铝电解槽用阴极材料的研究及发展

铝电解槽阴极的结构及性能对生产效率有极大影响，阴极材料的优劣通常决定了电解槽寿命以及生产中铝的产量和能耗，影响电解铝生产成本，因此许多科研工作者一直致力于铝电解槽阴极材料研究。电解槽的阴极最初由底部炭块、侧部炭块及电解槽糊料经过焙烧形成。传统糊料主要是由电煅无烟煤与石墨、沥青等组成，通常分为热捣糊、温捣糊和冷捣糊3类。热捣糊与温捣糊对温度要求十分严格且可控性差.已逐渐被不需预热、软化点较低的冷捣糊取代。

阴极糊料的主要作用是填充炭块砌筑时留下的砌缝.但由于糊料与炭砖成分的差异。在炭砖粘结处易产生缝隙.电解过程中.电解质溶液与钠极易渗透形成一种成分介于C₆₀Na和C₆₈Na的层状化合物，使得阴极炭块膨胀、破损，最终导致停槽修整。电解过程中，因侧壁炭砖具有导电性，易形成横向电流和沿侧壁的无功电流，使能耗增加。因此，由炭块及炭糊所组成的电解槽阴极存在极大缺陷，如何提高铝电解电流效率、延长电解槽使用寿命。仍需广大学者进行深入研究。

1、铝电解槽阴极底部材料

铝电解槽阴极内衬中底部炭砖与铝液的润湿性较差，使得底部生成沉淀，降低生产效率。自20世纪60年代以来，各国学者开始探索研究如何解决铝液润湿性问题，而采用新型电解系统的铝电解生产技术要求阴极在高温下具有良好的热稳定性和机械强度，能抵御铝液和电解液的腐蚀作用.对铝液具有良好的湿润性。能够和基体材料良好地结合，从而阻止电解液渗透。经过大量研究发现，TiB₂材料具有可与金属相比拟的良好导电性，且对铝液具有良好的润湿性。因此TiB₂开始被应用在电解槽阴极材料中。

TiB₂涂层阴极用于铝电解槽中，可以延长电解槽寿命，解决铝电解槽早期破损严重、寿命短的问题，还可以改善铝电解槽阴极工作状态，规整炉膛，减少炉底沉淀，降低炉底压降，提高电流效率，达到节能降耗的目的。不利的是这种涂层与炭块基体结合不牢固。在电解槽焙烧启动及生产过程中由于膨胀系数不一致以及高温下氟化盐的侵蚀、铝液冲刷、机械碰损等因素干扰，涂层很容易脆裂、起层、剥落而很快失去应有效果。中国铝业股份有限公司广西分公司等将TiB₂和炭纤维作为骨料并与适当的黏结剂和固化剂配成糊料后涂覆、加热固化、炭化后制备成阴极涂层。中国长城铝业等在TiB₂;余层研究的基础上进一步研究开发了一体化成型的TiB₂-C复合涂层阴极炭块，彻底解决了TiB₂与炭块结合不牢固的关键问题，从而有效地解决了电解槽阴极防电解质和钠侵蚀问题，并改善了熔融金属铝对阴极的湿润性，进一步实现了电解槽高效率、低能耗、长寿命运行。

2、铝电解槽阴极侧部材料

近年来铝电解槽逐渐向大型化发展，根据生产需要，要求铝电解槽侧部材料绝缘性好，热传导率高，机械强度高，具有优良的抗热震性、抗钠侵蚀能力。铝电解槽侧部最初的砌筑材料为普通石墨块或预焙炭砖，在生产过程中易氧化。且炭砖多孔。在高温电解质的冲刷下，易被电解质侵蚀和吸收钠。造成侧部的早期破损。

为解决以上问题，一些学者提出用氮化硅结合碳化硅材料作为铝电解槽的侧部材料。氮化硅结合碳化硅材料具有抗冰晶石侵蚀性能优异、抗氧化、耐冲刷、导热性好等卓越性能.是目前世界上铝电解槽普遍采用的侧衬材料。黄朝晖等将添加ZrB₂和TiB₂制成的氮化硅结合碳化硅耐火砖应用于铝电解槽侧部，提高了铝电解槽侧部材料抗冰晶石侵蚀渗透能力，不生成碳、钠化合物，并有效减缓了侧壁的侵蚀速度。黄朝晖、徐有果等采用碳热还原法用Si₃N₄-SiC与少量电煅无烟煤及黏结剂通过混捏、成型等工艺制备出免烧型耐火砖。这种耐火砖比传统的氮化硅结合碳化硅砖具有更好的抗侵蚀能力及更低的成本，且与传统炭质耐火砖相比，减少了横向电流的产生，可提高电流效率。有效地降低生产成本及节约能源。中国长城铝业公司及其电解铝厂和郑州轻金属研究院合作，也成功研制了Si₃N₄-SiC与炭砖相复合的新型侧部内衬材料并进行了工业试验。

为更好地提高生产效率及电流效率。减少氮化硅结合碳化硅侧部用耐火砖与用来填充之间缝隙的糊料成分收缩率差异导致的侵蚀，一些学者研发了成分与Si₃N₄-SiC-C耐火砖相近的填充糊料，通过添加树脂和碳化硼粉末来对沥青黏结剂进行改性.可提高糊料焙烧结焦值和致密化程度。从而改善糊料抗渗透性能和耐侵蚀性能：可以降低糊料电阻率和提高糊料膨胀性，有效减少裂纹。但是由于该糊料和炭砖的组成及原始状态的差异.导致炉衬并不能形成连续的、完全一致的物相和结构，炭砖和糊料的膨胀性也不会完全一致.故炭砖的开缝、膨胀和拱起并不能完全消除。

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