500 kA大型鋁電解槽槽殼破損原因分析及應(yīng)對策略

張剛剛, 施文學(xué), 張鐵山, 張明泉, 張凌云

(中國鋁業(yè)連城分公司,甘肅 蘭州 730335)

大型鋁電解槽是高產(chǎn)值、低能耗、環(huán)保型的先進(jìn)冶煉設(shè)備,但由于槽殼尺寸長度較長,寬度較寬,生產(chǎn)管理難度更大,生產(chǎn)過程中槽殼發(fā)生變形、裂紋、沖蝕等現(xiàn)象較多,影響電解槽平穩(wěn)、安全運行[1-2]。如果在項目施工階段、啟動初期及運行等階段控制不嚴(yán),出現(xiàn)漏爐、沖毀槽殼、損壞陰極母線等情況,則會給電解生產(chǎn)帶來隱患或給企業(yè)造成重大的損失。因此,槽殼維護(hù)、后期維修對企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營尤為重要[3-4]。

隨著電解鋁行業(yè)技術(shù)的發(fā)展,電解槽除了尺寸的增大外,大型槽殼的成本也而隨之增大,且維修難度加大,破損后造成損失也較大。因此,了解槽殼變形、破損的原因,掌握維修方法,實施最佳維修方式是電解鋁工藝和電解鋁設(shè)備維護(hù)、維修永恒的課題。

槽殼破損的原因有諸多因素,在電解槽的前期施工及焙燒過程,譬如內(nèi)襯材料質(zhì)量、施工過程質(zhì)量以及電解槽焙燒過程各個參數(shù)控制不當(dāng),啟動過程未按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,這些均能造成早期的破損而沖擊槽殼;最為影響的就是生產(chǎn)運行過程,生產(chǎn)管理問題是導(dǎo)致電解槽早期破損的最重要原因,熱平衡難以穩(wěn)定保持,過冷過熱情況均會沖擊槽殼,所以在整個電解槽的生命周期中,電解槽槽殼的狀態(tài)直接影響著電解槽的使用壽命[5-6]。如發(fā)生漏爐情況,電解槽槽殼是電解槽的最后一道防線,需要在生產(chǎn)過程中加以防范,并在源頭上給予重視[7-8]。

本文結(jié)合某廠的生產(chǎn)實例,對500 kA大型鋁電解槽發(fā)生的槽殼破損問題進(jìn)行了分析,并提出了針對性的修復(fù)方案,通過本案例的分析和討論,給予企業(yè)一些借鑒和指導(dǎo),進(jìn)而提高電解槽的使用價值,增大電解槽的槽壽命。

1 槽殼破損現(xiàn)狀

1.1 槽殼系列排查

某500 kA系列于2018年開始彈性生產(chǎn),采用保護(hù)性停槽方式。彈性生產(chǎn)后全部采取保溫措施,停槽后槽體溫度自然降低至常溫后開始吊出殘陽極,維持二次使用的基本條件。2019年完成了所有電解槽內(nèi)電解質(zhì)和殼面料的清理,并全面排查槽殼狀況,未發(fā)現(xiàn)異常。2020年在全面排查槽殼狀況中,發(fā)現(xiàn)1臺槽殼出現(xiàn)裂紋,對生產(chǎn)運行時運行較差的3臺槽殼鋼板取樣分析,數(shù)據(jù)正常,但所有電解槽兩端出現(xiàn)上翹的情況,上翹幅度為40 mm左右,最大為60 mm。2021年再次排查槽殼,有5臺槽出現(xiàn)微裂紋。2022年3月份起,在起吊、倒運、校正和筑爐過程中陸續(xù)出現(xiàn)微裂紋情況,至今累計發(fā)現(xiàn)99臺。其中裂縫長度最小50 mm,最大800 mm,裂紋區(qū)域占槽殼側(cè)面壁板面積最小0.05%,最大1.35%,槽殼裂紋全部為豎向裂紋,且主要集中在搖籃架與槽殼焊接部位兩側(cè)，見表1數(shù)據(jù)。

表1 2022年系列排查槽殼情況發(fā)現(xiàn)槽殼冷裂數(shù)據(jù)匯總

1.2 槽殼分類

按照槽殼裂紋情況將電解槽分為三類,即完好、裂紋、腐蝕。其中腐蝕槽同時分布在完好和裂紋槽中，具體如表2。

表2 槽殼損傷程度統(tǒng)計表

2 槽殼冷裂原因分析

2.1 取樣方案

(1)側(cè)壁板高低溫區(qū)取樣

a.完好槽殼:隨機選取4臺,取樣12個;

b.裂紋槽殼:長側(cè)隨機選取4臺,取樣12個。

(2)三類槽高溫區(qū)取樣

a.完好槽殼:隨機選取6臺,取樣7個;

b.裂紋槽殼:隨機選取6臺,取樣12個;

c.腐蝕槽殼:隨機選取6臺,取樣7個。

(3)出鋁端和煙道端

隨機取樣兩臺槽,煙道端取樣2個,出鋁端取樣2個。

(4)同槽同位不同期取樣

3臺槽殼同一位置取樣14個。

注:(1)完好槽殼是指肉眼觀察無可見裂紋。

(2)裂紋槽殼是指肉眼觀察有一條及以上可見裂紋。

(3)腐蝕槽殼是指在完好和裂紋槽殼中腐蝕面積超過長側(cè)壁板總面積1/5。

圖1 部分冷裂槽殼照片

圖2 各處取樣方案示意圖

2.2 力學(xué)及化學(xué)分析檢測

全系列電解槽殼制作采用Q345B的鋼材,根據(jù)2.1中的取樣規(guī)則,對樣品進(jìn)行針對性的力學(xué)檢測,共計檢測樣品68個,6項檢測項目,數(shù)據(jù)低于標(biāo)準(zhǔn)的主要集中在屈服強度降低。

(1)4臺完好和4臺裂紋槽殼力學(xué)分析

從表3中可以看出,槽殼低溫區(qū)位置,除1109#槽殼(應(yīng)為異常值)外,屈服強度均大于 345 MPa,符合要求。

表3 4臺完好和4臺裂紋槽殼力學(xué)分析統(tǒng)計表

槽殼高溫區(qū)位置,2125#、1066#、1109#、2127#槽殼的屈服強度低于345 MPa,其中1109B12下降率最大為17.10%;其它槽殼屈服強度大于345 MPa。說明高溫區(qū)材料在高溫作用后,其屈服強度、抗疲勞性能下降。裂紋槽殼高溫區(qū)的屈服強度要優(yōu)于完好槽殼高溫區(qū),主要原因是完好槽殼可能在槽殼內(nèi)部存在很多微裂紋,未釋放殘余應(yīng)力,進(jìn)而導(dǎo)致屈服強度和抗拉強度的下降。

(2)18臺完好和裂紋、含腐蝕槽殼高溫區(qū)力學(xué)分析(見表4):

表4 18臺完好和裂紋、含腐蝕槽殼高溫區(qū)力學(xué)分析統(tǒng)計表

a.6臺完好槽殼高溫區(qū)的屈服強度全部小于或等于 345 MPa,說明在長時間放置后殘余應(yīng)力釋放,材料內(nèi)部存在較多微裂紋等缺陷,導(dǎo)致屈服強度下降,最大下降率為 15.65%。

b.6臺裂紋槽殼 12 個數(shù)據(jù)點,其中4個數(shù)據(jù)點大于 345 MPa,8個數(shù)據(jù)點小于345 MPa,情況略好于6臺完好槽殼。但是屈服強度下降也是較明顯,主要原因也是內(nèi)部存在微裂紋,屈服b強度最大下降率為18.84%。

c.6臺腐蝕槽殼高溫區(qū)取樣材料的屈服強度,1個數(shù)據(jù)點大于345 MPa,5個數(shù)據(jù)點小于345 MPa,說明腐蝕后材料的屈服強度也會降低,屈服強度最大下降率為12.17%。

(3)2臺槽殼的煙道端和出鋁端取樣力學(xué)分析

槽殼短側(cè)壁板低溫區(qū)的屈服強度高于高溫區(qū),屈服強度下降率最大為 12.46%(見表5)。

(4)三臺槽同位置不同時間取樣力學(xué)對比分析

2020年12月取樣后,槽殼在自然環(huán)境溫度下,應(yīng)力釋放過程中,槽殼壁板屈服強度和抗拉強度都有不同程度的下降。最大下降率14.5%,延伸率上升3%～9.5%,斷面收縮率上升19%～41%(見表6)。

表6 三臺槽同位置不同時間取樣力學(xué)對比分析表

2.3 電解槽槽殼金相組織分析

為進(jìn)一步研究裂紋機理,分別對完好槽殼、裂紋槽殼和其他系列完好槽殼分別進(jìn)行金相對比分析。圖3a、圖3b、圖3c為本系列完好槽殼高、低溫區(qū)金相圖,圖3d、圖3e、圖3f和圖3g為本系列裂紋槽殼(裂紋部位)金相圖;圖3h為對比系列完好槽殼金相圖。

Q345B鋼一般組織是先共析鐵素體和珠光體。根據(jù)電解槽槽殼金相組織分析報告,看組織珠光體沿軋制方向流線型明顯,該倍數(shù)下沒有觀察到馬氏體,符合Q345B組織觀察結(jié)果,如圖3所示。

圖3 電解槽槽殼金相組織圖譜

Q345B含碳量不大于0.2%,屬于亞共析鋼。合金冷卻過程中先從液相中析出 δ 相(高溫鐵素體),隨著溫度的降低,液相中的C含量變?yōu)?.53%,δ 相中的C含量變?yōu)?.09%,發(fā)生包晶反應(yīng)生成A(奧氏體)。當(dāng)溫度降低至固相線以下時,合金全部轉(zhuǎn)變成A;當(dāng)溫度低于A3線,從A中析出鐵素體(F),鐵素體在奧氏體晶界處優(yōu)先形核并長大。在727℃時,發(fā)生共析反應(yīng),轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w,而之前析出的鐵素體則不發(fā)生變化。溫度繼續(xù)降低,合金組織則不發(fā)生變化。因此Q345B室溫平衡組織為F+P(鐵素體+珠光體),鐵素體為白色塊狀,珠光體呈偏片狀,當(dāng)放大倍數(shù)不高時呈黑色塊狀。經(jīng)過上述分析,Q345B鋼一般組織是先共析鐵素體和珠光體,看組織珠光體沿軋制方向流線型明顯,該倍數(shù)下沒有觀察到馬氏體。

3 冷裂原因分析

根據(jù)檢測結(jié)果分類分析,初步分析破損原因如下:

(1)由于電解槽整體固接于搖籃架上,在受熱時,體積膨脹僅能向上彎曲,在橫向整體沒有膨脹伸縮余量,從而會存在一定的內(nèi)應(yīng)力。

(2)由于電解槽槽殼中間局部會出現(xiàn)高溫,通過強制冷卻等方法進(jìn)行降溫,易在該處形成殘余應(yīng)力。

(3)由于槽殼溫度的變化,局部會出現(xiàn)熱疲勞現(xiàn)象,易導(dǎo)致表面裂紋形成和擴展。

根據(jù)槽殼取樣材料力學(xué)性能結(jié)果判斷斷裂成因。

3.1 高溫區(qū)中部位置裂紋聚集原因分析

(1)材料力學(xué)性能的下降分析

槽殼高溫區(qū)中部位置的屈服強度和抗拉強度要明顯低于槽殼高溫區(qū)下部位置,說明長期的高溫作業(yè)導(dǎo)致Q345B材料的力學(xué)性能要劣于低溫情況,在槽殼使用時中部位置更容易產(chǎn)生微裂紋,同時在熱應(yīng)力作用下微裂紋更容易形成宏觀裂紋,這也是導(dǎo)致槽殼裂紋集中在中部位置的原因之一。

(2)從熱載荷(應(yīng)力)作用角度分析

槽殼使用時中部位置的溫度要高于下部位置溫度,也就是在實際工作時中部位置承受的熱載荷變程、幅值和均值都要大于下部位置處,那么中部位置處更易產(chǎn)生微裂紋,進(jìn)而擴展為宏觀裂紋,也是導(dǎo)致槽殼疲勞裂紋集中在中部位置出現(xiàn)的原因之一。

(3)從殘余應(yīng)力角度分析

槽殼使用時中部位置的溫度要高于下部位置溫度,其殘余壓應(yīng)力較高,在停產(chǎn)時槽殼恢復(fù)室溫,內(nèi)襯清理完畢,此時殘余壓應(yīng)力釋放,材料內(nèi)部會產(chǎn)生很多微裂紋,微裂紋匯聚擴展成為宏觀裂紋,這是槽殼中部位置容易產(chǎn)生裂紋的原因之一。

3.2 長度方向中間位置裂紋聚集原因分析

由于鋁液具有流動性,根據(jù)槽殼實際結(jié)構(gòu)可以判斷,槽殼長度方向中間部位溫度最高,在實際工作時槽殼長度中間位置變形最大,此時在熱載荷的疊加作用下,導(dǎo)致其局部應(yīng)力較大,裂紋更易在此處萌生和擴展。

4 修復(fù)方案

結(jié)合檢測結(jié)果和分析的原因,再通過對冷裂電解槽進(jìn)行再次排查,以及根據(jù)現(xiàn)場實際,制定如下修復(fù)方案:

(1)對裂縫已經(jīng)向上擴展至甚至超過水平翼板的槽殼,采用離線修復(fù),整體更換槽殼兩側(cè)側(cè)面壁板的方案。

(2)對裂縫距離側(cè)面壁板上沿大于200 mm,采用局部補焊方式現(xiàn)場修復(fù)。要求補焊面積高度應(yīng)大于480 mm的高溫區(qū),長度應(yīng)跨過兩個搖籃架(大于740 mm),補焊板要與背部搖籃架進(jìn)行焊接,焊接后對四條焊縫探傷,確保探傷合格。

(3)對裂縫形狀為Y形或者蜘蛛網(wǎng)狀,且整臺槽殼有兩處及兩處以上的槽殼,采用整體更換槽殼兩側(cè)側(cè)面壁板離線修復(fù)的方案。

(4)凡是更換側(cè)面壁板的槽殼,側(cè)面壁板需兩側(cè)一起更換。

(5)槽殼端頭出現(xiàn)裂縫的槽子,由于端頭結(jié)構(gòu)筋板多、強度高,采用局部補焊方式在線修復(fù),焊接后進(jìn)行探傷,確保焊縫探傷合格。

5 修復(fù)槽殼后期管理預(yù)案

(1)嚴(yán)格執(zhí)行焙燒啟動方案

焙燒前期,分流器拆出判定電壓由正常槽的3.0 V降低至2.8 V,拆除時間延長至48 h，啟動溫度達(dá)到980℃時即可。啟動過程避免長效應(yīng)、高電壓，嚴(yán)格執(zhí)行純凈體系、高分子比建爐幫，確保電解槽形成穩(wěn)固的爐幫。嚴(yán)格執(zhí)行啟動后期和正常生產(chǎn)期的標(biāo)準(zhǔn)化管理,確保電解槽運行穩(wěn)定。

(2)定期巡視檢查

焙燒啟動過程中,所有電解槽比照風(fēng)險槽管理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理,每班至少巡視、測量2次三鋼溫度,嚴(yán)密檢視槽殼變化。

(3)裂紋處理

a.在運行過程中發(fā)現(xiàn)槽殼某部位裂紋,啟動風(fēng)險槽管控預(yù)案,按照風(fēng)險槽來處理。

b.熔體區(qū)發(fā)生裂紋,在線焊接加強筋板(橫跨裂紋),筋板條數(shù)根據(jù)具體裂紋長度確定。如裂紋長度較長或發(fā)生網(wǎng)狀裂紋,須將裂紋兩側(cè)的搖籃架用補強圍板連接(20 mm厚)。

c.靠近水平翼板附件發(fā)生裂紋,在線對裂紋區(qū)域的圍板進(jìn)行加固。如果裂紋延伸至水平翼板,需對水平翼板上表面補焊筋板。

d.槽殼焊縫處開焊,在線補焊并焊接加強筋板。

e.搖籃架開焊,在線補焊開焊部位,并通過圍板連接相鄰兩個部位的搖籃架進(jìn)行加固。

6 結(jié)論與建議

通過上述分析,形成如下結(jié)論:

(1)隨著使用時間的增加,材料屈服強度降低,屈服強度下降率不高于初始設(shè)計要求的30%,即可安全使用。

(2)所有槽殼高溫區(qū)的屈服強度低于低溫區(qū),主要原因是高溫區(qū)位置溫度高于低溫區(qū),更利于裂紋的萌生和擴展。

(3)槽殼裂紋產(chǎn)生的主要原因有材料屈服強度的下降、熱載荷的循環(huán)作用以及殘余應(yīng)力的釋放。

(4)溫度是導(dǎo)致材料屈服強度下降和裂紋產(chǎn)生的主要因素。

(5)槽殼在自然環(huán)境溫度下,應(yīng)力釋放過程中,鋼材屈服強度、抗拉強度均有所下降,延伸率、斷面收縮率均有所上升。

結(jié)合上述分析給出如下建議:

(1)對于無裂紋槽殼可以繼續(xù)使用,在使用過程中如發(fā)現(xiàn)有裂紋的現(xiàn)象,進(jìn)行局部維修。

(2)有裂紋槽殼應(yīng)該對裂紋區(qū)按照修復(fù)建議方案進(jìn)行修復(fù),修復(fù)后方可使用,在使用過程中對其進(jìn)行不定期檢查。