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陰極大塊的結(jié)構(gòu)和性能

三禾炭素

<p class="ql-block">　　<b style="font-size:22px;">情誼，猶如一粒種子，一旦在心底扎根，就會默默發(fā)芽，悠悠生長，化作一條蜿蜒纏綿的青藤，緊緊纏繞著歲月同心的年輪，相互輝映地攀向陌上那一抹幽美的馨光。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"> ---題記</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;"> 陰極大塊是電解槽、電爐的核心組成部分，直接接觸高溫熔融鋁液和電解質(zhì)，其性能決定了電解槽的能耗、壽命和鋁產(chǎn)品質(zhì)量。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">一、 材料組成與制備工藝</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">1、基礎(chǔ)材料</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">（1）骨料：以無煙煤、石油焦、石墨碎等碳素材料為主，不同骨料影響導(dǎo)電性、強(qiáng)度和抗腐蝕性。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 無煙煤：成本低，但電阻率高（50–60 μΩ·m），抗鈉侵蝕性較差。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 石墨化材料：經(jīng)2500℃以上高溫處理，電阻率可降至10–20 μΩ·m，但機(jī)械強(qiáng)度較低。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 石油焦：灰分低，石墨化程度高。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> （2）粘結(jié)劑：煤瀝青（中溫或高溫瀝青），占比15–20%，影響焙燒后的密實(shí)度和氣孔率。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">2、添加劑</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">（1）SiC/TiB?：提高抗鈉滲透性和耐磨性（如SiC摻雜陰極的鈉膨脹率降低30%以上）。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">（2）金屬硅/鋁**：與鈉反應(yīng)生成化合物，填充孔隙，抑制膨脹。</b></p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">二、 制做流程</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">1. 破碎與篩分：骨料粒度級配優(yōu)化（粗顆粒提供強(qiáng)度，細(xì)粉填充空隙）。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">2. 混捏：骨料與瀝青在160–180℃下混合，形成均質(zhì)糊料。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">3. 成型：振動成型（常用）或擠壓成型，密度需≥1.6 g/cm3。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">4. 焙燒：在1200℃下緩慢升溫（防止裂紋），使瀝青碳化形成焦炭網(wǎng)絡(luò)。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">5. 石墨化（可選）：對高性能陰極，需在2500–3000℃下進(jìn)一步處理。</b></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">三、 關(guān)鍵性能指標(biāo)與機(jī)理</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">1、導(dǎo)電性</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 影響因素：</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 骨料石墨化程度（石墨晶體取向度越高，電阻率越低）。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 氣孔率（每增加1%，電阻率上升約2–3%）。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 優(yōu)化方向：采用石墨化骨料或添加導(dǎo)電劑（如碳納米管）。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">2、抗鈉侵蝕性</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 失效機(jī)制：</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 鈉滲透到碳層間，形成插層化合物（如NaC??），導(dǎo)致體積膨脹（可達(dá)5%）。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 電解質(zhì)（Na?AlF?）與碳反應(yīng)生成Al?C?，加速腐蝕。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 解決方案：</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 使用石墨化炭塊（層間距小，鈉難以插入）。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 添加SiC（與鈉反應(yīng)生成NaSi，形成保護(hù)層）。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">3、熱機(jī)械性能</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 熱應(yīng)力分析：</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 電解槽啟停時(shí)，溫度梯度導(dǎo)致熱應(yīng)力（ΔT＞200℃）。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 陰極開裂風(fēng)險(xiǎn)與熱膨脹系數(shù)（CTE）直接相關(guān)（理想CTE＜4.5×10??/℃）。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 增強(qiáng)方法：</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 引入彈性模量較低的骨料（如石墨）。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 優(yōu)化顆粒級配以減少內(nèi)應(yīng)力。</b></p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">四、失效模式與原因</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">1、隆起變形： 空氣滲透導(dǎo)致陰極膨脹，擠壓側(cè)襯（常見于無煙煤基陰極）。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">2、裂紋擴(kuò)展：熱循環(huán)應(yīng)力或安裝應(yīng)力引發(fā)裂紋（尤其在高電流密度槽）。</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">3、磨損腐蝕：電解液流速＞10 cm/s時(shí)，機(jī)械沖刷加?。ㄐ璞砻嬗捕取軭SD 50）。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;">陰極大塊是材料科學(xué)與冶金工程的交叉產(chǎn)物，其性能優(yōu)化需平衡導(dǎo)電性、抗腐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度。未來發(fā)展方向聚焦于：</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;">1、高性能復(fù)合材料（如SiC-TiB?-C體系）；</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;">2、全生命周期設(shè)計(jì)（從制造到回收）；</b></p><p class="ql-block"><b style="font-size:22px;">3、與電解工藝協(xié)同創(chuàng)新（如低電壓工藝適配陰極）。</b></p>