淺議鋁電解槽內(nèi)襯修理

裴作明，張劍戟，宋道輝，杜耀青

（萬基控股集團有限公司，河南 洛陽 471832）

近年來，隨著國民經(jīng)濟高速發(fā)展，中國電解鋁工業(yè)發(fā)展迅猛，鋁產(chǎn)能與產(chǎn)量不斷地增長，電解鋁技術(shù)快速發(fā)展。我國電解鋁技術(shù)從80年代到本世紀初，經(jīng)歷了多次“飛躍”，引進中間下料預焙槽技術(shù)，實現(xiàn)國內(nèi)電解槽技術(shù)逐步由自焙槽向預焙槽轉(zhuǎn)化，預焙陽極電解槽直流電流從160 kA提高到300 kA、350 kA乃至400 kA，半石墨陰極到全石墨陰極，電流效率、直流電耗、電解槽壽命等得到了大幅的提高。目前國內(nèi)對提高電效，增加電解槽壽命都有相關(guān)研究，文章僅討論石墨化陰極電解槽內(nèi)襯修理辦法。

1 石墨化電解槽常見的破損現(xiàn)象

1.1 陰極炭塊表面出現(xiàn)凹坑。

在靠近伸腿位置由于磁場作用帶動鋁液流動，尤其在立柱母線附近凹坑現(xiàn)象尤為突出，可能立柱附近疊加磁場，鋁液在此產(chǎn)生渦流加劇所致。

1.2 側(cè)部炭塊破損

側(cè)部炭塊材質(zhì)在19世紀為半石墨質(zhì)炭塊，這類材料致命的問題是抗氧化性差、抗沖刷性能差、抗化學侵蝕性能差。進入21世紀，氮化硅結(jié)合碳化硅被廣泛應(yīng)用于鋁電解槽，這類材料克服了半石墨質(zhì)炭塊的缺點，具有優(yōu)異的高溫力學性能和化學性能，不易被氧化，不與冰晶石溶液反映等特點，導熱性好，在電解槽內(nèi)部極易形成爐幫，電阻率高，減少水平電流。但在2017年大修期間發(fā)現(xiàn)部分電解槽內(nèi)襯四周保護伸腿的爐幫消失殆凈，側(cè)部炭塊中部出現(xiàn)凹槽狀破損，同時觀察到陰極炭塊表面覆蓋一層約50 mm厚質(zhì)地堅硬的沉淀物，后經(jīng)分析為電解槽的電解質(zhì)體系中Li、K含量較高所致，電解質(zhì)中Li、k總量8%~10%，如此高的Li、K含量會大幅降低槽溫及氧化鋁溶解性，造成爐底沉淀。加之中原地區(qū)氧化鋁多為粉狀或中間狀，不利于氧化鋁溶解和擴散，加重了爐底沉淀的形成。

1.3 隨著電解槽大型化

一些新型材料逐漸應(yīng)用在電解槽上，防滲料就是其中之一。防滲料位于陰極炭塊下方保溫層上方，其作用防止Na和NaF的蒸汽滲入保溫層中，導致熱導率增加，從而使電解槽熱效率降低，因為電解槽中陰極炭塊中縫是內(nèi)襯中的薄弱點，Na和NaF的蒸汽沿中縫滲入防滲料中，與其中的氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成玻璃體，隨著槽齡的增加，玻璃體數(shù)量不斷上升，體積不斷增大，由于炭塊壓在干式防滲料上面，這種化合物形成的膨脹力首先是向下的，擠壓著槽子的保溫層。當這種向下的膨脹力無法再繼續(xù)往下的時候，就會將壓在其上面的炭塊撐破。從刨槽圖片上可以清晰看到這種變化，防滲料厚度設(shè)計為390 mm，現(xiàn)為420~430 mm，保溫層設(shè)計為兩層保溫磚＋一層絕熱板＋一層石棉板，厚度205 mm，現(xiàn)在只有190 mm左右，顯示陰極鋼棒變形情況。

2 修理方法的判斷依據(jù)

目前半石墨炭塊陰極內(nèi)襯壽命在3~4年，石墨化陰極內(nèi)襯壽命在10年左右，截至到2017年底，萬基鋁業(yè)兩條石墨化陰極電解鋁生產(chǎn)線，2006年投產(chǎn)的300 kA還有30%仍在運行，2009年投產(chǎn)的400kA還有50%仍在運行。對于內(nèi)襯破損的電解槽，是把內(nèi)襯全部拆除還是進行局部更換，需要結(jié)合電解槽運行狀況、槽齡、陰極損壞狀況進行綜合分析。

2.1 修理方案的選擇

大修方案，按照項目建設(shè)初期設(shè)計單位提供的《筑爐規(guī)程》，電解鋁企業(yè)可自行準備材料，只要嚴格施工質(zhì)量把控，均可以較好的完成電解槽大修工作。

2.2 中修槽施工方案

（1）內(nèi)襯拆除。采用保護陰極炭塊的拆除辦法。拆除側(cè)部壓板，用風鎬拆除周圍糊至側(cè)部炭塊下部耐火磚（散熱槽型）或澆注料（保溫槽型）。拆除側(cè)部炭塊、周圍糊拆除直至露出陰極炭塊端部，清除周圍糊中夾雜的滲鋁等雜物。清理陰極炭塊上表面距端部50mm，上表面露出炭塊本色。

（2）砌側(cè)塊施工要求。側(cè)角部塊在槽四周耐火磚或澆注料上直接砌筑，沿槽殼四周緊貼槽殼。如耐火磚或澆注料有破損現(xiàn)象，可以用搗打料或重質(zhì)澆注料修補找平。

3 焙燒方案的選擇

目前，工業(yè)電解鋁有3種啟動方法，分別為：鋁液預熱法、焦粒焙燒法和燃料加熱法，其中鋁液預熱法因?qū)﹃帢O炭塊熱沖擊強烈，易引起陰極早期破損而逐漸淘汰。大修槽焙燒啟動與新建槽相似，但對于中修后的電解槽由于陰極表面被鋁液和電解質(zhì)的沉淀所覆蓋，為保護陰極表面不被損傷，清理工作極為困難。啟動時，難以保證較小的均勻的電阻，如采用焦粒焙燒啟動，對陽極炭塊抗氧化性能帶來極大的挑戰(zhàn)，可能在焙燒初期因電阻高導致陽極早期破損，從而埋下事故隱患。因此中修后的電解槽建議采用燃料加熱法焙燒啟動。

4 結(jié)語

鋁電解槽內(nèi)襯工程是一項復雜的系統(tǒng)過程，從方案選擇，材料選購、施工工藝到焙燒啟動，每一環(huán)節(jié)，都必須嚴格把控。由于初期投資高，近幾年來，國內(nèi)對全石墨陰極內(nèi)襯研究有些緩慢，近幾年來沒有新的內(nèi)襯材料應(yīng)用在生產(chǎn)中，比如內(nèi)襯材料壽命不匹配現(xiàn)象，常用的干式防滲料設(shè)計壽命只有6年，遠遠滿足不了全石墨陰極電解槽的需要；角部伸腿肥大現(xiàn)象，氮化硅結(jié)合碳化硅側(cè)部炭塊導熱性好，極易形成爐幫，但在角部也易導致伸腿肥大，影響電解槽生產(chǎn)。這就對從事鋁電解研究的技術(shù)人員和電解鋁生產(chǎn)的企業(yè)提出新的課題。