铝用炭素生产基础知识

1、铝用炭阳极生产铝用炭阳极生产 河南省有色行业职业技能鉴定站河南省有色行业职业技能鉴定站 冶金炭素职工技能鉴定培训讲义冶金炭素职工技能鉴定培训讲义 李庆宏李庆宏 关于鉴定考试关于鉴定考试 1、 理论理论、实操实操各100分。 实操实操：笔试、操作各50分； 每科各满60分为合格。 2、笔试时间、笔试时间：初级工90min；中级工100+60min；高级工以上 120+60min 级别级别理论考题理论考题实操笔试实操笔试 填空选择判断简答计算论述合计选择 分析 解答 合 计 初级10220210245100_0 中级522521321618100391150 高级52252151 101 15 2

2、5 25110100391150 技师522521012525110100351550 高技101.52511514-2517113100351550 一、对炭素工艺的基本认识一、对炭素工艺的基本认识： 总体工艺以物理过程为主；总体工艺以物理过程为主； 均均匀匀、密密实实; 化学过程以加热控温为要化学过程以加热控温为要； 升温升温精精,火候火候准准 产品的基本认知：产品的基本认知： 成者容成者容易，易，优则优则难难。 二、铝用炭素工种的分类：二、铝用炭素工种的分类： 一般分为一般分为煅烧工、成型工、焙烧工煅烧工、成型工、焙烧工三个工种三个工种 12001300 11801250 2500280

3、0 目目 录录 第一章第一章 铝与铝与铝用炭素铝用炭素煅、煅、焙、焙、型型 第二章第二章 炭素材料概论炭素材料概论煅、煅、焙、焙、型型 第三章第三章 炭素原料及燃料燃烧炭素原料及燃料燃烧煅、煅、焙、焙、型型 第四章第四章 原料的煅烧原料的煅烧煅煅 第五章第五章 炭素原料的破碎与筛分炭素原料的破碎与筛分型型 第六章第六章 炭素制品配料方的编制与配料炭素制品配料方的编制与配料型型 第七章第七章 糊料的混捏糊料的混捏型型 第八章第八章 炭素制品成型工艺及设备炭素制品成型工艺及设备型型 第九章第九章 铝用炭阳极焙烧铝用炭阳极焙烧 焙焙 第十章第十章 阳极炭块生产质量控制阳极炭块生产质量控制煅、煅、型、

4、型、焙焙 第十一章第十一章 炭素窑炉的修筑炭素窑炉的修筑煅、煅、焙焙 第十二章第十二章 炭素材料检验炭素材料检验 煅、煅、焙、焙、型型 第一章第一章 铝用炭素职业技能标准和要求铝用炭素职业技能标准和要求 1 1、铝用炭素工国家职业工种分类、铝用炭素工国家职业工种分类 分为分为煅烧工、成型工、焙烧工煅烧工、成型工、焙烧工三个工种三个工种 1.1 1.1 职业等级职业等级* * * 本职业共设本职业共设五个等级五个等级，分别为：，分别为：初级初级（国家职业资格五级）、（国家职业资格五级）、 中级（中级（国家职业资格四级）、国家职业资格四级）、高级高级（国家职业资格三级）、（国家职业资格三级）、技师

5、技师 （国家职业资格二级）、（国家职业资格二级）、高级技师高级技师（国家职业资格一级）。（国家职业资格一级）。 1.2 1.2 职业环境职业环境 职业环境为职业环境为: :室内、外，有粉尘、烟气、噪声，有毒、有害的室内、外，有粉尘、烟气、噪声，有毒、有害的 高温环境。高温环境。 1.31.3申报条件申报条件* * * 高级工高级工（具备以下条件之一者具备以下条件之一者） 取得本职业中级职业资格证书后，连续从事本职业工作取得本职业中级职业资格证书后，连续从事本职业工作3 3年以年以 上，经本职业高级正规培训达规定标准学时数，并取得结业证书。上，经本职业高级正规培训达规定标准学时数，并取得结业证书

6、。 取得本职业中级职业资格证书后，连续从事本职业工作取得本职业中级职业资格证书后，连续从事本职业工作4 4年以年以 上。上。 连续从事本职业工作连续从事本职业工作1010年以上。年以上。 取得高级技工学校或经劳动保障行政部门审核认定的、以高级取得高级技工学校或经劳动保障行政部门审核认定的、以高级 技能为培养目标的高等职业学校本职业（专业）毕业证书。技能为培养目标的高等职业学校本职业（专业）毕业证书。 取得本职业中级职业资格证书的大专以上本专业或相关专业取得本职业中级职业资格证书的大专以上本专业或相关专业 毕业生，连续从事本职业工作毕业生，连续从事本职业工作2 2年以上。年以上。 技师技师（具备

7、以下条件之一者）（具备以下条件之一者） 取得本职业高级职业资格证书后，连续从事本职业工作取得本职业高级职业资格证书后，连续从事本职业工作4 4年以年以 上，经本职业技师正规培训达规定标准学时数，并取得结业证书。上，经本职业技师正规培训达规定标准学时数，并取得结业证书。 取得本职业高级职业资格证书后，连续从事本职业工作取得本职业高级职业资格证书后，连续从事本职业工作5 5年以年以 上。上。 取得本职业高级职业资格证书的高级技工学校本职业（专业）取得本职业高级职业资格证书的高级技工学校本职业（专业） 毕业生，连续从事本职业工作毕业生，连续从事本职业工作3 3年以上。年以上。 高级技师高级技师（具备

8、以下条件之一者）（具备以下条件之一者） 取得本职业技师职业资格证书后，连续从事本职业工作取得本职业技师职业资格证书后，连续从事本职业工作3 3年以年以 上，经本职业高级技师正规培训达规定标准学时数，并以得结业上，经本职业高级技师正规培训达规定标准学时数，并以得结业 证书。证书。 取得本职业技师职业资格证书后，连续从事本职业工作取得本职业技师职业资格证书后，连续从事本职业工作5 5年以年以 上。上。 1.41.4鉴定方式鉴定方式* * * 分为理论知识考试和技能操作考核。理论知识考试采用闭卷笔试，分为理论知识考试和技能操作考核。理论知识考试采用闭卷笔试， 技能操作考核采用现场实际（或模拟）操作方

9、式，理论知识考试技能操作考核采用现场实际（或模拟）操作方式，理论知识考试 和技能操作考核均实行百分制，成绩皆达到和技能操作考核均实行百分制，成绩皆达到6060分及以上者为合格。分及以上者为合格。 技师、高级技师鉴定还需进行综合评审。技师、高级技师鉴定还需进行综合评审。 1.5 1.5 鉴定比重表鉴定比重表 (1).理论知识理论知识 项项 目目 初级初级 (%)(%) 中级中级 (%)(%) 高级高级 (%)(%) 技师技师 (%)(%) 高级技师高级技师 (%)(%) 基本基本 要求要求 职业道德职业道德5 55 55 55 55 5 基础知识基础知识30303030252520202020

10、相相 关关 知知 识识 开炉准备开炉准备101010105 5 作业过程作业过程25252525303030302525 质量管理质量管理5 51010101015151515 设备维护设备维护101010101010 安全与环保安全与环保101010101010 技术管理与创技术管理与创 新新 20202020 培训与指导培训与指导5 510101515 总总 计计100100100100100100100100100100 (2).技能操作技能操作 项项 目目 初级初级 (%)(%) 中级中级 (%)(%) 高级高级 (%)(%) 技师技师 (%)(%) 高级技师高级技师 (%)(%) 相

11、相 关关 知知 识识 开炉准备开炉准备151510101010 作业过程作业过程40404545404035353030 安全与环保安全与环保151510101010 设备维护设备维护202020201515 质量管理质量管理10101515202025252525 技术管理与创技术管理与创 新新 30303535 培训与指导培训与指导5 510101010 总总 计计100100100100100100100100100100 2 2、炭素、炭素煅烧工煅烧工职业技能职业技能鉴定要求鉴定要求 2.1 2.1 知识要求：知识要求： 1 1炭的基本性质。炭的基本性质。 2 2生产阳极糊和预焙阳极块

12、的原材料知识。生产阳极糊和预焙阳极块的原材料知识。 3 3炭素生产工序的控制技术参数。炭素生产工序的控制技术参数。 4 4破碎原理。破碎原理。 5 5煅烧原理。煅烧原理。 6 6燃烧学、传热学、气体力学的基本知识。燃烧学、传热学、气体力学的基本知识。 7 7炉炉( (窑窑) )用耐火材料的基本知识。用耐火材料的基本知识。 8 8煅烧炉煅烧炉( (窑窑) )和沥青熔化系统及其附属设备砌筑、检和沥青熔化系统及其附属设备砌筑、检 修与试生产知识。修与试生产知识。 9 9煅烧炉煅烧炉( (窑窑) )的节能途径。的节能途径。 l0l0监控系统和仪表的工作原理。监控系统和仪表的工作原理。 1111安全及质

13、量与管理知识。安全及质量与管理知识。 2.2 2.2 技能要求：技能要求： * * * 1 1识别炭素原材料并鉴定质量。识别炭素原材料并鉴定质量。 2 2协调预碎与皮带运输生产节奏。协调预碎与皮带运输生产节奏。 3 3进行连续均匀加料的调控。进行连续均匀加料的调控。 4 4调整煅烧炉调整煅烧炉( (窑窑) )和沥青熔化器温度。和沥青熔化器温度。 5 5组织开、停炉组织开、停炉( (窑窑) )和沥青熔化设备。和沥青熔化设备。 6 6组织天然气管道的检查与清扫。组织天然气管道的检查与清扫。 7 7组织煅烧炉组织煅烧炉( (窑窑) )的烘炉的烘炉( (窑窑) )及降温和沥青融化器的及降温和沥青融化器

14、的 升降温。升降温。 8 8进行排料调控操作。进行排料调控操作。 9 9煅烧炉煅烧炉( (窑窑) )的使用和砌筑检查及检修。的使用和砌筑检查及检修。 1010沥青熔化设备的使用和检查及检修。沥青熔化设备的使用和检查及检修。 1111参与运输和加排料等设备的生产调试和维修。参与运输和加排料等设备的生产调试和维修。 1212使用维护监控系统和仪表。使用维护监控系统和仪表。 1313组织和协调现场安全生产、进行现场管理。组织和协调现场安全生产、进行现场管理。 2.3 2.3 工作实例：工作实例： 1 1组织协调预碎、煅烧岗位和沥青熔化岗位操作，组织协调预碎、煅烧岗位和沥青熔化岗位操作， 煅烧、沥青熔

15、化质量和炉煅烧、沥青熔化质量和炉( (窑窑) )及沥青熔化产量达到要求。及沥青熔化产量达到要求。 2 2调整炉窑各带温度梯度，实现均衡、稳定生产。调整炉窑各带温度梯度，实现均衡、稳定生产。 3 3调整沥青熔化温度，掌握沥青管网工艺。调整沥青熔化温度，掌握沥青管网工艺。 3 3、炭素、炭素焙烧工焙烧工职业技能鉴定职业技能鉴定 3.1 3.1 基本要求基本要求 3.1.1.职业道德职业道德 (1)(1)职业道德基本知识职业道德基本知识 (2)(2)职业守则职业守则 爱岗敬业，具有高度的责任心。爱岗敬业，具有高度的责任心。 遵守法律法规和有关规定。遵守法律法规和有关规定。 严格执行工作程序、工作规范

16、、工艺文件和安全操作规程。严格执行工作程序、工作规范、工艺文件和安全操作规程。 团结协作。团结协作。 3.1.2.基础知识基础知识 (1)(1)焙烧基础知识焙烧基础知识 金属及其主要化合物的物理、化学性质。金属及其主要化合物的物理、化学性质。 焙烧基础知识。焙烧基础知识。 焙烧工艺流程简介。焙烧工艺流程简介。 (2)(2)焙烧炉基础知识焙烧炉基础知识 焙烧炉简介。焙烧炉简介。 常用耐火材料知识。常用耐火材料知识。 (3)(3)机电设备常识机电设备常识 识图知识。识图知识。 机械常识。机械常识。 用电常识。用电常识。 设备维护基础知识。设备维护基础知识。 ( (4) )热工仪表使用基础知识热工仪

17、表使用基础知识 常用测温仪表与工具使用基础知识。常用测温仪表与工具使用基础知识。 常用测压仪表与工具使用基础知识。常用测压仪表与工具使用基础知识。 (5)(5)安全与卫生知识安全与卫生知识 安全生产管理。安全生产管理。 职业病的预防。职业病的预防。 消防器材的使用。消防器材的使用。 (6)(6)全面质量管理基础知识全面质量管理基础知识 质量管理基本概念。质量管理基本概念。 现场质量管理。现场质量管理。 质量管理认证体系。质量管理认证体系。 (7)(7)相关法律法规知识相关法律法规知识 劳动法的相关知识。劳动法的相关知识。 安全生产法的相关知识。安全生产法的相关知识。 环境保护法的相关知识。环境

18、保护法的相关知识。 3.2 炭素焙烧工职业技能鉴定补充要求炭素焙烧工职业技能鉴定补充要求 3.2.1 知识要求：知识要求： (1)(1)炭素制品所用原料的选用原则和鉴别方法。炭素制品所用原料的选用原则和鉴别方法。 (2)(2)焙烧炉采用的现行焙烧曲线。焙烧炉采用的现行焙烧曲线。 (3)(3)炭素制品生产各工序主要工艺控制参数。炭素制品生产各工序主要工艺控制参数。 (4)(4)产品的理化指标要求。产品的理化指标要求。 (5)(5)影响炭素制品理化指标的因素。影响炭素制品理化指标的因素。 (6)(6)焙烧的工艺方法和控制参数。焙烧的工艺方法和控制参数。 (7)(7)焙烧工序各生产指标的计算方法。焙

19、烧工序各生产指标的计算方法。 (8)(8)焙烧设备的结构和参数。焙烧设备的结构和参数。 (9)(9)热工、耐火材料及企业管理知识。热工、耐火材料及企业管理知识。 3.2.2 技能要求：技能要求： * * * (1)(1)制定并实施新产品工艺方案。制定并实施新产品工艺方案。 (2)(2)组织焙烧炉及天然气管道的清扫工作。组织焙烧炉及天然气管道的清扫工作。 (3)(3)分析废品和事故原因，并提出改进措施。分析废品和事故原因，并提出改进措施。 (4)(4)使用和维护焙烧炉及其它相关设备。使用和维护焙烧炉及其它相关设备。 (5)(5)制订安全措施，进行安全管理。制订安全措施，进行安全管理。 3.2.3

20、工作实例：工作实例： (1)(1)组织和协调各岗位操作。组织和协调各岗位操作。 (2)(2)处理各种质量事故。处理各种质量事故。 (3)(3)制订新产品生产工艺方案组织实施。制订新产品生产工艺方案组织实施。 (4)(4)参与本工种设备安装试车工作。参与本工种设备安装试车工作。 (5)(5)参与修订技术规程和各项制度。参与修订技术规程和各项制度。 本补充要求对初级、中级、高级、技师、高级技师的技能要求依本补充要求对初级、中级、高级、技师、高级技师的技能要求依 次递进，高级别涵盖低级别的要求。次递进，高级别涵盖低级别的要求。 4 4、炭素、炭素成型工成型工职业技能鉴定要求职业技能鉴定要求 炭素成型

21、工这一职业涵盖了碳素炭素成型工这一职业涵盖了碳素备料工、炭素配料工、炭备料工、炭素配料工、炭 素混捏工、炭素成型素混捏工、炭素成型工等工种。对初级、中级、高级、技师和工等工种。对初级、中级、高级、技师和 高级技师的技能要求依次递进，高级别涵盖低级别要求。高级技师的技能要求依次递进，高级别涵盖低级别要求。 4.1 炭素成型工职业技能鉴定要求 4.1.1知识要求知识要求* * * 1 1配料常用原料的技术指标及测定知识。配料常用原料的技术指标及测定知识。 2 2电解铝用炭素制品生产的主要工序。电解铝用炭素制品生产的主要工序。 3. 3. 电解铝用炭素制品生产主要工序的工艺控制参数。电解铝用炭素制品

22、生产主要工序的工艺控制参数。 4 4产品质量指标要求。产品质量指标要求。 5 5粘结剂的组分构成。粘结剂的组分构成。 6 6破碎筛分原理。破碎筛分原理。 7 7料仓理论及糊料和颗粒离析知识。料仓理论及糊料和颗粒离析知识。 8 8电解铝用炭素制品的生产技术条件和使用条件，原料电解铝用炭素制品的生产技术条件和使用条件，原料 的来源和性质。的来源和性质。 9 9配方的解析计算规则。配方的解析计算规则。 1010混捏原理及混捏生产基本知识。混捏原理及混捏生产基本知识。 1l1l返回料处理、中碎筛分、磨粉、配料、混捏系统新设返回料处理、中碎筛分、磨粉、配料、混捏系统新设 备的安装、试车投产及操作方法。备

23、的安装、试车投产及操作方法。 1212糊料分析方法。糊料分析方法。 1313对废品质量分析知识和防止废品发生的措施。对废品质量分析知识和防止废品发生的措施。 1414设备的结构和技术参数。设备的结构和技术参数。 1515计算机控制系统基本知识、识图的基本知识。计算机控制系统基本知识、识图的基本知识。 1616生阳极生产主要工序的工艺技术参数。生阳极生产主要工序的工艺技术参数。 1717生阳极炭块的理化指标。生阳极炭块的理化指标。 1818糊料振动成型过程中的物理特性。糊料振动成型过程中的物理特性。 1919糊料在振动成型过程中发生的物理变化。糊料在振动成型过程中发生的物理变化。 2020影响振

24、动成型过程的因素。影响振动成型过程的因素。 2121炭素成型设备的构造、原理。炭素成型设备的构造、原理。 2222生产能力的计算方法。生产能力的计算方法。 2323计算机控制系统基本知识、识图基本知识。计算机控制系统基本知识、识图基本知识。 2424机械润滑、液压和安全文明生产知识。机械润滑、液压和安全文明生产知识。 4.1.2 4.1.2 技能要求：技能要求： * * * 1 1调整工艺条件及工作配方。调整工艺条件及工作配方。 2 2正确选择工作配方。正确选择工作配方。 3 3妥善处理生产设备故障。妥善处理生产设备故障。 4 4指导返回料处理、中碎筛分、磨粉、配料和混捏生产。指导返回料处理、

25、中碎筛分、磨粉、配料和混捏生产。 5 5参与新系统的调试和安装。参与新系统的调试和安装。 6 6组织生产及制定规程。组织生产及制定规程。 7 7处理生产技术问题。处理生产技术问题。 8 8给初、中级工讲授技术理论与实践课。给初、中级工讲授技术理论与实践课。 9 9使用、维护设备和检查验收设备。使用、维护设备和检查验收设备。 1010控制振动成型机的各项动作。控制振动成型机的各项动作。 1111操作振动成型机和炭块冷却输送系统设备。操作振动成型机和炭块冷却输送系统设备。 1212排除事故隐患，指导初、中级工安全生产作业。排除事故隐患，指导初、中级工安全生产作业。 4.1.3工作实例：工作实例：

26、1 1组织、协调返回料处理、中碎筛分、磨粉岗位生产，使组织、协调返回料处理、中碎筛分、磨粉岗位生产，使 配料、混捏合格率达到较高的标准。配料、混捏合格率达到较高的标准。 2 2在上位机上操作配料混捏系统，混捏无废糊。在上位机上操作配料混捏系统，混捏无废糊。 3 3成型各岗位规范操作，各项指标达到要求。成型各岗位规范操作，各项指标达到要求。 4 4全面掌握成型生产，组织处理发生各类事故，分析事故全面掌握成型生产，组织处理发生各类事故，分析事故 发生的原因，并提出预防措施。发生的原因，并提出预防措施。 5 5判断糊温与沥青量，控制振动速度、时间等。判断糊温与沥青量，控制振动速度、时间等。 6 6掌

27、握生阳极块废品检查标准。掌握生阳极块废品检查标准。 7 7组织调试新设备并提出调试过程中出现的问题。组织调试新设备并提出调试过程中出现的问题。 副副一章一章 铝用炭素与铝电解工艺铝用炭素与铝电解工艺 1.1 1.1 我国大型预焙铝电解槽生产的基本现状我国大型预焙铝电解槽生产的基本现状 1.1.11.1.1电解槽大型化是我国铝工业发展的基本特点电解槽大型化是我国铝工业发展的基本特点 20052005年年全国生产铝厂全国生产铝厂147147家家 产量产量780. 780. 万吨。万吨。其中：其中： 160 ka160 ka槽约槽约24002400台台 产能约产能约110110万吨万吨 4545 2

28、00ka200ka级级（186186240ka240ka）槽）槽67006700台（在建台（在建17001700） 5252家，产能家，产能 420420万吨，产量万吨，产量350350万吨万吨 14.8%14.8% 300 ka300 ka级级（280280350ka350ka）30003000台（在建台（在建800800） 1616家，产能家，产能 320320万吨，产量约万吨，产量约300300万吨万吨 11.311.3 2008：1318万吨；万吨； 2009：1285. 万吨。万吨。 其中其中：300ka 549万吨万吨 42.7%; 我国在产最大槽电流为我国在产最大槽电流为400k

29、a400ka（热、磁）（热、磁）09-11509-115万吨万吨 w=k.i2rt 均匀、优质、稳定均匀、优质、稳定 1.1.2 1.1.2 铝电解过程的两极反应铝电解过程的两极反应 阳极主反应阳极主反应 阳极阳极 副反应副反应 o2-2e= o c + 2o=co2 co2+c=2co 阴极主反应阴极主反应 阴极阴极副反应副反应 al3+3e=al na+e=na 4al（溶）（溶）+3c=al4c3 电解电解总反应总反应al2o3+1.5c=2al+1.5co2 阳极气体阳极气体co2、co 含量比一般为含量比一般为80：20 直流电：直流电：1300014000kwh/t.al ； 炭阳

30、极：炭阳极：500550 kg/t. al ； 1.2 1.2 阳极工艺与电解过程中的阳极消耗阳极工艺与电解过程中的阳极消耗 1.2.11.2.1阳极的消耗阳极的消耗 在铝电解生产中，阳极炭块不仅承担着导电作用，而且还参在铝电解生产中，阳极炭块不仅承担着导电作用，而且还参 与电化学反应。阳极炭块质量的好坏，直接影响到铝电解的正常与电化学反应。阳极炭块质量的好坏，直接影响到铝电解的正常 生产操作生产操作、阳极的、阳极的消耗消耗、原铝的质量原铝的质量和和电流效率电流效率等技术经济指标。等技术经济指标。 阳极的消耗可以表述为以下四种形式：阳极的消耗可以表述为以下四种形式： 理理 论论 消消 耗：耗：

31、 al2o3+ 1.5c=2al+1.5co2 (334) al2o3+3c=2al+3co (667) 合并式：合并式： al2o3+ c=2al + co2 + co 式中：式中： n为阳极气体中为阳极气体中co2的体积百分比的体积百分比 当气体比当气体比 = 70:30 、 75:25、 80:20（94效率效率）时）时 阳极理论消耗分别为阳极理论消耗分别为: 393 、 381、 370 kg/t.al 从某种意义上讲从某种意义上讲阳极消耗量是炭阳极质量最基阳极消耗量是炭阳极质量最基 本的标志之一。本的标志之一。 n1 3 n n 1 3 n n 1 )1(3 净净 耗耗：（：（含空气

32、、二氧化碳氧化及掉渣，不含残极含空气、二氧化碳氧化及掉渣，不含残极-过耗过耗） 过耗过耗氧化掉渣率。氧化掉渣率。35% （2040kg/tal) 净耗净耗理理+过耗过耗 400430 kg/t.al 总（毛）耗总（毛）耗：（包含残极在内）（包含残极在内） 残极率（残极率（150160mm）2020 25% 500550 kg/t.al 消消 耗耗 速速 度：度：（阳极每天消耗的高度阳极每天消耗的高度） hc = = 1.401.50(cm/d) 3 10 054. 8 k c d wi 阳 dk wc 2 al2o3 + 3c = 4 al + 3 co2 gross consumption

33、net consumptionanode butts excess consumption electrolytical consumption 334 / ce theoretical consumption 334 kgc/tal 阳极消耗组成示意图阳极消耗组成示意图 1.2.2 1.2.2 影响阳极消耗的主要因素影响阳极消耗的主要因素 nc=c+334/nc=c+334/cece+1.2(bt-960)-+1.2(bt-960)- 1.7 1.7crrcrr+9.3+9.3apap+8+8tctc-1.5-1.5arrarr 其中：其中： nc: nc: 阳极净耗，阳极净耗，kg/t.a

34、lkg/t.al c : c : 电解槽性能参数，电解槽性能参数，270270310310 cece: : 电流效率电流效率， 88889595 （关系参数关系参数） bt: bt: 槽温，槽温， 930930960 960 crr:crr:二氧化碳反应剩余率（）二氧化碳反应剩余率（）757592 92 ap: ap: 炭阳极空气渗透率，炭阳极空气渗透率，0.50.55.0npm 5.0npm tc: tc: 阳极导热系数，阳极导热系数，3.03.06.0w/m.k 6.0w/m.k arr: arr: 空气反应剩余率（）空气反应剩余率（） ，60609393 均为阳极质量的参数均为阳极质量的

35、参数 334/ce334/ce：电化学消耗：电化学消耗 1.2.3 大型铝电解槽对炭阳极的基本要求大型铝电解槽对炭阳极的基本要求 自焙槽自焙槽 阳极糊；阳极糊； 预焙槽预焙槽 预焙阳极炭块预焙阳极炭块 阳极阳极 铝电解槽的心脏铝电解槽的心脏 耐高温，膨胀率小，抗热震性好；耐高温，膨胀率小，抗热震性好； 强度强度较高较高，具有较好的耐冲刷性；，具有较好的耐冲刷性； 化学性质稳定，抗氧化和抗氟化物侵蚀性好；化学性质稳定，抗氧化和抗氟化物侵蚀性好； 导电性，导热性良好。导电性，导热性良好。 劣质阳极劣质阳极 炭渣炭渣过过多、槽温多、槽温过过高、效率高、效率过过低、物料低、物料过过耗、耗、 炉帮炉帮过

36、过空、发病空、发病过过频频 铝电解中的阳极铝电解中的阳极反应物、导电体，反应物、导电体， 关系电解指标与槽况。关系电解指标与槽况。 1.3 1.3 阴极炭块阴极炭块延长槽寿命的关键材料延长槽寿命的关键材料 1.3.1 铝电解槽阴极的作用与分类铝电解槽阴极的作用与分类 铝电解槽的铝电解槽的躯体躯体、高温直接、高温直接承载体承载体、铝电解过程的、铝电解过程的反应器反应器。 经济技术指标、工艺过程条件、槽子的寿命。经济技术指标、工艺过程条件、槽子的寿命。 耐高温、抗腐蚀、导热性好、导电性（底）好、耐电解质（钠）耐高温、抗腐蚀、导热性好、导电性（底）好、耐电解质（钠） 渗透性、耐冲刷等。渗透性、耐冲刷

37、等。 阴极的基本分类：阴极的基本分类： 1.普通阴极炭块普通阴极炭块以普煅无烟煤、冶金焦、煤沥青为原料；以普煅无烟煤、冶金焦、煤沥青为原料； 2.半石墨化（质）阴极炭块半石墨化（质）阴极炭块以高温电煅无烟煤、冶金焦、以高温电煅无烟煤、冶金焦、 石墨碎、煤沥青为原料或普通炭块经半石墨化处理生产的阴极块；石墨碎、煤沥青为原料或普通炭块经半石墨化处理生产的阴极块； 3.高石墨质阴极炭块高石墨质阴极炭块含石墨质材料含石墨质材料3085的阴极炭块的阴极炭块; 4.石墨化阴极炭块石墨化阴极炭块以石油焦为骨料的炭块，再进行石墨化以石油焦为骨料的炭块，再进行石墨化 处理生产的阴极炭块。处理生产的阴极炭块。 形

38、式与种类形式与种类底底（部）（部）块块、侧（部）块侧（部）块、炭炭（底、阴极）（底、阴极）糊糊。 硼化钛涂层（复合）底块；可湿润阴极块硼化钛涂层（复合）底块；可湿润阴极块;异型阴极炭块。异型阴极炭块。 氮化硅氮化硅 结合炭化硅侧块结合炭化硅侧块(sic-si3n4) 阴极材料的分类阴极材料的分类 周边糊周边糊 炭间糊炭间糊 钢棒糊钢棒糊 炭胶泥炭胶泥 铝铝 用用 阴阴 极极 材材 料料 阴极炭块阴极炭块 阴极糊阴极糊 底部炭块底部炭块 侧部炭块侧部炭块 半石墨炭块半石墨炭块 普通炭块普通炭块 高石墨质炭块高石墨质炭块 可湿润阴极炭块可湿润阴极炭块 石墨化炭块石墨化炭块 半石墨侧部块半石墨侧部块

39、 普通侧部炭块普通侧部炭块 sic-si3n4侧块侧块 半石墨阴极糊半石墨阴极糊 普通阴极糊普通阴极糊 高石墨质阴极糊高石墨质阴极糊 冷捣糊冷捣糊 热捣糊热捣糊 我国阴极糊的分类及牌号我国阴极糊的分类及牌号(ys/t 65-2007) 分类分类牌号牌号名称名称适用部位适用部位施工温度，施工温度， 第第 一一 类类 bszh半石墨周围糊半石墨周围糊填充底部炭块与侧部炭块接缝及耐火砖等之间填充底部炭块与侧部炭块接缝及耐火砖等之间 较宽缝隙较宽缝隙 11010 bsth半石墨炭间糊半石墨炭间糊填充炭块与炭块之间缝隙填充炭块与炭块之间缝隙11010 bsgh半石墨钢棒糊半石墨钢棒糊填充阴极钢棒与炭块之

40、间缝隙填充阴极钢棒与炭块之间缝隙11010 bstn半石墨炭胶泥半石墨炭胶泥填充侧部炭块之间较小缝隙填充侧部炭块之间较小缝隙6010 第第 二二 类类 gszh高石墨周围糊高石墨周围糊填充高石墨质底部炭块与侧部炭块接缝及耐火填充高石墨质底部炭块与侧部炭块接缝及耐火 砖等之间较宽缝隙砖等之间较宽缝隙 11010 gsth高石墨炭间糊高石墨炭间糊填充炭块与炭块之间缝隙填充炭块与炭块之间缝隙11010 gsgh高石墨钢棒糊高石墨钢棒糊填充阴极钢棒与炭块之间缝隙填充阴极钢棒与炭块之间缝隙11010 第第 三三 类类 bsld-1半石墨冷捣糊半石墨冷捣糊填充炭块与炭块，底部炭块与侧部炭块及耐火填充炭块与

41、炭块，底部炭块与侧部炭块及耐火 砖之间的缝隙砖之间的缝隙 25-55 bsld-2半石墨冷捣糊半石墨冷捣糊填充阴极钢棒与炭块之间缝隙填充阴极钢棒与炭块之间缝隙 25-55 gsld-1高石墨冷捣糊高石墨冷捣糊填充炭块与炭块，底部炭块与侧部炭块及耐火填充炭块与炭块，底部炭块与侧部炭块及耐火 砖之间的缝隙砖之间的缝隙 25-55 gsld-2高石墨冷捣糊高石墨冷捣糊填充阴极钢棒与炭块之间缝隙填充阴极钢棒与炭块之间缝隙 25-55 1.4 铝电解槽结构示意图铝电解槽结构示意图炭素在电解槽上的应用炭素在电解槽上的应用 上部结构上部结构 阳极炭块阳极炭块 阴极炭块阴极炭块 高温电解质高温电解质 侧部炭块

42、侧部炭块 阳极组阳极组 壳面及覆盖料壳面及覆盖料 阴极炭糊阴极炭糊 1.3.2 阴极的破损阴极的破损 由于电解质熔体中有各种杂质元素，在铝电解过程中，电由于电解质熔体中有各种杂质元素，在铝电解过程中，电 解质中的解质中的钠离子钠离子在电场的作用下在电场的作用下被炭阴极选择性吸附被炭阴极选择性吸附，铝与碳，铝与碳 发生副反应生成发生副反应生成碳化铝碳化铝(al4c3)等产物等产物，而且，而且熔盐对阴极炭块发熔盐对阴极炭块发 生侵蚀和冲刷等生侵蚀和冲刷等作用，加上作用，加上热应力的作用热应力的作用，使，使阴极材料发生破阴极材料发生破 损，从而使铝电解槽寿命到期而大修损，从而使铝电解槽寿命到期而大修

43、。 阴极破损形式：阴极破损形式： 1、炉底隆起、炉底隆起 (1年年2cm; 3年年10-15cm；后基本稳定）；后基本稳定） 2、阴极炭块断裂、阴极炭块断裂 （为中部大，边缝小形式）为中部大，边缝小形式） 3、阴极炭块形成冲蚀坑、阴极炭块形成冲蚀坑 （多在缝处）（多在缝处） 4、阴极炭块层状剥离、阴极炭块层状剥离 5、扎缝糊起层、洞穿、纵向裂开、扎缝糊起层、洞穿、纵向裂开 6、侧部炭块破损、侧部炭块破损 （形式：边块断裂；电化学侵蚀；边剥形式：边块断裂；电化学侵蚀；边剥 落；遭氧化）落；遭氧化） 阴极：铝湿润性、散热性、抗钠侵蚀性、耐阴极：铝湿润性、散热性、抗钠侵蚀性、耐 磨性、高导电性。磨性

44、、高导电性。 第一章思考题第一章思考题 1、铝用炭素材料一般包括哪几类？其作用各是什么？主要原料、铝用炭素材料一般包括哪几类？其作用各是什么？主要原料 有什么不同？有什么不同？ 2、从使用角度讲，铝电解炭阳极应具备哪些特性？、从使用角度讲，铝电解炭阳极应具备哪些特性？ 3、为什么说阳极是铝电解槽的心脏？、为什么说阳极是铝电解槽的心脏？ 4、阳极消耗都与炭块的哪些性能指标有关？、阳极消耗都与炭块的哪些性能指标有关？ 5、在铝电解过程中阳极是如何参加反应的？写出电化学反应方、在铝电解过程中阳极是如何参加反应的？写出电化学反应方 程式。程式。 6、电解槽的寿命与炭素材料有什么关系？、电解槽的寿命与炭

45、素材料有什么关系？ 第二章第二章 炭素材料概述炭素材料概述 2 2. .1 1 炭的存在形式炭的存在形式 2.1.1 自然界中的碳自然界中的碳 碳的元素符号为碳的元素符号为c，相对原子量为，相对原子量为12.0112.01，原子序数，原子序数 为为6 6，电子分布状态为，电子分布状态为1s2 2s2 2p2。碳在自然界分布很广，。碳在自然界分布很广， 虽然碳在地壳元素总量中仅占虽然碳在地壳元素总量中仅占0.14（0.08），为各元素），为各元素 含量的第含量的第13位，但它却位，但它却是地球上形成是地球上形成化合物最多化合物最多的元素，的元素， 在在水和大气中水和大气中主要以主要以co2、碳酸

46、和碳酸盐的形式存在；、碳酸和碳酸盐的形式存在； 矿物界矿物界有各种有各种碳酸盐、煤、天然石墨和金刚石等，还有碳酸盐、煤、天然石墨和金刚石等，还有 石油和天然气等碳氢化合物；石油和天然气等碳氢化合物；动植物体中的动植物体中的脂肪、蛋白脂肪、蛋白 质、淀粉和纤维素也都是碳水化合物质、淀粉和纤维素也都是碳水化合物。碳被视为组成一碳被视为组成一 切动植物体的基本元素切动植物体的基本元素。 碳的资源以两种类型存在，一种是碳的资源以两种类型存在，一种是循环性资源循环性资源，即，即 由植物和动物所代表的生物和由植物和动物所代表的生物和co2进行迁移循环；另一进行迁移循环；另一 种是循环速度很慢，但数量极大的

47、种是循环速度很慢，但数量极大的堆积物堆积物，均为化合物，均为化合物， 如碳酸盐矿物和有机质堆积物。天然纯碳非常少。如碳酸盐矿物和有机质堆积物。天然纯碳非常少。 “炭素炭素”即元素碳。元素碳是法国科学家拉瓦锡（即元素碳。元素碳是法国科学家拉瓦锡（ a . l . lavoisier ）于）于 1776 年发现并列人元素周期表中，年发现并列人元素周期表中， 1797 年法国年法国 科学家特纳尔（科学家特纳尔（ l . j . thenard）通过实验，证实了）通过实验，证实了金刚石金刚石和和石石 墨墨都是碳元素的同素异形体。都是碳元素的同素异形体。“炭炭”与与“碳碳”二字有联系又有区二字有联系又有

48、区 别，材料学者将含有碳元素的化合物及其众多的衍生物，如碳水别，材料学者将含有碳元素的化合物及其众多的衍生物，如碳水 化合物、碳酸盐、碳氢化合物中的元素碳用化合物、碳酸盐、碳氢化合物中的元素碳用“碳碳”字表示，而将字表示，而将 c /h比在比在 10 以上，主要由碳元素组成的、多数为固体材料（如以上，主要由碳元素组成的、多数为固体材料（如 煤炭、焦炭、炭电极、炭块、炭纤维等）中的煤炭、焦炭、炭电极、炭块、炭纤维等）中的“碳碳” 用用“炭炭” 字表示，并统称为字表示，并统称为炭素材料炭素材料。而。而 “炭素厂炭素厂”实际上是生产炭素实际上是生产炭素 材料的工厂材料的工厂 炭素材料工业将使用的石油

49、焦、无烟煤、天然石墨等称为炭素材料工业将使用的石油焦、无烟煤、天然石墨等称为炭素原炭素原 料料；将使用炭素原料，经过一系列加工得到的具有使用性，并具；将使用炭素原料，经过一系列加工得到的具有使用性，并具 有一定物理化学性质的产品称为有一定物理化学性质的产品称为炭素制品炭素制品（如阳极炭块、阴极炭（如阳极炭块、阴极炭 块、阳极糊、阴极糊、石墨电极）。块、阳极糊、阴极糊、石墨电极）。炭素制品按理化性质的不同，炭素制品按理化性质的不同， 一般区分为炭质、石墨质和半石墨质一般区分为炭质、石墨质和半石墨质 3 大类。大类。 炭素材料是一种炭素材料是一种古老古老的材料，古人类就已经将煤炭、木炭、的材料，古

50、人类就已经将煤炭、木炭、 天然石墨用于取暖、煮食等，但作为高质量的工业材料使用仅有天然石墨用于取暖、煮食等，但作为高质量的工业材料使用仅有 100多年的历史。用各种煤炭为原料加工成导电材料是在电的发多年的历史。用各种煤炭为原料加工成导电材料是在电的发 现和应用以后，故炭素工业又是一种现和应用以后，故炭素工业又是一种新型材料工业新型材料工业。 碳材料特性碳材料特性（无机非金属材料无机非金属材料）：）： 耐高温、热稳定性好耐高温、热稳定性好用于结构材料；用于结构材料； 耐腐蚀耐腐蚀（浸渍，不透性）化学工业；（浸渍，不透性）化学工业； 导电性导电性电极材料；电极材料； 自润滑性自润滑性密封、润滑材料

51、。密封、润滑材料。 金属金属 炭素材料炭素材料 陶瓷陶瓷 有机高分子有机高分子 导热性导热性 导电性导电性 耐热性耐热性 耐腐蚀耐腐蚀 轻质量轻质量 结构多样结构多样 比强度高、比强度高、 减震率大、减震率大、 生物相容好、生物相容好、 中子减速性、中子减速性、 结构多样性。结构多样性。 2.1.2 炭的生成炭的生成多由多由c c、h h、o o、n n、s s混合组成，漫长转化。混合组成，漫长转化。 煤含碳为煤含碳为60609090，木材含碳约，木材含碳约5050，石油含碳为，石油含碳为80809090， 天然石墨含碳近天然石墨含碳近100100。 碳氢化合物转化炭的过程称为碳氢化合物转化炭

52、的过程称为炭化炭化，它的反应机理为，它的反应机理为热解热解。 热解的概念泛指有机化合物在受热时所发生的分解或裂解而生成热解的概念泛指有机化合物在受热时所发生的分解或裂解而生成 最终产物的过程。石油、煤一般认为是在亿万年以前被埋入地层最终产物的过程。石油、煤一般认为是在亿万年以前被埋入地层 下的动物和植物，在隔绝空气、受地热和地层高压等条件下转化下的动物和植物，在隔绝空气、受地热和地层高压等条件下转化 的结果。无烟煤是近乎炭化后期的产物，天然石墨可认为已完全的结果。无烟煤是近乎炭化后期的产物，天然石墨可认为已完全 炭化，并且已经达到了石墨的程度。但是，由于各种状态的差异，炭化，并且已经达到了石墨

53、的程度。但是，由于各种状态的差异， 也就很难认为所有的天然石墨具有同一形式。也就很难认为所有的天然石墨具有同一形式。 自然界中的碳，不管是哪种形式，均可理解为是有机物经自然界中的碳，不管是哪种形式，均可理解为是有机物经热热 裂解反应裂解反应的生成物。的生成物。自然界的有机物，合成树脂等人造有机物，自然界的有机物，合成树脂等人造有机物， 不管是气体、液体还是固体，只要在隔绝氧的条件下，在有热的不管是气体、液体还是固体，只要在隔绝氧的条件下，在有热的 作用下，就可以从作用下，就可以从烃类化合物烃类化合物中生成炭。中生成炭。 炭化炭化是将碳氢化合物中的碳保留下来，而氢和其它元素通过是将碳氢化合物中的

54、碳保留下来，而氢和其它元素通过 受热分解被排除逸出。受热分解被排除逸出。 一般而言，称一般而言，称液相炭化液相炭化生成物为生成物为焦，固相炭化焦，固相炭化生成物为生成物为炭。炭。 前者是前者是软质炭，软质炭，后者是后者是硬炭硬炭，但有时也有例外（冶金焦）。，但有时也有例外（冶金焦）。 初始原料初始原料中间原料中间原料炭化时形态炭化时形态生成的炭素材料生成的炭素材料 石油石油重油重油液相液相石油焦石油焦 煤煤 固相固相冶金焦冶金焦 煤煤煤焦油、沥青煤焦油、沥青液相液相煤焦油、煤焦油、沥青焦沥青焦 植物植物 固相固相木炭、活性炭木炭、活性炭 木材木材 气相气相纤维状炭纤维状炭 天然气天然气 气相气

55、相炭黑、热解炭、石墨炭黑、热解炭、石墨 合成高分子物合成高分子物 固相固相硬质炭、纤维状炭硬质炭、纤维状炭 表表2-1 2-1 炭素材料的生成炭素材料的生成 烃烃仅由仅由 碳碳 和和 氢氢 两种两种 元素元素 组成有机化合物组成有机化合物 称为称为 碳氢化合碳氢化合 物物 ，又叫，又叫 烃烃(ting) 。 烃是烃是 中国化学家中国化学家 发明的字，是用发明的字，是用“ 碳碳 ”的的 声母声母 加上加上“ 氢氢 ”的的 韵母韵母 合成一个合成一个字音字音；用；用“碳碳”和和“氢氢”两个字两个字 的内部结构组成的内部结构组成字型字型。所以说，。所以说，“烃烃”是是“碳氢化合物碳氢化合物”的简称的

56、简称， 直链；环链直链；环链。 2.1.3 炭的存在形式与分子结构炭的存在形式与分子结构 物质世界是由一百多种（物质世界是由一百多种（1189127）元素以不同的形态和不）元素以不同的形态和不 同的同的化合物、混合物化合物、混合物或或单质单质组成的组成的。 在自然界里，含炭化合物在自然界里，含炭化合物100多万种，而单质炭有三种变体（同多万种，而单质炭有三种变体（同 素异构体、同分异构体）：素异构体、同分异构体）：金刚石金刚石、石墨石墨及及无定形炭无定形炭。金刚石和石。金刚石和石 墨是结晶形体，无定形炭是非结晶形体，它们都是炭的墨是结晶形体，无定形炭是非结晶形体，它们都是炭的同素异构体同素异构

57、体。 （另有人造（另有人造富勒烯富勒烯巴基球：呈封闭球状如巴基球：呈封闭球状如c60、 、 c70 ） ） 天然炭的三种不同形态的原子结构和它们形成时所经受的天然炭的三种不同形态的原子结构和它们形成时所经受的压力压力 与温度与温度有密切关系，由于形成的压力与温度不同，同样的炭元素，有密切关系，由于形成的压力与温度不同，同样的炭元素， 可以生成不同形态和不同结构的物质，而且在一定条件下又可以可以生成不同形态和不同结构的物质，而且在一定条件下又可以转转 化化。例如：一些无定形炭在加热到。例如：一些无定形炭在加热到2300以上的高温，就可以转化以上的高温，就可以转化 为石墨，而石墨在极高的压力（为石

58、墨，而石墨在极高的压力（510万万amp)和高温和高温(10002000） 下或通过金属触媒（催化剂），又可以生成金刚石。下或通过金属触媒（催化剂），又可以生成金刚石。 石墨转化为金刚石的条件见（石墨转化为金刚石的条件见（p22p22）表）表2-22-2。 碳结构的多种性碳结构的多种性？ 电子分布特点与杂化电子分布特点与杂化 一、原子核外电子的分布特点：一、原子核外电子的分布特点： 原子核的电子分层分布，层数等于其所在周期表的周期数原子核的电子分层分布，层数等于其所在周期表的周期数 每个电子层又分为多个亚层（）每个电子层又分为多个亚层（） 最低能级原理首先抢占最低能级；最低能级原理首先抢占最低

59、能级； 泡利不相容原理泡利不相容原理-每个轨道只能容纳每个轨道只能容纳2 2个自旋方向相反电子个自旋方向相反电子; ; 洪特规则洪特规则-在同属亚层的轨道上在同属亚层的轨道上, ,各电子最先抢占不同轨道各电子最先抢占不同轨道; ; 全充满全充满, ,半充满原则半充满原则-电子尽量达到层间全充满或电子尽量达到层间全充满或s s以外的以外的 半充满稳定状态半充满稳定状态. . 碳原子：碳原子： -第第2 2周期周期, ,第第4 4主族主族, ,序数为序数为6 6； 基本结构有基本结构有2 2种；种； 外层电子在结合时会进行杂化。外层电子在结合时会进行杂化。 (见杂化理论见杂化理论） 1s2 2s2

60、p 洪特规则结构洪特规则结构杂化组合杂化组合低能级结构低能级结构 二、关于二、关于sp杂化理论杂化理论 1.分子在成键过程中，由于原子间的相互影响，同一分子在成键过程中，由于原子间的相互影响，同一 原子中，几个能量相近的不同类型的原子轨道（即波函原子中，几个能量相近的不同类型的原子轨道（即波函 数），可以数），可以重新进行线性组合，重新分配能量和确定空重新进行线性组合，重新分配能量和确定空 间方向，组成数目相等的新的原子轨道，间方向，组成数目相等的新的原子轨道，这种轨道这种轨道重新重新 组合的过程称为杂化组合的过程称为杂化（hybridization），杂化后形成的），杂化后形成的 新轨道称为