300 kA預(yù)焙電解槽漏槽原因及預(yù)防措施

張衛(wèi)新，王躍琪，李明照

（1.山西華圣鋁業(yè)有限公司，山西永濟(jì) 044501；2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇蘇州 215011；3.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024）

300 kA預(yù)焙電解槽漏槽原因及預(yù)防措施

張衛(wèi)新1，3，王躍琪2，李明照3

（1.山西華圣鋁業(yè)有限公司，山西永濟(jì) 044501；2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇蘇州 215011；3.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024）

詳細(xì)介紹了某電解鋁廠300 kA大型預(yù)焙電解槽由于水平電流增大、爐底沉淀增多、爐幫消失導(dǎo)致的漏槽現(xiàn)象，分析了漏槽的原因，有水平電流、爐底沉淀、爐幫破壞，并針對原因提出預(yù)防電解槽漏槽的措施。

電解槽 漏槽 沉淀 爐幫破損 水平電流

漏槽是指電解槽在運(yùn)行期間因側(cè)部爐幫遭到破壞后電解質(zhì)、鋁液熔化槽殼后漏出或因電解槽爐底出現(xiàn)破損鋁液熔化陰極鋼棒后漏出的生產(chǎn)事故。前者被稱為側(cè)部漏槽，后者為底部漏槽。2014年，山西華圣鋁業(yè)有限公司（全文簡稱華圣鋁業(yè)）出現(xiàn)多起漏槽事故。

1 電解槽漏槽狀況

2014年，華圣鋁業(yè)一車間發(fā)生的兩次漏槽都是由散熱孔處鋁液電解質(zhì)外漏造成的。電解系列通電后，恢復(fù)較慢，效應(yīng)頻繁，漏槽事故直接造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

觀察電解槽側(cè)部爐幫破損的位置以及破損前爐幫的情況，如圖1所示。

破損發(fā)生在散熱孔處，距槽延板下方約10 cm伸腿上部側(cè)部炭塊消失的位置，外部槽殼鐵皮嚴(yán)重破損，熔化處有直徑大約29 cm的洞，破損前散熱孔溫度較高，達(dá)到450℃（見圖1-1）。

漏槽的電解槽存在嚴(yán)重的側(cè)部上抬的現(xiàn)象，上抬高度15 cm左右，有的直接消失掉落（見圖1-2）。

針對散熱孔溫度較高的位置，剖開側(cè)部，發(fā)現(xiàn)有大堆的鋁疙瘩，而且直接接觸到槽殼鐵皮（見圖1-3、圖1-4）。

漏槽前期，電解槽電壓擺較大，如圖2所示，散熱孔有多處超出400℃，并出現(xiàn)脫極現(xiàn)象。

漏槽是一起重大的生產(chǎn)事故，漏出的高溫電解質(zhì)和鋁水如果沖向槽周和爐底，致使沖壞陰極母線，電路短接，強(qiáng)電流致使的金屬燃燒、電解槽放炮、爆炸以及系列電流停電等事故，嚴(yán)重時會造成整個電解生產(chǎn)系列陷入癱瘓狀態(tài)，甚至造成人員傷亡，并可能由此造成二次事故的發(fā)生。

圖1 電解槽爐幫實(shí)圖

圖2 電解槽電壓

2 電解槽漏槽原因分析

2.1 水平電流

在電解槽的正常運(yùn)行當(dāng)中，電流通過陽極炭塊、電解質(zhì)、鋁液，由陰極鋼棒導(dǎo)出。在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，由于爐底沉淀的產(chǎn)生，電解槽中的電流并非理想垂直狀態(tài)，總會產(chǎn)生水平分量。

由于電解槽周圍存在垂直方向的磁場，水平電流切割磁場，產(chǎn)生力的作用；如果水平分量較大，將導(dǎo)致鋁液發(fā)生劇烈波動。鋁液鏡面不穩(wěn)定，極距發(fā)生變化，電流通過每組陽極電流大小不同，極容易出現(xiàn)脫極現(xiàn)象。與現(xiàn)場統(tǒng)計吻合，漏槽位置往往發(fā)生在脫極或者新?lián)Q極位置處。水平電流增加，也將導(dǎo)致電解質(zhì)與鋁液發(fā)生混合，氧化鋁無法正常溶解，并且生成爐底沉淀，阻礙電流在垂直方向通過爐底，可造成破損爐幫發(fā)紅、短路，形成漏槽事故。

2.2 爐底沉淀

在電解槽作業(yè)過程中，在加工間隔不合適、人為補(bǔ)加氧化鋁料過多或者封堵塌殼冒火方式不正確的情況下，都容易產(chǎn)生爐底沉淀，如圖3所示。氧化鋁在電解質(zhì)中溶解，遵守動力學(xué)傳輸原理。將冷的氧化鋁加入電解質(zhì)當(dāng)中，細(xì)散顆粒的外層會形成薄層凝固電解質(zhì)，如果氧化鋁經(jīng)過預(yù)熱未達(dá)到足夠的溫度使其溶解，氧化鋁就會連同電解質(zhì)結(jié)殼一同沉入爐底，形成沉淀[1]。同時，氧化鋁在緩慢的下降過程中，一方面吸熱，溫度達(dá)到電解質(zhì)溫度，一方面溶解到電解質(zhì)中，吸收熱量，可見氧化鋁的溶解過程是一個強(qiáng)烈的吸熱過程。根據(jù)計算，溶解1%的氧化鋁，電解質(zhì)的溫度會下降14℃，如果所需的熱全部由電解質(zhì)提供，大約有一半的熱量提供給加熱，另一半提供溶解所需的熱量。溶解的電解質(zhì)會造成周圍的溫度降低，進(jìn)而降低電解質(zhì)的溶解能力，容易形成沉淀。

圖3 電解槽內(nèi)示意圖

通過在生產(chǎn)中觀察發(fā)現(xiàn)，沉淀的產(chǎn)生與槽況的穩(wěn)定性息息相關(guān)。如圖4所示，圖4-1為電流通過的理想情況；產(chǎn)生沉淀后，如圖4-2所示，電流不能垂直通過陰極炭塊，產(chǎn)生水平方向的電流[2]。

沉淀過多，會造成槽底反熱，產(chǎn)生熱槽，溶解周圍爐幫，使其變薄，電解質(zhì)水平同時升高，容易出現(xiàn)上極面浸泡鋼爪現(xiàn)象。這種現(xiàn)象主要發(fā)生在低殘極，不僅造成原鋁質(zhì)量鐵含量升高，還會增加電解工調(diào)整電解質(zhì)水平的勞動量。爐幫中存在大量氧化鋁，爐幫融化后，會促使電解質(zhì)中的氧化鋁濃度升高，槽電阻發(fā)生改變，電壓上升，干擾微機(jī)誤判下料。爐幫變薄，存在水平電流發(fā)生短路的風(fēng)險，如圖4-3所示。沉淀過多，容易產(chǎn)生電壓擺，這時需要調(diào)高鋁水平，以穩(wěn)定槽況。如果側(cè)部爐幫破損，將是造成漏槽的隱患。

圖4 沉淀影響電流示意圖

2.3 爐幫破壞

爐幫破損、側(cè)部炭塊掉落或者是側(cè)部上抬，主要原因歸結(jié)為人為操作破壞和焙燒啟動時鈉滲入。

在換極操作過程中，在進(jìn)行天車換極前的開邊處理時，如果操作不當(dāng)，側(cè)部爐幫就會被打掉。側(cè)部上抬歸結(jié)為由于內(nèi)襯發(fā)生斷裂后電解質(zhì)進(jìn)入裂縫發(fā)生膨脹而產(chǎn)生的。在焙燒啟動期間，鈉滲入陰極及周圍爐幫，如果電壓降低較快，可導(dǎo)致爐幫斷裂。

鈉滲透形成的層間化合物CnNam將從微觀結(jié)構(gòu)降低炭素內(nèi)襯中骨料顆粒和黏結(jié)相的強(qiáng)度，破壞其結(jié)構(gòu)完整性。在電解運(yùn)行過程中這種受到破壞的炭素內(nèi)襯將更容易在其他因素作用下破損失效。當(dāng)在焙燒溫度不夠（溫度過低或溫度梯度過大）的情況下啟動電解槽，容易發(fā)生鈉的非均勻滲透并產(chǎn)生局部應(yīng)力，從而引起炭塊剝落。因?yàn)樵诶鋮s過程中，鈉滲透層的變形基本不可逆，而非滲透層的炭塊的熱膨脹因具有可逆性而發(fā)生收縮，如果在滲透前沿區(qū)域產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力超過材料強(qiáng)度時就會產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致炭塊整體剝落[3]。

在啟動期間以及日常維護(hù)當(dāng)中，當(dāng)側(cè)部加工時或在發(fā)生熱行程的電解槽上，爐幫比較容易消失[4]。爐幫消失后，容易使鋁液進(jìn)入內(nèi)襯位置，鏈接槽殼形成短路，造成散熱孔發(fā)紅或擊穿。從生產(chǎn)當(dāng)中可以了解到，散熱孔溫度較高（一般在400℃以上），剖開側(cè)部內(nèi)襯，總能發(fā)現(xiàn)有固體鋁片存在。

爐幫破損造成鋁液中鐵含量上升，含量高達(dá)0.3 kg/t，直接影響鋁液的銷售，并增加配鋁的困難。

3 預(yù)防電解槽漏槽的措施

3.1 降低爐底沉淀

3.1.1 禁止直接用氧化鋁封堵塌殼冒火

直接用氧化鋁封堵塌殼冒火是爐底產(chǎn)生沉淀的主要原因之一，所以應(yīng)減少塌殼產(chǎn)生。當(dāng)電解質(zhì)水平?jīng)]有得到及時調(diào)整，使得電解質(zhì)水平過高時容易產(chǎn)生塌殼，為減少因氧化鋁加入產(chǎn)生的沉淀，要注意以下幾點(diǎn)：

1）每周，車間對電解工進(jìn)行一次培訓(xùn)，從思想意識上了解直接封堵帶來的危害。

2）車間每周測量各工區(qū)兩個水平（電解質(zhì)水平和鋁水平），及時調(diào)整，提高電解質(zhì)水平合格率，使電解質(zhì)水平保持在18～21 cm。

3）認(rèn)真交接班，當(dāng)班問題當(dāng)班處理。

4）將低殘極、中縫的氧化鋁積料及時取出，防止其再次進(jìn)入槽中。

5）合理封堵塌殼冒火，先將殼面打塌，從新生成堅硬的殼面后，用電解質(zhì)料封堵。

3.1.2 控制手動加料次數(shù)

當(dāng)發(fā)生陽極效應(yīng)時，減少電解工人為加料次數(shù)，可避免因增加氧化鋁濃度、干擾微機(jī)自動調(diào)節(jié)而產(chǎn)生爐底沉淀。

首先，建立手動加料臺賬，細(xì)化日常加料次數(shù)，了解各工區(qū)加料數(shù)據(jù)變化；然后，工區(qū)長每天通過了解下料次數(shù)，調(diào)整電解槽加工間隔，早晚調(diào)整一次。

3.2 維護(hù)爐幫的完整性

3.2.1 規(guī)范天車開邊操作

統(tǒng)一天車工與電解工交流手勢，在每次換極操作時，大組長應(yīng)在旁邊進(jìn)行手勢指揮。開邊要求打入20 cm，間距10 cm，呈現(xiàn)U型方式開邊，避免打到爐幫。

3.2.2 控制槽溫

將電壓保持在3.85 V左右，將槽溫控制在920～940℃之間，防止有大的波動，要注意以下幾點(diǎn)：

1）每周，測量槽溫兩次，調(diào)整電壓，提高合格率。

2）維護(hù)電解槽密封性。及時關(guān)閉爐門，整齊擺放槽蓋板，在U型口增加密封布，用保溫布覆蓋電解槽AB面。

3）規(guī)范換極槽作，點(diǎn)擊換極按鈕，增加附加電壓。將換極時間控制在40以內(nèi)，10 min完成收邊任務(wù)，及時用槽蓋板蓋住電解槽并用密封布包裹。

3.3 減少水平電流

3.3.1 電解質(zhì)成分和水平的控制

電解質(zhì)成分影響導(dǎo)電能力以及氧化鋁的溶解能力，電解質(zhì)水平影響氧化鋁溶解量，可見電解質(zhì)起到維持槽溫的重要作用。在管理中，控制電解質(zhì)水平為18～21 cm、n(AlF3)∶n(NaF)在2.3～2.5之間、電壓在3.85 V左右，有利于溫度的穩(wěn)定和氧化鋁的溶解能力。在控制中，注意以下幾點(diǎn)：

1）每周測一次電解質(zhì)成分，如果存在不合格分子比，及時調(diào)整氟鹽量。

2）建立氟鹽臺賬，記錄每臺電解槽添加氟鹽次數(shù)以及添加周期，防止有電解槽漏加。

3）稱量每臺電解槽氟鹽下料量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)下料，及時排除設(shè)備故障。

4）早晚測一次電解質(zhì)水平，對于電解質(zhì)水平不合理的，當(dāng)班及時調(diào)整到位。

5）調(diào)整熱量平衡，根據(jù)電解質(zhì)流動狀態(tài)，添加爐面保溫料，保持電解槽密封保溫。

3.3.2 鋁水平的控制

鋁水平可以減弱電壓波動，減弱磁場對鋁液的作用力，同時還能增加散熱，利于形成規(guī)整爐膛，減少爐幫的溶解。鋁水平過高，容易產(chǎn)生沉淀，致使電流分布不均勻，造成局部過熱，導(dǎo)致與其他部位存在較大熱應(yīng)力，使內(nèi)襯破損[6]。漏槽位置發(fā)生在人造伸腿上部，而這部分內(nèi)襯材料往往容易斷裂腐蝕，鋁液容易滲入。人造伸腿的高度如圖5所示，實(shí)際測量為28 cm。

圖5 人造伸腿高度

車間每周測量兩次鋁水平，根據(jù)數(shù)據(jù)變動調(diào)整出鋁任務(wù)量，將出鋁控制在2.3 t，對于個別效率低的電解槽將出鋁量控制在2.1 t，將鋁水平保持在22～26 cm。

4 結(jié)論

1）通過對電解槽漏槽原因分析可知，爐底沉淀是增加水平電流的潛在原因，爐幫破壞是導(dǎo)致水平電流短路、熔化側(cè)部槽殼的直接原因。

2）防止漏槽事故的發(fā)生，主要通過槽體保溫、控制兩個水平來控制熱量平衡，并合理控制進(jìn)入電解質(zhì)中的氧化鋁濃度，可避免爐底沉淀的產(chǎn)生以及爐幫的破損。

[1]劉業(yè)翔，李劼.現(xiàn)代鋁電解[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008：217-219.

[2]王紹鵬，馬松堂.280 kA電解槽針振初探[J].輕金屬，2002（12）：31-34.

[3]任必軍，張建芬，王兆文，等.大型電解槽碳化硅側(cè)塊破損機(jī)理與爐幫形成的研究[C]//2007中國國際鋁冶金技術(shù)論壇，2007：576-583.

[4]李祥祺，胡金平，陳國強(qiáng)，等.大型預(yù)焙鋁電解槽側(cè)部破損的處理方法[J].中國有色冶金，2006（1）：11-12.

[5]黃繼勇，張虎，蘇寶峰.大型鋁電解槽側(cè)部破損原因分析及對策[J].有色冶金節(jié)能，2007，24（2）：24-26.

[6]劉建輝，艾自金.320 kA鋁電解槽早期破損原因及預(yù)防措施[J].有色金屬（冶煉部分），2012（8）：17-20.

（編輯：胡玉香）

Reasons for Leakage of 300 kA Prebaked Electrolytic Cell and Its Prevention Measures

ZHANG Weixin1，3,WANG Yueqi2,LI Mingzhao3
（1.Shanxi Huasheng Aluminium Co.,Ltd.,Yongji Shanxi 044501;2.Patent Examination Cooperation Jiangsu Canter of the Pantent office,SIPO,Suzhou Jiangsu;3.School of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Technology, Taiyuan Shanxi 030024）

This paper describes the leakage of an electrolytic aluminum factory’s 300 kA large prebaked cell,which is caused by the raise of its horizontal electric current,the increasing precipitation on the bottom,and the disappearance of the furnace wall.It analyses the reasons of leakage,including horizontal current,bottom sediment,damage of furnace wall,and puts forward the prevention measures for electrolytic leakage.

electrolytic cell,slot leakage,precipitation,damage of furnace wall,horizontal electric current

TF821

A

1672-1152（2016）06-0113-04

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.06.40

2016-11-03

張衛(wèi)新（1987—），男，助理工程師，冶金工程在職碩士研究生，山西華圣鋁業(yè)有限公司技術(shù)員。