孫曉奎

摘要:通過(guò)對(duì)影響鋁電解槽壽命的因素進(jìn)行分析,提出電解槽設(shè)計(jì)、安裝及選型、選材時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題,從而能有效地延長(zhǎng)電解槽的壽命,并取得最佳經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞:精鋁電解槽;三層液電解法;干法啟動(dòng)

中圖分類號(hào):TF806 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1674-1145(2009)29-0250-02

一、概述

三層電解法是美國(guó)鋁業(yè)公司工程師虎普斯發(fā)明的,并取得了專利,離霍爾-埃魯鋁電解誕生僅相差5年。30年后即1932年法國(guó)科學(xué)家加德對(duì)此法作為改進(jìn),使其具有實(shí)用性。1935年瑞士約翰遜鋁業(yè)公司開(kāi)始用三層電解法生產(chǎn)高純鋁,開(kāi)商業(yè)提取高純鋁的先河。從此高純鋁在一些重要部門(mén)獲得了應(yīng)用。

三層液電解法生產(chǎn)的設(shè)備主要是電解槽,要想保證精鋁槽有較長(zhǎng)的使用壽命,必須保證電解槽的長(zhǎng)期穩(wěn)定性的運(yùn)行。電解生產(chǎn)實(shí)踐證明電解槽的穩(wěn)定性是獲得良好生產(chǎn)指標(biāo)的根本保證。從設(shè)計(jì)理論來(lái)看,要解決電解槽的穩(wěn)定性問(wèn)題必須要解決如下三個(gè)主要問(wèn)題。一是磁流體穩(wěn)定性問(wèn)題,以保證電解槽在高強(qiáng)度電流作用下平穩(wěn)生產(chǎn);二是熱平衡問(wèn)題,以解決電解槽既要保溫又要散熱的矛盾,使電解槽能夠長(zhǎng)期在穩(wěn)定條件下高效運(yùn)行;三是電解槽殼的應(yīng)力變形問(wèn)題,要求槽殼有足夠的剛度,以抵御由于陽(yáng)極炭塊熱膨脹和滲鈉所產(chǎn)生的強(qiáng)大外推力,確保電解槽具有良好形狀。要解決好上述三個(gè)問(wèn)題,電解槽及其內(nèi)襯必須有較好的選型和選材,本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際簡(jiǎn)要闡述電解槽結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)方法,能較好地延長(zhǎng)電解槽的使用壽命,創(chuàng)造最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

二、影響槽壽命的因素

影響槽壽命的因素較多,但總的可以歸納為以下方面,如圖1所示:

從右圖看,優(yōu)質(zhì)內(nèi)襯,尤其是優(yōu)質(zhì)陽(yáng)極是提高槽壽命的先決條件,陽(yáng)極炭塊優(yōu)良的指標(biāo)受到了精鋁工業(yè)的青睞。內(nèi)襯砌體外的鋼殼,俗稱槽殼,不僅是盛裝內(nèi)襯砌體的容器,而且還承擔(dān)著克服內(nèi)襯材料的高溫下產(chǎn)生的熱應(yīng)力和化學(xué)應(yīng)力,要想其內(nèi)襯不發(fā)生較大變形和斷裂,槽殼在熔池部位的周邊必須具有較大的剛度和強(qiáng)度。還有運(yùn)行對(duì)電解槽壽命的影響也不可忽視。

(一)槽殼結(jié)構(gòu)、材料對(duì)電解槽的壽命的影響

合理地選擇槽殼結(jié)構(gòu)、材料對(duì)電解槽的壽命有很大影響。大容量電解槽采用了剛性極大的搖籃式槽殼,如圖2所示:

搖籃支架具有較大的剛度和強(qiáng)度,殼體起容器作用。搖籃支架小面最外側(cè)的兩組與殼體焊成一體,其余均為用螺栓連接的可拆卸支架。電解槽槽殼強(qiáng)度與槽內(nèi)襯壽命的長(zhǎng)短有直接的關(guān)系,80kA電解槽采用強(qiáng)度大,技術(shù)成熟的船形搖籃槽殼,搖籃架與槽體之間以鋼墊板隔開(kāi),槽底與搖籃架設(shè)有石棉板,使搖籃架在低于200℃下工作。殼體內(nèi)上口周邊焊有槽沿板,可保護(hù)側(cè)部?jī)?nèi)襯在換極出鋁作業(yè)時(shí)不受機(jī)械損傷,并可有效地阻止側(cè)部?jī)?nèi)襯材料上漲。根據(jù)電解槽的熱平衡計(jì)算,確定電解槽的內(nèi)襯的材質(zhì)和厚度,電解槽內(nèi)襯,從下到上依次為三層65mm保溫磚,兩層65mm厚耐火磚,在其上安裝陰極炭塊組。內(nèi)襯材料的性能與設(shè)計(jì)選材對(duì)電解槽壽命降低的影響,主要有以下原因:

1.熱沖擊陽(yáng)極炭塊的破裂或裂縫是電解槽內(nèi)襯早期破損的主要原因。

2.扎縫底糊的裂縫由于糊料粒度配比不當(dāng)和及糊溫度不當(dāng),必然引起底糊與炭塊間產(chǎn)生裂隙,致使合金液滲漏。

3.鈉的膨脹、炭塊以及炭塊自身膨脹引起炭塊破裂或抬起。所以,槽殼的設(shè)計(jì)要有足夠的強(qiáng)度,并選用對(duì)鈉的膨脹影響最小的陽(yáng)極炭塊,以減小膨脹的影響。

4.陽(yáng)極炭塊與鋼棒的接觸處,主要是燕尾槽到陰極表面的垂直距離,這是電解槽早期破損的原因之一。這主要是由內(nèi)襯材料引起的。

5.側(cè)部的燒損及石墨料室對(duì)于精鋁槽來(lái)講,側(cè)部的燒損也是影響其壽命的一個(gè)主要原因。一般情況下,側(cè)部由于氧化而引起的燒損主要是側(cè)部保溫過(guò)強(qiáng),生成的炭化鋁或側(cè)部結(jié)殼融化使側(cè)部燒損。陰極鋼棒與槽殼間孔沒(méi)有封好,空氣從陰極棒孔進(jìn)入側(cè)部炭塊的后面。

6.大型精鋁電解槽陽(yáng)極炭塊的磨損也是非常嚴(yán)重的,主要是由于生成炭化鋁和自然磨損兩者共同作用的結(jié)果,其中陽(yáng)極炭塊石墨含量越高,其磨損越嚴(yán)重。

除上述原因外,石墨料室也是影響精鋁槽的壽命的一個(gè)重要因素,因此,平常要加強(qiáng)對(duì)料室的維護(hù)。

綜上所述,槽殼結(jié)構(gòu)、材料對(duì)電解槽的壽命的影響是非常巨大的,所以要嚴(yán)格要求。在砌筑電解槽時(shí)陽(yáng)極炭塊組四周用底糊扎實(shí)。保溫磚和耐火磚的鋪設(shè)要平整嚴(yán)密、整齊。層間與行間要錯(cuò)縫排列,嚴(yán)禁對(duì)縫,磚縫≤1mm,表面平整度±2mm,磚用鋸切加工,四周用鎂砂填充。這樣才能保證電解槽長(zhǎng)期平穩(wěn)的運(yùn)行。

(二)鋁母線連接對(duì)電解槽壽命的影響

合理選擇陽(yáng)極母線能較好地保證電解槽穩(wěn)定生產(chǎn),即穩(wěn)定性分析。進(jìn)行磁流體穩(wěn)定性分析的基本方法和步驟:首先必須計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度,然后用磁流體穩(wěn)定性分析母線配置是否合理。

1.80kA精鋁槽磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算方法熔體中磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布是進(jìn)行磁流體穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一,因此它獲取方法和準(zhǔn)確性可靠性就顯得十分重要。80kA精鋁電解槽磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)的獲取采用了麥克斯韋方程組方法。多年的研究結(jié)果表明:這種方式計(jì)算的磁感應(yīng)強(qiáng)度與實(shí)際測(cè)量值最為相近。當(dāng)然,還有其他的方式可以獲得磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù),但其準(zhǔn)確性和實(shí)際值相差較大。利用麥克斯韋方程組求解包含槽周母線、內(nèi)部電流、槽殼以及槽周?chē)諝獾仍趦?nèi)的三維模型,并借助ANSYS計(jì)算軟件來(lái)獲得磁感應(yīng)強(qiáng)度分布數(shù)據(jù)。

2.80kA精鋁電解槽的磁流體穩(wěn)定性分析方法及驗(yàn)證?，F(xiàn)代電解槽設(shè)計(jì)理論要求鋁液的流速越小越好;鋁液和電解質(zhì)界面以及電解質(zhì)與合金界面越穩(wěn)定越好;熔體的流動(dòng)呈軸對(duì)稱,至少應(yīng)在長(zhǎng)軸對(duì)稱,以免造成不規(guī)整的爐幫和表面結(jié)殼。80kA電解槽的磁流體穩(wěn)定性分析采用磁流體模型進(jìn)行數(shù)值仿真。該方法可以分析熔體流動(dòng)狀態(tài),如流速大小、流動(dòng)方向、界面變形和界面波動(dòng)等。在電解槽中,由電磁力引起的熔體流動(dòng)可用Navier-Stokes方程描述。按照電解槽的幾何形狀以三維暫態(tài)方式不但可以求解出熔體的流動(dòng)狀態(tài)和界面變形,而且可以分析各種干擾因素如換極、出鋁、加鋁及融電解質(zhì)界面的擾動(dòng),考察界面的穩(wěn)定性。采用這種方法進(jìn)行流體分析十分復(fù)雜。更通常的方法是將三維穩(wěn)定方程簡(jiǎn)化成二維方程,即去掉暫態(tài)項(xiàng),把問(wèn)題簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)的;然后根據(jù)熔體幾何形狀的特征,把問(wèn)題簡(jiǎn)化成平面的,以著重分析熔體的水平流動(dòng)和界面靜態(tài)變形。

(三)電解槽熱平衡的確定

因?yàn)樵陔娊獠圻\(yùn)行周期內(nèi)保持熱平衡所遵循的一個(gè)主要原則是:輸入能量-為生產(chǎn)鋁所需的化學(xué)能-向四周的熱損失=0,如果此項(xiàng)大于0,說(shuō)明電解槽過(guò)熱,很難形成良好的表面結(jié)殼及爐幫,側(cè)部?jī)?nèi)襯材料破壞嚴(yán)重,小于0,說(shuō)明熱損失過(guò)量,表面鋁及槽幫結(jié)殼,影響生產(chǎn)。電解槽內(nèi)襯的設(shè)計(jì)關(guān)系到電解槽生產(chǎn)指標(biāo)和槽壽命。一般認(rèn)為,良好的內(nèi)襯設(shè)計(jì)應(yīng)能滿足電解槽熱平衡的特殊要求,三層分界明顯,以保證槽內(nèi)形成規(guī)整的爐幫。槽側(cè)下部和底部需要良好的保溫,節(jié)省能量,防止過(guò)長(zhǎng)的伸腿。另外需要使用先進(jìn)的計(jì)算手段對(duì)電解槽在生產(chǎn)狀況下熱平衡情況進(jìn)行模擬分析評(píng)價(jià),并指導(dǎo)內(nèi)襯設(shè)計(jì)。良好內(nèi)襯砌體的結(jié)構(gòu)和尺寸是根據(jù)生產(chǎn)工藝要求和現(xiàn)有材料的性能,通過(guò)熱解析模型計(jì)算確定的。由于采用了船形槽殼,80kA槽內(nèi)襯的設(shè)計(jì)充分吸收了新疆眾和精鋁廠電解槽的成功經(jīng)驗(yàn),同時(shí)又吸收了中南大學(xué)專家的技術(shù)成果。

(四)焙燒和啟動(dòng)對(duì)電解槽壽命的影響

電解槽壽命其實(shí)就是電解槽內(nèi)襯的壽命,保證電解槽炭素內(nèi)襯沒(méi)有缺陷,是延長(zhǎng)電解槽壽命的關(guān)鍵,但是要保證炭素內(nèi)襯沒(méi)有缺陷是非常困難的。相關(guān)資料和生產(chǎn)實(shí)踐表明電解槽炭素內(nèi)襯的缺陷大多是在電解槽焙燒啟動(dòng)和運(yùn)行初期形成的。這些缺陷的存在和發(fā)展,如裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展,各種孔洞的加深等,很容易形成一個(gè)滲漏通道,使高溫合金液和電解質(zhì)滲漏至槽底,侵蝕保溫層,造成槽底上抬,或侵蝕陽(yáng)極鋼棒,造成漏爐或其他事故,最終導(dǎo)致電解槽被迫停槽大修。當(dāng)電解槽內(nèi)襯材料選定后,電解槽的焙燒質(zhì)量是影響電解槽壽命的關(guān)鍵因素。實(shí)驗(yàn)表明,使用大致相同的槽內(nèi)襯而槽壽命不同的原因,電解槽焙燒的不均勻性可能是一個(gè)主要因素。電解槽焙燒良好的標(biāo)準(zhǔn)是:以足能避免陽(yáng)極材料產(chǎn)生熱應(yīng)力的低速度把炭素材料加熱到電解槽的操作溫度;使陽(yáng)極表面加熱的溫度梯度最小,以避免在表面上產(chǎn)生熱應(yīng)力;保證全部生糊區(qū)的瀝青的熱解速度,以使焙燒糊具有最佳特性。我廠80kA精鋁槽用烘干法焙燒法一方面使電解槽內(nèi)襯的溫度由常溫逐步提高到啟動(dòng)溫度,很好地避免了對(duì)內(nèi)襯的熱沖擊,另一方面對(duì)內(nèi)襯糊料黏結(jié)劑進(jìn)行焦化使整個(gè)內(nèi)襯成為一個(gè)整體,還有就是排除內(nèi)襯中的水分。所以電解槽焙燒制度的制訂應(yīng)與黏結(jié)劑性能與溫度的變化關(guān)系相符合,即電解槽的焙燒也應(yīng)遵循“兩頭快,中間慢”的原則,對(duì)焙燒時(shí)間的研究國(guó)內(nèi)和國(guó)外是有不同的結(jié)果,國(guó)內(nèi)研究認(rèn)為焙燒時(shí)間應(yīng)6～8天為宜。主要是因?yàn)楫?dāng)電解槽焙燒至250℃左右時(shí),炭素內(nèi)襯是處于軟化階段,此階段主要是扣除內(nèi)襯中的水分階段,升溫速度應(yīng)當(dāng)加快,否則軟化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)易造成炭素內(nèi)襯的變形,在250℃~400℃是揮發(fā)元素大量排出階段,此階段升溫速度應(yīng)當(dāng)緩慢,要保證揮發(fā)元素的順利排出,否則瀝青的分解速度加快,揮發(fā)元素急劇排出使內(nèi)襯產(chǎn)生焙燒裂紋,進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松、內(nèi)襯強(qiáng)度降低,對(duì)延長(zhǎng)槽壽命不利。過(guò)快和過(guò)慢都對(duì)內(nèi)襯填縫糊的性能有不良影響。過(guò)快(<6天)會(huì)使糊料的裂紋增多,強(qiáng)度下降;過(guò)慢(>9天)會(huì)使邊部大縫里的糊處在250℃~400℃的時(shí)間過(guò)長(zhǎng),蒸餾掉大量瀝青組分,使瀝青的黏結(jié)性能下降,同樣也會(huì)使糊的孔隙度增大、強(qiáng)度下降,對(duì)電解槽壽命產(chǎn)生不利影響。無(wú)論是熱法焙燒還是烘干法焙燒,都不能對(duì)電解槽側(cè)部?jī)?nèi)襯材料進(jìn)行很好的焙燒,所以對(duì)電解槽側(cè)部的焙燒實(shí)際是在啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行,因此啟動(dòng)對(duì)電解槽壽命也有一定的影響。目前較通用的啟動(dòng)方法為濕法啟動(dòng)和干法啟動(dòng)。

(五)生產(chǎn)管理

當(dāng)前面的各種條件確定后,槽壽命的長(zhǎng)短直接由正常生產(chǎn)時(shí)的管理所決定,如果管理到位,對(duì)內(nèi)襯在焙燒啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的某些缺陷起到彌補(bǔ)作用,可延長(zhǎng)槽壽命,相反有可能會(huì)使內(nèi)襯缺陷擴(kuò)展,對(duì)槽壽命不利。正常生產(chǎn)時(shí)的管理一方面應(yīng)建立規(guī)整的爐膛,規(guī)整的爐幫可以保護(hù)電解槽內(nèi)襯不受高溫電解質(zhì)的腐蝕,還可以提高電流效率。另一方面要保護(hù)好石墨料室,石墨料室是精鋁槽操作最頻繁和最易壞的部分,在一定程度上也可以說(shuō)石墨料室的壽命決定了電解槽的壽命。

三、結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,延長(zhǎng)精鋁電解槽壽命的方法很多,結(jié)合精鋁生產(chǎn)的實(shí)際情況,通過(guò)試驗(yàn)和實(shí)踐得出的結(jié)論,從影響電解槽壽命的因素著手,認(rèn)真分析了各因素在設(shè)計(jì)、安裝及維護(hù)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題及最優(yōu)選擇,盡可能保持電解槽穩(wěn)定性,使電解槽有較長(zhǎng)的壽命。

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