電解槽底部破損與應(yīng)對(duì)

郭福寶，賈曉剛

（山西兆豐鋁電有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045200）

鋁電解槽是在900℃以上高溫的熔鹽狀態(tài)下工作的設(shè)備，它的陰極內(nèi)襯長(zhǎng)期受到鋁液和電解質(zhì)的侵蝕，由于侵蝕所產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)使槽體變形和內(nèi)襯破損，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致電解槽停槽大修。電解槽大修需要耗費(fèi)大量的人工和費(fèi)用，從降低成本和增加產(chǎn)量的角度出發(fā)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)生產(chǎn)期間對(duì)電解槽的日常維護(hù)，減少電解槽的破損。而當(dāng)電解槽出現(xiàn)初期破損時(shí)，如何及早發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行成功修補(bǔ)，是電解生產(chǎn)中十分重要的一項(xiàng)工作。

1 電解槽破損的現(xiàn)象、原因及機(jī)理

1.1 破損現(xiàn)象

在電解槽停槽清理內(nèi)襯時(shí)，可以看到底部破損的情況：陰極炭塊發(fā)生變形，膨脹隆起、有沖蝕坑、橫向或縱向斷裂；炭塊之間的扎固糊發(fā)生裂紋造成炭縫之間有碳化鋁、電解質(zhì)和鋁等固體；炭塊與鋼棒的交界面上有凝固的鋁和電解質(zhì)，部分鋼棒被鋁液熔化，生成鐵鋁合金；炭塊下面有凝固的電解質(zhì)、鋁、鋁鐵合金，嚴(yán)重時(shí)耐火磚、防滲料、炭塊與沉積物熔鑄在一起，形成較大的結(jié)塊。

1.2 破損原因

電解槽發(fā)生破損的根本原因是電解槽在高溫鋁液和電解質(zhì)的侵蝕下，陰極炭塊出現(xiàn)沖蝕坑或者裂縫，鋁液從沖蝕坑或者裂縫中進(jìn)入陰極炭塊，造成炭塊變形隆起上抬，嚴(yán)重時(shí)造成炭塊斷裂和陰極鋼棒熔化[1]。

1.3 破損機(jī)理

電解生產(chǎn)中陰極炭塊是不消耗的，但它長(zhǎng)期與高溫電解質(zhì)和鋁液接觸，不可避免的會(huì)受到侵蝕和滲透，并最終演變?yōu)槠茡p，主要表現(xiàn)在以下三種情況。

（1）炭間縫裂開(kāi)。炭間縫是指兩組陰極炭塊之間用炭間糊搗實(shí)的接縫。炭間縫的破損通常表現(xiàn)為炭間糊搗實(shí)體在炭塊界面上產(chǎn)生裂縫或者其本身破裂，以至鋁液和電解質(zhì)從裂縫中進(jìn)入炭間縫，逐漸朝下滲透。

炭間縫裂開(kāi)通常發(fā)生在焙燒期間，在焙燒過(guò)程中，炭糊中的揮發(fā)分急劇排出，遺留下許多微細(xì)氣孔，同時(shí)炭間糊本身的收縮(收縮率約為3%)，使其在炭塊界面上產(chǎn)生裂紋。啟動(dòng)后，陰極析出的鈉滲透到炭間糊里面，并且生成碳鈉化合物，使炭間縫疏松破碎，從而使炭間糊和炭塊界面上的裂縫更加擴(kuò)大。

根據(jù)碳鈉化合物在低溫下穩(wěn)定、高溫下分解的特點(diǎn)，在電解槽焙燒啟動(dòng)期間，保持較高的焙燒溫度（接近啟動(dòng)時(shí)灌入電解質(zhì)的溫度），能有效避免電解槽早期的破損[2]。

（2）陰極炭塊斷裂。常見(jiàn)炭塊斷裂現(xiàn)象是沿著電解槽長(zhǎng)度方向形成一條或幾條大裂縫，鋁液和電解質(zhì)沿裂縫穿透炭塊，將鋼棒融化，形成鋁鐵合金。嚴(yán)重時(shí)穿透耐火磚層，直至槽底鋼板。

造成陰極炭塊斷裂的主要原因是炭塊質(zhì)量不好及焙燒啟動(dòng)期間受熱不均勻。

（3）陰極炭塊隆起。在電解生產(chǎn)中，槽內(nèi)熔融體慢慢地滲入到炭塊之中，鈉、電解質(zhì)和鋁液與炭素生成的炭鈉化合物和碳化鋁會(huì)引起炭塊疏松和體積膨脹，使陰極炭塊向上隆起。熔融體在填充完裂縫和裂紋后，繼續(xù)往深部侵蝕和滲透，當(dāng)侵入到炭塊下面時(shí)，與耐火磚反應(yīng)生成鋁硅酸鹽(Na2O·Al2O3·2SO2)，使耐火磚體積膨脹，形成被稱為“灰白層”的沉積物。

（4）陰極炭塊的沖蝕坑。沖蝕坑穴是陰極炭塊受沖刷作用而形成的?？友ǖ谋砻嫔夏サ煤芄饣?，有旋轉(zhuǎn)沖刷的痕跡并覆蓋著一層白色的氧化鋁。其形成的主要機(jī)理是：①在扎固炭縫表面或炭塊表面存在著一些裂縫或凹凸不平。②鋁液在磁場(chǎng)的作用下會(huì)在裂縫中產(chǎn)生一種局部漩渦，其中挾帶著懸浮著的氧化鋁沉淀物。③氧化鋁在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下具有很大的沖刷作用，會(huì)將裂紋越磨越大、越磨越深，最終形成坑穴。

2 電解槽破損的表現(xiàn)

（1）硅鐵含量上升。電解槽在正常生產(chǎn)期，鋁液中的鐵含量比較穩(wěn)定，當(dāng)鐵含量突然上升時(shí)，就要分析產(chǎn)生的原因。如果是陽(yáng)極化爪或者打殼錘頭、鐵工具等融化，這種情況經(jīng)過(guò)幾次出鋁就會(huì)緩慢下降。如果排除上述原因，鋁液中鐵含量仍然持續(xù)高于0.15%，并且每天升高，而硅含量也隨之上升時(shí)，就初步判斷是電解槽出現(xiàn)破損。

（2）槽體溫度異常。當(dāng)某組陰極炭塊出現(xiàn)破損，形成鋁液通道時(shí)，破損部位電流集中，導(dǎo)致陰極鋼棒電流密度升高，棒頭產(chǎn)生的熱量明顯增多，使陰極鋼棒溫度升高。破損炭塊的對(duì)應(yīng)側(cè)部鋼棒和底部鋼板溫度一般也會(huì)隨之升高。

（3）陰極炭塊有裂縫或沖蝕坑。在換極等工序?qū)t底進(jìn)行檢查時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)陰極炭塊有裂縫或沖蝕坑，則此處陰極炭塊有很大可能出現(xiàn)破損。

3 如何確定破損部位

（1）換極時(shí)認(rèn)真摸排爐底，用大鉤仔細(xì)的在爐底勾探，將有坑或者有縫的部位記錄下來(lái)，并判斷破損部位的長(zhǎng)度、寬度和深度。破損部位鋁液和鋼棒直接接觸，電阻小，通電多，溫度也高，所以鉤尖插入這里拔出后，一般會(huì)有發(fā)白冒白煙現(xiàn)象。

（2）測(cè)量溫度。用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量爐幫、鋼棒頭、底板溫度，要反復(fù)測(cè)量幾次，減少誤差。以300KA電解槽為例，一般底部鋼板溫度高于120℃，鋼棒頭溫度高于正常值40℃，側(cè)部鋼板溫度高于正常值50℃，則可以初步判斷此處對(duì)應(yīng)的陰極炭塊存在異常。

（3）測(cè)量壓降。①爐底壓降。陰極出現(xiàn)較嚴(yán)重的破損后，此處陰極的爐底壓降與正常陰極相比存在差異，可以通過(guò)逐塊測(cè)量陰極的爐底壓降，對(duì)比分析測(cè)得的數(shù)值，找出破損部位。②陰極鋼棒小母線壓降。正常生產(chǎn)的電解槽，各陰極鋼棒小母線的等距壓降基本是相同的，出現(xiàn)破損時(shí)，由于爐底形成鋁液的通道，使該處局部電阻減少，通過(guò)的電流增大，導(dǎo)致陰極小母線的等距壓降提高。通過(guò)測(cè)量陰極鋼棒與大母線之間鋁軟帶的等距離壓降，壓降明顯升高的，可以初步判斷該鋼棒周圍有破損跡象。

4 電解槽破損部位的修補(bǔ)

在確定了破損部位后，要在最短的時(shí)間內(nèi)組織人力去修補(bǔ)。

（1）修補(bǔ)材料的選擇。修補(bǔ)材料通常用鎂砂、氟化鈣和氧化鋁，因?yàn)殒V、鈣的電位順序在鋁之前，融入電解質(zhì)中不會(huì)在陰極析出，也不會(huì)影響電解生產(chǎn)和原鋁質(zhì)量。并且鎂、鈣材料密度大，容易沉在爐底，融化或者半融化時(shí)能以粘稠狀態(tài)填充在破損部位的陰極炭塊上，阻止鋁液向陰極內(nèi)部的滲漏，從而達(dá)到修補(bǔ)陰極、延長(zhǎng)槽壽命的目的[3]。

（2）預(yù)制鎂砂餅。鎂砂餅就是用鋁做皮鎂砂做餡的“餅”。鎂砂餅形狀大小可以根據(jù)破損部位確定，面積要大于電解槽破損處面積，我公司多用800mm×500mm×300mm的尺寸。

（3）修補(bǔ)方法。①破損部位位于陰極炭塊中部。修補(bǔ)時(shí)將破損位置對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極拔出，將鎂砂餅放置在漏鏟上（如果鎂砂餅太重，可用天車輔助），上面用大鉤壓住，緩慢送到破損位置上方，將鎂砂餅慢慢放入電解質(zhì)中，使其沉到破損處。用大鉤檢查是否蓋住破損處，如位置不準(zhǔn)要用大鉤進(jìn)行調(diào)整，直至完全覆蓋在破損處為止。②破損部位位于陰極炭塊邊部，靠近伸腿部位。修補(bǔ)時(shí)先將破損部位對(duì)應(yīng)的殼面用天車打開(kāi)，然后用面積合適的鋼板做擋板，擋在側(cè)部炭塊與陽(yáng)極之間，加入鎂砂、氟化鈣、氧化鋁、殼面塊的混合物，并迅速用用鐓子砸實(shí)，最后蓋好保溫料。

（4）修補(bǔ)效果的判斷。修補(bǔ)后第二天取樣化驗(yàn)，如果硅鐵含量不再上升，并且在接下來(lái)的幾天呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明修補(bǔ)效果較好。連續(xù)分析觀察數(shù)日，直至含鐵量逐步下降至接近正常水平，證明破損處已經(jīng)完全補(bǔ)住。

5 修補(bǔ)后的日常管理

成功修補(bǔ)后，可以延長(zhǎng)電解槽使用壽命，生產(chǎn)出合格的鋁液，有的還能完成較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。為了達(dá)到好的效果，在日常生產(chǎn)中務(wù)必要做好以下工作：

（1）保證電解槽平穩(wěn)運(yùn)行。匹配合理的技術(shù)條件，細(xì)化日常管理，狠抓操作質(zhì)量，保持槽況穩(wěn)定。

（2）零效應(yīng)管理。盡量避免發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)，因?yàn)樾?yīng)發(fā)生時(shí)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，可能會(huì)造成破損處填補(bǔ)材料融化，出現(xiàn)二次破損。

（3）保持較低的爐底溫度。適當(dāng)降低設(shè)定電壓，提高鋁水平，保持較低的電解質(zhì)溫度和過(guò)熱度，進(jìn)而達(dá)到降低爐底溫度的目的。

（4）減少對(duì)破損部位的干擾。換極時(shí)不要用鐵工具觸碰破損部位，以免造成填充材料的破壞。

（5）加強(qiáng)日常監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作。日常生產(chǎn)時(shí)要對(duì)破損部位加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并做好數(shù)據(jù)的收集和統(tǒng)計(jì)工作，確保出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并及時(shí)采取措施。