海 云

（黃河水電青海鑫業(yè)分公司）

大型預(yù)焙電解槽影響槽壽命的因素

海 云

（黃河水電青海鑫業(yè)分公司）

介紹了大型預(yù)焙槽筑爐質(zhì)量、筑爐工藝、焙燒啟動(dòng)時(shí)間、后期溫度管理,二次啟動(dòng)對(duì)影響電解槽壽命的因素進(jìn)行了探討和分析.

在鋁電解生產(chǎn)中,電解槽壽命的長(zhǎng)短直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,而槽壽命是不確定的,壽命短的只有幾十天,長(zhǎng)的高達(dá) 3000天,它主要與陰極的設(shè)計(jì),施工,材質(zhì)、運(yùn)行操作等諸因素的關(guān)系極為密切,為此,很有必要對(duì)影響槽壽命的因素進(jìn)行探討.

1 影響槽壽命的因素

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),主要從以下幾方面對(duì)影響槽壽命的因素進(jìn)行簡(jiǎn)要的探討.

（1）電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從我國(guó)小型自焙槽發(fā)展到采用中間點(diǎn)式下料后,側(cè)壁及碳間縫區(qū)域成為電解槽破損的主要部位,這在一定程度上要求設(shè)計(jì)人員注重側(cè)壁和碳間縫部位的設(shè)計(jì)和新材料的應(yīng)用,很多事例說明槽壽命首先與槽設(shè)計(jì)因素有關(guān),應(yīng)力問題,熱平衡問題,磁流體的穩(wěn)定問題等在設(shè)計(jì)中解決的是否適當(dāng),是影響槽生產(chǎn)的穩(wěn)定和槽壽命的關(guān)鍵.

（2）筑爐材料的材質(zhì)

筑爐材料是構(gòu)成電解槽陰極的基礎(chǔ),其材料質(zhì)量的優(yōu)劣,對(duì)電解槽壽命的影響也是很明顯的,特別是構(gòu)成電解槽槽膛的碳素材料,將直接作為鋁液、電解質(zhì)的容器,其抗侵蝕能力、抗熱沖擊能力、機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性方面性都對(duì)槽使用壽命具有根本性的制約作用,所以在訂購(gòu)筑爐材料時(shí)要按國(guó)標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)從嚴(yán)采購(gòu),采用優(yōu)質(zhì)的筑爐材料.

（3）碳?jí)K間縫開裂

在焙燒過程中,碳?jí)K間縫開裂通常發(fā)生于焙燒期間,在焙燒過程中,碳糊中的揮發(fā)粉急劇排出,產(chǎn)生許多毛細(xì)孔,而碳糊在 250～350℃低溫時(shí),屬塑性膨脹,而在 500～1000℃高溫時(shí)又固化收縮,在焙燒期間陰極電流密度分布不均,且溫度梯度過大時(shí),要使所有的碳?jí)K間縫糊膨脹與收縮是不會(huì)同步達(dá)到的,在 500～1000℃下的碳糊膨脹率為 0.4%,半石墨質(zhì)碳?jí)K膨脹率為 0.8%,故兩種材料膨脹率的差異使得碳?jí)K間縫產(chǎn)生裂縫和孔隙是難免的,這就使得槽子產(chǎn)生了早期破損.

以下照片 1、照片 2在啟動(dòng)后由于整流發(fā)生故障停槽后,重新刨爐后發(fā)現(xiàn)陰極間縫開裂嚴(yán)重經(jīng)研究分析現(xiàn)場(chǎng)具體情況決定采用鹵水進(jìn)行灌縫,重新啟動(dòng).

（4）槽底碳?jí)K隆起

陰極碳?jí)K在熱、電、磁、力場(chǎng)的共同作用下,不僅承受各種應(yīng)力和磨蝕的機(jī)械損壞,同時(shí)還遭受到多種化學(xué)反應(yīng)的腐蝕,會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)陰極鋼棒膨脹、碳內(nèi)襯中鈉膨脹、熱膨脹、槽底上抬、陰極斷裂、沖蝕、磨損、剝層,以及碳素及碳內(nèi)襯下部的各種滲透物的逐漸填充現(xiàn)象,滲透物大多是電解質(zhì)以Na3A lF6,A l2O3形式存在,少量的鋁自陰極碳?jí)K以毛細(xì)現(xiàn)象或在碳間縫滲漏,鋁液熔化鋼棒后生成鋁鐵合金,部分在電流作用下生成黑色的整塊不規(guī)則的鋁硅鐵合金,以 A l、Si、Fe、A l13Fe4、Fe3A l的形式存在.另一種存在現(xiàn)象是 NaF的富集也是對(duì)電解槽破壞最大,滲透物和防滲料、耐火硅反應(yīng)腐蝕 ,生成 NaF、霞石、α -A l2O3、A l4C3和β-A l2O3等,就是常說的灰白層和玻璃狀化合物.

1243 #槽、1221#槽內(nèi)襯修復(fù)方案利弊分析

目前我公司 11.17事故停電的 13臺(tái)電解槽已經(jīng)修復(fù) 11臺(tái),通電運(yùn)行 11臺(tái),1243#槽、1221#槽內(nèi)襯損壞較其他槽嚴(yán)重,暫未實(shí)施修復(fù).

1243 #槽方案一:更換第 23、24組陰極碳?jí)K;方案二:更換第 1、2、3、23、24組陰極碳?jí)K;方案三:對(duì)損壞的第 24塊陰極碳?jí)K小修補(bǔ)扎處理.

1221 #槽方案一:更換第 1、2、3組陰極碳?jí)K.方案二:對(duì)損壞的第 1、2、3塊陰極碳?jí)K小修補(bǔ)扎處理.

1243 #槽前 2種方案和 1221#槽第 1種方案,都需要更換陰極底塊,拆卸上部結(jié)構(gòu),優(yōu)點(diǎn)如下:①更換了損傷的陰極碳?jí)K,修復(fù)后預(yù)期槽壽命達(dá)到設(shè)計(jì)要求的可能性增加;②立項(xiàng)修理后,實(shí)際發(fā)生的費(fèi)用有利于爭(zhēng)取保險(xiǎn)賠償.

缺點(diǎn)如下:①增大了修復(fù)成本.2臺(tái)槽修復(fù)費(fèi)用預(yù)計(jì) 35～50萬元 （1243#槽前 2種方案費(fèi)用差別 5～7萬元）;②破壞了電解槽內(nèi)襯的整體性,早期漏爐的可能性反而增加.因電解槽陰極內(nèi)襯經(jīng)過啟動(dòng)培燒后已經(jīng)成為一個(gè)整體,修復(fù)后的內(nèi)襯在澆注料層和扎固層的連接處形成斷面,留下漏爐隱患;③延誤了電解槽的重新啟動(dòng)時(shí)間.由于需要清刨,鋼棒切割、焊接,內(nèi)襯砌筑、養(yǎng)生,槽上部結(jié)構(gòu)的拆卸、安裝等多種工序,在設(shè)備、工器具齊全的情況下,需要 30天左右的時(shí)間才能修復(fù)通電;而上部結(jié)構(gòu)拆卸、安裝需要專用吊具、工具,設(shè)計(jì)制作吊具、工具以及制作材料的采購(gòu)又需要一定的周期,如此下來,電解槽重啟可能拖延到 3個(gè)月以后;④通電后啟動(dòng)時(shí)間由 48 h增加到120 h.因更換新碳?jí)K和重新扎固,電解槽焙燒時(shí)間需加長(zhǎng).

1243 #、1221#槽都采取最后一種方案,即不更換陰極底塊,僅進(jìn)行小修補(bǔ)扎處理優(yōu)點(diǎn)如下:①電解槽早期漏爐的可能性小.由于電解槽已經(jīng)過焙燒啟動(dòng),內(nèi)襯的整體性較好,補(bǔ)扎修理后重新啟動(dòng),如運(yùn)行維護(hù)正常,槽壽命仍可達(dá)到 700天以上.參考公司停電后修復(fù)重啟的 17臺(tái)電解槽,目前運(yùn)行狀態(tài)正常;②修復(fù)費(fèi)用低.2臺(tái)槽補(bǔ)扎修理后總費(fèi)用可控制在 1.5萬元以內(nèi);③修理周期短,可操作性強(qiáng).無需更換底塊、拆卸安裝上部等復(fù)雜程序,3～5天可修復(fù)后重新通電,稍有資質(zhì)的施工單位就可實(shí)施;④通電啟動(dòng)時(shí)間短,48 h后可灌電解質(zhì)啟動(dòng);⑤經(jīng)濟(jì)效益可觀.以噸鋁利潤(rùn)1000元、每臺(tái)槽日產(chǎn)鋁 2.7 t計(jì)算,2臺(tái)槽 186天可產(chǎn)生 100萬元的利潤(rùn).而此費(fèi)用已經(jīng)可以大修1臺(tái) 350 kA電解槽內(nèi)襯.

缺點(diǎn):①修復(fù)后槽壽命要低于設(shè)計(jì)壽命.因陰極碳?jí)K補(bǔ)扎部位本身是一個(gè)缺陷,在重新焙燒后,與原碳?jí)K完全形成一體的可能性小,啟動(dòng)后該部位抗槽內(nèi)高溫液體沖刷、侵蝕、滲透能力下降,從而導(dǎo)致整槽壽命降低,影響公司未來平均槽壽命指標(biāo);②可能影響保險(xiǎn)理賠效果.未實(shí)際發(fā)生的修復(fù)費(fèi)用,保險(xiǎn)公司可能不予賠償.

（5）焙燒啟動(dòng)

電解槽就像一臺(tái)組裝的新機(jī)器,陰極如內(nèi)臟一樣,所以需要有“磨合”期,故必須精心焙燒,焙燒結(jié)束后要進(jìn)行正確的啟動(dòng)和合理的后期管理,以不會(huì)造成早期破損,焙燒的目的是陰極燒結(jié)為一個(gè)整體,使陰極達(dá)到啟動(dòng)溫度,在這一加熱過程中為保持內(nèi)襯材料的完整性尤為重要,還要保證預(yù)熱過程中陰極碳?jí)K的水平和豎直方面有均勻的溫度分布,以及低的溫度梯度和平緩的加熱速度,從某前國(guó)內(nèi)大型槽來看,普遍使用焦粒焙燒法,它的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)抬電壓后首先產(chǎn)生的“高熔點(diǎn)”電解質(zhì),能及時(shí)把焙燒產(chǎn)生的陰極碳?jí)K,間縫裂紋及時(shí)封閉,各廠在焙燒啟動(dòng)中的分流方式,焦粒厚度,焙燒時(shí)間都有所不同,筆者在內(nèi)蒙某企業(yè)學(xué)習(xí)期間,該企業(yè)采用分散分流,焦粒厚度采用 3 cm以上厚度,焦粒層偏厚自然產(chǎn)生的焦耳熱偏大,焙燒溫度極不均勻,在焙燒中后期電壓偏高,回落較慢.拆除完分流器的時(shí)間為 72 h,槽子及時(shí)得不到全電流焙燒不利于啟動(dòng),據(jù)文獻(xiàn)研究報(bào)道焦粒層厚度在 2.3 cm時(shí)焙燒電流分布較好.陰極溫度均勻,焙燒中升溫梯度較平緩上升,利于槽壽命的延長(zhǎng).

如果焙燒啟動(dòng)制度不合理,會(huì)嚴(yán)重影響槽壽命,特別是啟動(dòng)溫度,文獻(xiàn)指出:電解槽啟動(dòng)時(shí)槽底碳?jí)K表面溫度高于 950℃可減輕鈉的破壞作用.低溫啟動(dòng)時(shí)普通的陰極碳?jí)K還易出現(xiàn)剝落,這是因?yàn)殁c滲入引起陰極碳?jí)K體積膨脹的臨界溫度低于正常的電解溫度,造成陰極隆起,陰極碳?jí)K的破損和隆起主要造成的原因是碳鈉的反應(yīng)產(chǎn)物,鈉對(duì)碳陰極的侵蝕作用主要是溫度和分子比的原因,及氧化鋁濃度的變化而變化,三者中溫度的影響最明顯.在低溫下較大,而在高溫下較小,主要是由于碳鈉化合物在低溫下穩(wěn)定,在高溫下分解,溫度低于 900℃時(shí),鈉對(duì)碳的侵蝕速度將大大加快,此外,鋁與鈉的析出電位差隨分子比的增加而減小,在1 000℃下,分子比為 3.0時(shí),析出的電位差為 0.25 V,溫度升高分子比降低,鋁鈉析出電位差顯著降低.在溫度為1 225℃時(shí),分子比為2.5時(shí),析出的電位差基本為 0,鋁鈉析出電位差與分子比的關(guān)系見圖 1,與溫度的關(guān)系見圖 2.

通過以上對(duì)比,焦粒焙燒啟動(dòng)溫度達(dá)1 000～1 050℃,啟動(dòng)時(shí)分子比為 3.0時(shí),可保證鋁、鈉析出電位差在 0.20 V以上,極大的減少了鈉的析出,降低了碳?jí)K的膨脹率,故從根本上防止了碳陰極的隆起和破損.

從近幾年來看,焙燒時(shí)間由 72 h和 120 h（6天）兩種方法,從焙燒實(shí)踐的結(jié)果看.兩者的焙燒結(jié)果是不同的,槽內(nèi)焙燒溫度 （碳?jí)K表面溫度）達(dá)到 900℃以上,在焙燒到 120 h后槽內(nèi)襯各部位的溫度趨于平衡,就是平時(shí)所說的焙燒“透”了.槽內(nèi)有較多的電解質(zhì),陰極碳?jí)K的溫度比較均勻,人造伸腿、間縫的焙燒較理想,為順利啟動(dòng)提供了條件,實(shí)踐看后期管理十分平穩(wěn),雖然時(shí)間增加了72 h,但焙燒溫度較好,對(duì)槽壽命、后期的技術(shù)管理十分有益.

照片 6是我公司對(duì) 1221#、1243#精心鋪焦的過程,特別是對(duì)二次啟動(dòng)槽從鋪焦、焙燒監(jiān)管、啟動(dòng)時(shí)機(jī)、灌鋁時(shí)間及后期管理各個(gè)環(huán)節(jié),精心匹配各項(xiàng)技術(shù)參數(shù),才能達(dá)到槽子安全平穩(wěn)的運(yùn)行,達(dá)到延長(zhǎng)槽壽命的目的.

照片6

（6）后期管理

后期管理的好壞很大程度制約破損狀況.

①平穩(wěn)的供電制度.平穩(wěn)供電是電解生產(chǎn)的前提,電流不穩(wěn)電解槽遭受溫差的沖擊,容易使陰極碳?jí)K發(fā)裂,方鋼變形,加速破損;②平穩(wěn)的電解溫度.電解溫度高低既影響電流效率,又作用于內(nèi)襯結(jié)構(gòu),高溫下很難形成爐幫,由于在焙燒初期電解槽陰極已產(chǎn)生很多裂紋,當(dāng)處在熱行程時(shí),為電解質(zhì)通過槽底毛細(xì)孔和裂紋向內(nèi)襯和絕緣材料中滲透造成了有利條件,并有利于槽底中炭化鋁的生成,使陰極碳?jí)K膨脹剝落,裂紋增大,分子比高,電解質(zhì)過熱時(shí),鈉析出量增加,通過鋁液層擴(kuò)散被底部碳?jí)K吸收,鈉原子滲入碳原子的六方晶格空間,將碳原子擠開生成層狀的碳鈉化合物,造成碳?jí)K膨脹,加速碳?jí)K剝落,在槽子處于熱行程時(shí)熔化側(cè)部形成的槽幫電解質(zhì)逐步破壞了內(nèi)襯,鋁液對(duì)側(cè)襯侵蝕嚴(yán)重,槽底有沉淀存在時(shí)導(dǎo)電變差部分電流流經(jīng)槽側(cè)走,同時(shí)在側(cè)部碳?jí)K上析出鋁和鈉,生成炭化鋁和碳鈉化合物,導(dǎo)致了側(cè)部碳?jí)K遭受破壞,從而引起了槽子側(cè)壁發(fā)紅,電流空耗,降低了效率.如控制措施不當(dāng),擊穿側(cè)壁,陰極棒頭熔斷漏爐,過早地引起了破損,某廠 240 kA槽的側(cè)壁是炭化硅結(jié)合氮化硅和碳磚粘貼側(cè)塊,在正常生產(chǎn)中由于兩種材料的膨脹系數(shù)不同,粘貼的 3 cm炭化硅和氮化硅的復(fù)合側(cè)塊全部脫落,在后期由于側(cè)壁形成的較差,內(nèi)側(cè)炭在氧化的同時(shí)加上鋁液對(duì)側(cè)襯侵蝕嚴(yán)重,加上保持的鋁水平偏低,造成大面積爐幫發(fā)紅,側(cè)部擊穿,引起了槽子過早地破損.

2 預(yù)防電解槽早期破損的措施

早期破損的原因較多,但只要采取的措施得力,會(huì)達(dá)到延緩電解槽壽命的目的.

（1）加強(qiáng)進(jìn)廠炭素材料質(zhì)量的檢查,嚴(yán)禁使用受潮,有裂紋等缺陷的炭塊.

（2）確保陰極炭塊,炭間糊,周圍糊和搗錘的加熱溫差盡可能小,嚴(yán)格鋪糊厚度 （70 cm）確保壓縮比不低于 1.60∶1,風(fēng)壓不低于 0.5M Pa.

（3）嚴(yán)禁一臺(tái)槽使用不同批次的炭塊,確保炭塊本身性能一致.

（4）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管,提高從業(yè)人員的思想認(rèn)識(shí),增強(qiáng)責(zé)任心.

（5）嚴(yán)抓培訓(xùn),提高現(xiàn)場(chǎng)檢察員檢查水平和從業(yè)人員的筑爐操作技能.

（6）認(rèn)真執(zhí)行國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),嚴(yán)格各道工序的施工,施工中做好自檢,互檢和專檢的"三檢"結(jié)合制度,對(duì)每道工序有施工記錄,并經(jīng)驗(yàn)收合格后簽字,方可進(jìn)行下道工序,及時(shí)做好歸檔保存.

（7）在焙燒啟動(dòng)中,嚴(yán)格執(zhí)行焙燒啟動(dòng)規(guī)程,防止隨意性,特別是對(duì)二次焙燒啟動(dòng)槽更加精心的管理,才能達(dá)到平穩(wěn)和安全啟動(dòng)延長(zhǎng)槽壽命的目的.

（8）后期管理中保持生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行,盡量減少電解槽的發(fā)病率.

3 結(jié) 語

雖然鋁電解槽的早期破損時(shí)不可避免的,但只要采用相應(yīng)的措施,在材料選擇,筑爐質(zhì)量,焙燒啟動(dòng),正常工藝管理和操作維護(hù)方面進(jìn)行不斷的改進(jìn)和完善.逐步縮短與國(guó)際的先進(jìn)水平差距為企業(yè)做到增產(chǎn)創(chuàng)效,節(jié)能降耗,實(shí)現(xiàn)提高經(jīng)濟(jì)效益的最終目標(biāo).

A

1671-6620（2010）S1-0115-04