淺論鋁電解槽破損修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

郭立國

摘 要 本文論述了鋁電解槽破損修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，為鋁電解槽破損修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用走可持續(xù)發(fā)展道路提供了一定的見解。

關(guān)鍵詞 鋁電解槽破損 修復(fù)技術(shù) 應(yīng)用與發(fā)展

一、引言

鋁電解槽是電解鋁生產(chǎn)的重要設(shè)備。其運行狀態(tài)良好程度，壽命長短，直接關(guān)系到電解鋁生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量，同時也對電解鋁生產(chǎn)的成本有很大影響。鋁電解槽經(jīng)多年使用，運行周期較長，電解槽槽殼變形、破損嚴(yán)重，需進行大修理。改進電解槽大修理工藝，提高電解槽大修理質(zhì)量和大修理效率，降低維修成本，是生產(chǎn)中一項重要的設(shè)備管理、維護工作。鋁電解槽的破損及維修是一項重要的工作。其只有了解電解槽破損的原因之后，才能對其實行維修處理，保障鋁電解槽的可靠性，以滿足電解鋁的實踐過程。由于鋁電解槽發(fā)生破損后容易影響生產(chǎn)的效果，因此其只有做好維修的工作，恢復(fù)鋁電解槽的基本結(jié)構(gòu)，才能完善鋁電解槽的具體應(yīng)用。

二、對鋁電解槽破損修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀的分析與認(rèn)識

（一）電解槽破損鑒定

在停電過程中，需要對電解槽的破損進行鑒定。電解槽的破損主要是由于槽側(cè)部的炭塊過度損耗或人為因素造成破壞未及時處理造成的。其主要的破損形式有以下兩種：一是側(cè)部伸腿的過度損耗導(dǎo)致電解質(zhì)與鋁液從陰極鋼棒處滲漏。二是側(cè)部爐幫發(fā)紅導(dǎo)致側(cè)部擊穿滲漏電解質(zhì)。

引起這種現(xiàn)象的原因主要有空氣對側(cè)部炭塊的氧化和爐幫的形成不良，使高溫和強腐蝕的電解質(zhì)溶液直接對側(cè)部炭塊的沖刷和侵蝕。

1.小修。一是陰極炭塊在電、熱、磁等共同作用下會時常出現(xiàn)碳內(nèi)襯中的熱膨脹、鈉膨脹，陰極斷裂、沖蝕、剝層，以及碳內(nèi)襯下部各滲透物漸漸填充的現(xiàn)象等，這些都造成了槽底炭塊的隆起。如果隆起在50mm以下，凹坑在80mm以下時可定位小修。二是側(cè)部內(nèi)襯兩小面仍可見炭塊的輪廓，大面伸腿以上受到不同程度破損和侵蝕，但如若側(cè)部炭塊破損不至于見到鋼板則不需更換。經(jīng)過干刨伸腿的局部都有橫向裂紋，但整體形狀規(guī)整。按照我公司的122臺小修啟動后發(fā)現(xiàn)鋼棒發(fā)紅、漏鋁比值是2.46%。三是對槽內(nèi)沒脫落的陰流塊要嚴(yán)格檢查，因為它和電解槽的使用壽命有一定的聯(lián)系。

2.中修。更換1～14塊破損嚴(yán)重的陰極炭塊，若一塊陰極炭塊破損50%以上、低于其他陰極炭塊表面120mm以上的話，則給予更換。

3.大修。陰極炭塊拱起90mm以上、爐底鋼板溫度異常、表面破損嚴(yán)重裂紋較多。

（二）鋁電解槽常見破損形式及原因

通常所說的電解槽破損是指其陰極內(nèi)襯的破損。鋁電解槽的陰極內(nèi)襯使用期不到1年，稱為早期破損。槽內(nèi)鋁液中的鐵含量連續(xù)增加，一般情況下，是槽底部陰極鋼棒受鋁液侵蝕熔化所致。這往往是陰極炭塊破損的征兆。當(dāng)鋁液中的鐵含量連續(xù)超過1%時，表示陰極炭塊已發(fā)生嚴(yán)重破損。電解槽陰極內(nèi)襯破損可歸納為如下幾種形式：

1.陰極炭塊及保溫絕熱結(jié)構(gòu)的變異。陰極內(nèi)襯的變異主要有：陰極炭塊發(fā)生變形——膨脹、隆起、裂開或有沖蝕坑穴，炭塊之間的炭糊接縫發(fā)生裂紋。其中浸漬著碳化鋁、電解質(zhì)和鋁，炭塊中的鋼棒彎曲變形，一部分被鋁熔解侵蝕，形成亮晶晶的鋁鐵合金，炭塊下面的耐火磚層局部變質(zhì)，向上隆起，呈凸棱鏡狀，側(cè)部炭塊受到侵蝕，其中滲透著鋁和電解質(zhì)，體積膨脹，槽殼變形，側(cè)壁向外鼓出，四角上抬，底部呈船形。

2.鈉的滲透。在一定的NaF/A1F3分子比和溫度下，鋁中的鈉含量應(yīng)為平衡值。但是實際的鈉含量恒低于平衡值。其主要原因是鈉向炭陰極滲透擴散引起的。鈉往陰極炭塊中滲透之后，形成炭鈉化合物，炭的晶格體積膨脹，使晶格變得酥松，這是造成炭陰極破損的一個重要原因。一般認(rèn)為，鈉的侵蝕作用在較低溫度下尤其嚴(yán)重，因為炭鈉化合物在高溫下部分分解，一般在溫度400～1，000℃，鈉對炭的破壞作用隨溫度升高而減弱。

故對于電解槽槽底的焙燒而言，焙燒溫度達(dá)到900～950℃之后再啟動為宜。

3.電解質(zhì)的滲透。電解質(zhì)的滲透量與陰極炭塊的材質(zhì)有很大關(guān)系。滲透量增大的順序與炭活性增大的順序一致。在無煙煤基陰極（未經(jīng)高溫焙燒的）中滲透量最多，其次是油焦和瀝青基（未經(jīng)高溫焙燒的），在石墨陰極中最少。而且，孔度大的材料滲透量多，孔度小的滲透量小。

（三）陰極內(nèi)襯破損的檢查與維修

破損部位的檢查：

第一，用鐵釬探查槽底把直鐵釬的尖端前部彎成長約10cm的直角鉤，然后把鉤尖伸入陰極下面，按照底塊和底縫排列的縱橫順序逐塊逐縫依次探鉤，把有坑和有縫的部位記錄下來，并估計出破損部位的長度和深度。另外，也可觀察鉤尖的情況。在破損部位，由于鋁水和陰極鋼棒的接觸，電阻很小，通電較多，沉淀較少，溫度較高，因此，鉤尖插入這里拔出后，鉤尖會有冒白煙現(xiàn)象。

第二，測量陰極電流分布和陰極鋼棒的溫度為了進一步證實該槽是否破損，可根據(jù)槽內(nèi)初檢的情況，再測量一下陰極電流分布和陰極鋼棒溫度。一般情況下，熔化的陰極鋼棒的電流分布和溫度都比正常的高。

（四）破損部位的填補方法

確定破損部位以后，應(yīng)及時進行填補。填補材料常用鎂砂、鎂磚塊、氟化鈣和氧化鋁沉淀。這些材料中的金屬元素電位順序都在鋁以上，即使熔入電解質(zhì)中，也不會在陰極上析出，不會影響電解的正常進行和原鋁質(zhì)量。同時，這些材料密度較大，易沉在槽底，熔化或半熔化后，能以勃稠狀態(tài)充填于破損的深處或覆蓋在槽底，阻止鋁液的滲漏，減少陰極鋼棒被鋁液進一步侵蝕，從而延長電解槽的壽命。

三、依靠技術(shù)進步，促進鋁電解槽破損修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的可持續(xù)發(fā)展

（一）電解槽破損的修補方法

針對上述電解槽側(cè)部破損的情形，國內(nèi)同行業(yè)最初采取的是風(fēng)管冷卻，多功能機組進行砸補，以及這兩種方式的結(jié)合和加大巡視力度等措施。盡管投入了大量的人力和物力，但是效果差強人意，不能自效地解決問題。為此，筆者針對傳統(tǒng)方法的不足，同時結(jié)合自己多年檢修大型電測曹的實際經(jīng)驗，依據(jù)生產(chǎn)實踐，總結(jié)出以下方法：

第一，若側(cè)部的炭塊破損較小，如表層剝落、側(cè)部鋼板微紅或者暗紅，我們可以采取扎邊操作的方法。具體是用風(fēng)鎬把破損的殘留側(cè)炭和氧化鋁料塊沿著槽鋼殼刨出，深度約為50cm～60cm，寬度約15cm，長度視側(cè)部炭塊破損多少而定，一般不超過60cm。再用炭糊補充刨出的坑內(nèi)，并用搗固機層層扎固，確保炭糊與側(cè)部炭塊緊密結(jié)合，扎固到與原來側(cè)炭的相仿高度即可。若側(cè)部的炭塊破損較為嚴(yán)重時，先在槽沿板上用粉筆劃好欲修補的側(cè)部炭塊的長度，用鋁液和干燥的鎂砂與氟化鈣混合成厚約10cm的相應(yīng)大小的餅狀材料。然后在導(dǎo)桿處加紙斷電，將相關(guān)的爐底沉淀清理干凈，再用漏鏟，釬子等工具把補爐材料準(zhǔn)確送至破損處并壓住，將修補炭塊與四周的炭塊燒結(jié)成一體。

第二，對陰極炭塊凹坑為110mm ～150mm修復(fù)可采用表面打花、鉆孔以及扎糊料進行修補。

第三，在中修時取出破損嚴(yán)重的陰極炭塊，不能用液壓千斤頂及天車等大型設(shè)備進行拆除，只能用人工用風(fēng)鎬打碎取出。

第四，碳塊重塑法修補。對電解槽陰極電流的分布、陰極鋼棒溫度、散熱孔溫度等全面分析，在換極過程中對爐幫、伸腿部位進行測量，確定電測曹損壞區(qū)域，對于發(fā)生嚴(yán)重浸蝕、散熱孔發(fā)紅的區(qū)域采取以下固定流程進行修補。一是確定電解槽損壞部位。通過綜合技術(shù)分析對電測槽的損壞部位進行確定，包括損壞面積、損壞程度等。調(diào)整維修技術(shù)條件，并準(zhǔn)備好維修過程中各種工器具、材料。二是操作人員需提前四小時用多功能操作機械將需要修補的地方砸實，在兩個方向留下一定寬度，同時將修補部位散熱孔用風(fēng)冷卻，在修補的過程中電解質(zhì)不得超過過十八毫升。剩余的電解質(zhì)必須及時排出。三是確認(rèn)修補后，清除砸實區(qū)域上部結(jié)殼決，去除對應(yīng)部位的雜質(zhì)。四是將損壞部位的殘余雜質(zhì)用風(fēng)鎬挖出。在清理的過程中，如果發(fā)現(xiàn)有鋁液泄露，必須將泄露的鋁液清理干凈，堵住泄露源頭。根據(jù)損壞程度，刨挖的寬度一般為二到四塊側(cè)塊寬，底部挖到耐火磚部位，用風(fēng)管吹干凈挖掘處。五是在槽殼上及耐火磚上涂上焦油.添加熱搗糊將底部撫平，安放側(cè)部碳塊，同時用鎂磚支持，在修補區(qū)域的兩端頭，用鋼板固定，添加熱搗糊將側(cè)部碳塊空隙搗實。六是焙燒二十到四十小時，拆除鋼板，沿側(cè)部碳塊邊緣鋪部分氧化鈣，焊好鋼帶。繼續(xù)風(fēng)冷。七是對陰極炭塊裂縫的修補則需先將裂縫刨成內(nèi)八型，如果鋼棒融化部位能用鎂磚制成料狀與糊料扎固第一層，其他層數(shù)則按照扎縫的工藝來施工。八是對于沒見到鋼板破損的側(cè)部碳塊應(yīng)采用碳化硅水泥和水及成漿進行三次修補，硬化后和側(cè)部塊的硬度相似，以降低成本。

（二）防止和減少槽殼破損的改進措施

1.采用新槽形，提高槽殼鋼結(jié)構(gòu)的強度。根據(jù)設(shè)計院設(shè)計論證和電解鋁廠實際使用表明，采用船形結(jié)構(gòu)的槽殼（如圖1所示）比原電解槽的槽殼抗變形強度好，易于分散熱量，不易破損，運行周期長。某公司對舊槽殼報廢后，更新的電解槽槽殼也已改用船形槽殼。其在電解現(xiàn)場使用效果很好。

2.保證原輔材料和大修質(zhì)量合格。管理部門要嚴(yán)格舊槽殼的報廢標(biāo)準(zhǔn)，加強大修槽的焊接及槽膛的耐火磚砌筑質(zhì)量檢查，提高槽殼大修后就位的準(zhǔn)確率，陰極炭塊和扎固糊料等的原料進貨質(zhì)量檢查等基礎(chǔ)環(huán)節(jié)上要嚴(yán)格，以避免因槽殼變形或漏爐而造成的早期破損、停槽大修。

3.加強電解的日常操作維護。在日常的操作和維護上，要從提高換極質(zhì)量到保溫料的添加，從爐底處理到大面整形，都精細(xì)操作，嚴(yán)格根據(jù)槽運行情況設(shè)定合理的目標(biāo)電壓、保持合理的槽溫，控制好合理的氧化鋁濃度、分子比，設(shè)定理想的加料間隔，保持匹配的電解質(zhì)水平和鋁水平，密切關(guān)注電解槽運行狀態(tài)，使各項技術(shù)條件相互匹配，為延長槽殼的運行周期奠定基礎(chǔ)。

（三）鋁電解槽操作規(guī)范

分析鋁電解槽破損后維修時的操作規(guī)范，諸如：

第一，鋁電解槽工作中發(fā)現(xiàn)有破損時，先將鋁電解槽停運、冷卻一周的時間，提出陽極結(jié)構(gòu)后執(zhí)行槽體拆卸，所有的拆卸工作必須由專業(yè)的人員操作。

第二，維修現(xiàn)場要樹立起安全警示牌，提醒工作人員注意安全，所有的維修工具都要擺放整齊，以免有不規(guī)范的操作，現(xiàn)場執(zhí)行拆卸工作時也要保證安全工作。

第三，維修中處理鋁電解槽的上下槽體時，需要采用梯子類型的輔助設(shè)施，維修人員上下過程中不能直接接觸槽體，預(yù)防安全事故。

第四，鋁電解槽彎料管、煙道管、扣壓管拆卸維修時，需確保鋁電解槽處于安全的環(huán)境中，禁止維修現(xiàn)場發(fā)生漏電事故，保護維修人員的安全等。

四、結(jié)語

鋁電解槽使用中為了降低破損的發(fā)生概率，就要落實操作規(guī)范，通過規(guī)范的操作延長鋁電解槽的壽命，同時也能減少破損維修時的工作量，避免影響鋁電解槽的具體應(yīng)用，由此才能為鋁電解槽的應(yīng)用提供優(yōu)質(zhì)的環(huán)境。只有對電解槽的破損原因有了充分的了解才能較為準(zhǔn)確的判斷電解槽的修復(fù)性質(zhì)。在停電過程中對電解槽進行修復(fù)能有效地節(jié)約生產(chǎn)成本，對修槽過程中的問題進行及時解決。

（作者單位為包頭鋁業(yè)有限公司）

參考文獻

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