鐘暉

摘要：預焙槽壽命是一個綜合性的技術經濟指標，槽狀的好壞不僅標志著鋁電解技術狀況，而且直接關系著企業(yè)的生產穩(wěn)定和經濟效益。本文針對500KA預焙槽早期破損的原因及解決方案進行了分析探討。

關鍵詞：預焙槽；早期破損；陰極；焙燒

預焙槽是電解鋁生產的主體設備，西北某鋁廠284臺大型預焙槽，自2014年3月啟動投產至年底，整個焙燒啟動過程平穩(wěn)，各生產指標均很好， 不但產能高， 而且預焙槽電流效率達到93.8% 以上， 直流電耗低于12700 kWh/t.AL，但期間發(fā)生了超過五起漏槽事故，同時還有60多臺預焙槽發(fā)生早期破損現(xiàn)象，為保證生產任務，破損槽只能在局部修補后帶病堅持運行，但產生了預焙槽鋁液中鐵、硅含量持續(xù)上升，導致鋁產品質量下降的情況，破損情況嚴重的槽，因鋁液滲漏產生漏槽事故，造成重大財產損失，并極易人身安全事故。為避免后續(xù)預焙槽大修后和后續(xù)工程出現(xiàn)相同情況，研究分析該系列預焙槽早期破損機理，提出改進措施，具有重要的現(xiàn)實意義。

1.預焙槽早期破損情形

通過現(xiàn)場測量和刨爐后分析得知，預焙槽早期破損表現(xiàn)為以下幾種情形：

（1）預焙槽陰極炭塊縱向隆起，隆起30㎜左右，最大達到55mm；

（2）預焙槽陰極炭塊橫向產生大量貫通式裂紋；

（3）陰極方鋼大幅度向上彎曲。方鋼下方形成空隙，偏離水平最高達135mm；

（4）陰極炭塊成斷層狀分部，中間夾有黃色的碳化鋁粉末，個別地方出現(xiàn)上下貫通的鋁線，直達陰極方鋼上表面。

2.預焙槽破損產生的機理分析

圖1是預焙槽陰極系統(tǒng)中的電化學反應示意圖， 其反應包括析出鋁和鈉， 以及生成碳化鋁，下面分別闡述幾種陰極破損的方式：

2.1碳化鋁腐蝕

正常生產過程中， 在陰極表面生成碳化鋁：

4Al+3C= Al4C3

在950℃時， GT=-149 kJ/mol，有冰晶石熔體存在時對上述反應起到催化作用：

12Na+3C+4Na3AlF6=Al4C3+24NaF

碳化鋁覆蓋于炭陰極上， 使陰極電壓增大，X 射線衍射分析發(fā)現(xiàn)廢舊陰極中含有NaF， Al4C3，Na3AlF6， Al2O3和Na2O.11Al2O3

底部破損偶然發(fā)生在以下情形， 即生成碳化鋁而形成沖蝕坑在金屬中碳化物有一個緩慢的溶解過程伴隨著沖蝕坑穴的形成， 鋁與陰極鋼棒越來越接近， 加速了碳化鋁的生成和進一步的溶解。生成的碳化物發(fā)生在電解槽底部的沉淀中，或在側部沒有凝固電解質保護的地方， 任何溶解的碳化鋁都將被陽極表面產生的CO2所氧化。

2.2鈉滲透

槽底破損的主要原因是由于吸收鈉和電解質產生的各種反應而致， 底部內襯破損的主要信號是炭塊的破裂或氟化物粗大晶體的長大， 產生破裂的力主要是電解槽啟動初期滲透結晶膨脹、鈉和電解質反應， 發(fā)生鈉吸收：

3Na+Na3AlF6= 6NaF+Al

4Na3AlF6+12Na+3O2=2Al2O3+24NaF

鈉與滲透的電解質發(fā)生反應，電解質滲透在充滿孔洞后或毛細管被結晶堵死后停止：

22Na3AlF6+68Na+17O2=Na2O.11Al2O3+132NaF

Na與C生成鈉-碳嵌入化合物而發(fā)生體積變大，也直接導致膨脹斷裂：32C+Na=C32Na；4Na+3O2+2C=2Na2CO3

2.3空氣滲入使內襯氧化破損

由于鋼窗口密封不嚴， 空氣進入內襯； 直接在陰極內襯下產生鈉- 碳- 空氣的反應， 導致內襯破損。

2.4電解質滲漏

下部耐火磚受熔體侵蝕，電解質滲漏使鋼棒熔化，雙陰極鋼棒炭塊組鋼棒高度為230㎜，炭塊開槽深度為235毫米，在鋼棒和炭塊間設計鋪設一層厚度5㎜的石墨碎，由于石墨碎組織結構疏松，如果陰極炭塊產生裂紋深度達到鋼棒頂部，高溫鋁液或電解質液會不斷滲入，導致陽極鋼棒快速熔化、腐蝕，很快就會發(fā)生漏槽事故。

2.5工程建設和焙燒啟動控制

2.5.1 預焙槽筑爐安裝期間把關不嚴，未嚴格按技術規(guī)范施工，導致通電后電流分布不均勻，形成局部過熱，陰極炭塊過熱變形產生裂紋。

2.5.2 預焙槽焙燒啟動過程中，受熱不均勻，導致個別陰極炭塊過早產生大間隙裂紋而破損。根據某預焙槽啟動實測數據。其焙燒升溫曲線如圖2：

分析預焙槽焙燒升溫曲線，可以看出：焙燒后期A8與B8溫差遠遠大于A16與B16的溫差，說明該槽出鋁端受熱不均勻。停槽檢查后發(fā)現(xiàn)：出鋁端2至11組陰極炭塊隆起高度50㎜左右，大面積斷裂，裂紋寬度10㎜以上，深度250㎜左右，煙道端裂紋少而細，槽底較為平整，隆起不足10㎜。

2.5.3陰極炭塊結構設計原因

預焙槽陰極炭塊長度3680㎜，寬度665㎜，長寬比大，高溫受熱后變形以炭塊縱向延伸為主。陰極炭塊熱膨脹延伸后，高強度側部炭塊將阻止陰極炭塊延伸，陰極炭塊的熱應力不能有效釋放，導致陰極炭塊產生隆起變形，而陰極炭塊材料屬脆性材料，隆起變形超過其抗變能力后就會發(fā)生斷裂，產生裂紋。隨著時間的延長，裂紋深度和寬度不斷加大，當裂紋深度擴散至陰極方鋼時，高溫鋁水和電解液勢必滲漏腐蝕陰極方鋼，從而導致預焙槽破損。

2.6陰極炭塊的隆起

在啟動前期的生產中很少有陰極炭塊隆起的發(fā)生.陰極隆起有一個過程，在焙燒啟動時，電解質不斷滲入陰極炭塊內襯，一部分結晶在炭塊內部產生較大的應力，陰極炭塊體積發(fā)生明顯的膨脹，會使炭塊變得酥松，炭縫與塊間的裂紋增大，電解質和鋁液則順著裂紋往下滲漏，當滲漏到一定深度時，溫度的變低使其凝固，由于預焙槽技術條件的波動，會使電解槽溫度產生波動，這種波動將會使?jié)B入到裂縫里的電解質和鋁液重新熔化和凝固，形成了一個凝固——熔化——再凝固的惡性循環(huán)，每一次循環(huán)，都會使電解質和鋁液繼續(xù)往下滲漏，直至陰極炭塊的底部，甚至進入耐火磚和保溫材料層，當電解質與炭塊發(fā)生化學作用時，炭塊由于吸收電解質而被石墨化，其電導率將會增加，導熱性能也會增強，更加劇了電解質和鋁液的往下滲漏，這些滲漏物的增加以及對耐火磚的侵蝕，使炭塊向上隆起的速度加快，最終導致炭塊的破裂。

3.預焙槽早期破損修理措施

對于500KA大型預焙槽，大修成本高達110萬元左右，為降低維修成本，大型預焙槽維修可按以下原則進行。

3.1未發(fā)生漏槽的預焙槽早期破損修復處理

由于該類破損槽未發(fā)生漏槽，應該首先查找滲、漏點，確認滲漏源，對滲漏源進行修復。滲漏源以外其他裂紋修復處理方法如下：

3.1.1裂紋寬度小于2.0mm，深度小于100mm的均不做處理；

3.1.2裂紋寬度大于2mm或深度大于100mm，裂紋內有鋁液滲漏的，清理出裂紋內滲漏物用高壓風吹凈后，用氧化鎂粉：鹵水=1.2：1的鹵水漿灌縫；

3.1.3一塊陰極炭塊上有超過6條縫寬大于5mm的裂紋，滲漏鋁嚴重，應采取整塊更換陰極炭塊方式修復；

3.1.4如果一塊陰極炭塊上只有5條大于5mm裂紋，裂紋間距600㎜以上的，鋁液滲漏較少的，可采取陰極表面寬100--200mm、深度200mm的槽扎糊補槽；裂紋間距400毫米以內，以裂紋為界，挖掉兩裂紋間的陰極，深度200 mm，然后扎糊補槽。

3.2對于已經發(fā)生漏槽事故的預焙槽修復方案

3.2.1清理預焙槽爐膛內的電解質和鋁塊，用高壓風吹凈到見陰極炭塊本色；

3.2.2檢查滲漏炭塊組，確認滲漏源；

3.2.3以滲漏炭塊組為中點，打開漏鋁端側部炭塊，左右各多打開一塊側部炭塊；

3.2.4以滲鋁點裂紋為界，將滲鋁裂紋處至漏鋁窗口處的陰極炭塊刨開，清理掉裂紋內和陰極鋼棒上的滲漏物；

3.2.5清理干凈陰極炭塊，加熱至80--100°C；

3.2.6噴涂焦油后，分六層扎糊至炭塊設計高度，滲漏源以外其余裂紋按未發(fā)生漏槽事故的預焙槽破損修復處理方案進行。

3.3內襯改進措施

3.3.1將炭塊槽深度由235㎜改為245毫米，在鋼棒和炭塊間增加一層鋼棒糊，厚度15㎜。在鋼棒和炭塊間增大應變空間，滿足陰極炭塊和鋼棒因不同高溫變形率而導致的變形需要，可有效減少陰極炭塊裂紋的產生。

3.3.2 由于陰極炭塊隆起值高達50㎜，證明陰極炭塊與側部炭塊間間距80㎜不能滿足陰極炭塊縱向變形量，陰極炭塊結構做如下改進：一是將炭塊長度由3680㎜改為3600毫米，陰極炭塊與側部炭塊間間距由80㎜增加到120㎜，可有效減少陰極炭塊的隆起變形，節(jié)約成本；二是利用反變形原理，在陰極炭塊的表面橫向均等分開鑿應力釋放槽，槽寬80㎜，深50㎜，有效減少炭塊裂紋產生。

3.4加強筑爐材料控制

選用均勻、優(yōu)質的半石墨陰極炭塊，陰極的壽命決定了槽內襯的可靠性， 獲得一個好的陰極壽命， 根據前述機理分析，槽內襯必須能有效地阻礙電解質液體滲透造成的剝蝕以及鈉膨脹的侵蝕，高質量半石墨質陰極可以有效地抵御鈉膨脹，不同質量的陰極炭塊理化指標相差較大， 也可以解釋很多鋁廠一些電解槽陰極早期破損的原因， 雖然理化指標達到了標準， 但是槽壽命多者1000 d， 少者僅幾百天， 甚至幾個小時， 主要原因就是因為鈉膨脹造成陰極炭塊裂縫， 鋁液及電解質大量滲透、堆積， 從而造成陰極上抬、隆起， 直至斷裂。

3.5焙燒啟動

焙燒時間要求不低于96小時，根據配料嚴格控制爐底溫升曲線和分流片作業(yè)，最終焙燒溫度達960℃左右，啟動后不急于來效應，讓側部物料緩慢熔化，使溫度逐漸上升，減少邊部熱沖擊，啟動后期高溫時間不要太長，適當提高鋁水平，保證有一定的在產鋁，在進行電壓調整時，將電壓按梯度目標進行操作，啟動后期分子比調整緩慢下降，并盡快形成伸腿和爐幫，在正常生產期，保證電解槽平穩(wěn)運行，爐膛規(guī)整。

4.結束語

分析影響預焙槽早期破損機理和原因，尋求減少槽早期破損現(xiàn)象，是鋁行業(yè)的重要課題，優(yōu)化槽內襯設計，優(yōu)選內襯材料，在施工質量中嚴把質量關，焙燒啟動時嚴格升溫控制，前期管理盡快建立穩(wěn)定規(guī)整的爐膛，保持技術條件穩(wěn)定都是減少預焙槽早期破損的重要管理措施，也對提高槽壽命起著關鍵作用。

參考文獻：

[1]邱竹賢.預焙槽煉鋁[M]北京：冶金工業(yè)出版社， 2005：465- 590

[2]東北大學學報（ 自然科學版） 2007年6 月，第6期，300kA鋁電解槽陰極破損機理研究