考慮到在電解槽上應(yīng)用,相較于石墨質(zhì)陰極炭塊,石墨化陰極炭塊主要有以下幾個特點:

(1)爐底壓降低

相比石墨質(zhì)炭塊電解槽爐底壓降更低,特別是與澆鑄技術(shù)相結(jié)合時,節(jié)能效果更好;

(2)陰極性質(zhì)穩(wěn)定

在生產(chǎn)過程中,鈉通過炭塊進入鐵-炭接觸面,并與冰晶石反應(yīng)形成鋁和氟化鈉,造成鐵-炭接觸電阻不斷增加,同時炭塊自身的電阻也在增加。但由于石墨化陰極炭塊體積致密,同時碳原子排列有序,因此鈉吸收和擴散遠小于石墨質(zhì)炭塊[8]。因此石墨化炭塊的爐底壓降隨生產(chǎn)時間的增長變化更平緩,在生產(chǎn)操作控制較好的情況下,幾乎可以做到不增加,具體如圖2所示。同時由于材料性質(zhì)的特點,石墨化陰極電流分布更均勻,有利于電解槽穩(wěn)定運行;

(3)槽破損率低

同樣由于石墨化炭塊對鈉吸收較小,其鈉的膨脹率遠小于石墨質(zhì)陰極炭塊,因此隨著電解槽的運行,石墨化炭塊在水平方向上的膨脹更小。而受到內(nèi)襯和槽殼的約束,炭塊水平方向的膨脹導(dǎo)致炭塊豎直向上的隆起,這就造成石墨化炭塊向上隆起小,對應(yīng)的槽殼變形也更小,降低了電解槽的早期破損發(fā)生率。

(4)槽壽命長

由于石墨化炭塊的優(yōu)良性能,在國內(nèi)陽極電流密度不高(0.85A/cm2以下)或鋁液中電流分布良好的情況下,石墨化陰極電解槽槽壽命大于采用石墨質(zhì)陰極的電解槽槽壽命。Alusuisse Steg鋁廠通過改善陰極炭塊質(zhì)量和結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)了槽壽命的逐漸增加和陰極壓降的逐步降低[9]。石墨化電解槽數(shù)量從4%增加到95%,電解槽平均槽壽命從2100天增加到了3600天。同時Dreyfus和Joncourt[10]利用數(shù)學(xué)模型和破損電解槽的數(shù)據(jù)計算出電解槽的最大磨蝕是平均陰極電流密度的函數(shù),得出了最大磨蝕速率的降低與陰極平均電流密度的降低有關(guān)系的結(jié)論。也即是說明雖然石墨化陰極抗磨蝕性稍差于石墨質(zhì)陰極,但在國內(nèi)這種陰極平均電流密度低且分布良好的情況下,石墨化陰極并不會因為磨損而影響槽壽命。比如國內(nèi)某300kA系列全部采用石墨化炭塊陰極電解槽,共204臺電解槽,自從2006年4月份啟動,截止到2018年8月份有56臺電解槽無大修,仍在運行,槽壽命超過了4440天。已完成大修的電解槽平均槽壽命也達到了3179天。這說明了在電流密度不高的情況下,石墨化陰極槽壽命明顯大于石墨質(zhì)陰極槽壽命,具體見表3。