鋁電解槽內襯施工與破損相關問題分析

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摘要:鋁電解槽在生產過程中內襯破損導致電解槽從側部，鋼棒窗口，端部的部位滲漏電解質，嚴重時發生漏爐事故進而使其停槽。本文針對生產中出現的相關事例，探討如何從內襯施工工藝進行優化改進來進一步提高槽壽命。

關鍵詞:鋁電解槽;破損;優化

電解槽是電解鋁行業生產的核心設備，其內襯的材料選擇，施工工藝與質量，焙燒啟動和早期生產管理中電解質溫度不合理是影響電解槽壽命和技術指標的重要因素［1］。在鋁廠的實際生產過程中，高溫電解質及鋁液從側部、鋼棒窗口、端部滲漏嚴重時擊穿槽殼載體，是導致電解槽破損或停槽的重要因素［2］。因此，通過必要的施工工藝技術的優化來延長鋁電解槽使用周期對鋁電解生產來說非常重要。本文對實際生產中由于施工工藝導致電解槽內襯破損因素進行分析和探討，總結出了內襯施工工藝改進等相關技術措施。

1電解槽破損事例分析

停槽電解槽解剖分析發現:生產運行過程中鋁液通過從側部復合塊縫隙中滲入周邊，同時從糊料接縫中滲入;陰極炭塊組在周邊澆注體周圍開裂縫較多(見圖1);陰極炭塊組中部易橫向斷裂，斷裂截面上碳化鋁侵蝕嚴重且燕尾槽底部有鋁滲入;陰極扁鋼存在變形彎曲的現象(見圖2)。通過對現場上述事例進行分析，可能的原因如下:(1)搗固糊的分層破損現象較普遍，搗固后的糊料在焙燒中或啟動后期易開裂破損。如果糊料出現“濕糊”現象(粘結劑過多)，在搗固時會出現粘結劑和細粉骨料集中在表面層，焙燒時此表面層的收縮性不同于其它層，因而在糊層之間產生裂紋;如果糊料出現“干糊”(粘接劑過少)現象時，糊料中焦粒在搗固中被壓碎，表面層上的細粒骨料增多，骨料表面積增大，搗固層之間的粘結受到影響，形成糊料層與層之間的薄弱層。在電解生產過程中容易出現裂縫、解體或形成滲漏通道。(2)施工過程中，搗固人員由于搗固次數未達標從而造成糊料壓縮比過低，出現“欠搗”現象，從而導致后期啟動過程中出現飄糊，造成鋁液滲透后沖刷糊料本體出現分層的現象;另一種是由于搗固人員施工次數過多，從而造成搗固壓縮比過大，出現“過搗”現象，糊料出現翻漿，從而導致糊料的層與層之間連接分層，造成后期啟動或生產過程中鋁液滲入，出現分層。(3)槽周邊側部采用復合塊(碳化硅與炭素材料復合體)砌筑，角部炭塊為炭素材料，砌筑時與相鄰側部復合塊產生的立縫與炭間縫形成隱蔽垂直接縫(見圖3)。由此清晰可見，該區間在槽內邊角處遭受電解質及鋁液長時間侵蝕沖刷較其它位置相對嚴重，因而易發生電解質與鋁液滲漏。統計顯示，鋼棒窗口漏爐容易產生在如圖3的垂直接縫位置，如進出電側第二根、第四十七根處鋼棒的側部，發生滲漏的比例占滲漏槽37%。這說明，垂直隱蔽縫隙可能是該問題的直接原因。同時漏爐時常常將電解槽陰極軟帶沖斷，槽周陰極母線損傷，從而造成電解槽導電不均勻造成過早停槽。(4)電解槽在運行期間，槽殼兩端頭及側部窗口位置滲漏較為頻繁。內襯清理中發現周邊縫與炭間縫結合處有鋁滲入現象。具體表現在:傳統的扎固方式需在槽內兩端頭扎固糊料層之間每層預留接茬;需要安裝模具封堵炭間縫進行扎固，需要在與糊料接觸的表面噴涂煤焦油;由于煤焦油粘接特性與糊料本體所采用的粘結劑有一定的差異，因此該工藝的實施，存在電解質及鋁液滲漏的風險，對內襯組織結構、爐膛整體完好性及電解槽壽命均存在不同程度隱患。(5)陰極炭塊與澆注料液體粘連后，陰極炭塊接觸面會吸收澆注體內未蒸發的水分，電解槽焙燒時此部分水分逸出，易于滲入陰極炭塊內部。焙燒啟動過程中，隨著此部分水氣的排除，可能會產生電解質或鋁水的滲漏通道，造成側部早期破損，嚴重時停槽。(6)陰極炭塊周邊澆注料施工環節，由于施工單位使用水溫度未精細控制在4～27℃，同時施工用水存在雜質，造成施工質量缺陷。另外由于施工過程中用水量控制不均衡，用水過少，造成施工性大打折扣。用水過少，會出現澆注料分層，用水過多造成澆筑料離析。從而導致澆注料強度不能滿足設計要求，電解槽啟動和生產過程可能會導致滲漏。

2內襯施工工藝優化分析

(1)砌筑材料的理化指標設計對改善內襯水平電流的分布、導熱性能及熱膨脹應力至關重要。氮化硅結合碳化硅在300～1000℃時熱膨脹系數及導熱率低于炭素材料，抗沖刷性能優于炭素材料。因此，在角部選用氮化硅材料沿槽殼一角邊緣中心點將角部側塊定位后，將角塊復合塊按電解槽長側方向靠緊砌穩。然后沿小面方向順序砌筑，這種砌筑方法可優化內襯砌筑質量，特別是有助于減少隱蔽垂直縫隙。此外，在施工現場采用側磚和異型塊粘接較整體側部粘接復合磚有利于提高砌筑質量，將砌筑過程產生的累計誤差延伸到末端，解決了整體粘接復合塊在砌筑過程中，受到碳氮化硅粘接碳化硅與炭素材料異型塊部分相互牽制影響而產生接縫過大可能導致滲漏的隱患。同時角部選用氮化硅粘接碳化硅材質能有效提高角部抗腐蝕沖刷的能力與保溫性能。與傳統采用炭素材料異型塊相比，有利于解決電解槽角部容易發涼導致結殼及堆積沉淀，從而影響角部陽極工作等問題。(2)冷搗糊施工溫度變化相對較小，可有效利用這一特性，采用無接茬循環搗固方式，有效壓縮了施工周期時間。由原來接縫扎固近5個小時的時間壓縮至2個小時，同時通過無接茬循環扎固，不再二次吹風，節約了資源，有效預防粉塵污染，大幅提高了施工質量，改善了施工環境，提高搗固質量，預防后期糊搗體在焙燒啟動過程中出現的分層破裂，減少滲漏事故及伸腿脫落事故的發生。(3)通過優化內襯結構，將周圍糊打到底，以吸收炭塊因鈉膨脹產生的應力，同時能夠緩沖后期焙燒過程中陰極炭塊熱膨脹產生的應力釋放，防止澆注料直接和炭塊接觸誘發破損裂紋的產生，對延緩內襯破損，保護爐膛整體完整性得到一定改善。(4)改進搗固工藝，將炭間縫與周邊縫整體搗打，消除了因先搗固陰極炭塊中縫后搗固陰極炭塊周邊預留磨具固定的接口產生的垂直通縫。為預防在接茬處發生滲漏起到了良好的實用效果。(5)施工搗固控制，對比密度表格(見圖4)看搗實密度是否在合格的范圍內，對扎固質量來說至關重要。搗固密度與溫度密不可分，合理控制溫度和搗固次數成為關鍵因素，見圖4。(6)增加陰極鋼窗口再密封的工序。不僅能防止危害生態環境的氟化物通過窗口排除，還能有效預防外界空氣通過未封閉的外側鋼窗口進入電解槽陰極內襯，從而造成陰極炭塊和側部復合塊加速氧化現象發生，縮短陰極炭塊服役壽命。(7)增加電解槽周邊側部復合塊與背縫氧化鋁填充施工工序，確保側部復合塊與槽殼緊密接觸，阻斷電解質或鋁液的滲漏通道的形成，有效形成一道物理保護層，確保電解槽后期啟動平穩。

3小結

通過對電解槽內襯在實際生產過程中出現滲漏等問題進行了分析。通過分析可以看出，品質優良的內襯材料，嚴格按照規程的筑爐施工是延長電解槽壽命的重要因素。通過對施工工藝和材料的環節的不斷改進，有助于進一步延長槽壽命和提高電解系列技術經濟指標。

參考文獻:

［1］邱竹賢．鋁電解［M］．北京:冶金工業出版社，2005．

［2］文義博，成庚．500kA大型鋁電解槽生產技術管理與病事槽處理［M］．北京:冶金工業出版社，2017．

作者：李元山 徐興超 單位：酒鋼集團甘肅東興鋁業有限公司