zhangjianfei

大型预焙铝电解槽侧部破损原因分析及控制措施
欧阳全胜 ，王进良 2，张松江2
1．中南大学，湖南长沙410083；2．中孚实业铝业分公司，河南巩义451261)
摘要：300 kA级大型预焙电解槽生产实践中，电解槽侧部炉帮易卒，散热窗易出现发红现象：文章结合生产实际，对电解槽侧部破损原_太1进行了分析研究，提出了叮行的解决办法及控制措施，有效地延长r槽寿命：( Y/ T8 x% @2 S" I7 W6 t* j
关键词：大型预焙铝电解槽；侧部破损；碳化硅复合块' P+ M: i: o. a: n5 Q
中图分类号：TF111．3 文献标识码：A 文章编号：10(-)3—5540(2006)05—0020—03+ S- y4 Q! B7 @( N3 U# R7 }
近年来，大型铝厂的技改或扩建纷纷采用300kA级及以上电解槽型，侧部采用碳氮化硅砖或碳氮化硅结合碳素复合块。然而，在生产过程中却存在一个共性问题，即炉帮不稳定引起侧部破损较多，从而会影响电解槽的使用寿命。国内某公司(以下简称公司)300 kA级大型预焙电解槽系列自投产以来，各项生产指标均达到或超过了设计值 但也有一些电解槽出现散热窗发红的现象，尤其是电解槽侧部端1、端2立柱母线对应处和烟道端靠进电端处炉帮易空，散热窗出现槽壳发红现象。通过采用压缩空气冷却、多功能天车砸炉帮较空处以及利用换阳极时间摆放面壳块等形成人工炉帮等一些传统的处理方法，产生了一定效果，但控制效果并不理想本文作者通过对该槽型侧部破损原因的分析，制定出了相应的控制措施并成功地应用于生产实践。
侧部破损原因分析# R. R: ]8 U' g7 ]" @
正常生产的电解槽靠自然形成的炉膛规整(图1)，炉帮高、陡、平、硬，避免了侧部复合块与高温电解质的直接接触，电解槽能维持较好的物料平衡和能量平衡。当生产过程中发现散热窗温度偏高甚至发红现象时，一定是侧部复合块腐蚀比较严重，尤其是电解质与铝液界面以上部位。在长期高温熔融电解质的冲蚀下，电解槽侧部变得越来越薄，造成炉膛增大，铝水平和电解质水平降低，槽温升高，熔体水平电流增多；水平电流变化引起水平磁场发生变化，电解槽针振发生，槽温进一步升高，并加快电解槽内熔体流速，加剧了熔体对侧部复合块的冲刷腐蚀6 k- b( g. Y2 p. G$ H
如此恶性循环导致电解槽侧部破损加剧。
C8 y& z  @
1．1 电解质与空气界面腐蚀分析
碳化硅基材料与传统的侧部炭块相比，具有良好的抗腐蚀能力和较高的高温电阻率。通常，电解槽使用氮化硅作为碳化硅的黏结剂。然而，从热力学意义上讲，在高温电解条件下氮化硅比碳化硅容易遭受腐蚀。在电解质与气体界面上，氮化硅与电解过程中生成的二氧化碳及挥发的单冰晶石发生反应，致使侧壁碳化硅结构粉化疏松，在电解质熔体的冲刷下侧部破损加速。其化学反应式如下_】J：% K7 p) F0 U: G4 q
2Si3Nd+ 6CO2+3NoA1F4
= 3NoA1SiO4+6C+3SiF4 f+4N2 f
1.2高温电解质熔体对侧壁的腐蚀分析' X2 N4 ]! H% x
在电解质熔体中，存在着氟化盐与氧化铝，有可能发生如下的化学眨应 一：6 a/ h& G6 _) }+ a8 \' b
SiC+4／3 (13All"、6=1／3AL 3+4N(11"、+Sil 4 f
A C=}173=1433．12 kJ／mol
SiC+4／3All! 3=l／3A~C3+S 4 f2 a0 O, `, a2 [4 Y5 B$ {5 d, ?' X
AGl 273=293．76 kJ／tool: ~" p5 x- ~  O+ t6 A, A
SiC+ 2／3A1103= 1／3A14C3+ Si02& O+ I9 ~7 e2 F1 O
AG1 273=224．78 kJ／tool5 ^- O; W. i( ]2 L( `6 q4 ~" q
反应式的△G值表明，碳化硅在温吱为1 273 K时不会发生上述化学反应 但是，由于侧部复合块受电解质中钠离子的渗透，氮化物黏结剂与碳化硅生成的氮化硅针状物和纤维结构遭到破坏，使碳氮化硅结构膨胀疏松，加上侧壁的顶部和背部受500～600 c【：高温空气的氧化，失去了骨性的侧部复合块更容易被腐蚀
1 3 两水平界面冲蚀分析) ~1 L1 t: P7 h. }0 I: m( T  L
在实际生产过程中，两水平界面处炉帮是最薄的部位，也首先从那里发生炉帮空化现象； 面处往往是侧部散热最多的部位，因为侧部碳氮化硅砖散热性很好。在没有炉帮保护的情况下，大量的热量将从这里散发出去。
在电磁冶金学中，铝冶金专家们试图找到两水平界面的最佳流速场，而实际上是比较困难的 熔体中垂直磁场与水平电流作用形成强大的回流，水平磁场对铝液作用形成铝液界面隆起，特别在工艺技术条件匹配不合理、伸腿和炉帮不规整、阳极更换作业质量差以及阳极电流分布不均匀时，铝液界面隆起更加严重 大型预焙电解槽局部稳定性很差，区域性很强，区域电磁力变化的作用，将加剧槽内熔体的流速，铝液和电解质中非溶解态氧化铝不停地对侧部碳氮化硅进行冲蚀。
公司电解槽运行两年多时间后侧部被侵蚀破损的情 ／』1_【冬I 2昕乐 住流速场较强部位．如果没有炉帮．侧邴90 rtn 的碳氮化硅块或30 c㈨厚的碳氮化砟砖结合碳素复合块住较短时间内完全可以被腐蚀掉 住1 273 h时，铝与碳反 生成碳化铝的2 T: t- \% u+ R1 M
△ G 3为负值一：
4lA1]+3[C]=lALc3
AGl 73= 一170．4 kJ／tool8 v/ n2 C$ w% S7 M. g" j
上述化学反应可向右进行，其化学平衡常数Kp： 9．8×l0 碳化硅砖被腐蚀后，余下的侧部炭块更容易被腐蚀
不停槽更换侧部的措施及效果+ N: j3 T5 w9 a0 v7 w2 K/ S5 P4 e
电解槽侧部发牛破损时，通常采用扎边或风管冷却两种办法 利用风管吹风冷却时，强制给发红炉帮降温，形成人工炉帮 但一旦撤掉风管后，炉帮又重新发红，不但未能从根本上解决炉帮过空的问题，而且空压饥负荷增大，造成风能的极大浪费：利用人】．扎边修补炉帮或住换极时利用面壳块修补炉帮，虽町从某种程度上能起到修补炉帮的作用，但由]二炉帮不规整，槽况更容易恶化；加上在修补炉帮时，沉淀进入底，引起电流分布紊乱，电解槽免疫能力减弱；再者，人工修补的炉帮很不稳定，侧部破损槽每怙】要修补l～2次，电解槽勤查少扰的管理思路遭到破坏，电流效率降低，电耗增加针对这种传统的侧部破损处理方法，结合大修大型电解槽的实际费用，考虑在不停槽的前提下，对电解槽侧部破损部位进行更换。不停槽更换侧部破损处，有效地避免了扎边时炉底大量沉淀的产生，保证』，电解槽的正常生产运行；新侧部复合块保护了侧部憎壳被腐蚀的几率，减少了侧部发红被烧穿的危险，有利f炉帮的形成；提高了电解槽运行利用率，降低了一r人的劳动强度，有效减少了人工作业时含氟气体的排放，并有效地延长了电解槽的使用寿命- M, Y4 r+ ~; B, W
2．1 更换前的准备工作0 b5 c. r( P3 T0 q
更换前通过测量阴极方钢温度、阴极电流分布、散热窗温度及炉帮伸腿形状，分析并确定破损面积及破损程度 修补前2～3 t1时间，把工艺技术参数倜警刮位，电解喷水平和铝水平控制要求下限保持，电解温嗖按 限保持，并把 器具、材料按计划要求准备到化一: Z9 P& B' M% q8 s: ?1 M
2．2 不停槽状态下更换侧部破损块* Y* }7 V$ I' o1 N* O% z- |
提前·天将破损部位对J立的阳极更换成特制的修边阳极，破损部位两边要各延伸一块阳极的长度，阳极更换后提前一班时间用多功能天车打壳机将修补处砸实。在砸实过程中要保持电解质水平在l6～l8 cm，多余的电解质要及时取出，同时保持散热窗通风。将破损部位的侧部散热带割开，清理干净破损处的面壳块及侧部块。在清理过程中，如发现有渗铝通道，要彻底切断该通道，一般底部要深挖到侧部下沿耐火砖处。安装新侧部块前，用风管吹干净挖掘处，并在上面喷撒煤焦油，用热捣糊捣平下部后再安装侧部块。新侧部块安装经检查符合要求后，
用钢架加固，并用热捣糊将侧块下部及侧部间隙捣实。修补后在侧部下面铺垫一层氟化钙，用面壳块沿侧部贴实，并逐渐调整修边阳极。之后焙烧l～2d，焙烧中可通过风管吹风确保侧部升温速度不致过快，勤测阳极电流分布，确保修补处导电均匀。修补后的一周之内，严禁扎边和效应，半月以后方可逐渐将工艺技术条件调整正常。
2．3 不停槽状态下更换侧部破损块的效果* T+ p' P5 D8 g* A# B
在不停槽的状态下更换侧部破损块后，槽电压波动明显减少，炉帮厚度增加，散热窗温度降低。表l给出了l0 和22 电解槽更换侧部后参数的变化情况。此举避免了侧部因发红烧穿而漏炉的可能性、减少了槽盖板的开启时间、提高了烟气了收集率以及改善了生产环境，因而也显著地降低了操作工人巡视、检测及炉帮修补等的劳动强度。
表1 10 、22 电解槽更换侧部后的参数变化
采用这种不停槽更换侧部块的操作确保了电解槽的平稳运行，有效地延长了槽使用寿命。  R' j1 F- j: C3 E2 v
3 改进、完善工艺控制技术" |! X2 |! ?3 ?
3．1 优化设计# i% e& w3 S/ _0 Y/ N: R
在第四届和第五届全国铝行业技术交流会上许多专家在报告中都谈到，侧部破损是当前300 kA级电解槽的一个通病，根据母线配装不同，主要破损部位基本集中在某一些固定点。姚世焕老师认为，300kA级电解槽虽然已经出口至印度、哈萨克斯坦共和国等国，但相比200 kA级电解槽槽况而言，在三场设计上有待进一步优化。
3．2 完善工艺控制9 E; G+ L1 n. K0 y
3．2．1 保证筑炉质量
公司300 kA系列电解槽内衬砌筑是由两个单位施工。相同的筑炉材料不同单位施工，投产后从电解槽运行状况和生产技术指标来看有明显的差异，尤其是侧部破损严重的电解槽的砌筑集中出自其中一个施工单位。从当时筑炉状况来看．这一单位主要是内衬扎固时糊温度高低差异较大，人造伸腿扎固分层或返浆严重，投产后伸腿起层，侧部变形严重，加剧了侧部破损程度，所以较好筑炉质量是减少侧部破损的措施之一。
3.2．2 焙烧启动管理
国内300 kA大型预焙电解槽基本上都是采用焦粒预热焙烧。焦粒焙烧没有铝液焙烧那样稳定，铝液发热电阻均匀一致，且只随温度的变化而变化在焦粒焙烧过程中，发热电阻不仅随焦粒电阻的变化而变化，而且受焦粒层与阳极底掌接触松紧程度大小影响。焙烧过程中，焦粒电阻过大，炉膛热场变化快，引起应力变化不均匀；焦粒层与阳极底掌接触不均匀，导致电流分布不均匀，引起热场应力不均匀；两者都能引起人造伸腿早期破损，从而为流速场不稳定留下隐患。所以控制均匀稳定的焦粒焙烧过程可以有效减少侧部破损几率。; ~* r$ g* ?9 z+ L
3．2．3 过热度管理
大型预焙电解槽生产管理要以槽温为中心，特别是过热度和传热系数的管理。一个能量效率高的电解槽，一定具备能量平衡和物料平衡。凡具备两个平衡的电解槽，其槽膛或槽帮必然十分规整。在生产中侧部炉帮是随着上述两个平衡的波动，时而增厚，时而减薄。就散热而言，姚世焕老师在重温铝电解槽能量效率和电解质温度控制报告中提到，侧壁散热要比底部大得多，散热系数通常在1．12～2．88 kW／m 之间。电解质通过侧壁散出的热量取决于过热度和电解质的散热系数。1 I3 F# A# d/ |  T5 K
目前，对于先进的电解槽，其侧部结壳或槽帮的厚薄主要决定于电解质的过热度。但过热度不宜过大，若过热度过大，炉帮熔化变薄，会加速侧部薄弱部位的冲刷腐蚀。正常工作时，电解槽一般需要5～l0 c(=的过热度。% o' O& l9 V+ _* c1 h7 Z1 E
4 结语
1．对于侧部破损的大型预焙铝电解槽，在不停槽的状态下，按照本文的措施对破损部位进行更换，可以改善工作环境、减少工人劳动强度、确保电解槽的平稳运行、解决侧部早期破损散热窗严重发红的问题，并能有效地延长电解槽的使用寿命。. c3 V5 u9 i( U, S* d' f$ a
2．优化大型预焙电解槽三场设汁、提高筑炉施工质量、完善焙烧启动管理、以温度为中心加强电解槽过热夏管理，能有效减少电解槽侧部的破损几率。0 m/ v9 x' D# u8 B7 ^6 Z1 a
参考文献：
任必军，张建芳，陈世昌，等．氮化硅结合炭化硅在300 kA系列电解槽上的实践运用[Jj．轻金属(增刊)，2004：l26．; W8 j: K$ i1 {' I% ~9 H* d
[2] 邱竹贤．铝电解槽的绝缘侧壁[M]．北京：冶金工业出版社，2005