雙鋼棒新式陰極節(jié)能電解槽二次啟動無邊部料焙燒方法初探

文勝毅

摘要：雙鋼棒新式陰極節(jié)能電解槽在停槽后啟動采用焦粒-石墨粉混合料焙燒，傳統(tǒng)的裝槽方式導(dǎo)致焙燒過程中部溫度過高，造成電解槽中部破損，邊部溫度偏低。文章通過對二次啟動雙鋼棒新式陰極電解槽裝槽方式采用邊部無填充料和減薄中部焙燒介質(zhì)替代傳統(tǒng)的填充料圍堰裝槽方式，實現(xiàn)了電解槽邊部得到充分焙燒，優(yōu)化了電解槽的焙燒效果。

關(guān)鍵詞：雙鋼棒新式陰極節(jié)能電解槽；無填充料；焙燒介質(zhì)；裝槽方式；焙燒效果 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TF821 文章編號：1009-2374（2015）25-0071-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.25.035

某企業(yè)電解鋁200kA系列預(yù)焙電解槽在推廣使用雙鋼棒新式陰極節(jié)能電解槽后，由于市場及企業(yè)用電價格偏高，在2014年年初被迫進行了系列停槽，由于外部條件的改善，2014年下半年對該系列進行復(fù)產(chǎn)。該系列212臺電解槽中存在有不同陰極類型的電解槽，在初期啟動過程中都使用傳統(tǒng)的邊部填充料圍堰方式進行裝槽焙燒，后發(fā)現(xiàn)雙鋼棒新式陰極節(jié)能槽啟動后電解槽異常溫度點較多，焙燒過程電解槽內(nèi)溫度分布十分不均勻。針對余下的19臺雙鋼棒新式陰極節(jié)能槽的二次啟動重新進行研討后決定在啟動過程中改變傳統(tǒng)的邊部填充料圍堰方式，使用無邊部料和減薄中部焙燒介質(zhì)的焙燒方法對此類電解槽進行焙燒啟動，以實現(xiàn)減少電解槽早期變形和破損，達到恢復(fù)生產(chǎn)后指標(biāo)優(yōu)化和延長槽壽命的

目的。

1 電解槽焙燒啟動情況比較

2014年8月前采用傳統(tǒng)的邊部填充料圍堰方式焙燒啟動和2014年8～10月使用無邊部料焙燒方法焙燒啟動，兩者之間在槽殼溫度及陰極鋼棒溫度上有較大的差異，通過使用無邊部料焙燒和減薄中部焙燒介質(zhì)方法焙燒的效果較好。具體差異情況對比見表1：

由表1可以看出，裝槽方式改變后焙燒啟動的溫度異常點明顯減少，無漏槽產(chǎn)生。

2 電解槽槽體溫度異常的原因

2.1 溫度升高時電解槽內(nèi)襯材料的變化

電解槽內(nèi)襯由炭素陰極、炭素邊部人造伸腿、硅質(zhì)保溫絕熱材料、氧化鋁防滲料、導(dǎo)電陰極鋼棒以及鋼質(zhì)外殼等材料組成，在溫度升高過程由于各種材質(zhì)的膨脹以及受到熱應(yīng)力作用的各種擠壓很容易導(dǎo)致內(nèi)襯材料的損壞。

由于電解槽內(nèi)襯表層以及高溫區(qū)域內(nèi)襯主要材質(zhì)為炭素材料，炭素材料的膨脹率與溫度的關(guān)系由式（1）計算得出。

以下是碳質(zhì)材料膨脹率與溫度的關(guān)系：

由式（1）可以看出碳質(zhì)材料的膨脹率與溫度變化梯度成線性影響關(guān)系，不同溫度的膨脹率是不同的。

碳質(zhì)材料的膨脹系數(shù)還與其方向有關(guān)，有各向異性特性，在同一溫度下垂直方向膨脹較大。表2為碳質(zhì)材料測量方向的膨脹率和一些金屬的膨脹率對比表。

所以在溫度不均的情況下，電解槽內(nèi)襯變形是很不均勻的，為減少這種變形的不均勻只有減少槽內(nèi)溫度分布的不均勻才能實現(xiàn)。

2.2 溫度升高時電解槽內(nèi)襯材料熱應(yīng)力的變化

由于電解槽內(nèi)內(nèi)襯材料安裝于固定的鋼質(zhì)槽殼內(nèi)，各預(yù)留伸縮空間是均勻分布的，當(dāng)局部溫度過高，此部位的膨脹過大，熱應(yīng)力也會更大，超過預(yù)留間隙，會導(dǎo)致溫度異常位置出現(xiàn)擠壓破損。

碳質(zhì)材料的熱應(yīng)力與膨脹系數(shù)存在如下關(guān)系：

R=Pλ/（α·E·cp·Dv） （2）

R?=λ·P/（α·E） （3）

式中：

R——抗熱震性指標(biāo)

R?——耐熱沖擊系數(shù)

P——抗拉強度，MPa

α——線形膨脹系數(shù)，1/℃

E——楊氏模量，MPa

λ——熱導(dǎo)率，W/（m·K）

cp——定壓比熱容，kJ/（kg·K）

Dv——體積密度，g/c

2.3 溫度升高時二次啟動雙鋼棒新式陰極節(jié)能電解槽的變化

采用焦粒-石墨粉混合料的焙燒方式中鋪設(shè)的焦粒-石墨粉混合料是焙燒槽產(chǎn)生的主要熱源之一，只要保證混合料均勻鋪設(shè)，陽極碳塊與混合料充分接觸，陰極表面的熱量就會均勻產(chǎn)生，除此之外，焙燒過程中陰極碳塊和陽極碳塊也作為發(fā)熱體產(chǎn)生熱量。雙鋼棒新式陰極節(jié)能電解槽通過陰極鋼棒的開縫抑制電流從槽邊部流通減少邊部陰極電流密度而增加槽中部電流密度，這導(dǎo)致了陰極本體產(chǎn)生熱源的不均衡，中部多、邊部少，為抑制此情況采取了減薄中部焙燒介質(zhì)降低發(fā)熱電阻實現(xiàn)縱切面各點發(fā)熱量均衡。

而人造伸腿、人造伸腿與陰極碳塊接觸面以及人造伸腿與邊部內(nèi)襯之間的接觸面上因為基本沒有電流通過，所以此部分溫度的上升主要通過焦粒-石墨粉混合料的焙燒介質(zhì)及陰、陽極產(chǎn)生的熱量通過對流、輻射、傳導(dǎo)使得側(cè)部人造伸腿得到充分的焙燒。傳統(tǒng)的裝槽方式在人造伸腿上填充電解質(zhì)和冰晶石等物質(zhì)后，達到人造伸腿的熱量被電解質(zhì)和空氣等不良導(dǎo)體隔阻，焙燒初期熱量獲取很大程度上通過填充的電解質(zhì)縫隙間對流傳遞，因此獲得的能量較少，溫度上升較慢，造成陰極碳塊與人造伸腿溫差較大，而通過無邊部料焙燒方法去除了熱源到達邊部的隔阻，使得溫度上升與熱源之間差異更小，降低了電解槽內(nèi)襯材質(zhì)的膨脹和熱應(yīng)力。

3 過程控制的比較

無邊部填充料和減薄中部焙燒介質(zhì)的裝槽方式（下簡稱為新型方式）與傳統(tǒng)裝槽方式過程差異對比如下：（1）新型方式焦粒-石墨粉混合料厚度中部混合料5mm，逐漸過渡到邊部的15mm，而傳統(tǒng)方式混合料厚度為均勻的10mm左右；（2）新型方式電解槽側(cè)部取消傳統(tǒng)裝槽時填充于人造伸腿之上的電解質(zhì)塊、碳酸鈉和冰晶石填充物，采取無填充料方式。側(cè)部人造伸腿采用鐵板或石棉板阻隔，避免熱量直接輻射，中間置空，在陽極中縫和側(cè)部用石棉板覆蓋，極上用冰晶石覆蓋，以減少散熱，啟動前將鋪設(shè)的鐵板或石棉板拆除，而傳統(tǒng)方式除了中間置空覆蓋鐵板外邊部按照冰晶石、堿、電解質(zhì)塊和再覆蓋冰晶石的裝料方式進行；（3）新型方式當(dāng)陰極表面溫度達到850℃以上時達到濕法啟動要求。將鋪設(shè)的鐵板或石棉板拆除后檢查人造伸腿在焙燒過程中發(fā)生的裂紋情況，若有則采取針對性處理措施，而傳統(tǒng)方式只拆除中縫鐵板，因為有填充料遮擋無法觀察邊部人造伸腿是否產(chǎn)生裂紋；（4）新型方式按要求灌入電解質(zhì)后，沿電解槽側(cè)部人造伸腿均勻添加一定量的氟化鈣和純堿，調(diào)整電解質(zhì)成分，而傳統(tǒng)方式不在此時調(diào)整電解質(zhì)成分；（5）焙燒啟動的效果對比看新型方式的焙燒升溫曲線比起傳統(tǒng)方式效果更好。焙燒升溫曲線見圖1所示（429#為新型方式焙燒槽，427#為傳統(tǒng)方式焙燒對比槽）：

4 不足之處

（1）由于電解槽邊部無填充料，用石棉板等覆蓋不夠嚴密，局部陽極有氧化現(xiàn)象；（2）啟動時需要的液體電解質(zhì)量較大，準(zhǔn)備液體電解質(zhì)難度大。

5 結(jié)語

經(jīng)過生產(chǎn)實踐，采用無邊部料和減薄中部焙燒介質(zhì)的焙燒方法對雙鋼棒新式陰極節(jié)能電解槽進行焙燒二次啟動后，未發(fā)生電解槽因焙燒啟動漏槽事故；電解槽槽殼及陰極鋼棒溫度異常狀況大幅度好轉(zhuǎn)，電解槽的焙燒取得較好的效果。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）