試探大型鋁電解槽在節(jié)能要求下的槽壽命

趙濤

摘要：現(xiàn)如今，大型鋁電解槽節(jié)能技術(shù)不斷進(jìn)步，其中電解槽的損壞問題也更多的引發(fā)關(guān)注。鋁電解槽作為鋁電解生產(chǎn)過程中的重要設(shè)施，其內(nèi)部產(chǎn)生的系列物理與化學(xué)反應(yīng)。雖然鋁電解槽陰極內(nèi)襯不跟電解產(chǎn)生反應(yīng)，隨之消耗，其在高熱度與強(qiáng)腐蝕。強(qiáng)物理情況下，會受到諸多因素的影響，結(jié)果無奈的修整。從現(xiàn)在情況來講，電解槽的使用期限通常在兩千至兩千五百天，少數(shù)大于兩千五百天。然而，在整體修整的同時，大部分內(nèi)襯原料需要拆卸，也會當(dāng)做廢棄物解決掉，這樣做不但需要消耗大量的人力與資金，也會生成許多固體廢物，因此探究大型鋁電解槽在節(jié)能下槽壽命就十分的有必要。

關(guān)鍵詞：大型鋁電解槽;節(jié)能;槽壽命;

在大型電解槽高速發(fā)展的背景下，相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效率明顯提升，因此，大型電解槽的槽壽命問題一直被重視。干擾鋁電解槽壽命的因素有很多，其中，它的設(shè)計(jì)、內(nèi)襯材料的選擇、筑爐的品質(zhì)、焙燒啟動的方式、啟動后期的管理，還有關(guān)于工藝控制、操作等方面是主要的原因。其損壞的位置往往發(fā)生在側(cè)部與底部搗固糊漏爐，它們發(fā)生漏爐，必然是鋁水與電解質(zhì)滲入陰極碳塊底部，沿著極鋼棒滲漏，而在鋁水進(jìn)入至陰極鋼棒，從而加快熔化鋼棒，最終陰極鋼棒熔化會出現(xiàn)漏爐。而電解鋁的陰極內(nèi)襯為碳塊與炭化硅砌筑形成，其投入生產(chǎn)的時間長，內(nèi)襯會產(chǎn)生磨損，最后造成停槽修整，基于此，務(wù)必針對上述原因加以重視。

一、節(jié)能和鋁電解槽壽命關(guān)聯(lián)

在早些年，我國電力價格持續(xù)上升，造成電解鋁公司的成本持續(xù)提升，相反鋁價格步步下調(diào)。面對此困境，大多數(shù)電解鋁公司逐步開展節(jié)能降耗的行動，結(jié)果收獲了欣喜的成果，即直流電耗持續(xù)減少。此外，在上述進(jìn)程中，隨著電解槽前期出現(xiàn)破損問題逐漸增加，最終加大了電解鋁公司的費(fèi)用投入。案例以500kA電解槽，其槽內(nèi)襯大規(guī)模整修的費(fèi)用在八十萬上下，再算上停槽時段的電力空耗焙燒啟動電耗、焙燒裝爐費(fèi)用、非正常期產(chǎn)鋁損失等，大約金額在一百二十二萬。而此槽的使用期限在三十年，核算出不一樣槽齡使用期限的整修費(fèi)用融入到公司的費(fèi)用，如果電解槽不出問題的槽壽命在兩千五百天，大約七年時間，其在使用期限內(nèi)每年的修整費(fèi)用大約在十七萬每臺。假設(shè)槽壽命在三年左右，其修整費(fèi)用在四十萬上下，依據(jù)國內(nèi)平均電價0.33元/kw.h來核算，一臺500KA電解槽要噸鋁節(jié)電990kW.h就等于補(bǔ)足修整成本。更加嚴(yán)重的局面就是部分公司的電解槽只是使用一年上下就需修整，此要噸節(jié)能2900KW.h就可補(bǔ)足修整成本。因此，當(dāng)前技術(shù)想要做好節(jié)能工作異常艱難。所以，電解鋁公司消耗槽的使用周期，進(jìn)而最大化追求節(jié)能，最終在經(jīng)濟(jì)上非常的吃虧。

二、大型鋁電解槽內(nèi)襯設(shè)計(jì)分析

2.1內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

目前，電解槽的槽型持續(xù)提升，此過程中節(jié)能關(guān)鍵方式為內(nèi)襯保溫、技藝調(diào)整和抑制水平電流陰極節(jié)能技術(shù)等。然而，一旦電壓降低，想要創(chuàng)建新的熱平衡，需要靠調(diào)整內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，使其減少槽散熱來完成。比如：冶鋁單位想強(qiáng)化底部保溫，需在電解槽底部增厚陶瓷纖維板和硅酸鈣板，想要保證陰極高度與防滲層厚度不動，保溫磚需降低一層。畢竟保溫效果的提升，致使電解槽在前期運(yùn)轉(zhuǎn)中獲得了優(yōu)良成效，隨著使用周期的延長，幾年之后爐底溫度有迅速上升的趨勢。調(diào)研數(shù)家使用節(jié)能方式實(shí)施保溫設(shè)計(jì)的公司之后，槽底部鋼板溫度匯總，不一樣鋁廠強(qiáng)化底部保溫之后的草地鋼板溫度。分析其成因，大家獲取了內(nèi)襯每個保溫層上下外面溫度來實(shí)施解析，結(jié)論為在仿真核算中電解槽底部溫度是六十一攝氏度，在正常范圍內(nèi)，然而，硅酸鈣板上外面溫度上升至六百一攝氏度，其硅酸鈣板當(dāng)作低溫區(qū)的保溫材料其溫度需把控在五百攝氏度之下。所以，伴隨著使用周期的延長，長久位于中溫區(qū)硅酸鈣板漸漸消失，進(jìn)而導(dǎo)致溫度提升。此情況以干擾到槽熱平穩(wěn)性及其壽命。

然而，在無變動內(nèi)襯結(jié)構(gòu)時，其由上至下的順序是陶瓷纖維板、硅酸鈣板、保溫磚、防滲料。隨后統(tǒng)計(jì)每個保溫層上下外面溫度得出結(jié)論，保持電解槽底部溫度恒定，硅酸鈣板上外表面溫度減少到四百多度，已達(dá)到安全使用區(qū)域。其陶瓷纖維板的上外面溫度從兩千多度降低至128℃，從而將系數(shù)平穩(wěn)過渡。

2.2材料的選用

電解槽運(yùn)轉(zhuǎn)的使用周期進(jìn)程中，大家都想要確保平穩(wěn)的熱平衡狀態(tài)來操作。其就要將電解槽內(nèi)襯材料在運(yùn)轉(zhuǎn)時最好不要產(chǎn)生變形，同時具備很強(qiáng)的抗鈉蒸汽腐蝕的性能。此外，如何減少能耗，也要平穩(wěn)與良好保溫隔熱性能，及其提溫進(jìn)程中的理化指標(biāo)趨于平穩(wěn)，進(jìn)一步符合設(shè)計(jì)要求。此時的材料可最少的干擾電流效率，并且改善與減少工作電壓，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)減少能耗的目的。但是，經(jīng)過相關(guān)試驗(yàn)與查看，目前現(xiàn)有的大部分內(nèi)襯材料在抗高溫與抗電解質(zhì)滲入的試驗(yàn)中完全沒有達(dá)標(biāo)，其中部分材料卻產(chǎn)生了變質(zhì)與變形的問題。再有從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來講，內(nèi)襯材料的質(zhì)量務(wù)必引發(fā)設(shè)計(jì)者與單位的重點(diǎn)關(guān)注，想要低價購入內(nèi)襯材料不但不可能降低投入成本，相反最后卻大大提升了成本。再加上內(nèi)襯材料本身質(zhì)量參差不齊，也會造成設(shè)計(jì)者判斷失誤，最終給相關(guān)單位造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

三、鋁電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

槽殼的關(guān)鍵作用就是盛放內(nèi)襯砌體的容器，其設(shè)計(jì)時務(wù)必參照較強(qiáng)剛度與強(qiáng)度，從而避免內(nèi)襯材料在高溫下發(fā)生熱應(yīng)力與化學(xué)反應(yīng)。然而，在實(shí)踐中槽殼會遭受來自溫度均勻性、內(nèi)襯應(yīng)力大小等的干擾，結(jié)果導(dǎo)致數(shù)個維度上出現(xiàn)變形情況。而對內(nèi)襯造成破損非常強(qiáng)的變樣狀況首屬槽殼起拱。而導(dǎo)致其結(jié)果關(guān)鍵原因就是在工藝進(jìn)程中溫度變動與槽結(jié)構(gòu)不一樣位置的溫度差，導(dǎo)致槽殼材料變形造成區(qū)別化，此問題也是鋁電解槽在焙燒啟動時段與停槽進(jìn)程中很輕易發(fā)生的問題，同時伴隨著槽電流上升，越來越明顯，其重點(diǎn)有兩種類型：第一，在焙燒啟動階段早期發(fā)生上拱問題，槽長方向發(fā)生上拱問題，其數(shù)值一般在40至100mm。槽容量大小與上拱問題有直接關(guān)系。伴隨著槽內(nèi)鋁液、電解質(zhì)等液體數(shù)量上升，上拱數(shù)值慢慢變小，三十天過后有恢復(fù)原有狀態(tài)。槽殼產(chǎn)生起拱問題之后，也會連動內(nèi)襯產(chǎn)生變樣，嚴(yán)重的情況會造成內(nèi)襯全面的破損，并且有開裂現(xiàn)象，導(dǎo)致鋁液外漏，縮短電解槽使用周期。第二，電解槽停槽之后，在冷卻進(jìn)程中兩小面端往上起翹，也會長時間維持。一旦在操作中單純砌筑內(nèi)襯，而不理會修正，結(jié)果底部保溫材料會因底板不平發(fā)生折斷問題，進(jìn)一步干擾保溫能力?；诖耍胍獪p少槽殼上拱針對內(nèi)襯的干擾，槽殼結(jié)構(gòu)不但確保原來剛度與強(qiáng)度之外，也需考量溫差的變動。而確保槽殼均勻熱片為最好的方式，并且在開啟前期實(shí)施強(qiáng)制吹風(fēng)更有助于減少槽殼溫差。在將來設(shè)計(jì)槽殼過程中也可融入預(yù)應(yīng)力裝置，進(jìn)一步避免上拱或者反拱問題。

四、電解槽筑爐施工過程中的干擾因素

第一，電解槽壽命受到工藝進(jìn)程的干擾。針對鋁液與電解質(zhì)的滲漏，目前依然采取多層防御的方法，每層均是上層的后援，而筑爐進(jìn)程中始終保持層層相扣，將每層各自展現(xiàn)出其作用效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)延長槽壽命的目標(biāo)。第二，保溫層與耐火層的攤鋪。針對保溫磚與耐火磚的要求：六面平直，磚塊質(zhì)檢沒有偏差。鋼殼內(nèi)底面與層面必須保持同一水平;磚層相互交錯。達(dá)不到施工標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果就是開裂。第三，安裝陰極鋼棒。具體要求：炭塊不可開裂;焙燒之后鋼棒和炭塊間隔需接觸優(yōu)良，界面間沒有間隙。施工不達(dá)標(biāo)的問題是：陰極壓降高;滲電解質(zhì)及其鋁底部漏爐。第四，側(cè)部砌筑。需要平直，側(cè)部塊沒有縫隙;焙燒開啟后，側(cè)部塊和鋼殼界面確保優(yōu)良，同時不斷解除;將側(cè)部塊頂端和槽殼間隔的間隙密封;槽殼陰極鋼棒窗口密封。有關(guān)損壞的因素為：空氣氧化，電解質(zhì)與鋁液入侵，前期滲漏。第五，搗固施工。搗固糊制備的搗固體一定要密實(shí)與完整。一般有下述狀況會發(fā)生層離風(fēng)險(xiǎn)，焙燒中或者開啟生產(chǎn)之后很輕易發(fā)生開裂，造成損壞。然而，影響電解槽的槽壽命的因素，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止上述的幾條，同時也跟熔體流速場、焙燒啟動、后期生產(chǎn)管理等因素也有聯(lián)系。

總結(jié)：

總之，針對近些年電解槽前期損壞及其槽壽命相關(guān)難題一一進(jìn)行了全面解析，得出的結(jié)論為：第一，電解槽節(jié)能技術(shù)研發(fā)與使用的同時，需要重點(diǎn)關(guān)注槽壽命相關(guān)難題，其在設(shè)計(jì)與材料選用及其生產(chǎn)操作等步驟確保槽壽命不減少，才可收獲節(jié)能技術(shù)產(chǎn)生的紅利。第二，電解槽設(shè)計(jì)進(jìn)程中，使用科學(xué)穩(wěn)定的模擬分解技術(shù)，科學(xué)的實(shí)施結(jié)構(gòu)與等溫線設(shè)計(jì)，確保材料在安全狀況下應(yīng)用。第三，不管在設(shè)計(jì)還是施工時段，務(wù)必重點(diǎn)關(guān)注材料選用與質(zhì)量把關(guān)，選用成熟、穩(wěn)定、性能平穩(wěn)的內(nèi)襯材料。第四，筑爐施工質(zhì)量管控要嚴(yán)密，改善焙燒啟動和后期管理，防止前期的漏爐現(xiàn)象。總而言之，電解槽壽命干擾項(xiàng)非常多，牽涉到設(shè)計(jì)、材料、施工和生產(chǎn)管理，則要在每個步驟嚴(yán)密控制，尤其在電解槽節(jié)能技術(shù)的研發(fā)與使用的進(jìn)程中，持續(xù)提高槽壽命，最終才可讓單位獲得可觀的經(jīng)濟(jì)收入。

參考文獻(xiàn)

[1]趙群，田永，謝剛.高效低耗長壽命鋁電解槽的綜合技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用[J].云南冶金.2013，（6）.31-33，49.

[2]韓華，丁立偉，彭建平，等.高效長壽電解槽的技術(shù)問題[J].有色礦冶，2006，（5）.

[3]徐治儀.240KA鋁電解槽低電壓綜合節(jié)能技術(shù)的研究及應(yīng)用[D].中南大學(xué)，2013.63.

中國鋁業(yè)青海分公司