考虑到在电解槽上应用,相较于石墨质阴极炭块,石墨化阴极炭块主要有以下几个特点:

(1)炉底压降低

相比石墨质炭块电解槽炉底压降更低,特别是与浇铸技术相结合时,节能效果更好;

(2)阴极性质稳定

在生产过程中,钠通过炭块进入铁-炭接触面,并与冰晶石反应形成铝和氟化钠,造成铁-炭接触电阻不断增加,同时炭块自身的电阻也在增加。但由于石墨化阴极炭块体积致密,同时碳原子排列有序,因此钠吸收和扩散远小于石墨质炭块[8]。因此石墨化炭块的炉底压降随生产时间的增长变化更平缓,在生产操作控制较好的情况下,几乎可以做到不增加,具体如图2所示。同时由于材料性质的特点,石墨化阴极电流分布更均匀,有利于电解槽稳定运行;

(3)槽破损率低

同样由于石墨化炭块对钠吸收较小,其钠的膨胀率远小于石墨质阴极炭块,因此随着电解槽的运行,石墨化炭块在水平方向上的膨胀更小。而受到内衬和槽壳的约束,炭块水平方向的膨胀导致炭块竖直向上的隆起,这就造成石墨化炭块向上隆起小,对应的槽壳变形也更小,降低了电解槽的早期破损发生率。

(4)槽寿命长

由于石墨化炭块的优良性能,在国内阳极电流密度不高(0.85A/cm2以下)或铝液中电流分布良好的情况下,石墨化阴极电解槽槽寿命大于采用石墨质阴极的电解槽槽寿命。Alusuisse Steg铝厂通过改善阴极炭块质量和结构形式实现了槽寿命的逐渐增加和阴极压降的逐步降低[9]。石墨化电解槽数量从4%增加到95%,电解槽平均槽寿命从2100天增加到了3600天。同时Dreyfus和Joncourt[10]利用数学模型和破损电解槽的数据计算出电解槽的最大磨蚀是平均阴极电流密度的函数,得出了最大磨蚀速率的降低与阴极平均电流密度的降低有关系的结论。也即是说明虽然石墨化阴极抗磨蚀性稍差于石墨质阴极,但在国内这种阴极平均电流密度低且分布良好的情况下,石墨化阴极并不会因为磨损而影响槽寿命。比如国内某300kA系列全部采用石墨化炭块阴极电解槽,共204台电解槽,自从2006年4月份启动,截止到2018年8月份有56台电解槽无大修,仍在运行,槽寿命超过了4440天。已完成大修的电解槽平均槽寿命也达到了3179天。这说明了在电流密度不高的情况下,石墨化阴极槽寿命明显大于石墨质阴极槽寿命,具体见表3。