鋁電解槽槽殼變形的原因分析與校正

白衛(wèi)國，高寶堂，潘衛(wèi)平，曹永峰

（1.中國鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041；2.包頭鋁業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

鋁電解槽在連續(xù)生產(chǎn)一定時間后可能出現(xiàn)槽殼向外鼓出變形，搖籃架開焊斷裂以及電解槽出鋁和煙道兩端上翹等變形現(xiàn)象，嚴(yán)重破壞電解槽爐膛內(nèi)型，給電解槽指標(biāo)帶來不利影響，并且這種狀況在電解槽運行中很難修復(fù)，一直持續(xù)到停槽大修。

大修施工中我們檢查發(fā)現(xiàn)，槽壽命越長槽殼的變形量越大，電解槽在不同運行階段及不同位置發(fā)生槽殼變形的原因剖析非常重要。本文全面分析了電解槽在每個運行階段的變形原因，以及應(yīng)采取的預(yù)防措施，保障電解槽規(guī)整穩(wěn)定的爐膛內(nèi)型，獲得良好的運行指標(biāo)。同時在槽大修方面給出了槽殼校正評判標(biāo)準(zhǔn)及槽殼校正方法，可以為電解槽槽殼校正提供借鑒和參考。

1 槽殼變形原因分析

1.1 設(shè)計原因引起的變形

隨著鋁電解工業(yè)的發(fā)展，電解槽在設(shè)計上不斷進步，前期設(shè)計上的不足在后續(xù)的應(yīng)用中慢慢顯現(xiàn)出來。例如：早期設(shè)計的雙圍板電解槽（160kA槽型、200kA槽型），熔體區(qū)鋼窗口沒有安裝散熱片，空氣流動效果差，形成的爐幫薄厚不均，側(cè)壁鋼窗口溫度相差較大，溫度梯度產(chǎn)生的應(yīng)力引起電解槽長側(cè)板外鼓變形；電解槽槽殼不僅是盛內(nèi)襯的容器，而且還起著支承電解槽重量，克服內(nèi)襯材料在高溫下產(chǎn)生的熱應(yīng)力和化學(xué)應(yīng)力迫使槽殼變形的作用，所以槽殼必須具有較大的剛度和強度，而在某企業(yè)240kA系列電解槽長側(cè)板采用12mm厚的鋼板（通常設(shè)計鋼板厚度的16mm），由于鋼板的厚度變薄強度降低，對電解槽應(yīng)力釋放時的束縛力變差，造成槽殼嚴(yán)重變形；在某企業(yè)，設(shè)計中為了節(jié)省材料減低成本，將第二組搖籃架與倒數(shù)第二組搖籃架剔除，結(jié)果電解槽在該位置對應(yīng)的長側(cè)板出現(xiàn)局部的“S”彎，嚴(yán)重影響電解槽的安全運行。

圖1 電解槽槽殼s彎變形圖

有的企業(yè)400kA系列電解槽，設(shè)計中沒有外沿板，取而代之的是風(fēng)格板，雖然增加空氣對流，更易形成結(jié)實的爐幫，但沒有外沿板就沒有鋼梁緊箍作用，長側(cè)板外鼓現(xiàn)象嚴(yán)重，有的企業(yè)電解槽雖然有外沿板，但沿板上增開多處散熱孔，改孔與外沿板相距緊12cm，外沿板難以抵抗電解槽應(yīng)力的釋放，出現(xiàn)外沿板撕裂，類似變形槽占全系列的10%。

圖2 風(fēng)格板代替外沿板的槽殼變形圖

圖3 撕裂的多孔外沿板示意圖

1.2 焙燒階段熱膨脹作用造成的變形

電解槽焙燒階段由于陰極炭塊的熱膨脹，槽殼上部受力大于槽殼下部，從而形成槽殼中間呈弧形上拱變形，隨著工作電壓、電解溫度、鋁量等工藝技術(shù)條件逐步穩(wěn)定匹配后，該變形都會逐步恢復(fù)。

1.3 正常運行階段槽內(nèi)襯膨脹擠壓造成的變形

圖4 電解質(zhì)浸入人造伸腿產(chǎn)生膨脹

資料表明[1]：電解槽啟動初期新鮮的炭素陰極以及微細的縫隙中，鈉元素析出后生成嵌入式碳鈉化合物C64Na和C12Na，在溫度變化時，這種化合物將產(chǎn)生體積膨脹應(yīng)力，在應(yīng)力釋放的過程中導(dǎo)致槽殼變形。電解槽的正常生產(chǎn)階段，鈉滲透的影響逐步減弱，更多的影響來自鋁和電解質(zhì)的滲透，滲透的鋁和電解質(zhì)到達防滲層形成凝固結(jié)晶體，隨著結(jié)晶體的不斷積累產(chǎn)生的體積膨脹應(yīng)力導(dǎo)致槽殼的變形；另外，當(dāng)電解槽工藝技術(shù)條件波動時，電解槽熱平衡波動加劇，熱平衡破后產(chǎn)生溫度梯度熱膨脹應(yīng)力，該應(yīng)力釋放的過程中引起槽殼的變形。所以，電解槽槽內(nèi)襯的體積膨脹變應(yīng)力和工藝技術(shù)條件波動時的熱膨脹應(yīng)力是造成槽殼變形的主要因素。因此，生產(chǎn)中提高電解槽工藝技術(shù)條件穩(wěn)定性是緩解槽殼變形的重要舉措。

圖5 槽內(nèi)襯材料膨脹引起槽殼變形

1.4 電解槽停槽冷卻期間的彈性變形

電解槽在停槽冷卻至常溫期間，槽內(nèi)襯各部下降速度不等，槽殼上口冷卻收縮較快，在電解槽上部結(jié)構(gòu)吊離后，會發(fā)現(xiàn)電解槽出鋁和煙道兩端產(chǎn)生彈性變形導(dǎo)致上翹。大修槽在槽內(nèi)襯清理階段，為使電解槽內(nèi)襯材料快速降溫，同時降低清理難度，近幾年很多企業(yè)采用濕法挖掘機刨爐，就是向槽內(nèi)注入一定量水，注水后的內(nèi)襯材料產(chǎn)生體積膨脹，使得電解槽長側(cè)板向外擴展變形，值得注意的是需要嚴(yán)格控制注水量，減緩電解槽槽殼變形。

綜合上述，電解槽變形原因主要為溫差梯度作用產(chǎn)生的應(yīng)力和槽內(nèi)襯體積膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，表現(xiàn)為正常生產(chǎn)時的槽殼長側(cè)板外鼓變形。另外，電解槽在大修內(nèi)襯清理結(jié)束后也會有槽殼的彈性變形，表現(xiàn)為出鋁和煙道兩端槽殼向上翹引起的變形。當(dāng)槽殼的變形超出一定范圍時需要校正，下面重點談槽殼的校正。

2 槽殼的校正評判標(biāo)準(zhǔn)

電解槽槽殼變形主要有長側(cè)板變形和兩端上翹。對于電解槽兩端上翹的彈性變形主要采取預(yù)防措施緩解上翹的變形。對于電解槽外長側(cè)板的變形量在超出標(biāo)準(zhǔn)范圍時需要校正，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為槽殼長側(cè)板雙面變形量≤50mm。具體做法是以電解槽制作的永久標(biāo)志為基準(zhǔn)，畫出電解槽水平線，然后測量電解槽槽殼雙面長側(cè)板的距離、槽殼底板與槽底立柱頂端之間的距離，記錄各點數(shù)據(jù)，對照原設(shè)計尺寸，如果槽殼長側(cè)板雙面變形量＞50mm，即判定需要校正；如果槽殼長側(cè)板雙面變形量≤50mm，處于控制范圍內(nèi)，無需校正。

圖6 制定的水平線和基準(zhǔn)線

圖7 槽殼雙面長側(cè)板變形量的測量

3 電解槽槽殼校正工藝

3.1 電解槽兩端上翹的校正工藝

對于電解槽出鋁和煙道兩端上翹的彈性變形的校正[2]，可使用預(yù)制的L型壓鐵放置在電解槽四角，也可在槽殼底部放置配重塊，達到與上部結(jié)構(gòu)同等配重的效果，這樣可預(yù)防因槽內(nèi)襯物料清理后的彈性變形；

圖8 四角的L型壓鐵及槽底配重塊

對于兩端上翹嚴(yán)重的電解槽，建議采用先安裝上部結(jié)構(gòu)再扎固陰極糊料的辦法，可避免因上部結(jié)構(gòu)回吊，兩端彈性歸位而出現(xiàn)陰極中縫裂紋，為后續(xù)電解槽焙燒啟動留下隱患。

3.2 電解槽長側(cè)板變形的校正工藝

長側(cè)板變形的修復(fù)工藝：確定位置→安裝手動倒鏈→火焰消除應(yīng)力→拉拽手動倒鏈→搖籃架焊縫檢查與修復(fù)→側(cè)長板與搖籃架間隙補墊→緊固工具拆除；對于“S”彎的局部修復(fù)，應(yīng)先在側(cè)長板上找到拉伸位置，焊接胎具，接下來的步驟同上。具體校正過程如下：

槽殼長側(cè)板縱向變形校正時應(yīng)在槽殼兩側(cè)對稱分布的搖籃架上水平方向設(shè)置多個手拉倒鏈，一端固定在A面長側(cè)板上沿，一端固定在B面對稱位置的鋼窗口（或長側(cè)板上沿），然后通過600℃～800℃火焰加熱校正[3]，邊加熱邊拉拽手拉倒鏈，拉拽的同時，注意觀測搖籃架開裂縫的復(fù)位情況，如發(fā)現(xiàn)開裂的焊肉阻礙搖籃架開裂口復(fù)合時，應(yīng)及時割除。

4 校正過程中的注意事項

圖9 電解槽長側(cè)板變形修復(fù)時的倒鏈對拉示意圖

①校正過程中，應(yīng)隨時對校正數(shù)據(jù)進行測量，應(yīng)盡量將變形量校正到圖紙給出的標(biāo)準(zhǔn)尺寸上，主要考慮到最后卸掉導(dǎo)鏈后出現(xiàn)的變形回彈，避免卸掉導(dǎo)鏈后變形量重新超限造成返工。②校正時要注意門型立柱四角對角線尺寸偏差，避免影響上部結(jié)構(gòu)回裝。③當(dāng)長側(cè)板水平變形逐漸趨近基準(zhǔn)位置時，對開裂的搖籃架以及槽殼與搖籃架縫隙進行加固，為了進一步增加剛性提高強度，用火焰加熱搖籃架開焊處再重新焊接。④對“s”彎的修復(fù)，胎具[4]制作時用消除中心的殘余應(yīng)力，避免出現(xiàn)局部硬彎。⑤對于沒有槽沿板的電解槽，應(yīng)在長側(cè)板校正后重新焊接外沿板，以增強鋼梁的緊箍束縛力，防止再次變形。⑥經(jīng)過試驗火焰加熱溫度，750℃～800℃溫度更適合應(yīng)力消除及倒鏈拉伸鋼板。

表1 電解槽兩端上翹校正情況（單位：mm）

表2 400kA電解槽長側(cè)板校正情況（單位：mm）

5 電解槽槽殼修復(fù)效果

通過不同槽型多臺槽槽殼校正，實際測量校正前后數(shù)據(jù)，比對設(shè)計尺寸，結(jié)果表明修復(fù)后的電解槽槽殼能夠滿足設(shè)計要求。500kA槽出鋁和煙道兩端上翹平均校正變形量為19.3mm，400kA槽平均校正變形量為10.8mm，320kA槽平均校正變形量為6mm。三個系列電解槽兩端平均校正量為12mm，校正后上翹平均值為23mm，筑爐負重后可以實現(xiàn)兩端歸位?？梢钥闯?，電解槽四個角部放置防變形裝置、槽底板增加配重、電解槽先安裝上部結(jié)構(gòu)再扎固等辦法，能夠有效解決兩端上翹問題。

圖10 校正后槽殼的測量驗收

表3 240kA電解槽長側(cè)板校正情況（單位：mm）

通過實測校正前后數(shù)據(jù)變化，400kA槽A-B面長側(cè)板之間的距離的校正量為47mm。校正后A-B面長側(cè)板之間的距離為4114mm，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為4110mm，符合修復(fù)校正標(biāo)準(zhǔn)。

通過實測校正前后數(shù)據(jù)變化，400kA槽A-B面長側(cè)板之間的距離的校正量為62mm。校正后A-B面長側(cè)板之間的距離為4123mm，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為4130mm，符合修復(fù)校正標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)語

鋁電解槽在連續(xù)生產(chǎn)一定時間后可能出現(xiàn)槽殼向外鼓出變形，搖籃架開焊斷裂以及電解槽出鋁和煙道兩端上翹等變形現(xiàn)象，造成變形的原因是多方面的，主要原因為溫差梯度作用產(chǎn)生的應(yīng)力和槽內(nèi)襯體積膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力。文中從設(shè)計、焙燒啟動、正常運行階段以及槽大修內(nèi)襯清理階段分析了槽殼變形的原因。在設(shè)計上根據(jù)電解槽運行中變形情況不斷改進減少槽殼變形；在電解槽正常運行階段受溫度梯度應(yīng)力和內(nèi)襯材料體積膨脹應(yīng)力共同作用下，槽殼發(fā)生變形；大修階段出鋁和煙道兩端上翹變形及槽殼長側(cè)板外鼓變形。槽殼兩端上翹的問題可通過壓鐵或槽底配重解決。長側(cè)板變形的預(yù)防主要是提高電解槽工藝技術(shù)條件的穩(wěn)定性，避免熱平衡的破壞對槽殼的影響。長側(cè)板變形的修復(fù)主要通過機械對拉火焰加熱消除內(nèi)應(yīng)力達到校正的目的。

對多臺大修槽槽殼的校正修復(fù)表明：兩端上翹變形平均校正量為12mm，校正后上翹平均值為23mm，筑爐負重后可以實現(xiàn)兩端歸位；A-B面長側(cè)板間距離平均校正量為55mm，校正后變形量平均值為6mm。可以看出，電解槽槽殼校正后均符合校正標(biāo)準(zhǔn)，達到了設(shè)計要求，為后續(xù)電解槽大修及穩(wěn)定運行打下堅實的基礎(chǔ)。