阴极大块的结构和性能

三禾炭素

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---题记

阴极大块是电解槽、电炉的核心组成部分，直接接触高温熔融铝液和电解质，其性能决定了电解槽的能耗、寿命和铝产品质量。

一、 材料组成与制备工艺

1、基础材料

（1）骨料：以无烟煤、石油焦、石墨碎等碳素材料为主，不同骨料影响导电性、强度和抗腐蚀性。

无烟煤：成本低，但电阻率高（50–60 μΩ·m），抗钠侵蚀性较差。

石墨化材料：经2500℃以上高温处理，电阻率可降至10–20 μΩ·m，但机械强度较低。

石油焦：灰分低，石墨化程度高。

（2）粘结剂：煤沥青（中温或高温沥青），占比15–20%，影响焙烧后的密实度和气孔率。

2、添加剂

（1）SiC/TiB₂：提高抗钠渗透性和耐磨性（如SiC掺杂阴极的钠膨胀率降低30%以上）。

（2）金属硅/铝**：与钠反应生成化合物，填充孔隙，抑制膨胀。

二、 制做流程

1. 破碎与筛分：骨料粒度级配优化（粗颗粒提供强度，细粉填充空隙）。

2. 混捏：骨料与沥青在160–180℃下混合，形成均质糊料。

3. 成型：振动成型（常用）或挤压成型，密度需≥1.6 g/cm³。

4. 焙烧：在1200℃下缓慢升温（防止裂纹），使沥青碳化形成焦炭网络。

5. 石墨化（可选）：对高性能阴极，需在2500–3000℃下进一步处理。

三、 关键性能指标与机理

1、导电性

影响因素：

骨料石墨化程度（石墨晶体取向度越高，电阻率越低）。

气孔率（每增加1%，电阻率上升约2–3%）。

优化方向：采用石墨化骨料或添加导电剂（如碳纳米管）。

2、抗钠侵蚀性

失效机制：

钠渗透到碳层间，形成插层化合物（如NaC₆₄），导致体积膨胀（可达5%）。

电解质（Na₃AlF₆）与碳反应生成Al₄C₃，加速腐蚀。

解决方案：

使用石墨化炭块（层间距小，钠难以插入）。

添加SiC（与钠反应生成NaSi，形成保护层）。

3、热机械性能

热应力分析：

电解槽启停时，温度梯度导致热应力（ΔT＞200℃）。

阴极开裂风险与热膨胀系数（CTE）直接相关（理想CTE＜4.5×10⁻⁶/℃）。

增强方法：

引入弹性模量较低的骨料（如石墨）。

优化颗粒级配以减少内应力。

四、失效模式与原因

1、隆起变形： 空气渗透导致阴极膨胀，挤压侧衬（常见于无烟煤基阴极）。

2、裂纹扩展：热循环应力或安装应力引发裂纹（尤其在高电流密度槽）。

3、磨损腐蚀：电解液流速＞10 cm/s时，机械冲刷加剧（需表面硬度≥HSD 50）。

阴极大块是材料科学与冶金工程的交叉产物，其性能优化需平衡导电性、抗腐蚀性和机械强度。未来发展方向聚焦于：

1、高性能复合材料（如SiC-TiB₂-C体系）；

2、全生命周期设计（从制造到回收）；

3、与电解工艺协同创新（如低电压工艺适配阴极）。