楊正慶

(新疆眾和股份有限公司烏魯木齊830013)

400kA電解槽延長槽壽命的研究與應(yīng)用

楊正慶

(新疆眾和股份有限公司烏魯木齊830013)

400kA電解槽平均電解槽壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)值，早期破損率高。大型預(yù)焙槽的造價(jià)高，延長槽壽命意義重大。通過對(duì)砌筑完畢后的電解槽在啟動(dòng)初期及后續(xù)的生產(chǎn)過程管理中采取相應(yīng)的措施，達(dá)到延長槽壽命的目標(biāo)。

400kA電解槽槽壽命焙燒啟動(dòng)過程管理

0 前言

2006年400kA以上大容量電解槽的開發(fā)和全電流停起槽技術(shù)的成功研發(fā)帶動(dòng)電解行業(yè)快速發(fā)展。但同時(shí)，目前電解槽在實(shí)際運(yùn)行過程中，存在缺乏建立在對(duì)陰極破損機(jī)理與規(guī)律透徹掌握上的“精細(xì)設(shè)計(jì)”技術(shù)措施問題，使得平均電解槽壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)值，早期破損率高。大型預(yù)焙槽的造價(jià)高，延長槽壽命的要求愈加迫切。

1 推行“電解槽焙燒啟動(dòng)”新工藝

實(shí)踐證明，影響鋁電解槽槽壽命的因素，有以下幾個(gè)方面：電解槽設(shè)計(jì)、筑爐、焙燒啟動(dòng)、生產(chǎn)管理。當(dāng)電解槽設(shè)計(jì)成型后，把好材料關(guān)、筑爐關(guān)有重要意義。同時(shí)，電解槽焙燒啟動(dòng)的質(zhì)量好壞和鋁電解槽的后期生產(chǎn)管理，對(duì)電解槽壽命有著重要的影響。

1.1 傳統(tǒng)焙燒啟動(dòng)工藝

1.1.1 傳統(tǒng)的裝爐、焙燒方法

400kA電解槽最先采用焦粒焙燒啟動(dòng)，主要工序?yàn)椤颁伣沽?、掛陽極、裝爐、通電焙燒、啟動(dòng)、灌鋁”。裝爐主要材料用破碎電解質(zhì)塊、氟化鈣、碳酸鈉、氧化鋁、冰晶石。焙燒時(shí)間為96h。

1.1.2 、傳統(tǒng)的裝爐、焙燒方法的效果

采用“焦粒焙燒啟動(dòng)”方法，以Ⅱ槽為例，采用全電流焙燒，電解槽電壓變化情況為圖1，且溫度變化波動(dòng)較大，啟動(dòng)易來效應(yīng)。啟動(dòng)后管理中，后期形成的電解槽爐膛不規(guī)整，實(shí)踐證明，電流效率與槽壽命偏低。Ⅱ槽電流效率平均為91.8%；槽壽命為1862天。

圖1 Ⅱ槽電壓時(shí)間圖

1.2 新的焙燒啟動(dòng)新工藝

1.2.1 新的焙燒啟動(dòng)方法

根據(jù)“焦粒焙燒啟動(dòng)”方法中，溫度波動(dòng)較大的弊端，項(xiàng)目組對(duì)大型電解槽的焙燒啟動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與研究，研究后發(fā)現(xiàn)：使用“燃?xì)獗簾鳌?，焙燒的加熱速度容易控制（圖2）,可以做到使陰極內(nèi)襯溫度緩慢均勻上升，陰極表面溫度均勻；均勻、可控地實(shí)現(xiàn)了鋁電解槽燃?xì)獗簾訜?，避免因熱?yīng)力而導(dǎo)致的陰極裂縫現(xiàn)象等問題；對(duì)扎縫和邊部扎固糊的焙燒充分，能達(dá)到其它焙燒方法無法達(dá)到的效果；啟動(dòng)時(shí)，首先灌入的電解質(zhì)液能填充陰極內(nèi)襯以及人造伸腿因焙燒出現(xiàn)的裂紋，有利于延長槽壽命。采用燃燒完全的高溫燃?xì)膺M(jìn)行焙燒，解決了燃?xì)獗簾^程中陰極和搗固糊表面的氧化問題。

以Ⅲ槽為例，燃?xì)獗簾^程中，槽溫得以有效控制，啟動(dòng)后，未出現(xiàn)偏流、長時(shí)間效應(yīng)等問題。后期生產(chǎn)過程中，四周形成均勻槽幫，運(yùn)行平穩(wěn)，電流效率為92.1%，槽壽命為1946天。

2 積極推行“一二三四”電解槽過程管理標(biāo)準(zhǔn)

2.1 “一”為一個(gè)中心，以爐膛建立為中心

電解槽在運(yùn)行過程中，底部有一層鋁水對(duì)陰極進(jìn)行了相應(yīng)的保護(hù)，鋁水平上部為發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)區(qū)，主要會(huì)出現(xiàn)：鈉離子侵蝕，引起碳內(nèi)襯體積膨脹，強(qiáng)度降低，遇下部上臺(tái)力會(huì)使炭塊出現(xiàn)斷裂；電解質(zhì)和鋁水向爐底滲透，浸入耐火磚、保溫磚層，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使陰極內(nèi)襯發(fā)生破損；電化學(xué)或化學(xué)侵蝕：電流從碳陽極穿過電解質(zhì)進(jìn)入側(cè)部炭塊，會(huì)在側(cè)部炭塊表面析出鋁，并在其上進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)碳化鋁，造成側(cè)部損壞甚至漏爐。

對(duì)此，需要在電解槽周圍建立一層穩(wěn)定的爐幫，經(jīng)過研究，新啟動(dòng)槽通過工藝技術(shù)調(diào)整，其爐幫的形成過程見表1。

表1 爐幫的形成過程

新啟動(dòng)電解槽在啟動(dòng)初期，爐幫形成較快，且硬度、初晶溫度較高，有利于電解槽的穩(wěn)定及后期爐幫的保持。爐幫厚度逐漸長至14～17cm，效果最佳，既可起到保護(hù)電解槽的作用，同時(shí)，不影響換極。通過形成穩(wěn)定的爐幫，一方面可降低電流水平的消耗；另一方面，可有效緩解生產(chǎn)過程中鈉離子及電化學(xué)反應(yīng)對(duì)炭塊的侵蝕。

2.2 “二”為兩個(gè)保證

即電解槽爐底無沉淀、無電壓擺。電解槽在運(yùn)行過程中，因使用原料、工藝控制、員工操作等因素的影響，氧化鋁極易通過電解質(zhì)，沉入爐底，在爐底形成一層沉淀，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，爐底沉淀達(dá)到5cm以上時(shí)，對(duì)電解槽影響明顯。首先，爐底壓降增加；其次，因沉淀厚度不統(tǒng)一，導(dǎo)致陰極電流分布偏差較大，電解槽穩(wěn)定性降低；再次，電解槽出現(xiàn)熱槽、冷槽、效應(yīng)的幾率增大。分別取了5臺(tái)無爐底沉淀與5臺(tái)爐底沉淀達(dá)5cm以上電解槽發(fā)現(xiàn)，見表2。

表2

通過以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，無沉淀電解槽電壓運(yùn)行的擺幅遠(yuǎn)小于爐底沉淀達(dá)到5cm以上的電解槽，無電壓擺現(xiàn)象。同時(shí)，效應(yīng)較少，爐底壓降低、爐底溫度偏低且分布較均勻。有利于延長電解槽壽命。

2.3 “三”為3個(gè)技術(shù)條件不變

即電解槽鋁水平、電解質(zhì)水平、運(yùn)行電流保持不變。電流穩(wěn)定是電解槽穩(wěn)定的基礎(chǔ)條件。在電流穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，對(duì)鋁水平、電解質(zhì)水平實(shí)行穩(wěn)定控制，以此來保證電解槽槽的穩(wěn)定性。以Ⅲ、Ⅳ槽為實(shí)驗(yàn)槽，其鋁水平、電解質(zhì)水平在長期運(yùn)行中平均保持情況，見表3。

表3

通過長期探索，目前400kA電解槽兩水平按上述水平保持對(duì)電壓平穩(wěn)運(yùn)行，穩(wěn)定槽況較有利。

2.4 “四”為四個(gè)控制

即氧化鋁濃度、槽工作電壓、分子比、陽極效應(yīng)的有效控制。電解槽生在產(chǎn)過程中若氧化鋁濃度過高；易于產(chǎn)生沉淀，導(dǎo)致電解槽惡化。若氧化鋁濃度過低；易于發(fā)生陽極效應(yīng)。氧化鋁濃度均勻；易于電解生產(chǎn)穩(wěn)定，根據(jù)鋁電解槽氧化鋁濃度與槽電阻的特征關(guān)系曲線，由計(jì)算機(jī)將氧化鋁濃度控制在合理的范圍內(nèi)（1.5%～2.5%），利于電解質(zhì)其它成分的調(diào)控。

槽工作電壓由陽極壓降、槽母線壓降、陰極壓降、極間壓降組成。其中：槽母線壓降、陽極壓降、陰極壓降與電解質(zhì)成分無關(guān)。極間電壓組成：理論分解電壓、陰極過電壓、陽極過電壓、以及電解質(zhì)電壓降四項(xiàng)組成，與電解質(zhì)成分密切相關(guān)，是動(dòng)態(tài)變化的。在系列電流和電解質(zhì)其它成分基本不變的情況下，極間壓降易受到氧化鋁濃度、分子比和極距的影響。由于氧化鋁濃度和分子比是動(dòng)態(tài)變化的，因此，為保證電解槽運(yùn)行的穩(wěn)定性，人工設(shè)定的電壓是理論參考值，工作電壓應(yīng)根據(jù)過熱度的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控。

電解槽影響電解質(zhì)初晶溫度的成分中，分子比是變化的，主要通過控制氟化鋁的添加量對(duì)分子比進(jìn)行調(diào)整。降低分子比，電解質(zhì)的導(dǎo)電率增加，電流效率提高。必須及時(shí)控制好槽過熱度的變化，才不至于影響極距或“能量平衡”，從而影響電解槽的穩(wěn)定性。

陽極效應(yīng)是熔鹽電解過程中的特有現(xiàn)象，陽極效應(yīng)對(duì)鋁電解過程穩(wěn)定生產(chǎn)破壞很大，其產(chǎn)生的原因是電解質(zhì)中的氧化鋁濃度過低或過熱度太低導(dǎo)致氧化鋁的溶解性變差。降低初晶溫度提高電流的同時(shí)，氧化鋁在電解質(zhì)中的溶解性降低，在采用良好的氧化鋁濃度控制技術(shù)的同時(shí)，必須控制相應(yīng)的過熱度，才能有效的抑制陽極效應(yīng)的發(fā)生。

通過四個(gè)控制控制好電解溫度和初晶溫度。在影響三度的主要因素(熱收入、分子比、鋁量、鈣、鎂、氧化鋁濃等)中，它們相互獨(dú)立又互相制約，是一個(gè)多變量的綜合體系。支配著系統(tǒng)的行為，使整個(gè)系統(tǒng)走向穩(wěn)定的有序狀態(tài)。

在日常生產(chǎn)中，主要通過計(jì)算機(jī)識(shí)別電解槽過熱度大小，從而進(jìn)行相應(yīng)的氧化鋁濃度、熱收入、氟化鋁過剩量的實(shí)時(shí)調(diào)控，從而控制影響三度的主要參數(shù)：氧化鋁濃度、分之比、熱收入，從而達(dá)到電解槽的平衡控制，有效延長電解槽壽命。

3 結(jié)語

電解槽在砌筑完畢后，影響其壽命的因素為：電解槽的焙燒啟動(dòng)及電解槽的后期生產(chǎn)管理。在焙燒啟動(dòng)過程中，主要為電解槽創(chuàng)造一個(gè)陰極內(nèi)襯溫度緩慢均勻上升，陰極表面溫度均勻的條件。啟動(dòng)時(shí)，首先灌入的電解質(zhì)液能填充陰極內(nèi)襯以及人造伸腿因焙燒出現(xiàn)的裂紋，啟動(dòng)后期1～2個(gè)月內(nèi)，要快速形成電解槽高分子比爐幫，有利于延長槽壽命。

電解槽的后期生產(chǎn)管理主要通過要系統(tǒng)地分析電解槽的各種技術(shù)參數(shù)，同時(shí)將這些技術(shù)參數(shù)與槽控系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，通過對(duì)電解過程實(shí)施計(jì)算機(jī)控制，合理匹配氧化鋁濃度、槽工作電壓、分子比、陽極效應(yīng)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電解槽生產(chǎn)過程的平穩(wěn)運(yùn)行，達(dá)到延長電解槽壽命的目的。

［1］梁學(xué)民，張松江.現(xiàn)代鋁電解生產(chǎn)技術(shù)與管理.云南大學(xué)出版社，2011.

收稿：2015-06-23

10.16206∕j.cnki.65-1136∕tg.2015.05.027