高密度预焙阳极炭块制备工艺及其使用性能的探索

摘要：通过对预焙阳极炭块中开孔和闭孔的形成机理以及开孔的流道结构分析，探索二次浸渍、二次焙烧高密度预焙阳极的制备工艺；组织小批量工业试验，对比高密度预焙阳极理化指标、铝电解槽使用性能。

关键词：高密度预焙阳极；制备工艺；使用性能

预焙阳极炭块作为铝电解槽功能性材料，其性能直接影响阳极使用性能换极周期、电压降、掉渣量，炭渣影响铝电解质溶液电导率，使电解质电压升高，增加额外的工作电压，从而破坏铝电解槽电解质平衡、热平衡，进而影响电解槽能耗、电流效率等经济技术指标，增加劳动强度[1]。因此，高寿命、低电阻、低炭渣优质阳极是电解槽稳定、高效运行的必要条件，是铝电解的期望与追求[1-2]。

预焙阳极炭块在铝电解槽使用性能主要由其组织结构影响，阳极密度、孔隙率直接影响阳极炭块的物理化学性能[3-5]。因此，我们从提高阳极密度、降低空隙率的角度对阳极使用性能影响进行研究探索。通过对阳极炭块中开孔和闭孔的形成机理以及开孔的流道结构分析；研究最易于浸渍剂渗入填充的流动参数，研究浸渍剂在开孔中的焦化机理，探索高密度预焙阳极的制备工艺。

1.高密度预焙阳极制备工艺

预焙阳极炭块体积密度指标受振动成型设备、及其工艺参数、配料混捏工艺参数等条件影响。采用传统工艺，通过调整振动成型设备运行振幅、振动时间参数，改变配料混捏工艺参数，实现提升体积密度指标难度较大，常常伴随裂缝废品的增加。我们借鉴石墨化电极“多浸多焙”生产工艺，采用二次浸渍、二次焙烧，探索一种高密度预焙阳极制备新工艺（见图1），提高阳极体积密度，降低阳极孔隙度；实现强化阳极质量，降低阳极消耗的效果。

在铝用预焙阳极传统工艺的基础上，预焙阳极炭块通过加温、抽真空，排除预焙阳极炭块开气孔内气体，形成“毛细”现象；利用浸渍设备，将预焙阳极焙烧块浸泡在浸渍剂介质中，在一定温度下，施加一定压力、并保压到目标时间，将浸渍剂浸入到预焙阳极焙烧块的孔隙中；再通过二次焙烧，使浸渍剂结焦，从而达到增加阳极单重、提升体积密度，降低阳极孔隙度，强化阳极性能指标。

2.高密度预焙阳极理化指标

应用高密度预焙阳极制备工艺进行小批量工业试验，随机选取传统工艺制备的预焙阳极炭块56块，进行二次浸渍、二次焙烧进一步提升阳极体积密度试验，并对其理化指标进行对比。

二次浸渍、二次焙烧工艺制备高密度预焙阳极阳极单重平均增加48.6kg，增重5.4%；体积密度平均增加0.03-0.05g/cm3、达到1.59-1.64g/cm3；孔隙率降低8-11%;室温电阻率平均降低3-5μΩ·ｍ；耐压强度提高8-17MPa；空气渗透率降低50%，达到0.5-1npm，高密度预焙阳极理化指标明显提升。

3.高密度预焙阳极使用性能

为了测试评价高密度预焙阳极在铝电解槽使用性能，我们选取一台试验槽、一台对比槽进行使用性能跟踪测试。

3.1高密度预焙阳极导热效率明显提升。从阳极卡具电压降、电流分布测试结果看，阳极导电时间缩短约50%。

3.2高密度预焙阳极在电解槽使用过程吨铝炭渣量明显降低，基本不用打捞炭渣。试验槽内使用高密度阳极14块时，炭渣量开始下降明显。从试验槽第一块高密度阳极残极B10开始，炭渣量始终低于对比槽炭渣量，完成第一轮换极后，试验槽已停止打捞炭渣，现场换极跟踪观察，槽内炭渣量很少，电解质清亮，且阳极周边电解质沸腾均匀有力。

3.3.高密度预焙阳极实际换极周期等经济技术指标优于普通阳极。高密度预焙阳极试验槽换极周期达到40天，与普通阳极对比槽相比延长4天，电流效率提升1.05%。

3.4.高密度预焙阳极残极规整度优于普通工艺制备阳极。从试验块与普通块上槽的统计数据看，换极周期延长到40天时，残极的规整程度与厚度，依旧优于对比槽使用周期为36天的残极。

4.结论

4.1.“二次浸渍、二次焙烧”高密度阳极制备工艺技术，可提高预焙阳极体积密度、降低孔隙率、降低阳极电化学反应面积改善理化性能，从技术角度是可行的。

4.2.高密度预焙阳极在铝电解槽使用性能优异、效果良好，超预期的改善了铝电解槽的经济技术指标；充分验证了预焙阳极炭块作为功能性材料对铝电解槽的重要性。

4.3.为预焙阳极炭块质量提升指明方向，围绕预焙阳极功能性材料体积密度重要指标的提升进行传统制备工艺寻优。

参考文献

[1]郎光辉，王慧.优质预焙阳极助力电解铝降碳生产[N].中国有色金属报，2021-04-08（007）.DOI：10.38265/n.cnki.nysjs.2021.000365.

[2]李志刚，齐守智，王楠楠.简析炭素在电解铝行业节能降碳中的关键作用[J].世界有色金属，2024，（18）：1-3.

[3]张玉平.优质无炭渣阳极生产技术的应用[J].有色冶金节能，2021，37（05）：21-26.DOI：10.19610/j.cnki.cn11-4011/tf.2021.05.006.

[4]姜效诚.铝电解用预焙阳极质量均质化管控方法探讨[J].轻金属，2024，（10）：33-38.DOI：10.13662/j.cnki.qjs.2024.10.006.

[5]黄诚，程建萍，李玉财.石墨电极用黏结剂沥青生产新工艺[J].炭素技术，2021，40（01）：46-49.DOI：10.14078/j.cnki.1001-3741.2021.01.010.

第一作者简介：关文斌，男，1973年04月出生，中共党员，大专学历，从事铝用炭素工艺技术管理30年。本人撰写的《磁选机在铝用预焙阳极炭块生产线的应用》发表于《炭素技术》2008年第1期；《电解铝用炭素焙烧炉节能工艺技术实践研究》发表于《轻金属》2021年第12期。