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

(1)爐底壓降低

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

(2)陰極性質穩(wěn)定

在生產過程中,鈉通過炭塊進入鐵-炭接觸面,并與冰晶石反應形成鋁和氟化鈉,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炭塊[8]。因此石墨化炭塊的爐底壓降隨生產時間的增長變化更平緩,在生產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。而受到內襯和槽殼的約束,炭塊水平方向的膨脹導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陰極的電解槽槽壽命。Alusuisse Steg鋁廠通過改善陰極炭塊質量和結構形式實現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]利用數學模型和破損電解槽的數據計算出電解槽的最大磨蝕是平均陰極電流密度的函數,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系的結論。也即是說明雖然石墨化陰極抗磨蝕性稍差于石墨質陰極,但在國內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陰極槽壽命,具體見表3。