電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)對(duì)槽壽命的影響

劉晉云

（中電投 寧夏能源鋁業(yè)公司 青銅峽鋁業(yè)股份有限公司 大修部）

電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)對(duì)槽壽命的影響

劉晉云

（中電投 寧夏能源鋁業(yè)公司 青銅峽鋁業(yè)股份有限公司 大修部）

從不同的方面對(duì)電解槽陰極內(nèi)襯壽命的影響因素進(jìn)行了分析與研究,指明了延長(zhǎng)鋁電解槽陰極內(nèi)襯壽命的途徑.

鋁電解槽是鋁電解生產(chǎn)的核心裝置,其壽命的長(zhǎng)短不僅與槽型、陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)、筑爐材料的質(zhì)量有關(guān),而且鋁電解槽的焙燒啟動(dòng)方法、正常生產(chǎn)的維護(hù)與管理以及操作制度等多方面因素對(duì)其均有影響.

1 鋁電解槽結(jié)構(gòu)分析

鋁電解槽是鋁電解生產(chǎn)的主體設(shè)備.目前為止鋁電解槽的陽極有所不同,但是陰極基本相同.電解槽的壽命取決于陰極,因此電解槽的壽命通常指的是陰極的壽命.鋁電解槽陰極由電解槽槽殼、保溫材料、耐火材料和炭素內(nèi)村四部分組成.鋁電解槽陰極炭素材料包括陰極側(cè)部和底部?jī)刹糠?直接與電解質(zhì)和鋁液相接觸,是鋁電解槽的關(guān)鍵部位,這不僅是由于它是盛置熔融的鋁液和電解質(zhì)的容器,更為重要的它還作為一種導(dǎo)電裝置,使電流由陽極流向陰極母線.鋁電解槽的側(cè)部是由側(cè)部塊和扎固糊扎固而成,陰極底部由陰極炭塊組和縫間糊扎固而成為一個(gè)整體.陰極炭素內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)是否合理,材料的選擇以及砌筑質(zhì)量都將直接影響到電解槽的使用壽命.

鋁電解槽內(nèi)襯按區(qū)域分,可分為底部?jī)?nèi)襯和側(cè)部?jī)?nèi)襯.底部?jī)?nèi)襯從功能上講,起著支承陰極結(jié)構(gòu)和保溫的作用.側(cè)部?jī)?nèi)襯則主要起著保護(hù)鋼制金屬外殼面免受電解質(zhì)熔體的侵蝕的作用.由于電解質(zhì)的強(qiáng)烈腐蝕性,僅僅靠側(cè)部?jī)?nèi)襯材料尚不足以抵御電解質(zhì)的長(zhǎng)期侵蝕,因此,希望在側(cè)部?jī)?nèi)襯里側(cè)形成一層所謂的結(jié)殼,來保護(hù)側(cè)襯.從電解槽底部?jī)?nèi)襯的功能上講,希望底部?jī)?nèi)襯具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度,減小由于重力、內(nèi)應(yīng)力引起的壓縮變形.這樣,底部?jī)?nèi)襯要具有較高的容重抵御壓縮變形,同時(shí)希望底部?jī)?nèi)襯具有較好的保溫性能.這樣,底部?jī)?nèi)襯的容重應(yīng)盡量低.鑒于底部?jī)?nèi)襯的中溫度分布特點(diǎn)和對(duì)抗電解質(zhì)侵蝕的要求,內(nèi)襯層材料從上到下,一般容重依次降低,上層最高.結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn),對(duì)電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)的配置方式 （假定陰極下部?jī)?nèi)襯材料分布自上而下依次為第四、第三、第二和第一層）.

1.1 陰極炭塊下、環(huán)行耐火澆注料圈內(nèi)的底部?jī)?nèi)襯部分

（1）第四層應(yīng)采用搗實(shí)干式防滲料.干式防滲料作為一種新型散狀顆粒內(nèi)襯材料,其與電解質(zhì)反應(yīng)生產(chǎn)一種玻璃狀體可阻止電解質(zhì)向下的進(jìn)一步滲透.該搗實(shí)層搗實(shí)密度在 2.0 g/cm3左右,具有較高的容重,但低于黏土質(zhì)耐火磚 （2.2 g/cm3左右）.同時(shí),該搗實(shí)層的導(dǎo)熱系數(shù) （約為黏土質(zhì)耐火磚 1/3）遠(yuǎn)低于黏土質(zhì)耐火磚.這樣的材料特征既可以增強(qiáng)底部?jī)?nèi)襯的保溫,同時(shí)其為散狀顆粒狀態(tài),因此可以吸收陰極膨脹力,緩沖陰極向上的隆起力.另外,由于其較高的搗實(shí)密度,又可在一定程度上抵御陰極膨脹的內(nèi)壓力.搗實(shí)干式防滲料的這兩種特征兼顧了吸收陰極膨脹和抵御陰極膨脹的兩方面要求.

（2）第三層采用隔熱耐火磚.硅藻土質(zhì)隔熱耐火磚,導(dǎo)熱系數(shù)稍低于搗實(shí)干式防滲料,容重也低.該種材料價(jià)格低,可滿足該位置的保溫要求,目前國(guó)內(nèi)電解槽內(nèi)襯在此層多選用該材料.

（3）第二層采用保溫性能更高的、容重稍低于硅藻土質(zhì)隔熱耐火磚的陶瓷纖維 （硅酸鋁）隔熱板.該隔熱板導(dǎo)熱系數(shù)約為硅藻土質(zhì)隔熱耐火磚的 1/3,容重約為硅藻土質(zhì)隔熱耐火磚的 1～1/3倍,相對(duì)于耐高溫硅酸鈣板,導(dǎo)熱系數(shù)偏高,但容重大,耐高溫性能等同或高于硅酸鈣板.雖然陶瓷纖維 （硅酸鋁）隔熱板導(dǎo)熱系數(shù)略高于硅酸鈣板,但由于其容重大,抗壓縮能力強(qiáng),受壓縮后導(dǎo)熱性能變化小的緣故.

（4）第一層采用硅酸鈣板.硅酸鈣板容重低于陶瓷纖維隔熱板,但導(dǎo)熱系數(shù)約為陶瓷纖維隔熱板的 1/2.由于該層距離陰極最遠(yuǎn),又有上面 3層吸收陰極膨脹力,加之其低的導(dǎo)熱系數(shù),硅酸鈣板是該層的最佳選擇.同時(shí),這樣的內(nèi)襯結(jié)構(gòu),不僅當(dāng)量容重依次提高 （有利于熱平衡穩(wěn)定性）,更主要的是在內(nèi)襯中形成導(dǎo)熱系數(shù)逐漸下降、溫度梯度較為均勻的結(jié)果,使得內(nèi)襯各層共同負(fù)擔(dān)保溫作用,避免出現(xiàn)過高的溫度梯度.

1.2 陰極端頭、環(huán)行耐火澆注料圈以下的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)

該部分結(jié)構(gòu)應(yīng)具有為環(huán)行耐火澆注料的搗實(shí)提供堅(jiān)固底面、阻止電解質(zhì)滲透的功能,同時(shí)又要提供高的保溫效果.基于這種要求,該部分結(jié)構(gòu)又分為兩部分.靠近槽中心內(nèi)側(cè)部分,固體磚應(yīng)耐較高溫度并耐電解質(zhì)侵蝕,因此應(yīng)采用黏土質(zhì)耐火磚,或以干式防滲料為原料壓制成的磚塊.靠近槽殼部分,采用保溫性能好的硅藻土磚.

1.3 鋼棒端頭側(cè)下部保溫結(jié)構(gòu)

由于大型電解槽大面多采用船型結(jié)構(gòu),側(cè)下角的保溫層厚度相對(duì)減薄,這樣的變化對(duì)于陰極內(nèi)部的溫度分布、陰極壓降都產(chǎn)生很大影響.對(duì)于陰極中的溫度分布,希望溫度均勻,等溫線盡量水平,減小由于溫差引發(fā)的內(nèi)部應(yīng)力不均以及引起的鋼棒與炭塊之間的膨脹接觸力不均,影響接觸電阻率.同時(shí)希望陰極底部的溫度以及端頭底角位置都要高于 900℃.因?yàn)闈B入炭塊中的鈉與碳形成晶間化合物,該晶間化合物在高于 900℃條件下不穩(wěn)定,又分解為鈉和碳,不會(huì)對(duì)陰極產(chǎn)生膨脹破壞作用.同時(shí),在該溫度下,滲透至鋼棒位置的電解質(zhì)不會(huì)在鋼棒上沉積增大接觸電阻率.因此,該部位的保溫就非常重要.

1.4 陰極端頭、側(cè)部槽殼以內(nèi)部分

電解過程中陰極炭塊吸收電解質(zhì)產(chǎn)生膨脹,最終導(dǎo)致槽殼變形和炭塊中間隆起和折斷.這種觀點(diǎn)已被業(yè)內(nèi)人士普遍接受.在陰極端頭部位的處理方式上,多年來變化很小,一般都是采用耐火澆注料進(jìn)行搗固,或者在澆注料與槽殼之間墊一層磚,目的是利用磚的破損來吸收炭塊膨脹.然而,破損槽內(nèi)襯的剖析結(jié)果發(fā)現(xiàn),磚被壓碎后,在邊部形成很大的空洞,加速了內(nèi)襯破損.為緩沖炭塊膨脹,可在澆注料與槽殼之間加兩層耐火度高、受壓后有一定收縮度、與澆注料同高度的陶瓷纖維板.該纖維板有一定的抗壓強(qiáng)度,受力后收縮,但不會(huì)被壓碎,因此是緩沖膨脹的理想材料.

1.5 側(cè)部結(jié)構(gòu)

大型電解槽炭化硅結(jié)合氮化硅側(cè)塊表面內(nèi)表面加工出一些溝槽,不僅可以增強(qiáng)結(jié)殼與側(cè)塊的結(jié)合力,又可以增強(qiáng)邊糊與側(cè)塊的結(jié)合力,減小由于邊糊收縮而與側(cè)塊分層的幾率.

2 電解槽陰極內(nèi)襯破損分析

陰極炭素內(nèi)襯是電解槽的關(guān)鍵部分,電解槽的破損幾乎都是首先從炭素內(nèi)襯的破損所引起.陰極內(nèi)襯破壞主要以下三個(gè)方面:

2.1 炭縫裂開

炭縫炭塊之間裂紋極可能是焙燒啟動(dòng)后轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)的過程中產(chǎn)生的.焙燒到啟動(dòng)是一個(gè)升溫過程,通過計(jì)算可知,炭塊的受熱膨脹大于塊間縫糊的收縮,在炭縫與炭塊之間沒有形成裂縫的可能,但是啟動(dòng)后期到轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)是一個(gè)降溫過程,陰極塊的收縮是在所難免的,而炭縫糊雖然已經(jīng)過焦化,但仍然會(huì)收縮,至少不會(huì)產(chǎn)生膨脹用于彌補(bǔ)炭塊的收縮,因此在這個(gè)降溫過程中.炭縫與炭塊間形成裂縫是在所難免的,如果施工中,炭縫扎固的壓縮比達(dá)不到技術(shù)要求,更會(huì)加速這種裂紋的形成.

2.2 炭塊隆起

炭塊的隆起往往是后期產(chǎn)生的,在前期的生產(chǎn)中很少有陰極炭塊隆起的發(fā)生.陰極隆起有一個(gè)過程,在焙燒啟動(dòng)時(shí),電解質(zhì)不斷滲入炭素內(nèi)襯,一部分結(jié)晶,炭塊內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力,炭塊體積發(fā)生明顯的膨脹.這種應(yīng)力產(chǎn)生的膨脹會(huì)使炭塊變得酥松,炭縫與塊間的裂紋增大,電解質(zhì)和鋁液則由裂紋往下滲漏,當(dāng)滲漏到一定深度時(shí),溫度的變低使其凝固,電解槽技術(shù)條件的波動(dòng),則會(huì)使電解槽溫度產(chǎn)生波動(dòng).這種波動(dòng)將會(huì)使?jié)B入到裂縫里的電解質(zhì)和鋁液重新熔化和凝固,因此形成了一個(gè)凝固——熔化——再凝固的惡性循環(huán),每一次循環(huán),都會(huì)使電解質(zhì)和鋁液繼續(xù)往下滲漏,直至到陰極炭塊的底部,甚至進(jìn)入耐火磚和保溫材料層.當(dāng)電解質(zhì)與炭塊發(fā)生化學(xué)作用時(shí),炭塊由于吸收電解質(zhì)而被石墨化,其電導(dǎo)率將會(huì)增加,導(dǎo)熱性能也會(huì)增強(qiáng),更加劇了電解質(zhì)和鋁液的往下滲漏,這些滲漏物的增加以及對(duì)耐火磚的侵蝕,使炭塊向上隆起的速度加快,最終導(dǎo)致炭塊的破裂,陰極導(dǎo)電棒熔化,電解槽的破損,而無法生產(chǎn)被迫停槽.

2.3 形成沖蝕坑

所謂沖蝕是指槽底或側(cè)部上由于鋁液的沖刷作用而形成坑穴.沖蝕坑對(duì)工業(yè)電解槽危害極大,一旦沖蝕坑形成,則電解槽的電流效率降低,而且容易發(fā)生漏爐而被迫停槽.沖蝕坑的形成機(jī)理是:炭縫或炭塊中存在裂縫,槽內(nèi)鋁液在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生一種旋渦流,其中挾帶著氧化鋁沉淀物,氧化鋁具有很強(qiáng)的磨蝕性,當(dāng)這種旋渦流經(jīng)過裂紋的地方時(shí),便把裂紋磨大,進(jìn)而形成喇叭狀坑穴,坑穴面積越磨越大,深度越磨越深,所產(chǎn)生的旋渦流作用力越強(qiáng),最終結(jié)果是把陰極炭塊磨穿,導(dǎo)電棒便逐漸被溶在鋁液中,鋁中的鐵含量升高,當(dāng)鐵含量達(dá)到一定的高度時(shí)（1.5%～1.8%）,就會(huì)有漏槽的危險(xiǎn).

3 延長(zhǎng)鋁電解槽的壽命

要延長(zhǎng)電解槽的使用壽命,就必須選擇好的筑爐材料,完善和改進(jìn)筑爐工藝,除此之外,加強(qiáng)生產(chǎn)過程中對(duì)電解槽的維護(hù)也是不可缺少的重要一環(huán).加強(qiáng)電解槽的維護(hù),首先要做好鋁電解槽的焙燒啟動(dòng)工作,鋁電解槽焙燒的目的在于通過提高內(nèi)襯溫度至接近于運(yùn)行溫度,而不至于在內(nèi)村中形成非正常的溫度梯度.陰極內(nèi)襯的保溫性能要好,這是電解槽保持熱穩(wěn)定的前提條件,但對(duì)于側(cè)部要有較好的散熱條件,這是電解槽正常生產(chǎn)的器要.電解槽不同的部位有不同的要求,即保溫的合理性的體現(xiàn).

4 結(jié) 語

本文對(duì)電解槽結(jié)構(gòu)、早期破損的原因進(jìn)行了分析,確定影響電解槽陰極使用壽命的主要因素.對(duì)幾種筑爐料的特性進(jìn)行深入研究,目的在于應(yīng)用結(jié)構(gòu)上合理、性能優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)效益最佳、技術(shù)上可行的新的筑爐材料,使電解槽陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化.

A

1671-6620（2010）S1-0077-02