楊仲生

（中鋁山西新材料有限公司，山西 運(yùn)城 043304）

在鋁電解的啟動(dòng)后期及正常生產(chǎn)期間，爐幫是電解槽的重要構(gòu)成部分。根據(jù)爐幫形成的機(jī)理和生產(chǎn)實(shí)踐，由于電解槽槽型設(shè)計(jì)、陰極炭塊炭糊防滲料等原材質(zhì)量及筑爐工藝、焙燒方法、工藝技術(shù)等條件有所不同，形成的爐幫也有所差異，特別薄的爐幫可能出現(xiàn)鋼窗局部發(fā)紅現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)側(cè)部漏爐異常事件。

1 電解槽爐幫的定義及作用

1.1 電解槽爐幫的定義

鋁電解槽爐幫是電解質(zhì)熔體根據(jù)分子比下降過(guò)程中結(jié)晶形成的高分子比結(jié)殼層。根據(jù)我廠實(shí)際情況，我廠使用的側(cè)部碳?jí)K是石墨化氮化硅復(fù)合塊；電解質(zhì)熔體形成的結(jié)殼層，其主要成分是單斜晶體的冰晶石、α-Al2o3以及少量冰晶石-氧化鋁共晶組成，其化學(xué)組成隨電解鋁所使用的氧化鋁和電解槽的運(yùn)行溫度有很大的變化，一般它至少含30%（質(zhì)量）的電解質(zhì)，其余為氧化鋁。其正常生產(chǎn)的電解槽爐幫要求厚、硬、勻，底部伸腿要求對(duì)稱如圖1，整體要求爐膛規(guī)整，伸腿位于陽(yáng)極邊緣正投影下。

圖1 電解槽正常爐幫與不正常爐幫示意圖

1.2 電解槽爐幫的作用

形成規(guī)整的爐幫對(duì)鋁電解槽啟動(dòng)后期及正常生產(chǎn)期起著非常重要的作用：①減少電解槽的熱量損失，阻止電流從側(cè)部通過(guò)；②保護(hù)電解槽的側(cè)部氮化硅磚；③把陰極原鋁液擠到槽中央部位，使鋁液鏡面收縮，利于提高電流效率和降低磁場(chǎng)波動(dòng)；④防止側(cè)部漏電，讓電流均勻地通過(guò)陰極表面，使電解槽穩(wěn)定運(yùn)行；⑤覆蓋陰極炭塊與側(cè)部炭塊之間的扎固縫，杜絕鋁液或電解質(zhì)從扎固縫之間滲入造成電解槽破損，延長(zhǎng)槽壽命。

2 電解槽焙燒啟動(dòng)過(guò)程

在鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中，大型鋁電解槽一般采取鋁液焙燒法、焦粒焙燒法、燃?xì)獗簾ㄈN方法，結(jié)合我廠生產(chǎn)實(shí)際，我廠一直采用焦粒焙燒啟動(dòng)法。焦粒焙燒法是在陰陽(yáng)極之間鋪上一層焦粒與石墨按3：2 配比的煅后焦，電解槽通電后，焦粒層作為電阻體，在陰陽(yáng)極之間產(chǎn)生焦耳熱，同時(shí)陰極和陽(yáng)極本身的電阻也產(chǎn)生熱量，進(jìn)行焙燒電解槽。按照我廠生產(chǎn)實(shí)踐，其焙燒時(shí)間為54h。

2.1 電解槽焙燒過(guò)程

2.1.1 電解槽焙燒的目的

（1）把電解槽內(nèi)陰極碳?jí)K之間、陰極碳?jí)K與側(cè)部?jī)?nèi)襯之間的冷搗固糊慢慢燒結(jié)成一個(gè)整體，并把槽內(nèi)襯材料中的水分蒸發(fā)出來(lái)。

（2）焙燒過(guò)程中電解槽內(nèi)襯材料不斷升高至一定溫度，避免啟動(dòng)時(shí)灌入槽內(nèi)的熔融電解質(zhì)凝固。

（3）使電解槽平穩(wěn)地過(guò)渡到電解槽生產(chǎn)狀態(tài)的過(guò)程。

（4）當(dāng)電解質(zhì)或原鋁液灌入電解槽時(shí)，減少電解槽受到熱的沖擊。

2.1.2 電解槽裝爐

表1 我廠某槽裝爐物料用量表

其中裝爐物料中加氟化鈣，因其有礦化劑的作用，在電解質(zhì)中添加氟化鈣，析出的固體電解質(zhì)熔點(diǎn)高，對(duì)后一階段形成的規(guī)整爐幫在實(shí)際生產(chǎn)中不易被熔化。

裝爐質(zhì)量的好壞決定著電解槽焙燒溫度的均勻性及沖擊電壓的高低。在裝爐過(guò)程中必須嚴(yán)格控制鋪設(shè)焦粒的質(zhì)量，保證每塊陽(yáng)極底下的焦粒量均勻，產(chǎn)生的電阻均衡，才能確保陰極升溫均勻，但是由于隨著溫度的升高及焦粒層體積密度的變化，焦粒層的電阻也會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致陽(yáng)極電流分布不再均勻，因此加強(qiáng)焦粒鋪設(shè)至關(guān)重要。另外，軟連接及分流器的安裝，要求：壓接面清擦干凈、螺桿和弓形卡具壓緊到位，接觸面無(wú)透光現(xiàn)象、無(wú)繃直現(xiàn)象，軟連接有一定的彎曲度，分流器用料塊等撐開(kāi)，有利于通電后散熱。

2.1.3 電解槽通電

我廠采用電解槽通電方式是用賽爾開(kāi)關(guān)通電，我廠某槽通電后的沖擊電壓和峰值電壓如表2。

表2 我廠某槽通電后的沖擊電壓和峰值電壓

2.1.4 分流器拆除

從焙燒實(shí)踐來(lái)看，隨著焙燒時(shí)間的推移，電解槽溫度逐步升高，槽電阻逐漸降低，分流器的分流率逐步減小，所以為合理控制電解槽升溫速度，在焙燒過(guò)程中必須嚴(yán)格要求分流器的拆除順序及拆除時(shí)間。一般要根據(jù)拆除時(shí)電壓值及拆除前后電壓上升值決定拆除時(shí)間和順序。根據(jù)我廠某槽焙燒實(shí)踐，通電時(shí)間大于等于6 小時(shí)，且槽電壓低于3.0V 時(shí)，拆除立柱3 分流器，拆前電壓：2.72V 拆后電壓:2.82V；距第一次拆除時(shí)間大于等于3 小時(shí)，且槽電壓低于3.0V 時(shí)，拆除立柱1、5 的分流器；3 小時(shí)后且槽壓低于3.0V 時(shí)拆除2、4 分流器，拆除立柱1、5 的分流器及2、4 分流器前后電壓如表3。

表3 拆除立柱1、5 及2、4 的分流器前后電壓變化

在電解槽焙燒的54h 中，在大面及陽(yáng)極上部有化開(kāi)的地方，及時(shí)用冰晶石補(bǔ)充，不得出現(xiàn)明火；巡視軟連接，防止有熔斷現(xiàn)象；禁止上抬陽(yáng)極；拆完注意不能在立柱與槽殼、風(fēng)格板之間形成搭接，各接觸處用絕緣材料隔開(kāi)，溫度降至常溫后再吊出；工區(qū)長(zhǎng)匯總數(shù)據(jù)，制作升溫曲線如圖2。

2.2 電解槽啟動(dòng)過(guò)程

圖2 焙燒時(shí)電解槽溫度升溫曲線圖

2.2.1 電解槽啟動(dòng)前的準(zhǔn)備

①?gòu)?fù)緊卡具：在確定啟動(dòng)前2～6h 復(fù)緊卡具，天車復(fù)緊完后再使用扳手人工復(fù)緊一次；②畫(huà)線：?jiǎn)?dòng)前把原線擦去，重新在導(dǎo)桿兩端畫(huà)線；③拆軟連接：?jiǎn)?dòng)前1—4h 拆除軟連接，拆前確認(rèn)卡具必須復(fù)緊，拆后1 小時(shí)內(nèi)收到庫(kù)房；④取出測(cè)溫管、石棉氈：確認(rèn)具備通電條件后，取出可能影響鋁液質(zhì)量的測(cè)溫管、石棉氈等裝爐材料，及時(shí)拉運(yùn)到指定地點(diǎn)。

2.2.2 電解槽啟動(dòng)

我廠300KA 鋁電解槽都采用濕法無(wú)效應(yīng)啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)邊抬電壓邊灌入10～12T 液體電解質(zhì)如圖3，灌電解質(zhì)拉起后測(cè)量陽(yáng)極電流分布，啟動(dòng)電壓一般保持在6V 左右，剩余1.5 噸純堿逐步加完。啟動(dòng)完畢保證裝爐物料全部融化，四周化開(kāi)后從四周打撈炭渣，最少撈15 箱，炭渣打撈完畢，開(kāi)始氧化鋁下料，啟動(dòng)正式結(jié)束。我廠某槽啟動(dòng)前后電壓及電解質(zhì)水平情況如表4。

表4 我廠某槽啟動(dòng)前后電壓及電解質(zhì)水平情況

2.2.3 電解槽灌鋁

我廠對(duì)新啟動(dòng)槽第一次灌鋁的時(shí)間要求不宜過(guò)早，一般在24～32h以后，其用意在于：讓陰極中的細(xì)小裂縫先被冰晶石填充滿，讓內(nèi)襯中的底糊繼續(xù)焙燒好并且體積膨脹，而不讓鋁液先進(jìn)去。根據(jù)我廠生產(chǎn)實(shí)踐，我廠某槽第一次灌鋁和第二次灌鋁的情況如下：第一次灌鋁：灌鋁前電解質(zhì)高度：30cm。時(shí)間：4月12日21：00，灌鋁量：9000kg，灌前電壓：5.95 V灌后電壓：5.40 V；第二次灌鋁：灌鋁前電解質(zhì)高度：28cm。時(shí)間：4月13日4：00，灌鋁量：9000kg，灌前電壓：5.4 V 灌后電壓：4.85 V；灌鋁30 分鐘后兩水平，電解質(zhì)水平：27 cm鋁水平：22cm。

電解槽由安裝內(nèi)襯后的冷態(tài)，過(guò)渡到具備正常生產(chǎn)技術(shù)條件（含爐幫、爐膛在內(nèi)），并具有一定自調(diào)能力，達(dá)到一定效率的在產(chǎn)鋁電解槽，都要經(jīng)歷焙燒、啟動(dòng)這一過(guò)程，而這一過(guò)程對(duì)形成爐幫是至關(guān)重要的一個(gè)階段。其高質(zhì)量的電解槽焙燒是：從通電后到焙燒結(jié)束整個(gè)過(guò)程為緩慢的升溫過(guò)程，使槽內(nèi)襯中的水分和氣體緩慢排出，當(dāng)電解槽內(nèi)襯中的水分完全排除和搗固糊的焙燒溫度得到540℃～610℃后，可加速焙燒升溫速率，從升溫曲線圖2 可以看出。

3 啟動(dòng)后期管理

鋁電解槽的啟動(dòng)后期是從灌鋁后啟動(dòng)結(jié)束到正常生產(chǎn)之間的一個(gè)調(diào)整階段，大約延續(xù)1 個(gè)月，其目的是快速形成高溫堅(jiān)固的爐幫、形成規(guī)整的爐膛。在此期間，電解槽的各項(xiàng)工藝技術(shù)參數(shù)控制要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，通過(guò)技術(shù)參數(shù)的逐漸調(diào)整，最終達(dá)到熱量與物料平衡。據(jù)資料報(bào)道，電解質(zhì)侵蝕側(cè)部炭塊的速度使炭塊每天約腐蝕掉1mm，啟動(dòng)到60 天左右時(shí)側(cè)部炭塊剩下的厚度只有原來(lái)的1/3～1/2，所以電解槽啟動(dòng)后期的管理的關(guān)鍵是調(diào)整各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。盡快地形成高分子比高溫爐幫，以保護(hù)側(cè)部炭塊、人造伸腿受不利因素的侵蝕，從而提高槽況穩(wěn)定性及電解槽壽命。

3.1 槽電壓及槽溫的管理

電解槽在啟動(dòng)后，電壓和溫度的控制原則是逐步降低的，由于啟動(dòng)初期爐幫還未完全形成，電解槽內(nèi)襯仍處于吸熱狀態(tài)，電解槽需要輸入更多的熱量，一般情況下電壓在1 個(gè)月后逐步降至正常，溫度在3 個(gè)月后降至正常。根據(jù)我廠生產(chǎn)實(shí)踐，灌鋁后第1 天開(kāi)始我廠某槽電壓及槽溫管理如表5。

表5 我廠某槽啟動(dòng)后電壓及槽溫管理

3.2 分子比的管理

由于啟動(dòng)初期槽內(nèi)襯大量吸收氟化鈉，使電解質(zhì)的分子比逐步降低，所以一般需要添加碳酸鈉提高分子比，使得在電解槽側(cè)部形成高分子比堅(jiān)固的爐幫。如果啟動(dòng)初期分子比較低則形成的爐幫熱穩(wěn)定性較差，一旦生產(chǎn)中發(fā)生效應(yīng)就會(huì)被融化。根據(jù)我廠生產(chǎn)實(shí)踐，灌鋁后第1 天開(kāi)始我廠某槽分子比管理如表6。

表6 我廠某槽分子比管理

3.3 兩水平的管理

在啟動(dòng)后期中要逐漸提高槽內(nèi)鋁水平，嚴(yán)格按出鋁制度出鋁，如果鋁水平低于預(yù)定的目標(biāo)則不必出鋁。隨著鋁水平的逐漸提高，在電解槽爐膛內(nèi)壁上逐漸形成結(jié)殼，它是熱和電的絕緣體，起著保護(hù)作用。槽內(nèi)的鋁液是一個(gè)良好的熱緩沖體，在偶爾發(fā)生的長(zhǎng)時(shí)間陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)，它可以防止結(jié)殼的熔化，從而避免液體電解質(zhì)的組成和溫度急劇的改變，以及由此而來(lái)的生產(chǎn)失常。鋁液水平不穩(wěn)定，忽高忽低，特別是槽內(nèi)加一些廢鋁等，造成鋁水平過(guò)高和電解質(zhì)不干凈，會(huì)對(duì)伸腿和爐幫的生長(zhǎng)不利，最后造成爐膛畸形。

爐幫的形成需要大量的液態(tài)電解質(zhì)冷凝析出，電解槽生產(chǎn)時(shí)也需要槽內(nèi)有足夠高度和足夠量的液態(tài)電解質(zhì)，為了保證這兩方面的需求，這就要求啟動(dòng)灌鋁后槽內(nèi)電解質(zhì)水平必須保持在比平時(shí)較高的水平，一個(gè)月內(nèi)分階段逐步調(diào)整，啟動(dòng)第二個(gè)月起，電解質(zhì)水平保持正常。根據(jù)我廠生產(chǎn)實(shí)踐，灌鋁后第1 天開(kāi)始我廠某槽兩水平管理如表7。

表7 我廠某槽兩水平管理

3.4 陽(yáng)極電流分布的管理

在啟動(dòng)后期管理中，陽(yáng)極電流分布曾一度被忽視，而換極質(zhì)量的好壞，直接影響到陽(yáng)極電流分布的均勻與否，對(duì)爐幫的形成及爐膛內(nèi)型的建立影響極大。應(yīng)嚴(yán)把換極質(zhì)量關(guān)，確保陽(yáng)極電流分布合格率。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）電解槽要想實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期、安全、平穩(wěn)、高效的狀態(tài)，首先必須快速建立規(guī)整、堅(jiān)固、高溫、高分子的爐幫，否則可能出現(xiàn)電解槽早期破損現(xiàn)象。

（2）預(yù)焙鋁電解槽爐幫形成的關(guān)鍵是加強(qiáng)電解槽的啟動(dòng)后期管理，保證其形成階段保持足夠高的分子比。

（3）預(yù)焙鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中，側(cè)部爐幫的正常保持是生產(chǎn)中的一個(gè)難題，電解槽熱平衡、技術(shù)參數(shù)、電解槽啟動(dòng)管理控制不合理等都會(huì)影響側(cè)部爐幫的建立及正常保持，所以加強(qiáng)技術(shù)參數(shù)的管理，保持合理的熱平衡和物料平衡，確保建立的爐幫不被熔化掉。