炭陽極在電解鋁生產中的重要作用綜述鋁在自然界中分布極廣，地殼中鋁的含量約為7.5%，居第三位。在各種金屬元素中，鋁居首位。由于鋁的密度低，導電導熱性優良，易加工以及可構成高強度、耐腐蝕性的合金，因而金屬鋁的應用非常廣泛。鋁的化學性質非常活潑，自然界中僅發現了少量元素狀態的鋁，大多是與其它礦物共生，因此必須還原鋁的化合物才能制備單質鋁。現代鋁工業生產主要采取冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法煉鋁。隨著我國經濟建設的快速發展，國民經濟建設的各個重要領域對鋁及鋁合金的需求量大增，帶動了我國電解鋁產業的發展。從2002年至2007年，我國電解鋁行業取得了迅猛的發展，電解鋁產量年平均增長率達到29.7%，在世界電解鋁產量中所占的比例由2001年的14%迅速上升到2007年的33%。2009年全國電解鋁總產量已達1363萬噸，占世界電解鋁總產量三分之一。在鋁電解生產中，作為鋁電解槽“心臟”的炭陽極（預焙陽極，簡稱陽極）起著把電流導入電解槽和參與陽極反應的作用，所以其質量和工作狀況對鋁電解生產是否正常、電能消耗、產品等級等經濟技術指標影響十分巨大。如果陽極的質量差，如密度小、孔隙度大、機械強度低等，會造成在鋁電解過程中陽極電流密度增大，陽極和電解質發熱，電解槽溫度升高，陽極炭塊掉渣，電解質電阻率增加，陽極過量消耗。同時炭陽極的主要原料-石油焦市場價格上漲過快，石油焦粉焦含量增多，質量大幅波動，嚴重影響了陽極質量，提高了陽極的生產成本，同時也影響了鋁廠的經濟效益，造成了大量的經濟損失和資源浪費。因此，采用新原料新技術降低陽極生產成本，提高炭陽極質量，降低陽極額外消耗是目前鋁用炭素行業普遍關注的問題。1880年，美國人霍爾和法國人埃魯特同時提出冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法煉鋁，陽極炭塊隨之誕生，最早采用木炭、焦粉和焦油經過混合、成型、燒結制作的炭棒為陽極，陽極的規格小，質量指標落后。鋁電解發展初期，采用擠壓法生產小型預焙陽極，單個陽極尺寸甚小，陽極電流4KA，1924年挪威人Soderberg發明了連續自焙陽極，使陽極面積逐步增大，電解槽電流容量隨之提高。1934年法國Peckiney鋁業公司研制成功上插自焙陽極，隨后又用多功能天車進行陽極操作。20世紀50年代之后，成功用擠壓和振動成型機制造了大規格陽極炭塊，預焙陽極又逐步被廣泛采用。20世紀80年代后期，預焙陽極電解系列，電流容量達280～350KA，最新的炭陽極電解槽電流達500KA。由于預焙陽極操作比較簡單，陽極電壓降比自焙陽極低，易于實現機械化和自動化，且減少了電解過程中瀝青煙的危害，有利于電解槽向大容量方向發展。因此20世紀末，普遍采用預焙陽極煉鋁[3]。隨著科學技術的發展和人們節能環保意識的提高，惰性陽極逐漸成為人們的研究熱點。目前，金屬氧化物陶瓷、金屬合金和金屬陶瓷等成為惰性陽極的優先選擇材料。Vecchio-Sadus等對SnO2基惰性陽極在不同組成的電解質中的行為進行了研究，實驗溫度為830～975℃，電極組成為96wt%SnO2-2wt%CuO-2wt%Sb2O3，發現SnO2基陽極的腐蝕速率隨著溫度的變化而變化。Galasi也對上述組成的陽極進行了研究，表明其電阻在較高電流密度時隨溫度和電流密度呈線性變化，使用上述組成的陽極進行電解槽實驗，結果較好。東北大學的石忠寧等人制備了Cu-Ni-Al合金陽極，發現陽極的導電導熱性好，電壓降低，耐熔鹽腐蝕性能良好，但是電解得到的鋁質量低，雜質含量偏高。Glucina[7]等人制備了Al的質量分數為9.4%的Cu-Al合金陽極，并在實驗室的電解槽中測試了其性能，陽極電流密度為0.5A/cm2，發現陽極各方面的性能都較好，但是銅基體易被腐蝕，經過預處理的陽極表面生成的氧化物薄膜孔隙較多，電解質滲透腐蝕基體，未經預處理的陽極在原位形成氧化鋁薄膜，但這不足以保護基體不受腐蝕。田忠良等人研究了燒結氣氛和燒結溫度對Cu含量在5～20%之間的NiFe2O4-Cu金屬陶瓷惰性陽極的物相組成、微觀形貌和基本物理性能的影響。結果表明，通過控制燒結氣氛氧分壓可以制備出具有目標物相組成的NiFe2O4-Cu金屬陶瓷電極材料。但是固相NiFe2O4陶瓷顆粒和液相金屬Cu之間的潤濕性不好，制備的陽極相對密度不高，孔隙率較大。焦萬麗、張磊等人研究了NiFe2O4合成工藝對惰性陽極力學性能及電導率的影響。結果表明：800℃時NiO和Fe2O3的固相反應先于致密化過程結束。當未經壓制成型的粉料直接在900℃的合成溫度下合成6h，試樣的體積密度和強度最大，孔隙率最小，高溫電導率也最大。雖然惰性陽極不僅可以減少能耗，避免溫室氣體CO2的排放，而且可以降低勞動強度和陽極更換頻率，提高電解的穩定性，但是仍然有很多科學問題沒有解決，距離工業應用還有很長一段的距離，有待進一步深入研究。炭陽極作為鋁電解過程的陽極材料參與電解反應，隨著電解過程的進行不斷消耗。1991年，瑞士W.K.Fisher等推導了下列陽極凈消耗與電解工藝參數和陽極質量參數的關系式，見式(1.1)：Nc=C+334/CE+1.2(BT–960)–1.7CRR+9.3AP+8TC–1.5ARR(1.1)式中：Nc－陽極凈消耗，kg/t–Al；C－電解槽系數；CE－電流效率，%；BT－電解溫度，℃；CRR－陽極CO2反應后剩余量，%；AP－陽極空氣滲透率