鋁電解槽內(nèi)襯施工與破損的相關(guān)問題探討

李元山, 徐興超

(酒鋼集團(tuán) 甘肅東興鋁業(yè)有限公司,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

電解槽是電解鋁行業(yè)生產(chǎn)的核心設(shè)備,其內(nèi)襯的材料選擇,施工工藝與質(zhì)量,焙燒啟動(dòng)和早期生產(chǎn)管理中電解質(zhì)溫度不合理是影響電解槽壽命和技術(shù)指標(biāo)的重要因素[1]。在鋁廠的實(shí)際生產(chǎn)過程中,高溫電解質(zhì)及鋁液從側(cè)部、鋼棒窗口、端部滲漏嚴(yán)重時(shí)擊穿槽殼載體，是導(dǎo)致電解槽破損或停槽的重要因素[2]。因此,通過必要的施工工藝技術(shù)的優(yōu)化來延長鋁電解槽使用周期對(duì)鋁電解生產(chǎn)來說非常重要。本文對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中由于施工工藝導(dǎo)致電解槽內(nèi)襯破損因素進(jìn)行分析和探討,總結(jié)出了內(nèi)襯施工工藝改進(jìn)等相關(guān)技術(shù)措施。

1 電解槽破損事例分析

停槽電解槽解剖分析發(fā)現(xiàn):生產(chǎn)運(yùn)行過程中鋁液通過從側(cè)部復(fù)合塊縫隙中滲入周邊,同時(shí)從糊料接縫中滲入;陰極炭塊組在周邊澆注體周圍開裂縫較多(見圖1);陰極炭塊組中部易橫向斷裂,斷裂截面上碳化鋁侵蝕嚴(yán)重且燕尾槽底部有鋁滲入;陰極扁鋼存在變形彎曲的現(xiàn)象(見圖2)。

圖1 澆注體周圍形成的破損裂紋

圖2 陰極鋼棒變形示意

通過對(duì)現(xiàn)場上述事例進(jìn)行分析,可能的原因如下:

(1)搗固糊的分層破損現(xiàn)象較普遍,搗固后的糊料在焙燒中或啟動(dòng)后期易開裂破損。如果糊料出現(xiàn)“濕糊”現(xiàn)象(粘結(jié)劑過多),在搗固時(shí)會(huì)出現(xiàn)粘結(jié)劑和細(xì)粉骨料集中在表面層,焙燒時(shí)此表面層的收縮性不同于其它層,因而在糊層之間產(chǎn)生裂紋;如果糊料出現(xiàn)“干糊”(粘接劑過少)現(xiàn)象時(shí),糊料中焦粒在搗固中被壓碎,表面層上的細(xì)粒骨料增多,骨料表面積增大,搗固層之間的粘結(jié)受到影響,形成糊料層與層之間的薄弱層。在電解生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)裂縫、解體或形成滲漏通道。

(2)施工過程中,搗固人員由于搗固次數(shù)未達(dá)標(biāo)從而造成糊料壓縮比過低,出現(xiàn)“欠搗”現(xiàn)象,從而導(dǎo)致后期啟動(dòng)過程中出現(xiàn)飄糊,造成鋁液滲透后沖刷糊料本體出現(xiàn)分層的現(xiàn)象;另一種是由于搗固人員施工次數(shù)過多,從而造成搗固壓縮比過大,出現(xiàn)“過搗”現(xiàn)象,糊料出現(xiàn)翻漿,從而導(dǎo)致糊料的層與層之間連接分層,造成后期啟動(dòng)或生產(chǎn)過程中鋁液滲入，出現(xiàn)分層。

(3)槽周邊側(cè)部采用復(fù)合塊(碳化硅與炭素材料復(fù)合體)砌筑,角部炭塊為炭素材料,砌筑時(shí)與相鄰側(cè)部復(fù)合塊產(chǎn)生的立縫與炭間縫形成隱蔽垂直接縫(見圖3)。由此清晰可見，該區(qū)間在槽內(nèi)邊角處遭受電解質(zhì)及鋁液長時(shí)間侵蝕沖刷較其它位置相對(duì)嚴(yán)重,因而易發(fā)生電解質(zhì)與鋁液滲漏。統(tǒng)計(jì)顯示,鋼棒窗口漏爐容易產(chǎn)生在如圖3的垂直接縫位置,如進(jìn)出電側(cè)第二根、第四十七根處鋼棒的側(cè)部，發(fā)生滲漏的比例占滲漏槽37%。這說明,垂直隱蔽縫隙可能是該問題的直接原因。同時(shí)漏爐時(shí)常常將電解槽陰極軟帶沖斷,槽周陰極母線損傷,從而造成電解槽導(dǎo)電不均勻造成過早停槽。

圖3 側(cè)部立縫與炭間縫形成垂直通縫示意

(4)電解槽在運(yùn)行期間，槽殼兩端頭及側(cè)部窗口位置滲漏較為頻繁。內(nèi)襯清理中發(fā)現(xiàn)周邊縫與炭間縫結(jié)合處有鋁滲入現(xiàn)象。具體表現(xiàn)在:傳統(tǒng)的扎固方式需在槽內(nèi)兩端頭扎固糊料層之間每層預(yù)留接茬;需要安裝模具封堵炭間縫進(jìn)行扎固,需要在與糊料接觸的表面噴涂煤焦油;由于煤焦油粘接特性與糊料本體所采用的粘結(jié)劑有一定的差異,因此該工藝的實(shí)施,存在電解質(zhì)及鋁液滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)內(nèi)襯組織結(jié)構(gòu)、爐膛整體完好性及電解槽壽命均存在不同程度隱患。

(5)陰極炭塊與澆注料液體粘連后,陰極炭塊接觸面會(huì)吸收澆注體內(nèi)未蒸發(fā)的水分,電解槽焙燒時(shí)此部分水分逸出,易于滲入陰極炭塊內(nèi)部。焙燒啟動(dòng)過程中,隨著此部分水氣的排除,可能會(huì)產(chǎn)生電解質(zhì)或鋁水的滲漏通道,造成側(cè)部早期破損,嚴(yán)重時(shí)停槽。

(6)陰極炭塊周邊澆注料施工環(huán)節(jié),由于施工單位使用水溫度未精細(xì)控制在4～27℃,同時(shí)施工用水存在雜質(zhì),造成施工質(zhì)量缺陷。另外由于施工過程中用水量控制不均衡,用水過少,造成施工性大打折扣。用水過少,會(huì)出現(xiàn)澆注料分層,用水過多造成澆筑料離析。從而導(dǎo)致澆注料強(qiáng)度不能滿足設(shè)計(jì)要求,電解槽啟動(dòng)和生產(chǎn)過程可能會(huì)導(dǎo)致滲漏。

2 內(nèi)襯施工工藝優(yōu)化分析

(1)砌筑材料的理化指標(biāo)設(shè)計(jì)對(duì)改善內(nèi)襯水平電流的分布、導(dǎo)熱性能及熱膨脹應(yīng)力至關(guān)重要。氮化硅結(jié)合碳化硅在300～1000℃時(shí)熱膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱率低于炭素材料,抗沖刷性能優(yōu)于炭素材料。因此,在角部選用氮化硅材料沿槽殼一角邊緣中心點(diǎn)將角部側(cè)塊定位后,將角塊復(fù)合塊按電解槽長側(cè)方向靠緊砌穩(wěn)。然后沿小面方向順序砌筑,這種砌筑方法可優(yōu)化內(nèi)襯砌筑質(zhì)量,特別是有助于減少隱蔽垂直縫隙。

此外,在施工現(xiàn)場采用側(cè)磚和異型塊粘接較整體側(cè)部粘接復(fù)合磚有利于提高砌筑質(zhì)量,將砌筑過程產(chǎn)生的累計(jì)誤差延伸到末端,解決了整體粘接復(fù)合塊在砌筑過程中,受到碳氮化硅粘接碳化硅與炭素材料異型塊部分相互牽制影響而產(chǎn)生接縫過大可能導(dǎo)致滲漏的隱患。

同時(shí)角部選用氮化硅粘接碳化硅材質(zhì)能有效提高角部抗腐蝕沖刷的能力與保溫性能。與傳統(tǒng)采用炭素材料異型塊相比,有利于解決電解槽角部容易發(fā)涼導(dǎo)致結(jié)殼及堆積沉淀,從而影響角部陽極工作等問題。

(2)冷搗糊施工溫度變化相對(duì)較小,可有效利用這一特性,采用無接茬循環(huán)搗固方式,有效壓縮了施工周期時(shí)間。由原來接縫扎固近5個(gè)小時(shí)的時(shí)間壓縮至2個(gè)小時(shí),同時(shí)通過無接茬循環(huán)扎固,不再二次吹風(fēng),節(jié)約了資源,有效預(yù)防粉塵污染,大幅提高了施工質(zhì)量,改善了施工環(huán)境,提高搗固質(zhì)量,預(yù)防后期糊搗體在焙燒啟動(dòng)過程中出現(xiàn)的分層破裂,減少滲漏事故及伸腿脫落事故的發(fā)生。

(3)通過優(yōu)化內(nèi)襯結(jié)構(gòu),將周圍糊打到底,以吸收炭塊因鈉膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力,同時(shí)能夠緩沖后期焙燒過程中陰極炭塊熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力釋放,防止?jié)沧⒘现苯雍吞繅K接觸誘發(fā)破損裂紋的產(chǎn)生,對(duì)延緩內(nèi)襯破損,保護(hù)爐膛整體完整性得到一定改善。

(4)改進(jìn)搗固工藝,將炭間縫與周邊縫整體搗打,消除了因先搗固陰極炭塊中縫后搗固陰極炭塊周邊預(yù)留磨具固定的接口產(chǎn)生的垂直通縫。為預(yù)防在接茬處發(fā)生滲漏起到了良好的實(shí)用效果。

(5)施工搗固控制,對(duì)比密度表格(見圖4)看搗實(shí)密度是否在合格的范圍內(nèi),對(duì)扎固質(zhì)量來說至關(guān)重要。搗固密度與溫度密不可分,合理控制溫度和搗固次數(shù)成為關(guān)鍵因素,見圖4。

圖4 針密度表格圖

(6)增加陰極鋼窗口再密封的工序。不僅能防止危害生態(tài)環(huán)境的氟化物通過窗口排除,還能有效預(yù)防外界空氣通過未封閉的外側(cè)鋼窗口進(jìn)入電解槽陰極內(nèi)襯,從而造成陰極炭塊和側(cè)部復(fù)合塊加速氧化現(xiàn)象發(fā)生,縮短陰極炭塊服役壽命。

(7)增加電解槽周邊側(cè)部復(fù)合塊與背縫氧化鋁填充施工工序,確保側(cè)部復(fù)合塊與槽殼緊密接觸,阻斷電解質(zhì)或鋁液的滲漏通道的形成,有效形成一道物理保護(hù)層,確保電解槽后期啟動(dòng)平穩(wěn)。

3 小 結(jié)

通過對(duì)電解槽內(nèi)襯在實(shí)際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)滲漏等問題進(jìn)行了分析。通過分析可以看出,品質(zhì)優(yōu)良的內(nèi)襯材料,嚴(yán)格按照規(guī)程的筑爐施工是延長電解槽壽命的重要因素。通過對(duì)施工工藝和材料的環(huán)節(jié)的不斷改進(jìn)，有助于進(jìn)一步延長槽壽命和提高電解系列技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。