阴极炭块

以优质无烟煤、焦炭、石墨等为原料制成的炭块

阴极炭块指的是以优质无烟煤、焦炭、石墨等为原料制成的炭块。用作铝电解槽的阴极。它砌筑在电解槽底部亦称底部炭块。阴极炭块是铝电解槽的重要组成部分，有利于和铝电解生产节能和槽寿命的提高。

特性

阴极炭块起导电和构成电解槽内衬双重作用。铝电解生产要求阴极炭块有耐高温。耐熔盐侵蚀和导电、导热性能良好及机械强度高、抗热震性好和抗钠侵蚀性强等特性，这有利于和铝电解生产节能和槽寿命的提高。

种类

根据制品的质量要求、选用的原料和采用工艺条件，中国对阴极炭块基本划分为普通阴极炭块、半石墨质炭块和石墨质炭块3大类。

普通阴极炭块以1250～1350℃煅烧的无烟煤为主要原料。半石墨质炭块根据生产工艺不同分为两种。一种是以优质高温电煅烧无烟煤，或者，以较多的石墨碎块甚至全部用石墨碎块为骨料，成型后的生坯制品只经过焙烧(焙烧温度不超过1200℃)，不再进入石墨化炉热处理，这种炭块称半石墨质炭块。另一种用较多的易石墨化的焦炭为骨料，生制品焙烧以后再进入石墨化炉在1800～2000℃的温度下进行热处理，这种炭块称半石墨(化)炭块。前者的强度、硬度较高，后者的导电性能及整体性效果较好。石墨质炭块，以易石墨化焦为原料，其石墨化处理温度应达到2500℃左右。

半石墨质炭块与石墨炭块的区别在于制品晶格有序排列的程度的不同，即石墨化度的不同。可以用制品电阻率的大小来表示石墨化程度的高低。石墨质炭块的晶格基本完全处于有序排列的状态，电阻率小于15μΩ·m;半石墨质炭块的石墨化程度较低或只有部分石墨化，电阻率15～45μΩ·m。在工艺上表现为热处理温度，半石墨质炭块的热处理最高温度2000℃左右，石墨质炭块的石墨化处理温度为2500～2800℃。普通阴极炭块，电阻率50～60μΩ·m。石墨阴极炭块中国尚无应用。

组装方法

将阴极炭块与阴极钢棒紧密组合为一体的工艺过程。阴极炭块是铝电解槽的重要组成部分，直接用作阴极内衬和导电材料，通过阴极钢棒与阴极母线相联结，构成铝电解槽的阴极回路，阴极炭块与阴极钢棒的组装工艺，应尽可能地减少它们之间的接触电阻。

阴极炭块与阴极钢棒的组装一般有3种方法。(1)生铁浇铸法。用熔化的磷生铁浇铸它们之间的缝隙，冷凝后使之成为一体。(2)炭糊捣固法，使用被称为钢棒糊的阴极糊充填钢棒两侧的缝隙，并用风动工具捣固压实。(3)粘结法。用炭胶或黏结剂把阴极炭块与钢棒粘结在一起。这种黏结剂多添加有石墨或金属粉(铝或铁)，以减少其接触电阻。中国常用生铁浇铸法和糊捣固法。

阴极钢棒的截面为正方形或矩形，截面尺寸一般为115mm×115mm、130mm×130mm、130mm×65 mm。使用截面为正方形钢棒的阴极炭块一般用单棒组装，即一块阴极炭块上组装一根阴极钢棒。这种装块多用于容量为135kA以下的电解槽。140kA容量以上的大型预焙电解槽一般使用截面为130 mm×65 mm的矩形钢棒，并进行双棒组装，即在一阴极炭块的端部组装有两根阴极钢棒。(图1)

阴极钢棒在组装前必须进行去锈处理，如砂洗、抛光等，使其与密封介质紧密、牢固地连接，减少接触电阻。

生铁浇注法有卧式浇注和立式浇注两种式。

(1)卧式浇注法。将炭块水平放置，燕尾槽朝上，在槽中心部位放置厚15 mm的磷生铁垫块。用50%黏土，50%的炭粉制作直径15～20 mm的泥格条，置于燕尾槽两侧面。燕尾槽中放置多个泥格条，其间距为150～170 mm。放入阴极钢棒，经干燥后，在平底焦炉中对炭块和钢棒预热，然后用熔化的磷生铁浇注，并以泥格条为单元分段进行。用黄沙覆盖磷铁表面;冷却，清理，检查。

(2)立式浇注法。将阴极炭块立放于地坑式加热炉内，在燕尾槽末端放磷生铁块，放入钢棒并固定其位置。用石墨板材封住燕尾槽口;预热炭块及钢棒，用磷生铁分段浇注，每段长约100～160 mm，每浇注一段，间歇10～15 min;冷却;清理检查。

炭糊捣固法制作的阴极炭块组，在电解槽开动初期，因炭糊受热软化产生塑性，可缓冲炭块热膨胀产生的应力。电解槽开动初期，捣固法阴极电压降400～450mV，比浇铸法(阴极压降380～420mV)高;半年以后，随着阴极糊的进一步烧结，二者基本接近。

技术的发展

20世纪40年代，开始淘汰用炭糊捣固的整体炭阴极，而改用预焙阴极炭块组装的炭阴极，在50年代开始使用半石墨质阴极炭块。80年代起，大型预焙槽都使用半石墨质阴极炭块和石墨质阴极炭块。近年来大型铝厂部分采用石墨炭块。

惰性阴极炭块，是近年来发展的新型阴极材料，除具有炭质材料所具备的导电性能、抗热震性能良好，机械强度较高外，铝液对炭块的浸润性能良好，耐铝液和电解质的化学腐蚀。适宜做惰性阴极的材料有炭化物(TiC)、氮化物(NbN)和硼化物(TiB2)，研究较多的是硼化钛。

硼化钛涂层炭块是由硼化钛(TiB2)、树脂胶和炭素材料组成的混合料再加溶剂混合，最后加固化剂搅拌均匀制成涂料，涂抹在普通炭块基体表面，涂层厚5～10 mm，经150～300℃约40～50h的固化，缓冷即成。其特点是导电性能好，改善铝液对炭质材料的润湿性能，膨胀率低，减少了钠和电解质对槽底炭块的渗透和侵蚀。也有一种方法是直接在炭块表面压制一层含TiB2的炭糊层，然后与炭块一起进行焙烧。

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