陰極炭塊（以焦炭為原料制成的炭塊）

特性

陰極炭塊起導電和構成電解槽內襯雙重作用。鋁電解生產(chǎn)要求陰極炭塊有耐高溫。耐熔鹽侵蝕和導電、導熱性能良好及機械強度高、抗熱震性好和抗鈉侵蝕性強等特性，這有利于和鋁電解生產(chǎn)節(jié)能和槽壽命的提高。

種類

根據(jù)制品的質量要求、選用的原料和采用工藝條件，中國對陰極炭塊基本劃分為普通陰極炭塊、半石墨質炭塊和石墨質炭塊3大類。

普通陰極炭塊以1250～1350℃煅燒的無煙煤為主要原料。半石墨質炭塊根據(jù)生產(chǎn)工藝不同分為兩種。一種是以優(yōu)質高溫電煅燒無煙煤，或者，以較多的石墨碎塊甚至全部用石墨碎塊為骨料，成型后的生坯制品只經(jīng)過焙燒(焙燒溫度不超過1200℃)，不再進入石墨化爐熱處理，這種炭塊稱半石墨質炭塊。另一種用較多的易石墨化的焦炭為骨料，生制品焙燒以后再進入石墨化爐在1800～2000℃的溫度下進行熱處理，這種炭塊稱半石墨(化)炭塊。前者的強度、硬度較高，后者的導電性能及整體性效果較好。石墨質炭塊，以易石墨化焦為原料，其石墨化處理溫度應達到2500℃左右。

半石墨質炭塊與石墨炭塊的區(qū)別在于制品晶格有序排列的程度的不同，即石墨化度的不同?？梢杂弥破冯娮杪实拇笮肀硎臼潭鹊母叩?。石墨質炭塊的晶格基本完全處于有序排列的狀態(tài)，電阻率小于15μΩ·m;半石墨質炭塊的石墨化程度較低或只有部分石墨化，電阻率15～45μΩ·m。在工藝上表現(xiàn)為熱處理溫度，半石墨質炭塊的熱處理最高溫度2000℃左右，石墨質炭塊的石墨化處理溫度為2500～2800℃。普通陰極炭塊，電阻率50～60μΩ·m。石墨陰極炭塊中國尚無應用。

組裝方法

將陰極炭塊與陰極鋼棒緊密組合為一體的工藝過程。陰極炭塊是鋁電解槽的重要組成部分，直接用作陰極內襯和導電材料，通過陰極鋼棒與陰極母線相聯(lián)結，構成鋁電解槽的陰極回路，陰極炭塊與陰極鋼棒的組裝工藝，應盡可能地減少它們之間的接觸電阻。

陰極炭塊與陰極鋼棒的組裝一般有3種方法。(1)生鐵澆鑄法。用熔化的磷生鐵澆鑄它們之間的縫隙，冷凝后使之成為一體。(2)炭糊搗固法，使用被稱為鋼棒糊的陰極糊充填鋼棒兩側的縫隙，并用風動工具搗固壓實。(3)粘結法。用炭膠或黏結劑把陰極炭塊與鋼棒粘結在一起。這種黏結劑多添加有石墨或金屬粉(鋁或鐵)，以減少其接觸電阻。中國常用生鐵澆鑄法和糊搗固法。

陰極鋼棒的截面為正方形或矩形，截面尺寸一般為115mm×115mm、130mm×130mm、130mm×65 mm。使用截面為正方形鋼棒的陰極炭塊一般用單棒組裝，即一塊陰極炭塊上組裝一根陰極鋼棒。這種裝塊多用于容量為135kA以下的電解槽。140kA容量以上的大型預焙電解槽一般使用截面為130 mm×65 mm的矩形鋼棒，并進行雙棒組裝，即在一陰極炭塊的端部組裝有兩根陰極鋼棒。(圖1)

陰極炭塊

生鐵澆注法有臥式澆注和立式澆注兩種 式。

(1)臥式澆注法。將炭塊水平放置，燕尾槽朝上，在槽中心部位放置厚15 mm的磷生鐵墊塊。用50%黏土，50%的炭粉制作直徑15～20 mm的泥格條，置于燕尾槽兩側面。燕尾槽中放置多個泥格條，其間距為150～170 mm。放入陰極鋼棒，經(jīng)干燥后，在平底焦爐中對炭塊和鋼棒預熱，然后用熔化的磷生鐵澆注，并以泥格條為單元分段進行。用黃沙覆蓋磷鐵表面；冷卻，清理，檢查。

(2)立式澆注法。將陰極炭塊立放于地坑式加熱爐內，在燕尾槽末端放磷生鐵塊，放入鋼棒并固定其位置。用石墨板材封住燕尾槽口；預熱炭塊及鋼棒，用磷生鐵分段澆注，每段長約100～160 mm，每澆注一段，間歇10～15 min;冷卻；清理檢查。

炭糊搗固法制作的陰極炭塊組，在電解槽開動初期，因炭糊受熱軟化產(chǎn)生塑性，可緩沖炭塊熱膨脹產(chǎn)生的應力。電解槽開動初期，搗固法陰極電壓降400～450mV，比澆鑄法(陰極壓降380～420mV)高；半年以后，隨著陰極糊的進一步燒結，二者基本接近。

技術的發(fā)展

20世紀40年代，開始淘汰用炭糊搗固的整體炭陰極，而改用預焙陰極炭塊組裝的炭陰極，在50年代開始使用半石墨質陰極炭塊。80年代起，大型預焙槽都使用半石墨質陰極炭塊和石墨質陰極炭塊。近年來大型鋁廠部分采用石墨炭塊。

惰性陰極炭塊，是近年來發(fā)展的新型陰極材料，除具有炭質材料所具備的導電性能、抗熱震性能良好，機械強度較高外，鋁液對炭塊的浸潤性能良好，耐鋁液和電解質的化學腐蝕。適宜做惰性陰極的材料有炭化物(TiC)、氮化物(NbN)和硼化物(TiB2)，研究較多的是硼化鈦。

硼化鈦涂層炭塊是由硼化鈦(TiB2)、樹脂膠和炭素材料組成的混合料再加溶劑混合，最后加固化劑攪拌均勻制成涂料，涂抹在普通炭塊基體表面，涂層厚5～10 mm，經(jīng)150～300℃約40～50h的固化，緩冷即成。其特點是導電性能好，改善鋁液對炭質材料的潤濕性能，膨脹率低，減少了鈉和電解質對槽底炭塊的滲透和侵蝕。也有一種方法是直接在炭塊表面壓制一層含TiB2的炭糊層，然后與炭塊一起進行焙燒。