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BS ISO 15379——铝生产用炭素材料阴极炭块钠渗透膨胀测定标准系列
Carbonaceous materials for the production of aluminium — Cathode block materials（第 1 部分加压法 第 2 部分无压法）
🔶 BS ISO 15379 是英国标准学会（BSI）采用国际标准 ISO 15379 系列形成的英国国家标准，主题为铝生产用炭素材料（carbonaceous materials for the production of aluminium）中阴极炭块材料（cathode block materials）的性能测定。本批次所收文件为：BS ISO 15379-1:2015《Part 1: Determination of the expansion due to sodium penetration with application of pressure（施加压力条件下钠渗透引起膨胀的测定）》与 BS ISO 15379-2:2015《Part 2: Determination of the expansion due to sodium penetration without application of pressure（不施加压力条件下钠渗透引起膨胀的测定）》。两项工作均由 BSI 技术委员会 CII/24（铝工业原材料）负责英国方面参与，ICS 分类号为 71.100.10（铝生产用材料）。在铝电解槽（Hall-Héroult 电解槽）中，阴极炭块长期接触熔融的电解质与铝液，钠会渗入炭块晶格引起膨胀，是导致阴极破损、槽寿命缩短的关键因素。本系列标准为评价阴极炭块的抗钠渗透性能提供了标准化的试验方法。
💡 铝电解槽阴极炭块既要导电又要承受高温熔融电解质与铝液的长期侵蚀。钠渗透引起炭块膨胀是阴极早期破损的主要原因之一，因此”钠渗透膨胀”是评价阴极炭块质量的重要技术指标，也是选择炭块材料的重要依据。
一、系列构成与定位 📌
ISO 15379 系列针对钠渗透膨胀的测定，区分了”施加压力”与”不施加压力”两种试验条件：第 1 部分在施加压力的条件下测定膨胀，更接近电解槽中炭块受约束的实际工况；第 2 部分在不施加压力的条件下测定，考察炭块材料在自由状态下的膨胀行为。两部分相互补充，可分别用于不同目的的评价，也可结合使用以更全面地表征材料的抗钠渗透能力。
| 标准号 | 版本年份 | 英文名称 | 主要内容 |
|---|---|---|---|
| BS ISO 15379-1 | 2015 | Carbonaceous materials for the production of aluminium — Cathode block materials — Part 1: Determination of the expansion due to sodium penetration with application of pressure | 施加压力条件下钠渗透膨胀测定：原理、仪器、试剂、试样与操作步骤 |
| BS ISO 15379-2 | 2015 | … — Part 2: Determination of the expansion due to sodium penetration without application of pressure | 不施加压力条件下钠渗透膨胀测定：原理、仪器、试剂、试样与操作步骤 |
二、试验原理与意义 🔬
钠渗透膨胀试验的基本原理是：将阴极炭块试样置于一定温度与气氛条件下，使钠（通常以金属钠或含钠介质引入）渗入炭块，测量试样因钠嵌入炭层间或晶格中引起的线性尺寸变化（膨胀）。膨胀量的大小反映炭块抵抗钠渗透的能力：膨胀越小，说明材料结构越致密、抗钠性能越好，预期槽寿命越长。
- 温度条件：试验在模拟电解槽运行温度（一般为数百摄氏度）下进行，以加速钠渗透并反映实际工况。
- 气氛控制：为避免氧化，试验通常在惰性或还原气氛下进行，保护试样与钠介质。
- 膨胀测量：采用位移传感器或千分表等测量试样在钠渗透过程中的尺寸变化，记录膨胀量与时间的关系。
⚠️ 钠渗透膨胀试验结果受试验温度、试样尺寸、钠的引入方式与气氛等条件影响显著。不同实验室之间若试验条件不一致，结果可能缺乏可比性，因此必须严格按标准规定的条件与步骤执行。
三、第 1 部分：施加压力条件下的测定 ⚙️
BS ISO 15379-1 规定了在施加压力条件下测定阴极炭块钠渗透膨胀的方法，主要内容包括：
- 原理：说明施加机械约束（压力）时钠渗透引起炭块膨胀的机理与测量逻辑。
- 仪器（apparatus）：规定可施加并维持恒定压力的试验装置、加热炉、气氛控制与位移测量系统。
- 试剂（reagents）：规定试验用钠介质与保护气氛的要求。
- 试样（samples）：规定试样的尺寸、数量、取样方向与制备要求。
- 操作步骤：给出升温、施加压力、引入钠、测量膨胀与数据处理的完整流程。
✅ 施加压力条件更接近电解槽内炭块被槽壳与糊料约束的实际状态，因此第 1 部分的结果能更好地反映炭块在役时的抗钠渗透行为，对评估槽寿命尤为有价值。
四、第 2 部分：不施加压力条件下的测定 🔬
BS ISO 15379-2 规定了不施加压力（自由状态）条件下测定阴极炭块钠渗透膨胀的方法，主要内容包括：
- 原理：说明无约束条件下钠渗透引起炭块自由膨胀的机理。
- 仪器与试剂：规定相应的试验装置、加热与气氛系统、钠介质要求。
- 试样与步骤：规定自由状态试样的制备与测量流程，记录无约束膨胀。
🚨 试验涉及高温、金属钠与易燃气氛，存在火灾与灼伤风险。试验前应检查设备密封与安全装置，配备灭火器材，操作人员应穿戴耐高温防护用品并遵守安全操作规程。
五、常见问题解答 ❓
❓ 问：为什么铝电解槽阴极炭块会发生钠渗透膨胀？
答：电解过程中，钠离子在阴极放电后以原子形态渗入炭素材料的晶格与孔隙中，使炭层间距增大、产生内应力，从而导致炭块体积膨胀甚至开裂。
答：电解过程中，钠离子在阴极放电后以原子形态渗入炭素材料的晶格与孔隙中，使炭层间距增大、产生内应力，从而导致炭块体积膨胀甚至开裂。
❓ 问：第 1 部分与第 2 部分有何不同？
答：区别在于是否施加压力：第 1 部分在有约束（压力）条件下测定，接近实际在役工况；第 2 部分在自由（无压）状态下测定，反映材料本征膨胀特性。
答：区别在于是否施加压力：第 1 部分在有约束（压力）条件下测定，接近实际在役工况；第 2 部分在自由（无压）状态下测定，反映材料本征膨胀特性。
🔍 问：钠渗透膨胀越小的阴极炭块越好吗？
答：一般情况下是的。膨胀小说明材料致密、抗钠渗透能力强，预期寿命更长；但还需综合导电性、热导率、机械强度与成本等因素选择。
答：一般情况下是的。膨胀小说明材料致密、抗钠渗透能力强，预期寿命更长；但还需综合导电性、热导率、机械强度与成本等因素选择。
❓ 问：试验为什么要在高温下进行？
答：高温能加速钠的渗透与扩散，更真实地模拟电解槽运行条件，同时避免试验时间过长；温度条件应按标准规定执行。
答：高温能加速钠的渗透与扩散，更真实地模拟电解槽运行条件，同时避免试验时间过长；温度条件应按标准规定执行。
❓ 问：该标准适用于哪些炭素材料？
答：主要适用于铝电解槽用的阴极炭块（含半石墨化、石墨化等不同类别），也可用于评价其他受钠渗透影响的炭素制品。
答：主要适用于铝电解槽用的阴极炭块（含半石墨化、石墨化等不同类别），也可用于评价其他受钠渗透影响的炭素制品。
