500 kA鋁電解槽陰極破損分析及對策

周 媛 余龍進 曾振雙

(廣西華磊新材料有限公司, 廣西 平果 531499)

0 前言

某電解鋁廠由于電磁場、熱平衡設計缺陷,電解槽早期破損嚴重,槽殼變形、陰極炭塊隆起等現(xiàn)象層出不窮,生產(chǎn)工藝指標受到很大影響,人員勞動強度大幅增加,系列風險無法得到有效控制,制約著企業(yè)的發(fā)展。為解決這一難題,技術團隊進行深入分析,并對其破損機理進行分析研究,采取一系列措施遏制電解槽早期破損趨勢,通過優(yōu)化熱平衡設計和工藝技術參數(shù),破解電解槽早期破損的難題。

1 陰極破損的機理

根據(jù)某電解鋁廠生產(chǎn)實際,電解槽早期破損可以分為槽殼變形、陰極炭塊破損、側壁破損等幾大類。

在陰極炭塊預熱過程中,熱機械力釋放產(chǎn)生應力,應力集中,如果這些應力能夠得到有效釋放,就能改善內(nèi)襯的緊密程度,否則就會產(chǎn)生裂紋,導致電解槽早期破損。電解槽啟動后初始會經(jīng)歷快速膨脹,這主要是由熱膨脹應力引起的。槽殼中的快速膨脹在一周內(nèi)就會消失,但是內(nèi)襯中的鈉膨脹和防滲層的化學作用會造成槽殼變形［1］。

鋁電解槽中的陰極鋼棒一般通過澆鑄鐵水、鋼棒糊扎固和粘結劑與陰極炭塊連接在一起。由于在焙燒溫度范圍內(nèi),陰極鋼棒的熱膨脹系數(shù)是陰極炭塊的4倍,在組裝件加熱時陰極鋼棒將產(chǎn)生嚴重的機械熱應力,這種應力將導致陰極鋼棒在焙燒預熱和電解槽早期操作時產(chǎn)生裂縫,可能會損壞陰極炭塊或大幅增加陰極壓降［1］。

任必軍等［2］的研究顯示,陰極炭塊破損主要是生成碳化鋁而形成沖蝕坑,吸收鈉和電解質(zhì)產(chǎn)生的各種反應所致。陰極炭塊內(nèi)襯破損的主要信號是炭塊的破裂或氟化物粗大晶體的長大,破裂的力主要由電解槽啟動初期滲透結晶膨脹,陰極炭塊和電解質(zhì)反應發(fā)生鈉吸收產(chǎn)生。冷正旭等［3］的研究指出,由于碳化鋁導電性很差,在垂直的裂紋中形成時,會嚴重地影響陰極炭塊內(nèi)的電流分布,導致電流分布不均勻,從而加速破損;鋁電解過程中,鈉和電解質(zhì)的滲透所引起的膨脹力可導致陰極炭塊內(nèi)產(chǎn)生裂紋,或使陰極炭塊內(nèi)的微裂紋脹大,并引發(fā)陰極炭塊表面的腐蝕與破損。

電解槽側部散熱不良,鈉的滲透、物理機械的破壞都會導致側壁破損［4］。碳化硅側部的下部主要通過凝固的電解質(zhì)來保護側部不受熔融狀態(tài)的電解質(zhì)和鋁液的侵蝕。碳化硅側部破損主要是空氣氧化和金屬鋁與碳反應生成碳化鋁導致。其中,空氣氧化與日常操作、工作質(zhì)量密切相關;而化學反應則主要與電解質(zhì)過熱度、陽極效應系數(shù)、鋁水平高度密切相關。

為進一步分析電解槽破損機理,本文選擇了一臺試驗槽為例,分析了其陰極破損原因,并提出了優(yōu)化方向,然后選擇另一臺試驗槽進行優(yōu)化,分析優(yōu)化后電解槽的陰極破損情況。

2 電解槽破損原因分析

試驗槽1為優(yōu)化前的電解槽,槽齡1 068 d,原鋁鐵含量為0.078%,硅含量為0.032%,停槽前為正常生產(chǎn)槽,工藝技術條件見表1。

表1 試驗槽1工藝技術條件

試驗槽1停槽后經(jīng)刨槽發(fā)現(xiàn),陰極炭塊A、B面各有一條貫穿橫斷裂紋(圖1)。其中,A3～A20,B1～B17的裂紋較為明顯。以陰極炭塊表面到槽沿640 mm為基準,計算隆起情況,結果如圖2所示。由圖2可知,B面中部和A面中部隆起較明顯,最大位置為B面中部,隆起28 mm,負值代表沖蝕坑或剝落陰極坑。陰極炭塊表面A、B面距離側部1 m左右處各有一條貫穿橫斷裂紋。

圖1 試驗槽1陰極炭塊表面破損情況

圖2 試驗槽1陰極炭塊表面隆起情況

整體來說,出鋁端、煙道端及B面?zhèn)炔肯鄬Ρ容^完整,A面碳化硅側部破損較多(圖3),破損嚴重的部位上部已經(jīng)可見到槽殼。

圖3 試驗槽1側部碳化硅腐蝕情況

人工利用風鎬對側部內(nèi)襯進行刨除,結果顯示,側部陰極鋼棒完好無損(圖4),防滲料基本未發(fā)生變化。

圖4 試驗槽1陰極鋼棒腐蝕情況

利用炭塊取樣機分別在陰極炭塊A、B面明顯裂紋B6、B11、B13、B24、A20、A25處鉆取了試樣(圖5)。由圖5可知,B13、A20、B24、A25、B11均出現(xiàn)貫穿到試樣底部的裂紋。

圖5 試驗槽1陰極炭塊取樣情況

從圖4可知,陰極鋼棒表面保持完整,沒有被鋁水侵蝕的現(xiàn)象,鋼棒也比較平整,無明顯隆起現(xiàn)象,但是陰極鋼棒表面存在凝固的鋁,呈銀白色,這表明雖然陰極鋼棒表面未熔化,但是已經(jīng)有少量鋁水滲到陰極鋼棒表面。

吊起陰極炭塊后,發(fā)現(xiàn)陰極鋼棒存在部分熔化、陰極炭塊底部有大面積凝固鋁塊、陰極炭塊滲鋁、炭間縫有殘鋁、防滲料與陰極炭塊燒結在一起等現(xiàn)象。

B8、B10、B23、B24、B26陰極鋼棒底部部分熔化(圖6),說明生產(chǎn)過程中有鋁液滲入鋼棒底部造成熔化。

圖6 試驗槽1陰極鋼棒熔化情況

B27、B28和A25陰極鋼棒底部出現(xiàn)存在大片鋁塊而沒有熔化的現(xiàn)象(圖7),原因可能是生產(chǎn)過程中已經(jīng)發(fā)生滲鋁,但是滲鋁量比較微小,滲到陰極鋼棒底部就凝固,所以沒有造成鋼棒的熔化;或者是停槽后溫度急劇變化,陰極炭塊產(chǎn)生裂縫造成鋁液滲漏,鋁液滲漏到底部時因溫度下降而凝固。

圖7 試驗槽1保溫層滲透情況

綜上所述,解剖結果顯示:

1)試驗槽1雖然在停槽前為正常槽,原鋁的鐵、硅含量也基本在正常范圍內(nèi),但刨掉電解質(zhì)后發(fā)現(xiàn)試驗槽1陰極炭塊A、B面各有一條通長裂紋。

2)該槽陰極炭塊中部表面有28 mm輕微隆起。多處陰極炭塊裂紋通道滲鋁已到達陰極鋼棒表面。

3)出鋁端、煙道端及B面?zhèn)炔刻蓟柘鄬Ρ容^完整,但A面?zhèn)炔刻蓟栌卸嗵幾儽?部分已經(jīng)可見到槽殼。

4)陰極炭塊底部部分熔化。陰極炭塊底部出現(xiàn)大面積凝固鋁塊、炭塊滲鋁、炭塊間縫有殘鋁、防滲料與炭塊燒結在一起等現(xiàn)象,一些陰極鋼棒底部也有鋁塊,說明生產(chǎn)過程中已經(jīng)有鋁液滲入鋼棒底部造成部分熔化。

3 主要優(yōu)化措施

3.1 陰極炭塊早期破損的主要原因

某廠500 kA電解槽原磁流體穩(wěn)定性設計存在一定的缺陷,水平電流較大,垂直磁場較高,鋁液和電解質(zhì)的流速較快,同時交界面變形量較大,抗干擾能力較差,導致500 kA電解槽磁流體穩(wěn)定性存在較大問題。

試驗槽1側塊采用普通炭塊,并背貼15 mm陶瓷纖維板的保溫層,側塊下部為一層平砌的耐火磚、一層保溫磚和20 mm的陶瓷纖維板。槽底防滲保溫層厚度為393 mm,分別為5 mm的陶瓷纖維板和15 mm的耐高溫隔熱板,兩層高強保溫磚,導致保溫設計過強。同時沒有考慮到保溫材料性能衰退的客觀情況,底部900 ℃等溫線位于電解槽防滲層內(nèi)部,但800 ℃等溫線已經(jīng)下沉到防滲層以下,進入隔熱保溫磚層中,由于保溫材料在高溫鈉蒸汽的作用下,保溫性能失效,電解槽實際爐幫最薄位置為10.6 cm,電解槽長側熔體區(qū)平均溫度在306 ℃左右,不利于保溫磚的保護,導致各部分散熱比例不平衡,同時電解槽爐膛情況不理想,并且槽底等溫線分布不合理。

3.2 主要優(yōu)化方向

3.2.1 陰極結構優(yōu)化升級

采用國內(nèi)成熟可靠的新式澆鑄復合陰極技術優(yōu)化陰極組結構,使用磷生鐵澆鑄替換傳統(tǒng)的鋼棒糊扎固連接,同時優(yōu)化鋼棒截面,降低鋁液中水平電流和爐底壓降,提高電解槽磁流體穩(wěn)定性［5］,從而降低電解槽壓降,達到節(jié)能降耗的目的。

3.2.2 熱平衡內(nèi)襯優(yōu)化設計

在電流強度500 kA時,計算得到槽平均電壓3.95 V,極距4.0 cm,其中陽極電壓0.351 V,電解質(zhì)壓降1.237V ,陰極壓降0.252 V,電解質(zhì)溫度為959.2 ℃,過熱度9.2 ℃。

底部800 ℃和900 ℃等溫線位于電解槽防滲層內(nèi)部,等溫線底部水平,側部豎直,分布合理(圖8)。

圖8 500 kA電流優(yōu)化槽溫度分布云圖

計算結果顯示優(yōu)化后的內(nèi)襯形式在電流500 kA、平均電壓3.95 V條件下運行時,槽上口爐幫最薄處13.8 cm,伸腿長度3.0 cm,爐膛情況良好(圖9)。

圖9 500 kA電流優(yōu)化槽爐幫形狀

圖10 搖籃槽殼等效應力云圖

3.2.3 電解槽工藝條件窗口

根據(jù)電解槽熱平衡的計算條件和設計,生產(chǎn)運行工藝條件窗口見表2。

表2 電解槽工藝條件窗口

3.2.4 槽殼補強優(yōu)化

電解槽受力顯示,搖籃槽殼的槽底筋板受力偏大,達341.9 MPa,非常接近設計所使用材料Q345A的屈服強度345 MPa(圖13)。

經(jīng)過分析和計算,在電解槽的斜側壁板與槽底板焊縫位置下方焊接補強板,減小電解槽應力集中情況,同時在電解槽側壁板上增加散熱片,優(yōu)化電解槽散熱比例。

4 試驗槽2優(yōu)化后陰極破損情況分析

4.1 試驗槽2工藝技術情況

試驗槽2按照上述措施進行優(yōu)化,停槽時槽齡972 d,原鋁鐵含量為0.082%,硅含量為0.034%。試驗槽2的工藝技術條件見表3。

表3 試驗槽2工藝技術條件

4.2 試驗槽2陰極破損情況

試驗槽2由于限電導致停槽,停槽時A、B兩面陰極炭塊最大變形量為30 mm(圖11),在規(guī)程的允許范圍內(nèi)。刨開上層陰極炭塊后發(fā)現(xiàn)A28～A30、B28～B30鋼棒頭部分被熔化;刨開陰極鋼棒底部,發(fā)現(xiàn)A1、A29陰極鋼棒部分被熔化。

圖11 試驗槽2陰極表面隆起情況

試驗槽2陰極炭塊表面整體相對平整,沒有明顯隆起現(xiàn)象。局部A6～A8、A11～A13等處陰極炭塊表面有細小的橫向裂紋,A6、A7、A8陰極炭塊上有鋁塊(圖12)。

圖12 試驗槽2局部陰極破損情況

側部氮化硅結合碳化硅塊保存比較完完整,異型炭塊有冷裂及細微膨脹現(xiàn)象(圖13)。

圖13 試驗槽2側部碳化硅腐蝕情況

從上述解剖結果對比來看,優(yōu)化后的試驗槽2碳化側部硅保持完好,基本沒有破損,陰極表面雖有細小的裂紋,但基本杜絕了陰極炭塊橫斷的現(xiàn)象發(fā)生。

5 結論

1)500 kA電解槽破損的主要原因是設計不合理導致熱應力集中,造成陰極橫斷形成早期破損。在高鋁水平條件下,碳化硅側部由于金屬鋁與碳反應生成碳化鋁腐蝕較為嚴重。

2)通過調(diào)整槽內(nèi)襯、熱平衡和工藝技術,加強了電解槽的散熱性能,在不改變母線配置的情況下,解決了電解槽早期破損的問題。通過降低鋁水平高度,使得鋁液和側部碳化硅的腐蝕減少,碳化硅側部破損的情況得到改善。

3)通過技術條件的優(yōu)化,實現(xiàn)了電解槽在純凈電解質(zhì)體系下低鋁水平穩(wěn)定運行,打破了不同電解質(zhì)體系對應不同鋁水平的傳統(tǒng)理念。