大型預(yù)焙鋁電解槽角部伸腿肥大原因分析及處理措施探討

王超，翟超迎，杜天鋒，宋陸炎，李建鋒

（廣元中孚高精鋁材有限公司， 四川廣元 628000）

四川某340KA電解系列二期100臺電解槽于2020年11月上旬啟動結(jié)束，12月份，由于牽涉到指標(biāo)調(diào)整，進(jìn)行了鋁量回調(diào)。2021年2月份，生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)2052#A1和2055#B1角部位置出現(xiàn)伸腿肥大現(xiàn)象，車間高度重視，立即組織技術(shù)人員對所有電解槽角部情況進(jìn)行測試排查，發(fā)現(xiàn)約有10%的電解槽不同程度出現(xiàn)角部伸腿肥大現(xiàn)象，針對現(xiàn)狀，車間多次召開技術(shù)專題會，深入分析探討，制定應(yīng)對措施，優(yōu)化技術(shù)條件，精細(xì)操作質(zhì)量，歷經(jīng)5個月，至2021年7月份，電解槽角部伸腿肥大現(xiàn)象基本消除，電解槽轉(zhuǎn)入正常運行。

1 電解槽角部伸腿肥大對生產(chǎn)的負(fù)面影響

1.1 電解槽的伸腿

在鋁電解生產(chǎn)中，電解槽擁有一個規(guī)整穩(wěn)定的爐膛內(nèi)型是電解管理最重要的管理目標(biāo)之一，因為規(guī)整穩(wěn)定的爐膛不僅影響著電解槽運行平穩(wěn)與否，也影響著電解槽的技術(shù)和經(jīng)濟指標(biāo)，甚至決定著電解槽的安全運行系數(shù)和槽齡。電解槽伸腿大小，是判定電解槽爐膛是否規(guī)整的重要參數(shù)之一，正常的爐膛，要求伸腿在陽極投影正下方（如圖1-c），而伸腿一旦延伸到陽極投影下，即為伸腿肥大(如圖1-a)。電解槽伸腿肥大，一般先從角部開始，其會對電解生產(chǎn)和管理帶來一系列負(fù)面影響［1］。

圖1 電解槽伸腿示意圖

1.2 電解槽角部伸腿肥大對生產(chǎn)的負(fù)面影響

（1）影響電解槽運行的穩(wěn)定性

電解槽角部伸腿肥大會影響角部陽極的導(dǎo)電性，引起電解槽局部磁場發(fā)生變化，致使電解槽運行穩(wěn)定性變差，噪音值增大，出現(xiàn)電壓波動，有時候會頻繁出現(xiàn)電壓下栽現(xiàn)象（如圖2），嚴(yán)重的會導(dǎo)致滾鋁等病槽的發(fā)生。

圖2 電解槽角部伸腿肥大運行曲線

（2）陽極不消耗，嚴(yán)重的會頂壞陽極導(dǎo)桿

電解槽角部熱穩(wěn)定性本來就差，角部伸腿肥大后，會進(jìn)一步阻礙電解槽內(nèi)正常的鋁水和電解質(zhì)流動，導(dǎo)致電解槽角部趨冷，陽極消耗變慢，會出現(xiàn)我們常說的陽極“長牙”現(xiàn)象（如圖3），嚴(yán)重的會頂裂頂斷導(dǎo)桿爆炸焊。同時，角部伸腿肥大，新極無法正常安裝，增加更換陽極難度。

圖3 電解槽角部伸腿肥大陽極”長牙”

（3）會降低電解槽電流效率

電解槽出現(xiàn)伸腿肥大后，電解槽噪音值增大和電壓波動，會導(dǎo)致鋁的二次反應(yīng)增加，電解槽電流效率降低。同時，陽極“長牙”還會導(dǎo)致電解槽溫升高，下料量銳減，碳渣量增多，進(jìn)一步降低電解槽電流效率。

2 電解槽角部伸腿肥大原因分析

鋁電解槽賴以運行的基礎(chǔ)是正常的能量平衡和物料平衡，電解槽出現(xiàn)角部伸腿肥大，意味著電解槽走向冷行程，究其原因，主要有以下三個方面：

2.1 設(shè)計因素

電解槽設(shè)計因素的影響，主要體現(xiàn)在兩個方面。一是體現(xiàn)在電解槽內(nèi)鋁液的流速上。鋁液的流速直接影響著電解槽內(nèi)部熱交換情況。受電磁力的影響，電解槽內(nèi)部的鋁液呈橢圓形流動，其中A面為進(jìn)電端，距離立柱大母線較近，電磁力較強，B面為出電端，距離立柱大母線遠(yuǎn)些，電磁力相對弱些，鋁液在電解槽A面的流速大于在B面的流速，這就導(dǎo)致電解槽B面熱交換較A面弱，B面伸腿比A面大。而角部，處于鋁液橢圓形流動的外部，熱交換能力更弱，故電解槽角部伸腿更容易肥大。二是體現(xiàn)在電解槽筑爐材料上，如果使用的筑爐材料保溫性能差，角部散熱量大，也會導(dǎo)致電解槽角部伸腿肥大。

3.2 電解槽啟動后期管理技術(shù)條件失衡

電解槽啟動后期，從時間意義上講，是指電解槽啟動48小時后的90天。這個時間段，要求電解槽擁有2.8以上的分子比和高槽溫，250mm～300mm的高電解質(zhì)水平，250mm以下的低鋁水，目的是對電解槽側(cè)部和爐底進(jìn)行二次焙燒，建立起規(guī)整穩(wěn)定的爐膛內(nèi)型。這個時間段，如果鋁水流的過快過高，散熱增大，或者電壓降的過快，電解槽熱收入不夠，都會導(dǎo)致電解槽等溫線快速下移，電解槽爐底變冷，電解槽爐膛畸形，爐幫薄厚不均，電解槽角部伸腿肥大。

本文所涉及的340KA電解系列，2020年11月份啟動，12月份鋁水從230mm迅速升高至260mm，2021年1月份270mm，2月底280mm，鋁水流動過快，電解槽爐底變冷，角部伸腿出現(xiàn)過大現(xiàn)象。

2.3 電解槽正常生產(chǎn)期技術(shù)條件失衡

電解槽啟動90天后，進(jìn)入正常期管理，其顯著特征表現(xiàn)在兩個方面，一是電解槽各項技術(shù)參數(shù)穩(wěn)定，處于正常生產(chǎn)范圍，二是電解槽已經(jīng)建立起穩(wěn)定規(guī)整的爐膛內(nèi)型。正常生產(chǎn)期管理，要求電流強度穩(wěn)定，嚴(yán)格保持電壓、鋁水高度和電解質(zhì)高度，維持電解槽熱平衡體系和物料平衡體系正常。

此時期技術(shù)條件的失衡表現(xiàn)在生產(chǎn)過程中某一時間段的兩水平、分子比、電壓失調(diào)。其主要表現(xiàn)特點為：在失調(diào)的時間段內(nèi)，爐底形成大量沉淀或結(jié)殼，導(dǎo)致爐膛急劇惡化，伸腿過長、肥大。抑或表現(xiàn)為爐幫化空［2］。當(dāng)出現(xiàn)供電系統(tǒng)不穩(wěn)定，或頻繁出現(xiàn)壓負(fù)荷，電解槽電壓設(shè)置過低，又或電解槽鋁量過高，都會導(dǎo)致電解槽走向冷行程，角部伸腿肥大。

3.4 日常操作管理不到位

電解槽由于日常操作不到位導(dǎo)致的角部伸腿肥大，主要有以下幾種情況：①電解槽角部保溫料厚度不夠。生產(chǎn)中根據(jù)外界溫度變化調(diào)整控制陽極覆蓋料，保證電解槽熱收支平衡，且根據(jù)熱平衡變化度調(diào)整陽極覆蓋料的厚度，一般將陽極覆蓋料控制在170mm～ 230mm［3］，由于電解槽角部的特殊性，生產(chǎn)中一般要求角部陽極的覆蓋料較其他位置厚50mm～100mm，或者用電解質(zhì)液澆灌成堰墻以增強角部保溫，若落實不到位，角部保溫料厚度不夠，角部散熱增大，變冷，伸腿肥大。②電解槽出現(xiàn)波動后，頻繁的上提角部陽極，導(dǎo)致電解槽角部陽極電流密度變小，熱收入減少，角部變冷，伸腿肥大。③更換角部陽極時，落入電解槽中的面殼塊未打撈干凈，生產(chǎn)爐底沉淀，導(dǎo)致伸腿肥大。

3 預(yù)防及處理措施

3.1 優(yōu)化電解槽先天設(shè)計

首先優(yōu)化電解槽電熱磁場設(shè)計，保證電解槽內(nèi)部鋁液流速科學(xué)合理，在維持電解槽磁場穩(wěn)定的前提下，增強電解槽角部位置的熱交換能力。其次，角部選用保溫型筑爐材料，增強角部保溫性能。同時，端頭陰極碳塊可使用純石墨陰極，減少電阻，增加陰極電流。

3.2 優(yōu)化技術(shù)條件管理

（1）加強電解槽啟動后期管理

電解槽啟動后期管理，嚴(yán)格落實管理方案，分子比保持在2.8以上，電解質(zhì)250mm～280mm高水平保持，鋁水循序漸進(jìn)逐步提高，每月提高速度控制在100mm，適當(dāng)增加效應(yīng)系數(shù)，達(dá)到爐膛二次焙燒的目的，防止畸形爐膛的產(chǎn)生。

（2）加強電解槽正常期生產(chǎn)管理

電解槽正常期生產(chǎn)管理，維持供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少壓負(fù)荷，電解槽電壓、鋁水平、電解質(zhì)水平合理匹配，維持電解槽熱平衡和物料平衡正常，防止電解槽走向冷行程。

3.3 處理效果

上文所說的340KA電解工區(qū)，針對角部肥大現(xiàn)象，調(diào)整優(yōu)化技術(shù)條件，精細(xì)操作，經(jīng)過五個月的管理和調(diào)整，角部伸腿肥大現(xiàn)象基本消除，電解槽步入正常運行。

（1）調(diào)整優(yōu)化技術(shù)條件

表1 2052#電解槽技術(shù)條件保持與A1角部伸腿變化統(tǒng)計表

角部肥大的電解槽，設(shè)定電壓由4.0V提高到4.05V，增加電解槽熱收入，同時，逐步加大出鋁節(jié)奏，鋁水由280mm逐步下撤到260mm，分子比保持在2.5以上。

（2）落實精細(xì)化操作

首先，加強角部保溫，角部用電解質(zhì)液澆灌成堰墻，保溫料使用粒度較小的粉料，增厚到鋼梁上沿平，電解槽角部上下層散熱窗口用保溫材料封堵。其次，更換陽極時，使用熱殘極更換，提高換極速度，減少熱損失。對于出現(xiàn)支角現(xiàn)象的電解槽，定時開口人工檢查處理，了解伸腿變化情況，防止頂裂陽極導(dǎo)桿爆炸焊。最后，電解槽出現(xiàn)電壓擺后，盡量不上調(diào)角部陽極，以保證角部陽極電流密度。

5 結(jié)論

爐膛管理是電解槽管理的根本，建立科學(xué)合理的技術(shù)體系是基礎(chǔ)，嚴(yán)格貫徹落實是保證。電解槽角部伸腿肥大要以預(yù)防為主，在啟動后期的技術(shù)條件把控要到位，保證電解槽有足夠的熱收入對電解槽側(cè)部和爐底進(jìn)行二次焙燒，正常生產(chǎn)時期要保證電流強度穩(wěn)定，嚴(yán)格保持電壓、鋁水高度和電解質(zhì)高度，維持電解槽熱平衡體系和物料平衡體系正常，日常操作中要注意電解槽角部保溫，如果發(fā)現(xiàn)電解槽爐膛畸形，出現(xiàn)角部伸腿肥大，管理者要科學(xué)分析，制定合理的處理措施，盡快消除伸腿肥大，使電解槽盡快步入正常管理。