国内石墨化阴极炭块生产情况及标准化现状分析

张红亮，白强

（山西亮宇炭素有限公司）

1 国内石墨化阴极炭块生产状况与发展背景

中国铝电解工业经过建国初期、改革开放时期和进入二十一世纪以来的几个阶段的发展，取得了相当辉煌的成就，截止到2016年，在生产规模方面，电解铝建成产能已经达到4320万吨，在产产量约为3250万吨左右，目前产能已居世界首位；在电解槽槽型方面，也由初期的60KA、80KA上插式自焙式（或旁插式）电解槽、过渡到改革开放时期的160KA、180KA预焙阳极电解槽，到目前已经普遍采用280—400KA电解槽型进行生产，甚至有500KA的试生产型电解槽问世。经过六十多年的发展以后，铝电解槽型和铝电解生产技术已发生了质的飞跃。

但是，随着铝电解槽型向大型化方面的发展，特别是400KA以上大容量电解槽广泛投入使用以后，大容量电解槽热平衡难以解决的问题逐渐显露出来，电解槽电流强度的提高，其槽温也随之相应升高，由此带来了因槽温的提高，出现了炉膛四周炉帮化掉、电解槽侧部漏槽和漏电、电流空耗和电流效率下降的负面影响，从而降低了电解槽工况稳定性。其主要原因之一是所使用阴极炭块的石墨化度与电解槽型匹配度不够所致。

国内各铝电解生产厂家也意识到问题所在，从本世纪初开始，已经抛去了传统的半石墨质阴极炭块，而广泛使用石墨含量为30%和50%的高石墨质阴极炭块，阴极炭块的石墨化度得到了大幅度提升，铝电解槽工况稳定性与之前相比有了一定的提高。但是，尚未完全解决因电解槽电流的大幅提升而带来的热平衡不好解决的负面影响。因此，各铝电解生产厂家也希望有石墨化度更高的高导电率、高导热率阴极炭块问世，以利于电解槽工况的稳定。

在此契机下，国内几个阴极炭块主要生产厂家，根据电解铝生产需要，纷纷对具有高导电率、高导热率、高抗钠浸蚀性能和高抗热震性能的石墨化阴极炭块的生产工艺和生产技术进行研究和开发，特别是把国外内串式石墨化炉工艺和技术吃透、消化并有所发展后，于2006年前后，几个主要阴极炭块的生产厂家对石墨化阴极炭块的生产工艺和生产技术的研制和开发均取得成功和突破。经过近几年不断对生产工艺和生产技术的不断优化和改进后，国内石墨化阴极炭块的生产水平和理化性能指标已优于国外同类产品。目前，国内石墨化阴极炭块的生产主要集中在山西亮宇、河南万基、青铜峡青鑫等几个主要厂家。国内潜在生产产能大约在20万吨/年左右。

2 石墨化阴极炭块国内外标准情况

2.1 国外相关标准使用状况

在国外相关石墨化阴极炭块标准中，主要有法国沙瓦、德国ERFT等公司的产品标准。这些标准涉及的范围较广，在产品系列的牌号规定方面是按生产工艺不同进行分类，在理化指标方面主要有：真密度、体积密度、气孔率、灰份、抗压强度、抗弯强度、电阻率、导热率、热膨胀系数、弹性模量和钠膨胀系数等。并且还提供产品不同方向的理化指标值。这些标准能全面和较好地反映系列产品中不同牌号制品的特性和要求。指标体系较为全面和合理，具有一定的先进性。现将国外具有代表性的法国沙瓦公司产品标准介绍如下：

表1

2.2 目前国内相关的石墨化阴极炭块行业标准使用状况及将修订的标准状况

2.2.1 目前国内相关的石墨化阴极炭块行业标准使用状况

目前国内相关的产品标准为《铝电解用石墨化阴极炭块》（标准号：YS/T 699-2009），由中铝贵州分公司牵头，于2009年初次制订和颁布。该标准制订时，国内石墨化阴极炭块处于初期探索和试生产阶段，能进行石墨化阴极炭块生产的企业不多，且质量指标不太稳定。因此，在该版标准制订过程中，以法国沙瓦公司指标体系为对标基准，参考德国西格里公司、日本电极等公司产品指标体系的各项典型值后，结合我国当时实际状况，对该标准的指标体系进行设置和对各项指标数值进行规定，体现和代表了当时国内生产的实际水平。

但是，随着电解生产电解槽型的不断加大和石墨化阴极炭块生产技术的不断向前发展，该标准中指标体系已经不能全面反映和表征石墨化阴极炭块的特性和满足用户需求，所以行业内出现了重新对该标准进行修订的呼吁。

2.2.2 即将对石墨化阴极炭块标准进行修订的意向及计划

全国有色金属标准化技术委员会根据国内石墨化阴极炭块的发展状况和下游用户的使用需求，作出对该标准进行重新修订的安排。由山西亮宇炭素有限公司作为第一起草单位，牵头对有色行业标准《铝电解用石墨化阴极炭块》进行修订。预计2018年完成。

在标准的重新修订过程中，将参照国外相关标准中先进的分析方法和指标体系并结合国内各厂家生产实际，在原有标准基础上，重新对指标体系进行设置，各项理化指标数值相应有所拔高。意向如下：

① 在指标体系中增加热导率指标。

表2

由于石墨化阴极炭块具有非常好的导热性能，在大型电解槽上使用时，能有效解决大型铝电解槽热平衡难以调整的难题，但热导率指标过高，又会使电解槽在运行过程中出现等温线下移，造成电解槽底部和阴极钢棒出现过热现象。因此，石墨化阴极炭块的热导率指标必须稳定并保持在一定范围。才能有利于指导大型电解槽的结构设计和稳定铝电解槽运行。所以，本次修订过程中在原指标体系基础上，增加热导率指标。考虑到该项指标目前的分析费用较高，拟考虑在修订过程中将热导率指标作为参考指标进行设置。

② 将热膨胀系数和杨氏模量指标进行调整，设置为常规指标。

在原标准中，热膨胀系数和杨氏模量两项指标作为参考指标进行设置。但近年来，随着铝电解技术的发展，在扎固阴极钢棒时，已经出现抛弃原有传统钢棒糊扎固方式，而广泛出现了采用磷生铁浇铸技术的趋势。该技术的应用对石墨化阴极炭块的热膨胀系数和杨氏模量指标提出了更高的要求，铝电解用户浇铸阴极钢棒时，可根据这两项指标实际范围，对磷铁配方、浇铸温度和阴极炭块加热温度进行调整和控制。另外，该两项指标也是衡量和评价石墨化阴极炭块抗热震性能优劣的重要参数。因此，在本次修订时，将原标准中作为参考指标的热膨胀系数和杨氏模量两项指标调整为常规指标。

③ 产品标准中各牌号和种类的规定。

国外众多炭素生产厂家在对石墨化系列阴极碳块的牌号进行分类时，是按照其在生产和制造中的工艺过程处理来划分，主要有浸渍和不浸渍两种牌号的石墨化阴极炭块。由于目前国内石墨化阴极炭块均基本采用不浸渍工艺生产。因此，本次标准制订时，对牌号规定和划分时，拟考虑仅对不经浸渍和二次焙烧工艺的石墨化阴极炭块进行规定。

④ 预计修订后的各项理化指标数值。

本次标准修订时，将根据调研所收集的数据与分析结果，进行全面、细致分析和综合评价后，适当各项理化指标进行提升，力求使之接近或超过国外同类产品标准水平。预计修订以后指标体系如下表所示。本版标准修订后，在全面性、先进性和适用性方面较前版标准相比，有较大幅度的提高。达到和超过国外同类产品标准的水平要求。

表3

3 国内石墨化阴极炭块上槽应用

3.1 应用情况

石墨化阴极炭块成功问世以来，虽然产业化推广进程缓慢，但也在国内几个主要铝电解生产厂家进行生产性应用试验。各个生产厂家的试验效果都较为显著，某厂240KA生产性试验效果结论如下：

3.1.1 焙烧启动效果

石墨化阴极炭块在焙烧启动中均严格按目前现行的混合料焙烧启动规程进行操作和管理，从整个焙烧启动过程看，没有出现阴极起层等异常情况；从阳极上移情况看，阳极上移量均小于1cm且比较均匀，说明石墨化阴极炭块在焙烧期间热膨胀不大。

3.1.2 炉底压降情况

各电解车间对应用槽和对比槽炉底压降进行的跟踪测量表明，石墨化阴极炭块槽的炉底压降均有较大下降，与使用GS-1阴极炭块对比槽相比，在第一个月内低120～100mv，在第二、三个月低90～80mv，而后低稳定在70mv。

3.1.3 电解槽电流效率情况

在生产性应用试验期间，使用石墨化阴极炭块的电解槽电流效率与使用GS-1阴极炭块对比槽电流效率相比，平均高出1.78个百分点，这有利于降低电解铝的电耗。

3.2 现存问题

自2006年后，国内几个主要炭素生产厂家成功开发出铝电解槽用石墨化阴极炭块以来，都极力开展产业化推广应用工作，但效果不佳，推广使用进程缓慢。目前仅有青铜峡铝业、河南登封铝业、山东兖矿、中铝贵州分公司等进行过上槽应用性试生产。使用受阻的主要原因如下：

3.2.1 异型阴极炭块的出现，对石墨化阴极炭块的推广和使用形成阻碍

2006年在石墨化阴极炭块刚开发成功时，一种在铝电解槽上使用的异型阴极炭块技术出现了，因其在电解槽上使用时，初期通过降低电解槽极距和电解槽电压后，能给电解铝带来800-1000Kwh/吨铝的经济效益，一时吸引铝电解行业眼球，国内众多铝电解生产厂家纷纷对旗下所属电解槽进行改造，以使自己在这场新技术的运用竞争中抢得先机。因此，导致了刚开发出来石墨化阴极炭块新产品出现了推广受阻现象。

3.2.2 铝电解行业的产业过剩，导致石墨化阴极炭块的推广使用工作受阻

中国铝电解行业在经历快马加鞭和大上快上的建设过程后，出现了严重的产能过剩现象，导致行业竞争激烈，特别是2008年经济危机的出现，使电解铝价格出现大幅下滑，导致国内多数铝电解生产厂家亏损严重，基本都在追求低成本运行，而石墨化阴极炭块因价格较高，又使得石墨化阴极炭块的推广应用工作出现了停滞不前状况。

3.2.3 石墨化阴极炭块良好的导热性能与现有电解槽结构的匹配性问题，致使推广缓慢

由于石墨化阴极炭块具有非常好的导热性能，在大型电解槽上使用时，因其热导率指标与现有槽型结构存在一定匹配性问题，因此在使用过程中会因其导热性能较好，使电解槽在运行过程中出现等温线下移，造成电解槽底部和阴极钢棒出现过热现象。如果要规模化的使用石墨化阴极炭块，需要根据生产实际对现有电解槽的结构与保温进行一定的改造。在当时经济环境较弱的情况下，多数电解铝生产厂家不愿过多的投入有限资金。这也是石墨化阴极炭块推进缓慢的原因之一。

4 石墨化阴极碳块应用于大型电解槽的技术经济评估价及应用前景预测

4.1 石墨化阴极碳块应用于大型电解槽的技术经济评估价

石墨化阴极炭块是一种全新的铝电解槽用阴极炭块，自20世纪末到21世纪初开始，在国外各大铝业公司的铝电解槽，特别是在250～500KA电解槽上得到广泛应用，并取得了很好的效果。

就目前国内几家铝电解生产厂家进行上槽应用性试验的效果来看，在大型电解槽使用石墨化阴极碳块和使用高石墨质系列阴极碳块相比，石墨化阴极碳块具有如下优势：

首先，石墨化阴极炭块以非常好的导热性能，尤其是以热导率高出高石墨质碳块10倍的优势。在电解槽上使用后，有效解决了大型铝电解槽热平衡难以调整的难题。其次，石墨化阴极炭块具有良好的导电性能，其电阻率仅为普通碳块的三分之一，能大幅降低电解槽炉底压降，为降低电耗创造了条件。另外，石墨化阴极碳块还具有很好的抗钠浸蚀性能，炭块整体均匀性较好。

呈然，石墨化阴极炭块也存在抗磨蚀性能较差劣势，在使用过程中磨损较快，会在一定程度上影响电解槽寿命。据国外有关资料报道，使用石墨化阴极碳块电解槽寿命只能达到1500～1800天左右。虽然电解槽寿命有所降低，但它解决了大型电解槽散热问题和能建立较好的热平衡。

另外，石墨化阴极炭块与高石墨质阴极炭块相比价格相对较高，但因其自身的良好性能，使在其寿命期所创造的效益要大大高于其电解槽建设所增加的费用。

虽然国内对石墨化阴极炭块的应用还处于一个逐渐认识的过程，一旦石墨化阴极炭块得到铝电解厂家接受和规模化应用，因其良好的导电、导热和抗钠浸蚀性能，除能为大型电解槽的设计和正常运行创造条件以外，还能产生以下效果：

①由于电阻率较低，能大幅降低炉底压降，降低电解电耗。

②石墨化阴极碳块为电解强化电流，提高电解槽单位面积产能创造了条件。

由于石墨化阴极炭块具有良好的导电、导热性能，能承载更大的电流密度，因此电解阳极电流密度可由目前的0.7A/cm2提高到0.8～0.9 A/cm2，电解槽单位面积产能将提高10%以上。

③石墨化阴极炭块对电解槽的正常运行产生良好的效果。

由于石墨化阴极炭块具有良好的均质性、导电、导热和抗钠浸蚀性能，电解槽的热平衡较好，槽膛规整、阴极电流分布均匀。这对于电解槽正常、稳定运行，改善电解工艺技术指标，延长槽寿命、提高电流效率都将产生积极的影响。

4.2 市场需求分析与预测

随着国家对铝电解生产行业调控与整合的逐步开展以及铝行业的经济回暖，多数铝电解生产厂家已经出现盈利空间，行业之间的无序竞争和低成本运行现象正逐渐得到改善。多数厂家已认识到以往使用低端阴极炭块和劣质阴极炭块后所带来的危害，在对阴极炭块的选择和应用上，已经开始向追求高品质方向转化。特别是前几年所使用的异型阴极炭块技术，因生产过程中的一些原因，目前阴极炭块的结构使用上，已向常规平底结构回归。因此，怎样提高电解槽电流效率、提高铝电解槽单位产能和降低吨铝电耗，又成了今后一段时间的关注焦点。这给石墨化阴极炭块的产业化推广带了机遇。因石墨化阴极炭块有高石墨质阴极碳块不可比拟的使用优势，可以预计，在今后一段时间内会迎来一个新的发展，它将在我国铝工业生产中过程中扮演主要角色。

到2016年我国铝电解产能将已经达到4320万吨，在产产能约为3250万吨左右。其中，280KA以上电解槽产能约为2600万吨。

按照每吨电解铝消耗15kg阴极计算，维持电解槽正常生产需阴极碳块64.8万吨/年以上，而280KA以上槽型的用量约为48.75万吨/年左右。经过一段时间的发展，预计280KA以上电解槽至少有一半会逐步使用石墨化阴极炭块，年需求在24.38万吨以上.而目前国内石墨化阴极炭块的潜在产能20万吨/年，石墨化阴极炭块一旦进入产业化推广后，前景极为广阔。

[1]钱湛芬《炭素工艺学》[M]. 北京：冶金工业出版社，2004.

[2]吴汭《石墨化阴极生产与应用的初步试验性探索》(J)炭素技术2013（6）:17-20.

[3]白强《石墨化阴极炭块试验与开发报告》（内部资料）.

[4]白强《铝电解槽用石墨化阴极炭块标准修订编制说明》.