鋁電解槽內(nèi)襯創(chuàng)新維修與實(shí)踐

李元山

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

鋁電解槽內(nèi)襯破損、槽壽命短是多種因素綜合作用的結(jié)果。內(nèi)襯設(shè)計(jì)、砌筑材料品質(zhì)、施工質(zhì)量、焙燒啟動(dòng)過(guò)程及后期生產(chǎn)操作管理都是影響槽壽命的關(guān)鍵因素。鋁電解槽陰極內(nèi)襯大修，不僅要消耗大批人、物資源，而且在維修期間造成的經(jīng)濟(jì)損失也巨大。同時(shí)，內(nèi)襯清理中產(chǎn)生的固廢也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。該論文結(jié)合內(nèi)襯創(chuàng)新維修實(shí)踐，總結(jié)出了局部更換陰極炭塊及修補(bǔ)相關(guān)技術(shù)措施。

1 創(chuàng)新維修槽的特性

維修槽的清理和修復(fù)過(guò)程不可控、變化大，與施工的精細(xì)化有關(guān)；同時(shí)組織鑒定環(huán)節(jié)易受人為因素干擾。但由于維修周期短、費(fèi)用低、見(jiàn)效快，能有效延長(zhǎng)槽內(nèi)襯使用壽命而獲取最大經(jīng)濟(jì)效益且減少固（危）廢產(chǎn)生的數(shù)量，被電解鋁企業(yè)所采用。

（1）維修槽陰極內(nèi)襯整體狀況較差。炭塊縱向裂紋的產(chǎn)生比較普遍，有炭塊內(nèi)部形成的剪切裂紋、糊搗體收縮在周邊產(chǎn)生的垂直裂紋、陰極鋼棒彎曲變形產(chǎn)生的應(yīng)力引起的破損裂紋、機(jī)械性損傷裂紋和自然收縮裂紋等。

（2）炭間縫發(fā)生滲漏的幾率很小。炭間縫通常由七-八層內(nèi)襯糊搗固構(gòu)成。最上兩層搗固時(shí)分別填約115mm糊料，壓縮深度為70mm,壓縮比1.60∶1,如果炭間縫邊緣夾鋁深度大于120mm時(shí)。表明鋁液已滲透到第二層以下或更深，剔除時(shí)如持續(xù)向下延伸，很大程度上說(shuō)明鋁水已通過(guò)縫隙滲到了防滲層。

（3）維修槽的清理過(guò)程至關(guān)重要，材料性能及砌筑規(guī)范嚴(yán)格按優(yōu)化方案精細(xì)操作，保護(hù)性剔除。修補(bǔ)槽如果清理不到位，造成修補(bǔ)過(guò)程存有隱患或砌筑、搗固環(huán)節(jié)銜接不好，可能會(huì)引發(fā)質(zhì)量缺陷事故，嚴(yán)重時(shí)可能因誤操作將修補(bǔ)槽清理成大修槽，造成維修方案失敗，導(dǎo)致維修成本增加。

2 維修槽鑒定依據(jù)

（1）維修槽原鋁理化指標(biāo)：

電解槽運(yùn)行時(shí)，原鋁品質(zhì)化驗(yàn)Fe含量達(dá)到正常值≤0.10%。表明陰極內(nèi)襯沒(méi)有破損，未發(fā)生滲漏熔化鋼棒的跡象。停槽前，F(xiàn)e含量有上升趨勢(shì)，窗口陰極鋼棒溫度在260℃～300℃左右或槽底鋼板溫度超過(guò)230℃左右（修補(bǔ)槽內(nèi)襯保溫性能相對(duì)較差，槽底鋼板溫度較大修槽高（20℃～60℃）。如出現(xiàn)以上情況，可初步判定陰極炭塊已破裂，電解質(zhì)或鋁液已滲入內(nèi)襯，開(kāi)始腐蝕并熔化鋼棒。在防滲層堆積一定量后向陰極窗口蔓延，甚至從窗口鋼棒周圍縫隙流出或穿透防滲層向保溫層滲透到槽底。這類型槽通常在鋁水滲入后爐底會(huì)隆起，沉淀增多，導(dǎo)電性能降低，槽內(nèi)水平電流分布不均，電壓擺動(dòng)異常，嚴(yán)重時(shí)滾鋁，影響系列安全，應(yīng)按大修標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維修。

原鋁品質(zhì)化驗(yàn)Si含量正常值≤0.025%。初步表明側(cè)部Si3N4+SiC復(fù)合塊沒(méi)有破損,侵蝕不明顯。反之，大于正常值且有上升趨勢(shì)，說(shuō)明側(cè)部Si3N4+SiC復(fù)合塊已遭到電解質(zhì)溶液侵蝕沖刷脫落。這種情況可通過(guò)槽殼散熱板周圍出現(xiàn)發(fā)紅現(xiàn)象得到印證;側(cè)部Si3N4+SiC復(fù)合塊經(jīng)過(guò)焙燒運(yùn)行數(shù)年，外觀雖完整，但與其結(jié)合部分（碳素）已遭腐蝕沖刷脫落且整體厚度縮小，失去了對(duì)爐幫的保護(hù)性能。修補(bǔ)期間，清理過(guò)程也無(wú)法避免機(jī)械性接觸造成損傷斷裂。侵蝕嚴(yán)重、斷裂位置經(jīng)常出現(xiàn)在鋁液與電解質(zhì)的界面區(qū)域，若進(jìn)行局部更換，很難預(yù)防相鄰側(cè)部Si3N4+SiC復(fù)合塊不出現(xiàn)斷裂。因此不建議個(gè)別更換側(cè)部復(fù)合塊。

（2）修補(bǔ)槽陰極內(nèi)襯狀況：

修補(bǔ)槽內(nèi)襯導(dǎo)電性能良好，電流效率高，爐膛較完整是具備優(yōu)化修補(bǔ)條件的最基本要素。

爐底清理發(fā)現(xiàn)：炭間縫夾鋁比較常見(jiàn)，鋁片厚約1mm～2mm，深度一般在80mm～110mm之間。這個(gè)結(jié)果與前期使用中溫糊時(shí)在炭間縫或周邊縫邊緣噴涂煤焦油有關(guān)。由于中溫糊軟化點(diǎn)高，一般在90℃～140℃之間，施工中散熱快，溫度不易控制，易發(fā)生“干糊”現(xiàn)象。搗固時(shí)粘結(jié)劑和細(xì)粉骨料集中在表面層。焙燒時(shí)此表面層的收縮性與下層搗固糊層之間產(chǎn)生了分層，導(dǎo)致糊料的粘接性能與密封功能降低從而引起鋁液滲漏，形成夾鋁現(xiàn)象的產(chǎn)生。

陰極炭塊縱向產(chǎn)生的非自然收縮裂紋，系綜合性開(kāi)裂紋，一般在炭塊端部燕尾槽周圍向外邊緣擴(kuò)散，部分裂縫在炭塊頂部或通過(guò)頂部止于炭間縫，這種裂紋縫隙較大，一般在2mm～3mm之間，紋理清晰無(wú)規(guī)律，部分縫隙深可見(jiàn)陰極鋼棒；若縱向裂縫在炭塊燕尾槽上方，長(zhǎng)度不大于破損炭塊寬二分之一，即370mm，要作為修補(bǔ)槽時(shí)，應(yīng)做好記錄，啟動(dòng)時(shí)要重點(diǎn)防護(hù)；若裂縫貫通整個(gè)炭塊或2/3段有裂紋交叉，將炭塊裂分為大小不等塊狀，該槽要按大修理維修。受自然冷卻收縮形成的縱向裂紋縫隙相對(duì)較小，紋路走向舒展，與其它裂紋交匯后不再擴(kuò)散。只有在受到機(jī)械清理時(shí)有裂縫延長(zhǎng)或縫隙加大的可能，這種縫隙對(duì)修補(bǔ)槽構(gòu)不成威脅，焙燒啟動(dòng)后，隨槽溫升高，縫隙愈合。

陰極炭塊橫向裂紋的產(chǎn)生大部分來(lái)自于鈉滲透形成的侵蝕裂紋，分布在炭塊中部。如果在侵蝕裂紋或自然收縮裂紋的區(qū)域爐底沒(méi)有隆起或隆起較小。啟動(dòng)后，侵蝕裂紋會(huì)在爐底電解質(zhì)混合物及沉淀生成時(shí)自行填充愈合。當(dāng)然，對(duì)于侵蝕裂紋較大且橫跨于多塊陰極底塊并與其它出現(xiàn)裂紋交叉時(shí)，另當(dāng)別論。

糊搗體收縮裂紋的產(chǎn)生：最初加熱時(shí)體積呈現(xiàn)膨脹趨勢(shì)，當(dāng)溫度在200℃～500℃時(shí)開(kāi)始固化，這時(shí)粘接劑中各組分的裂解和聚合反應(yīng)使碳糊逐漸半焦化，體積呈收縮趨勢(shì)。糊搗體的收縮率除了取決于其組成外與搗實(shí)密度及升溫速度有關(guān)[1]。目前國(guó)內(nèi)內(nèi)襯糊收縮率（20℃～950℃）在0.15%～0.20%之間，國(guó)外一般不大于0.25%。

（3）修補(bǔ)槽的優(yōu)化修復(fù)過(guò)程應(yīng)遵循：清理—鑒定—修補(bǔ)。Si3N4+SiC砌筑是很關(guān)鍵的工序之一。局部更換側(cè)磚的難點(diǎn)在于剔除破損過(guò)程及安裝最后一塊側(cè)磚（合門(mén)磚），剔除過(guò)程或安裝時(shí)如果掌控不好，會(huì)將相鄰側(cè)磚橫向擠裂。因此，選擇恰當(dāng)?shù)那腥肟谑峭瓿蓛?yōu)化的第一步。首先在側(cè)磚中部開(kāi)始剝離侵蝕或破損側(cè)磚，最后一塊借助工具水平移出。清理干凈側(cè)面粘附的燒結(jié)物后待砌，合門(mén)磚選擇在距離角部較近的一端進(jìn)行，這有利于與角部碳素組合完成安裝，確保側(cè)磚能緊貼槽殼砌筑。

（4）炭塊周邊防滲漕（水線漕）內(nèi)炭糊已燒結(jié)，其防滲漏功能減弱。清理時(shí)用角磨機(jī)在漕線內(nèi)以不小于135度角向內(nèi)切割2-3mm。完畢，用電動(dòng)鋼刷或手持鋼刷將炭塊周圍粘附物打磨干凈；炭塊邊緣容易分層或破損。因此不能在炭塊邊緣清理，必要時(shí)可采用切割、打磨等手段，避免損傷炭塊，誘發(fā)炭塊破損加劇。如清理不到位或不徹底，與糊料接觸面粘接受阻，修補(bǔ)質(zhì)量會(huì)大打折扣。

（5）炭間縫內(nèi)所夾鋁片危害較大，是承載電流及傳遞熱量的導(dǎo)體，向下滲透能力強(qiáng)。清理時(shí)，為保護(hù)炭間縫下層糊搗體不受損傷，不允許風(fēng)鎬垂直發(fā)力?？裳靥块g縫一端以不大于45度角，以40mm～60mm深度分兩次完成，清理深度不大于130mm。修補(bǔ)時(shí)要盡可能與腐蝕坑或周邊縫交替搗固。

（6）修補(bǔ)槽炭塊邊緣破損及糊搗體分層相對(duì)較多，是修補(bǔ)重點(diǎn)區(qū)域。炭塊邊緣壓接要適中，壓邊時(shí)一般不超過(guò)5-10mm。破損地方要用壓邊錘與周邊縫交替搗實(shí)。由于搗實(shí)后的糊料層與炭塊接觸面系物理性粘接且炭塊前期已經(jīng)過(guò)焙燒，因而無(wú)法形成整體。如果壓邊過(guò)大，電解質(zhì)很容易滲透進(jìn)去，將壓邊糊抬起，并逐步向內(nèi)延伸，最后造成開(kāi)裂脫落，俗稱“漂槽”。

3 創(chuàng)新修補(bǔ)措施

研究發(fā)現(xiàn)，陰極內(nèi)襯破損形態(tài)各異，嚴(yán)重程度也不盡相同。槽內(nèi)如果出現(xiàn)個(gè)別炭塊破損就按大修理處置，實(shí)在可惜，也過(guò)于草率。如果要采取局部更換炭塊，缺點(diǎn)在于相鄰炭塊在清理時(shí)能否保持完好或其它炭塊內(nèi)部有無(wú)缺陷不可預(yù)知，也存在一定風(fēng)險(xiǎn)。筆者通過(guò)嘗試對(duì)兩臺(tái)槽實(shí)施邊部各更換炭塊的維修方案取得了一定成效。在此基礎(chǔ)上實(shí)施中部更換半塊炭塊的方案也取得了成功。在拓寬維修思路與改進(jìn)維修方案上面有了較大突破。

4 局部更換炭塊槽啟動(dòng)后運(yùn)行效果分析

從下表可以看出：通過(guò)優(yōu)化內(nèi)襯修補(bǔ)，局部更換破損炭塊后，經(jīng)過(guò)8個(gè)月，12個(gè)月、16個(gè)月的生產(chǎn)實(shí)踐，原大修槽、更換炭塊槽及修補(bǔ)槽隨著槽齡增加爐底壓降較16個(gè)月前上升了26-40mv，槽底鋼板溫度、陰極鋼棒溫度均上升高了100℃～195℃、35℃～53℃，當(dāng)前電流效率及部分指標(biāo)與相鄰生產(chǎn)槽變化并不明顯。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

電解槽局部維修對(duì)延長(zhǎng)電解槽整體壽命、加快恢復(fù)生產(chǎn)且對(duì)企業(yè)挖潛降耗、創(chuàng)造效益至關(guān)重要。建議企業(yè)對(duì)槽殼長(zhǎng)側(cè)單邊縱向變形尺寸小于70mm、槽殼長(zhǎng)側(cè)與端頭焊縫沒(méi)有開(kāi)裂及長(zhǎng)側(cè)與斜側(cè)板在對(duì)接縫處無(wú)開(kāi)裂跡象；內(nèi)襯爐膛平整、爐膛拱起不大于100mm，陰極炭塊橫向裂紋長(zhǎng)度不大于三塊。運(yùn)行期間理化指標(biāo)Fe含量正常值≤0.10；Si含量正常值≤0.025，且沒(méi)有發(fā)生過(guò)漏停事故或陰極扁鋼沒(méi)有熔化、燒損跡象的電解槽進(jìn)行局部維修。下面對(duì)某企業(yè)500KA單臺(tái)電解槽局部維修與大修費(fèi)用差異做一對(duì)比。

表1 局部更換炭塊槽啟動(dòng)后運(yùn)行效果分析

5.1 對(duì)槽周側(cè)部復(fù)合塊更換

對(duì)槽周側(cè)部復(fù)合塊更換施工費(fèi)及材料費(fèi)約20萬(wàn)元/臺(tái),整體內(nèi)襯大修材料費(fèi)與施工費(fèi)約120萬(wàn)元/臺(tái)（半石墨質(zhì)）。每臺(tái)約節(jié)約100萬(wàn)元。對(duì)于20萬(wàn)元的材料及施工費(fèi)。每噸鋁按500元利潤(rùn)計(jì)約4個(gè)月即可收回成本。

5.2 局部更換陰極炭塊

結(jié)合5.1所述，對(duì)于個(gè)別槽由于有一至兩塊陰極炭塊破損，徹底大修（造價(jià)較高且維修周期較長(zhǎng)，難以短時(shí)間恢復(fù)生產(chǎn)）有點(diǎn)可惜，可進(jìn)行優(yōu)化內(nèi)襯修補(bǔ)，局部更換破損炭塊的方式進(jìn)行維修。局部更換陰極炭塊結(jié)合槽周側(cè)部復(fù)合塊更換維修單臺(tái)單塊費(fèi)用約23萬(wàn)元，整體內(nèi)襯大修材料費(fèi)與施工費(fèi)約120萬(wàn)元/臺(tái)。每臺(tái)節(jié)約97萬(wàn)元。（運(yùn)行時(shí)間及指標(biāo)見(jiàn)上表）。

5.3 減少固 （危）廢產(chǎn)生量，減少處理費(fèi)用

局部維修約產(chǎn)生固（危）廢約13噸/臺(tái)，大修約產(chǎn)生123噸/臺(tái)（不包括陰極鋼棒、由于鈉侵蝕，內(nèi)襯容重增加），單臺(tái)增加110噸。每噸固（危）廢處理費(fèi)用約0.50萬(wàn)元，單臺(tái)槽約55萬(wàn)元?？梢?jiàn)局部維修對(duì)電解鋁企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)至關(guān)重要。

6 結(jié)語(yǔ)與建議

實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)修補(bǔ)槽使用周期的每項(xiàng)措施都是重要的。每個(gè)環(huán)節(jié)的改進(jìn)措施和質(zhì)量控制對(duì)延長(zhǎng)槽壽命都是有益的：鋁電解槽可通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)來(lái)完成高質(zhì)量修補(bǔ)，也可以通過(guò)更換局部底塊來(lái)提高槽內(nèi)襯的最大利用率，達(dá)到實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)槽壽命的目的。