做為模具材料也存在一定的不足，主要是氣孔率較大（相對金屬材料而言），熱壓時液態金屬有可能被擠入孔隙中，使模具變脆易開裂，并與模具粘連，影響使用壽命。這也是為什么要使用高強致密石墨和脫模劑的原因。

鋁電解生產初期采用小型預焙陽極。1887～1888年間，美國匹茲堡Reduction公司(ALCOA公司的前身)、瑞士冶金公司(AIAG和Aluoaisse的前身)依據霍爾—埃魯法，分別興建鋁電解槽，當時的電流為1300～1800A。這種槽，陽極橫截面積小(8～10cm2)，電流密度高(2～4A/cm2)，陽極消耗量大(約2kg陽極/kg-A)，電流效率低(50％～80％)。這種陽極用擠壓生產。由于當時炭素技術不高，陽極質量差，規格小，使電解槽的容量受到限制。

20世紀20年代，按照當時鐵合金爐上連續自焙電極形式，在鋁電解槽上使用了連續自焙陽極，陽極導電棒采用側插式(1924年，挪威的S6derber9研制成功連續自焙陽極)。這種槽型在世界范圍推廣使用，陽極由圓形改為矩形，面積逐漸擴大，電解槽容量隨之提高，側插槽容量可達60kA以上。為了提高操作機械化程度和進—步擴大電解槽容量，l934年法國彼施涅鋁業公司(Pechiney)研制成功上插自焙陽極，隨后又實現多功能天車進行陽極操作。上插陽極的發展，使單槽電流容量達100～150kA以上。20世紀80年代，新型自焙陽極電解槽以炭素材料為主體構成的自焙陽極，每個重達60～100k9，噸鋁消耗陽極糊降至600k9以下。自焙陽極使用過程中產生大量有害氣體，且不利于實現機械化、自動化。

圖1 炭素材料在鋁電解槽應用結構示意圖

a—預焙陽極電解槽(中部打殼)；b—預焙陽極電解槽(邊部打殼)；c—側插自焙陽極電解槽；d—上插自焙陽極電解槽

20世紀50年代，由于炭素電極技術的提高以及振動成型制造大規格預焙陽極炭塊的成功，由預焙陽極炭塊組裝而成預焙陽極電解槽被廣泛采用。80年代后期世界最新式的預焙陽極電解槽，預焙陽極由40余塊陽極炭塊組成，整個陽極重達50余噸，電解槽電流容量已達230kA以上。大型預焙陽極電解槽的電流效率可達93％以上，噸鋁消耗陽極炭塊降至500k9以下。由于預焙陽極煉鋁電解槽容量大，電耗低，環保好，1990年之后逐漸取代自焙陽極。

炭素材料生產技術的發展促進了鋁電解工業的發展，從而使鋁電解工業成為炭素制品的最大消費部門。圖2顯示了世界原鋁生產量的增長和炭陽極消耗量的增長。

中國在1990年以前，大多數中小電解鋁廠采用側插自焙陽極(30～60kA電解槽)和上插自焙陽極(80～100kA電解槽)，大型電解鋁廠多采用預焙陽極(75kA、135kA、140kA、155kA、160kA電解槽)，中國280kA預焙陽極的鋁電解槽于l995年工業試驗成功，1996年之后大型預焙陽極電解槽得到廣泛推廣。

 

圖2 1888年以來，世界原鋁生產增長和炭陽極消耗量

對鋁用炭素制品的質量要求 炭素材料在鋁電解槽中參與導電和電化學反應，并直接與具有強腐蝕性的氟化物熔鹽接觸。因而，鋁電解工業對炭素材料提出如下要求：

(1)電阻率低。電阻率低有利于降低電能消耗。炭塊電阻率—般小于60μΩ•m，炭糊焙燒體電阻率—般小于80μΩ•m。

(2)體積密度大。較高的體積密度有利于抵抗熔鹽的侵蝕、降低氣體滲透、減少與CO2和空氣的反應消耗。炭塊體積密度—般不小于1.559/cm3，炭糊焙燒體的體積密度不小于1.359/cm3。

(3)機械強度高。以炭素材料為主體構成的電解槽陽極重達幾十噸，在電、熱沖擊下承重負荷。因此其機械強度要求比—般的炭素材料要高。炭塊的耐壓強度約為25-35MPa，炭糊焙燒體的耐壓強度約為18～28MPa。

(4)真密度高。陽極材料的真密度約為2.03～2.08g/cm3，陰極材料的真密度為1.84～1.909/cm3。

(5)雜質含量低。陽極材料消耗以后，其中的雜質直接進入電解質和金屬鋁中，因此，要求陽極材料的雜質含量低，—般不超過1％；陰極材料的雜質含量—般不超過10％。

(6)與CO2氣體的反應性能，炭素材料在950℃左右的高溫下使用，處于電解反應所產生的CO2氣體包圍之中，因此，抵抗CO2氣體滲透和降低其反應性，成為鋁用炭素材料的—項特殊性能要求。鋁用炭素材料CO2反應性能指標為：

1)總消耗率：炭塊類小于40mg/(cm2•h)；炭糊類小于60mg/(cm2•h)；

2)氣化率：炭塊類小于20％；炭糊類小于30％；

3)脫落度：炭塊類小于10％；炭糊類小于15％。

(7)電解膨脹率低。陰極材料長期受到電解質的化學腐蝕而被破壞，電解膨脹率(或破損系數)表示陰極材料在電解過程中抵抗電解質腐蝕的能力。陰極材料的電解膨脹率小于1.4％，破損系數小于1.5。

中國鋁用炭素工業概況 中國鋁用炭素工業是與鋁工業相伴發展起來的。中華人民共和國建立之前，中國沒有單獨的鋁工業和鋁用炭素工業。在臺灣高雄和東北的撫順，日本人開辦的兩個小鋁廠設有陽極糊車間。20世紀50年代，中國第—家鋁廠——撫順鋁廠，第—家炭素廠——吉林炭素廠建有陽極糊和陰極炭塊生產線。20世紀50年代以來，中國相繼建立的撫順、山東、包頭、鄭州、青銅峽、貴州、蘭州、青海等10萬t以上大鋁廠多建有鋁用陽極材料生產線，1970年以前，各大鋁廠主要生產和使用陽極糊，幾十家地方鋁廠，自己不設陽極生產，所用陽極從各炭素廠購進。1970年以后，中國自行研制成功預焙陽極炭塊制造技術和預焙陽極電解槽技術；80年代初，從國外引進了先進的預焙陽極炭塊制造及預焙陽極電解槽技術，這使中國鋁電解工業和鋁用炭素工業獲得巨大發展。特別在1996年之后，預焙陽極生產和預焙槽煉鋁發展很快。貴州、撫順、包頭、鄭州、白銀、青海平果、云南、焦作萬方、永城神火、運城關鋁、河南龍泉、永安鋁廠；山東荏平，南山等大鋁廠都全部采用預焙陽極煉鋁，從而大大促進了預焙陽極，炭塊的生產使原來弱小的鋁用炭素工業迅猛發展，到2000年中國有鋁用陽極生產廠家80家以上，總產量150多萬噸(表1)。

表1 中國鋁錠產量和陽極產品消耗量(萬t)

 

年代	1960	1970	1980	1990	1995	1998	2001
鋁錠產量 陽極消耗量	12   8	24   16	40   26	87   57	168   109	243   147	342   206

 

20世紀80年代以前，中國鋁用陰極制品主要由吉林炭素廠、蘭州炭素廠、上海炭素廠等供應的普通陰極炭塊及糊類。80年代初，貴州鋁廠從日本引進了半石墨陰極炭塊及陰極糊類生產線，促進了中國陰極生產技術的發展。山西炭素廠是中國最早的陰極制品的專業生產廠家。

20世紀80年代，中國為鋁電解服務的有幾十家中小炭素廠，它們主要生產陽極糊、陰極炭塊、側部炭塊等。l992年，中國鋁用炭素制品生產能力約66萬t/a。1996年之后，隨著鋁工業的迅猛發展，鋁用炭素工業迅速興起(表2)。

表2 2001年中國主要鋁用炭素廠生產廠家及產能(萬t)

廠家	陽極產品	陰極產品	廠家	陽極產品	陰極產品	廠家	陽極產品	陰極產品
貴州鋁廠 青海鋁廠 青銅峽鋁廠 濟寧炭素公司 白銀鋁廠	13 13 13 10 7	2.0 1.0	包頭鋁廠 撫順鋁廠 平果鋁廠 蘭州鋁廠 鄭鋁公司	7 7 7 6	1.5	山東鋁廠 山西炭素廠 晉陽炭素廠 河北冀州炭素廠 山西三利	4 1	1 1.5 1.5 1.5
焦作萬方 山西運城	6 6		河南神火集團 山西丹源 山西太谷	4 5	1.0	焦作焦鋁 鎮江鄉企 山東淄博 山東平陰	2.5 4 4 2	1.0

 

中國鋁用炭素材料的科研進展 鋁用炭素材料的質量對鋁電解生產的電流效率、直流電耗和生產成本影響很大。1984年，中國有色金屬工業總公司成立后，提出“優先發展鋁”的方針，十分重視鋁用炭素的科技發展。1985年成立了以鄭州輕金屬研究院為組長單位的鋁用炭素科技協作網，把“提高鋁用炭素材料質量”列為國家“七五”科技攻關項目，撥100多萬元專款在鄭州輕金屬研究院建立鋁用炭素研究室和鋁用炭素質檢中心，為全國鋁行業和鋁用炭素行業服務。1985年以來，中國科研、設計、生產幾十家單位聯合攻關，已先后研制成功了半石墨陰極炭塊、干陽極糊、添加劑陽極糊、SiC側部炭塊、氮化硅結合碳化硅側塊、硼化鈦復合炭塊冷搗糊、冷搗糊、大顆粒配方、改質瀝青、多工位振動成型機等新產品、新技術、新裝備；并先后開發了—系列鋁用炭素專用的檢測設備，如陰極材料電解膨脹率測定儀、陽極材料c02反應性測定儀(圖3)等。