陳緒明,蔡海臣

（青銅峽鋁業(yè)集團 大修部,寧夏 青銅峽 751603）

預(yù)焙鋁電解槽破損特征及原因

陳緒明,蔡海臣

（青銅峽鋁業(yè)集團 大修部,寧夏 青銅峽 751603）

分析了鋁電解槽早期破損的機理、原因,闡述了防止鋁電解槽早期破損的一些思路.

鋁電解槽在設(shè)計壽命期或大修期之內(nèi)發(fā)生的破損稱為早期破損.據(jù)統(tǒng)計,國內(nèi)槽壽命一般在 1 500～1 800天,國外在 2 500～3 000天.鋁電解槽的破損伴隨著電解生產(chǎn)過程的始終,導(dǎo)致鋁電解槽破損的原因有設(shè)計、施工、材料選擇、電解槽的啟動及電解工藝等諸多方面的因素.

1 鋁電解槽早期破損的特征

2006～2007年間 ,150 kA、200 kA、350 kA電解槽早期破損情況的統(tǒng)計如表 1.

表 1 電解槽早期破損情況統(tǒng)計

這 13臺電解槽陰極內(nèi)襯的破損特征主要有以下幾種:

（1）陰極碳塊出現(xiàn)縱向、橫向裂縫.

圖 1 陰極碳塊縱向、橫向裂縫

（2）陰極碳塊有沖蝕坑 -鋁和電解液從槽底漏出.

（3）陰極碳塊向上隆起并裂開.

（4）陰極鋼棒變形向上隆起并受鋁液腐蝕,鋁液中鐵含量增高,陰極棒口成為鋁液和電解液滲漏的通道.

（5）槽底耐火磚和保溫層受電解質(zhì)侵蝕,中央部位生成灰白層并向上隆起,該層中有許多較大氣孔.

（6）炭塊陰極裂縫有碳化鋁;碳化鋁和氧化鈉常共生.

（7）側(cè)部炭塊被腐蝕變薄.

（8）陰極槽殼變形,有的槽殼角部開裂.

2 電解槽早期破損的原因

2.1 陰極碳塊石墨化程度低

電解槽早期破損存在一個共性,那就是陰極碳塊比較脆弱、酥松.若槽況發(fā)生波動,如產(chǎn)生病槽或鋁液高度一段時間內(nèi)保持較低時,極易發(fā)生陰極破損、體積膨脹和漸進石墨化.隨著電解槽生產(chǎn)時間的加長,陰極碳塊的特性就發(fā)生變異,如表2.

表 2 陰極碳塊特性

這一現(xiàn)象的產(chǎn)生使?jié)B透碳塊陰極中的鈉進入碳的晶格里,而電解質(zhì)只能滲透入晶格間的界面上.

試想一覺醒來，發(fā)現(xiàn)自己的臉盤或腿圍大了一圈，你的第一反應(yīng)會是什么？如果在唐朝，你必定歡喜雀躍?？煞旁诔缟小熬荨钡漠?dāng)代，對很多人來說，這就是一件“恐怖”的事。可是偏偏就有不少人“喝水都要變胖”，以至于時常餓著肚子質(zhì)問鏡子中的自己：我這是腫了嗎？

2.2 耐火磚層的變異

從碳塊陰極滲透下來的鋁,溶解陰極鋼棒,并還原耐火磚層的硅酸鹽,生成了 A l-Si-Fe和 A l-Si合金,同時在耐火磚層中生成許多大大小小的孔洞,這是硅酸鹽受氟鹽長期侵蝕而生成氣態(tài)氟化物的結(jié)果.耐火磚的下半部分發(fā)生明顯的體積膨脹,中央部位的厚度增加了 100～130mm,四周也增厚,呈凸透鏡狀,上面的陰極導(dǎo)電棒向上彎曲.這是由于滲透下來的電解液與耐火磚發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成體積龐大的鈉鋁硅酸鹽所致,化學(xué)反應(yīng)式如下:

此種鈉鋁硅酸鹽呈灰白色,故稱為灰白層.

由于滲透下來的電解液中含有較多的 NaF,它同耐火磚層中的α-A l2O3發(fā)生反應(yīng),生成β-A l2O3.

6NaF（液 ）+α -A l2O3（固 ）=3Na2O·β-A l2O3（固 ）+2A lF3（液 ）

2.3 鈉的滲透產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力

鈉滲入到陰極碳素材料中,使其體積膨脹,強度降低,改變了碳塊的物理結(jié)構(gòu),鈉主要的滲透方式進入碳素晶格內(nèi)部或通過碳塊縫隙侵入的.如果鈉滲透均勻,形成的碳塊晶格排列有序,在正常的電解條件下其碳塊能表現(xiàn)出較好的物理性能,當(dāng)受熱膨脹的時候,各部分膨脹均勻,不易破損.如果鈉滲透不均勻,其碳塊晶格排列混亂,受熱時極易破損.鈉滲透陰極的均勻性與電解溫度和電解質(zhì)成分相對穩(wěn)定有很大關(guān)系.當(dāng)槽溫和電解質(zhì)成分相對穩(wěn)定時,鈉滲透則均勻,反之則不均勻.陰極碳塊在槽內(nèi)襯中彼此相互約束.受陰極鋼棒膨脹位移的影響,使陰極碳塊受到向上的拱力,并且這種向上拱力隨著電解溫度的降低鈉滲透加劇而加大.

2.4 電解質(zhì)滲透產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力

電解質(zhì)的陰極碳塊的滲透除了受鋁和鈉的作用外,還與陰極電流密度有關(guān),減少陰極電流密度能抑制電解質(zhì)向碳塊陰極的滲透.

2.5 熱應(yīng)力

在通電焙燒階段,電解槽由于熱膨脹產(chǎn)生熱應(yīng)力,碳塊在熱應(yīng)力和鈉鹽的侵蝕下,易在焙燒階段碳塊表面產(chǎn)生裂紋.電解反應(yīng)開始后鈉和電解質(zhì)開始滲透產(chǎn)生膨脹應(yīng)力.當(dāng)通電焙燒達(dá)三個月后,甚至更長一段時間,碳塊的鈉吸附或電解質(zhì)滲透在一定的碳塊表層,深度達(dá)到飽和,此時鈉膨脹應(yīng)力達(dá)到最大值,如果此時碳塊表層能承受住熱膨脹的應(yīng)力最大值的沖擊而不致破損,待深層次碳塊完全石墨化后,就大大削弱了鈉及電解質(zhì)向碳塊底部侵蝕的速度.

2.6 偏流現(xiàn)象的發(fā)生

3 技術(shù)對策

3.1 電解槽的設(shè)計方面

電解槽最重要的是熱場設(shè)計、母線設(shè)計和材料的選擇.電解槽陰極熱設(shè)計的主要目的是保證等溫線處于耐火磚層中,以避免電解質(zhì)熔融滲透對保溫磚造成侵蝕或者電解質(zhì)凝固膨脹對陰極碳塊造成破壞,從而達(dá)到使鋁液穩(wěn)定,提高電流效率的目的,且可減少鋁液對電解槽底部的沖刷和腐蝕.

建議用防滲料代替耐火磚加強底部保溫,防止等溫線上移.

3.2 減少側(cè)部碳塊氧化,強化側(cè)部散熱.

側(cè)部碳塊被氧化、腐蝕是側(cè)部破損的直接原因,而造成側(cè)部碳塊氧化、腐蝕的原因是側(cè)部不能生成合理的爐幫.其原因很多:如槽子的熔流動場和側(cè)部散熱設(shè)計不合理,焙燒啟動的方法,后期管理和工藝條件的穩(wěn)定及控制不合理等.

建議采用抗氧化、抗冰晶石腐蝕、高導(dǎo)熱系數(shù)的氮化硅側(cè)塊作側(cè)部內(nèi)襯.目前 120 kA、150 kA電解槽都已采用,200 kA電解槽也應(yīng)試驗采用氮化硅側(cè)塊.

3.3 陰極碳塊質(zhì)量對槽壽命的影響

選擇使用低鈉膨脹度、低電阻率、高強度和低灰分的優(yōu)質(zhì)陰極碳塊可提高電解槽壽命,高石墨質(zhì)和石墨化陰極碳塊都具有較低的鈉膨脹率和低電阻率,但強度低,抗磨性能差,且成本較高.

從這 13臺電解槽陰極內(nèi)襯的破損特征情況來看,因底部碳塊破損斷裂而造成漏爐的情況不多見.青鑫公司生產(chǎn)的半石墨質(zhì)和高石墨質(zhì)扎固糊和陰極碳塊已經(jīng)在 4S9、3N 7上使用.三種主要陰極碳塊的性能比較如表 3所示 .

4S9 、3 N 7運行狀況如表 4所示 .

表 3 陰極碳塊性能比較

表 4 4S9、3N 7運行狀況對比

3.4 低溫生產(chǎn)對槽壽命的影響

在電解工藝技術(shù)條件方面,低溫電解和使用酸性電解質(zhì)可減少鈉在陰極碳塊的滲透以及由此而引起的低鈉膨脹效應(yīng),有利于延長電解槽壽命.但在較低的溫度下碳素材料吸收的鈉量多,膨脹率大,抗壓強度明顯降低,破損加劇,溫度越低侵蝕越嚴(yán)重.這是由于在低溫下,碳鈉化合物比較穩(wěn)定,而在高溫下不穩(wěn)定.此外,在低溫下,鈉容易在碳層中沉積,生成較多的碳鈉化合物.

國內(nèi)電解鋁行業(yè)普遍認(rèn)為,延長槽壽命電解溫度應(yīng)保持在 940～955℃是較合適的溫度.

3.5 選擇適宜的工藝技術(shù)條件

“四低一高”的工藝技術(shù)條件是目前許多電解廠預(yù)焙槽所采用的技術(shù)條件.我們認(rèn)為四低是相對目前的高而言,確切的應(yīng)該是適宜的工藝技術(shù)條件和初晶溫度.

4 結(jié) 論

（1）開槽三個月非正常期結(jié)束后,槽溫應(yīng)緩慢下降,逐漸過渡.

（2）生產(chǎn)管理中,槽溫的劇烈波動及產(chǎn)生鈉和電解質(zhì)對陰極碳塊侵蝕加劇的直接原因.

（3）生產(chǎn)工藝技術(shù)條件發(fā)生急劇變化,最終都會導(dǎo)致槽內(nèi)襯材料發(fā)生物理、化學(xué)變化,導(dǎo)致破損.

（4）增大搖籃框架的強度,使其在側(cè)部力矩的作用下不變形、斷裂.

（5）提高陰極碳塊的性能,采用高石墨質(zhì)或石墨化陰極.

（6）嚴(yán)格控制筑爐材料,采用先進的檢測和扎固機具完善筑爐質(zhì)量.

A

1671-6620（2010）S1-0082-03