吉延新,魏新偉

(山東晨陽(yáng)新型碳材料股份有限公司,山東 濟(jì)寧 272027)

鋁電解生產(chǎn)中陽(yáng)極炭塊碎裂脫極事故會(huì)給正常的生產(chǎn)帶來(lái)很大的負(fù)面影響,如導(dǎo)致電解槽運(yùn)行紊亂,電流效率下降,陽(yáng)極毛耗增加,原鋁品位下降,工人勞動(dòng)強(qiáng)度增加,工作環(huán)境惡化,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起陽(yáng)極連鎖脫極,以及導(dǎo)致停槽。引起陽(yáng)極碎裂脫極的原因有很多,如陽(yáng)極本身的質(zhì)量缺陷,陽(yáng)極組裝澆鑄質(zhì)量控制不到位,電解過(guò)程中管理不當(dāng)引起的偏流等。本文依據(jù)多年來(lái)對(duì)陽(yáng)極質(zhì)量事故的處理經(jīng)驗(yàn),重點(diǎn)分析陽(yáng)極組裝澆鑄工藝控制對(duì)陽(yáng)極碎裂脫極的影響。

1 原因分析

鋁電解生產(chǎn)中的陽(yáng)極炭塊澆鑄組裝工序是將陽(yáng)極導(dǎo)桿、鋼爪和預(yù)焙陽(yáng)極炭塊通過(guò)焊接和磷生鐵澆鑄使其組合成為一體的工藝過(guò)程。該工序?qū)﹃?yáng)極在電解槽中持續(xù)穩(wěn)定參與電化學(xué)反應(yīng)起到重要的橋梁和紐帶作用,而且由于該工序控制點(diǎn)多,對(duì)細(xì)節(jié)要求嚴(yán)格,所以該工序質(zhì)量控制不到位極易導(dǎo)致陽(yáng)極在電解過(guò)程中出現(xiàn)碎裂脫極事故。下面我們就從鋁導(dǎo)桿、鋼爪、磷鐵配比、炭碗清理等方面,詳細(xì)分析陽(yáng)極碎裂脫極的原因。

1.1 陽(yáng)極導(dǎo)桿與鋼爪焊接不到位

陽(yáng)極導(dǎo)桿是鋁電解生產(chǎn)中重要的易損部件,其由鋁導(dǎo)桿、爆炸焊連接塊和鋼爪等通過(guò)焊接組成(如圖2),其在鋁電解生產(chǎn)中起到導(dǎo)通電流和連接固定陽(yáng)極炭塊的橋梁作用。陽(yáng)極導(dǎo)桿在電解生產(chǎn)中是循環(huán)使用的,把從電解槽中取出的殘極組,經(jīng)過(guò)清理殘極、壓脫磷鐵環(huán)、導(dǎo)桿校直和爪頭砂洗、涂抹石墨這些工序后,可用于再次澆鑄新的陽(yáng)極炭塊。

圖1 陽(yáng)極炭塊組裝澆鑄工藝流程圖

圖2 陽(yáng)極導(dǎo)桿組

在實(shí)際生產(chǎn)中如果出現(xiàn)鋁-鋁焊接不到位,焊接不牢,上槽使用后在強(qiáng)大電流的作用下出現(xiàn)開焊,使導(dǎo)桿與鋼爪分離,導(dǎo)致鋼爪及陽(yáng)極掉入電解槽中。

圖3 爆炸焊開焊的鋼爪

圖4 爆炸焊開焊的導(dǎo)桿

1.2 鋼爪變形

鋼爪一般是由ZG25材質(zhì)的鑄鋼加工而成,如果其中C、Si雜質(zhì)元素含量過(guò)高,易導(dǎo)致鋼爪韌性降低,加劇鋼爪變形及氧化掉皮的可能,增加脫極化爪的風(fēng)險(xiǎn);

鋼爪在電解槽中長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境下,導(dǎo)致其變形比例較高,其主要類型有爪頭燒損、爪頭內(nèi)彎、爪頭變細(xì)等。電解中隨著鋼爪循環(huán)使用,鋼爪受到侵蝕燒損及侵蝕氧化的影響,其直徑逐漸變小,對(duì)陽(yáng)極的抓附力減弱,易導(dǎo)致脫極。一般鋼爪頭燒損厚度小于5 mm的不影響再次使用;燒損厚度介于5 mm到20 mm之間時(shí),可采用補(bǔ)焊修復(fù)后再次使用;燒損大于20 mm時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇采取補(bǔ)焊或更換。

鋼爪校正時(shí)不到位,爪頭內(nèi)彎弧度較大導(dǎo)致與炭碗偏心較大,當(dāng)鋼爪與炭碗壁的間距小于10 mm時(shí),磷生鐵水就很難通過(guò)并形成斷層,從而降低鐵-炭連接強(qiáng)度,增大鐵-炭接觸電阻,易造成脫極;同一鋼爪中的四個(gè)爪頭出現(xiàn)高低不平,出現(xiàn)鋼爪未坐實(shí),插入炭碗內(nèi)的深度不夠或傾斜組裝等異常情況,導(dǎo)致各爪頭導(dǎo)電不均勻,造成脫極。

圖5 鋼爪變形類型圖

圖6 受侵蝕變細(xì)的鋼爪

使用過(guò)的鋼爪表面都會(huì)附著有一層Fe-C氧化物,該氧化物質(zhì)地堅(jiān)硬,導(dǎo)電性較差,再次使用前應(yīng)徹底清除掉,如清理不徹底或未清除,則會(huì)增大鐵-鋼之間接觸電阻,易導(dǎo)致陽(yáng)極炭塊因過(guò)熱脫極。

1.3 澆鑄質(zhì)量差

為了使磷鐵環(huán)易于從鋼爪上剝離,循環(huán)使用的鋼爪在清理和校正后要涂抹石墨,涂石墨的鋼爪要經(jīng)過(guò)烘干出來(lái)再送到磷生鐵澆鑄站澆鑄。如鋼爪涂石墨漿后未完全烘干,倒入的高溫鐵水會(huì)引起鋼爪上殘留的石墨粉稀釋劑燃燒,燃燒產(chǎn)生的氣體使爪頭與炭碗之間形成空穴,導(dǎo)致鐵-炭接觸電阻增大,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致脫極。

鐵水澆鑄不飽滿(圖7),垂直方向深度不夠,炭碗上臺(tái)未覆蓋磷鐵,磷鐵環(huán)與炭碗之間的垂直縮縫直接暴露在外,導(dǎo)致雜質(zhì)進(jìn)入到鐵炭之間的縫隙內(nèi),形成不導(dǎo)電層,增大了接觸電阻;鐵水澆鑄溫度未達(dá)到1350 ℃,造成鐵水流動(dòng)性較差,澆鑄時(shí)在炭碗與鋼爪間形成斷層(圖8),都易引起陽(yáng)極鋼爪過(guò)熱,導(dǎo)致陽(yáng)極脫極。

圖7 鐵水澆鑄不飽滿

圖8 鐵水澆鑄斷層

圖9 澆鑄合格的磷鐵

磷生鐵澆鑄前打渣不徹底,磷鐵中夾雜的炭?；驙t渣未完全撈凈,循環(huán)使用后形成夾渣。夾渣的出現(xiàn),增大了磷鐵電阻,易導(dǎo)致陽(yáng)極脫極。

1.4 磷生鐵配比不合理

磷生鐵主要是用來(lái)連接鋼爪和炭塊,并起導(dǎo)電作用,要求壓降低、澆鑄溫度高、流動(dòng)性好、澆口飽滿平滑不產(chǎn)生裂紋、具有冷脆性易壓脫回收等性能。磷生鐵除鐵外主要含有 C、Si、P、Mn、S五大元素,而且這五大元素的配比是有嚴(yán)格要求的,如果出現(xiàn)配比不當(dāng),就會(huì)影響鋼爪與陽(yáng)極的澆鑄質(zhì)量。磷生鐵主要成分要求見(jiàn)表1。

表1 磷生鐵主要元素含量

磷生鐵需要循環(huán)使用,導(dǎo)致在反復(fù)高溫熔化過(guò)程中C、Si、Mn元素不斷燒損,P、S兩種元素不斷富集。由于澆鑄中對(duì)磷生鐵各元素的含量是有嚴(yán)格要求的,如果不及時(shí)對(duì)磷生鐵各種元素含量進(jìn)行及時(shí)調(diào)整,肯定會(huì)對(duì)陽(yáng)極的澆鑄質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

磷生鐵中碳含量偏低,導(dǎo)致石墨析出不足,鑄鐵冷卻后的收縮量變大,出現(xiàn)縮裂和縮縫, 縮裂造成磷鐵環(huán)與鋼爪抱緊力不夠,陽(yáng)極易脫落。文獻(xiàn)表明,在400～960 ℃范圍內(nèi)磷生鐵和鋼爪的線膨脹系數(shù)為(1.55～1.60)×10-5/K,陽(yáng)極線膨脹系數(shù)為(3.7～4.5)×10-6/K,磷生鐵與陽(yáng)極的線膨脹系數(shù)相差3倍以上。因碳含量下降導(dǎo)致的縮縫,會(huì)使鐵炭接觸電阻增大,壓降升高,迫使電流向臨極或其它壓降較低的陽(yáng)極集中,當(dāng)過(guò)大的電流集中到某一塊陽(yáng)極上,會(huì)在縮縫處會(huì)產(chǎn)生大量的熱,導(dǎo)致鐵炭粘結(jié)力下降,嚴(yán)重時(shí)引起陽(yáng)極炭塊脫落。這種因磷生鐵縮脹引起的陽(yáng)極脫極事故,一般多發(fā)生在換級(jí)后十天左右,這種情形下脫落的陽(yáng)極外形較完整,碎裂少(圖10)。

圖10 磷生鐵縮脹引起的脫極

硅含量偏低使磷生鐵收縮增大,鐵水流動(dòng)性能變差,澆鑄時(shí)易出現(xiàn)斷層,斷層處鐵炭之間發(fā)生斷路,鐵炭接觸強(qiáng)度降低、電阻增大,易出現(xiàn)陽(yáng)極炭塊過(guò)熱脫極事故。

硫元素為有害元素,應(yīng)盡量減少其含量。其含量偏高使鐵水流動(dòng)性變差、鑄鐵的膨脹系數(shù)降低。

錳元素可增加磷生鐵的收縮,可與硫反應(yīng)形成浮渣,具有脫硫作用。其含量過(guò)低,引起磷生鐵膨脹率過(guò)大,導(dǎo)致炭碗周圍出現(xiàn)較大的擴(kuò)張應(yīng)力使陽(yáng)極出現(xiàn)裂紋,甚至把炭碗脹破,導(dǎo)致陽(yáng)極碎裂后脫極。這種因磷生鐵膨脹量過(guò)大引起的陽(yáng)極脫極事故,一般多發(fā)生在換極前一周左右,這種情形下脫落的陽(yáng)極在炭碗處都有發(fā)散性裂紋或直接部分碎裂掉入槽中(圖11、圖12)。

圖11 磷鐵脹裂后的殘極

圖12 磷鐵脹裂后殘極底面

1.5 陽(yáng)極炭碗清理不凈

澆鑄前對(duì)炭碗清理不徹底,炭碗底部和側(cè)壁螺旋槽內(nèi)的炭渣未清理干凈,有灰塵或雜物;炭碗有水或受潮都會(huì)影響澆鑄質(zhì)量,使磷生鐵內(nèi)部不密實(shí)或有氣孔,導(dǎo)致強(qiáng)度和導(dǎo)電性較差,上槽后陽(yáng)極易出現(xiàn)過(guò)熱碎裂脫極(如圖13)。

圖13 底部受潮陽(yáng)極

2 預(yù)防及應(yīng)對(duì)措施

由于陽(yáng)極碎裂脫極事故對(duì)電解槽的穩(wěn)定生產(chǎn)危害性極大,因此日常管理中應(yīng)堅(jiān)持事前預(yù)防為主,事后處理為輔的處理原則。針對(duì)陽(yáng)極組裝澆鑄工序控制不嚴(yán)格導(dǎo)致的陽(yáng)極碎裂脫極事故,可采取以下預(yù)防措施:

(1)導(dǎo)桿彎曲不得使用,需校直,鋼爪頭燒損超1/3,2個(gè)以上不得使用;應(yīng)對(duì)循環(huán)使用的鋼爪進(jìn)行砂洗,以除去表面氧化層。

(2)組裝前要將炭碗內(nèi)的填充料及其他雜質(zhì)吸干凈,受潮陽(yáng)極不得組裝。

圖14 清理干凈的炭碗

(3)合理調(diào)整回爐鐵、新生鐵配比,磷生鐵成分要及時(shí)進(jìn)行檢測(cè),依據(jù)檢測(cè)結(jié)果及時(shí)對(duì)磷生鐵成分進(jìn)行調(diào)整;增加硅鐵回配量,提高Si、C含量,防止磷生鐵環(huán)產(chǎn)生縮脹裂紋;使用磷鐵添加劑、脫硫劑等材料降低S含量,防止晶間聚集,降低鐵環(huán)熱裂現(xiàn)象和磷鐵環(huán)收縮率過(guò)大。

(4)組裝前爪頭刷石墨的高度不低于120 mm,并確保石墨完全烘干后再進(jìn)行澆鑄;澆鑄前對(duì)鋼爪進(jìn)行充分預(yù)熱至100～250 ℃,以降低澆鑄溫差; 鐵水澆鑄前添加打渣劑,提高打渣質(zhì)量。

(5)澆鑄時(shí)要保證炭塊底掌在一個(gè)水平面上,導(dǎo)桿保持垂直;鐵水出爐溫度不低于1400 ℃,澆鑄溫度不低于1300 ℃;炭碗內(nèi)的鐵水要飽滿,鐵水要高出炭碗上面5 mm左右。

3 案例分析

案例一:2007年?yáng)|北某鋁廠電解二車間240 kA槽型,發(fā)現(xiàn)更換陽(yáng)極時(shí)待換陽(yáng)極出現(xiàn)裂紋,碎裂后脫極(圖15、圖16)。裂紋大多集中在鋼爪周圍,裂紋呈發(fā)散狀向四周延伸,而且不斷的向鋼爪底部擴(kuò)展,并且裂紋多發(fā)生在陽(yáng)極使用后期(距換極周期還有2～3天時(shí)),嚴(yán)重的還出現(xiàn)了陽(yáng)極掉入槽中的現(xiàn)象。裂紋多以炭碗為中心、裂紋多且細(xì),炭碗底部陽(yáng)極碎裂,與之供貨的五家陽(yáng)極都有這種現(xiàn)象發(fā)生,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)某一家特別嚴(yán)重。

圖15 事故現(xiàn)場(chǎng)殘極1

圖16 事故現(xiàn)場(chǎng)殘極2

事后分析認(rèn)定:磷生鐵中Mn含量過(guò)低、S含量過(guò)高導(dǎo)致磷鐵熱膨脹系數(shù)大于炭陽(yáng)極的熱膨脹系數(shù),使用到后期引起炭碗脹裂所致。

案例二:2010年河南某鋁廠,電解槽出現(xiàn)大面積的陽(yáng)極脫落事故,最后導(dǎo)致多臺(tái)電解槽停槽大修(圖17)。

圖17 脫極電解槽

事后分析認(rèn)定:導(dǎo)桿與鋼爪連接的爆炸焊焊接質(zhì)量不牢,焊縫不均勻,有空隙和夾渣,導(dǎo)致部分導(dǎo)桿開焊,再加上現(xiàn)場(chǎng)電解工人對(duì)應(yīng)急狀況處理經(jīng)驗(yàn)不足,處理不及時(shí),最終導(dǎo)致多臺(tái)電解槽被迫停槽。

案例三:2018年山東某鋁廠電解車間發(fā)生多組陽(yáng)極在使用7～11天后掉入電解槽中,脫極部位都集中在鋼爪炭碗的結(jié)合處,炭碗周圍無(wú)裂紋和其他損傷(圖18,圖19)。

圖18 脫落的陽(yáng)極

圖19 脫落陽(yáng)極的鋼爪

事后分析認(rèn)定:磷生鐵配比中C含量低或S含量偏高導(dǎo)致磷生鐵發(fā)生縮脹,或者澆鑄中炭碗清理不干凈等陽(yáng)極組裝和澆鑄工序的原因引起。

4 結(jié) 論

綜上所述,陽(yáng)極組裝澆鑄工藝控制不到位是引起陽(yáng)極在電解槽中碎裂脫極的主要原因,為避免此類事故的發(fā)生,陽(yáng)極組裝澆鑄工序應(yīng)做好以下工作:

(1)保證鋁導(dǎo)桿和鋼爪的外形質(zhì)量,及時(shí)進(jìn)行校直處理;焊縫要均勻、飽滿無(wú)空隙;

(2)加強(qiáng)對(duì)磷生鐵配比的檢測(cè),使用脫硫劑減少硫含量;

(3)在石墨烘干和鋼爪預(yù)熱后再進(jìn)行澆鑄作業(yè),保證澆鑄質(zhì)量及澆鑄鐵水溫度;

(4)組裝前對(duì)炭碗進(jìn)行徹底清理,加強(qiáng)陽(yáng)極庫(kù)房管理,避免陽(yáng)極受潮。