電解槽內襯結構對槽壽命的影響

劉晉云

（中電投 寧夏能源鋁業公司 青銅峽鋁業股份有限公司 大修部）

電解槽內襯結構對槽壽命的影響

劉晉云

（中電投 寧夏能源鋁業公司 青銅峽鋁業股份有限公司 大修部）

從不同的方面對電解槽陰極內襯壽命的影響因素進行了分析與研究,指明了延長鋁電解槽陰極內襯壽命的途徑.

鋁電解槽是鋁電解生產的核心裝置,其壽命的長短不僅與槽型、陰極內襯結構、筑爐材料的質量有關,而且鋁電解槽的焙燒啟動方法、正常生產的維護與管理以及操作制度等多方面因素對其均有影響.

1 鋁電解槽結構分析

鋁電解槽是鋁電解生產的主體設備.目前為止鋁電解槽的陽極有所不同,但是陰極基本相同.電解槽的壽命取決于陰極,因此電解槽的壽命通常指的是陰極的壽命.鋁電解槽陰極由電解槽槽殼、保溫材料、耐火材料和炭素內村四部分組成.鋁電解槽陰極炭素材料包括陰極側部和底部兩部分,直接與電解質和鋁液相接觸,是鋁電解槽的關鍵部位,這不僅是由于它是盛置熔融的鋁液和電解質的容器,更為重要的它還作為一種導電裝置,使電流由陽極流向陰極母線.鋁電解槽的側部是由側部塊和扎固糊扎固而成,陰極底部由陰極炭塊組和縫間糊扎固而成為一個整體.陰極炭素內襯的結構是否合理,材料的選擇以及砌筑質量都將直接影響到電解槽的使用壽命.

鋁電解槽內襯按區域分,可分為底部內襯和側部內襯.底部內襯從功能上講,起著支承陰極結構和保溫的作用.側部內襯則主要起著保護鋼制金屬外殼面免受電解質熔體的侵蝕的作用.由于電解質的強烈腐蝕性,僅僅靠側部內襯材料尚不足以抵御電解質的長期侵蝕,因此,希望在側部內襯里側形成一層所謂的結殼,來保護側襯.從電解槽底部內襯的功能上講,希望底部內襯具有足夠的機械強度,減小由于重力、內應力引起的壓縮變形.這樣,底部內襯要具有較高的容重抵御壓縮變形,同時希望底部內襯具有較好的保溫性能.這樣,底部內襯的容重應盡量低.鑒于底部內襯的中溫度分布特點和對抗電解質侵蝕的要求,內襯層材料從上到下,一般容重依次降低,上層最高.結合實際經驗,對電解槽內襯結構進行了分析并提出了相應的配置方式 （假定陰極下部內襯材料分布自上而下依次為第四、第三、第二和第一層）.

1.1 陰極炭塊下、環行耐火澆注料圈內的底部內襯部分

（1）第四層應采用搗實干式防滲料.干式防滲料作為一種新型散狀顆粒內襯材料,其與電解質反應生產一種玻璃狀體可阻止電解質向下的進一步滲透.該搗實層搗實密度在 2.0 g/cm3左右,具有較高的容重,但低于黏土質耐火磚 （2.2 g/cm3左右）.同時,該搗實層的導熱系數 （約為黏土質耐火磚 1/3）遠低于黏土質耐火磚.這樣的材料特征既可以增強底部內襯的保溫,同時其為散狀顆粒狀態,因此可以吸收陰極膨脹力,緩沖陰極向上的隆起力.另外,由于其較高的搗實密度,又可在一定程度上抵御陰極膨脹的內壓力.搗實干式防滲料的這兩種特征兼顧了吸收陰極膨脹和抵御陰極膨脹的兩方面要求.

（2）第三層采用隔熱耐火磚.硅藻土質隔熱耐火磚,導熱系數稍低于搗實干式防滲料,容重也低.該種材料價格低,可滿足該位置的保溫要求,目前國內電解槽內襯在此層多選用該材料.

（3）第二層采用保溫性能更高的、容重稍低于硅藻土質隔熱耐火磚的陶瓷纖維 （硅酸鋁）隔熱板.該隔熱板導熱系數約為硅藻土質隔熱耐火磚的 1/3,容重約為硅藻土質隔熱耐火磚的 1～1/3倍,相對于耐高溫硅酸鈣板,導熱系數偏高,但容重大,耐高溫性能等同或高于硅酸鈣板.雖然陶瓷纖維 （硅酸鋁）隔熱板導熱系數略高于硅酸鈣板,但由于其容重大,抗壓縮能力強,受壓縮后導熱性能變化小的緣故.

（4）第一層采用硅酸鈣板.硅酸鈣板容重低于陶瓷纖維隔熱板,但導熱系數約為陶瓷纖維隔熱板的 1/2.由于該層距離陰極最遠,又有上面 3層吸收陰極膨脹力,加之其低的導熱系數,硅酸鈣板是該層的最佳選擇.同時,這樣的內襯結構,不僅當量容重依次提高 （有利于熱平衡穩定性）,更主要的是在內襯中形成導熱系數逐漸下降、溫度梯度較為均勻的結果,使得內襯各層共同負擔保溫作用,避免出現過高的溫度梯度.

1.2 陰極端頭、環行耐火澆注料圈以下的內襯結構

該部分結構應具有為環行耐火澆注料的搗實提供堅固底面、阻止電解質滲透的功能,同時又要提供高的保溫效果.基于這種要求,該部分結構又分為兩部分.靠近槽中心內側部分,固體磚應耐較高溫度并耐電解質侵蝕,因此應采用黏土質耐火磚,或以干式防滲料為原料壓制成的磚塊.靠近槽殼部分,采用保溫性能好的硅藻土磚.

1.3 鋼棒端頭側下部保溫結構

由于大型電解槽大面多采用船型結構,側下角的保溫層厚度相對減薄,這樣的變化對于陰極內部的溫度分布、陰極壓降都產生很大影響.對于陰極中的溫度分布,希望溫度均勻,等溫線盡量水平,減小由于溫差引發的內部應力不均以及引起的鋼棒與炭塊之間的膨脹接觸力不均,影響接觸電阻率.同時希望陰極底部的溫度以及端頭底角位置都要高于 900℃.因為滲入炭塊中的鈉與碳形成晶間化合物,該晶間化合物在高于 900℃條件下不穩定,又分解為鈉和碳,不會對陰極產生膨脹破壞作用.同時,在該溫度下,滲透至鋼棒位置的電解質不會在鋼棒上沉積增大接觸電阻率.因此,該部位的保溫就非常重要.

1.4 陰極端頭、側部槽殼以內部分

電解過程中陰極炭塊吸收電解質產生膨脹,最終導致槽殼變形和炭塊中間隆起和折斷.這種觀點已被業內人士普遍接受.在陰極端頭部位的處理方式上,多年來變化很小,一般都是采用耐火澆注料進行搗固,或者在澆注料與槽殼之間墊一層磚,目的是利用磚的破損來吸收炭塊膨脹.然而,破損槽內襯的剖析結果發現,磚被壓碎后,在邊部形成很大的空洞,加速了內襯破損.為緩沖炭塊膨脹,可在澆注料與槽殼之間加兩層耐火度高、受壓后有一定收縮度、與澆注料同高度的陶瓷纖維板.該纖維板有一定的抗壓強度,受力后收縮,但不會被壓碎,因此是緩沖膨脹的理想材料.

1.5 側部結構

大型電解槽炭化硅結合氮化硅側塊表面內表面加工出一些溝槽,不僅可以增強結殼與側塊的結合力,又可以增強邊糊與側塊的結合力,減小由于邊糊收縮而與側塊分層的幾率.

2 電解槽陰極內襯破損分析

陰極炭素內襯是電解槽的關鍵部分,電解槽的破損幾乎都是首先從炭素內襯的破損所引起.陰極內襯破壞主要以下三個方面:

2.1 炭縫裂開

炭縫炭塊之間裂紋極可能是焙燒啟動后轉入正常生產的過程中產生的.焙燒到啟動是一個升溫過程,通過計算可知,炭塊的受熱膨脹大于塊間縫糊的收縮,在炭縫與炭塊之間沒有形成裂縫的可能,但是啟動后期到轉入正常生產是一個降溫過程,陰極塊的收縮是在所難免的,而炭縫糊雖然已經過焦化,但仍然會收縮,至少不會產生膨脹用于彌補炭塊的收縮,因此在這個降溫過程中.炭縫與炭塊間形成裂縫是在所難免的,如果施工中,炭縫扎固的壓縮比達不到技術要求,更會加速這種裂紋的形成.

2.2 炭塊隆起

炭塊的隆起往往是后期產生的,在前期的生產中很少有陰極炭塊隆起的發生.陰極隆起有一個過程,在焙燒啟動時,電解質不斷滲入炭素內襯,一部分結晶,炭塊內部產生較大的應力,炭塊體積發生明顯的膨脹.這種應力產生的膨脹會使炭塊變得酥松,炭縫與塊間的裂紋增大,電解質和鋁液則由裂紋往下滲漏,當滲漏到一定深度時,溫度的變低使其凝固,電解槽技術條件的波動,則會使電解槽溫度產生波動.這種波動將會使滲入到裂縫里的電解質和鋁液重新熔化和凝固,因此形成了一個凝固——熔化——再凝固的惡性循環,每一次循環,都會使電解質和鋁液繼續往下滲漏,直至到陰極炭塊的底部,甚至進入耐火磚和保溫材料層.當電解質與炭塊發生化學作用時,炭塊由于吸收電解質而被石墨化,其電導率將會增加,導熱性能也會增強,更加劇了電解質和鋁液的往下滲漏,這些滲漏物的增加以及對耐火磚的侵蝕,使炭塊向上隆起的速度加快,最終導致炭塊的破裂,陰極導電棒熔化,電解槽的破損,而無法生產被迫停槽.

2.3 形成沖蝕坑

所謂沖蝕是指槽底或側部上由于鋁液的沖刷作用而形成坑穴.沖蝕坑對工業電解槽危害極大,一旦沖蝕坑形成,則電解槽的電流效率降低,而且容易發生漏爐而被迫停槽.沖蝕坑的形成機理是:炭縫或炭塊中存在裂縫,槽內鋁液在磁場作用下產生一種旋渦流,其中挾帶著氧化鋁沉淀物,氧化鋁具有很強的磨蝕性,當這種旋渦流經過裂紋的地方時,便把裂紋磨大,進而形成喇叭狀坑穴,坑穴面積越磨越大,深度越磨越深,所產生的旋渦流作用力越強,最終結果是把陰極炭塊磨穿,導電棒便逐漸被溶在鋁液中,鋁中的鐵含量升高,當鐵含量達到一定的高度時（1.5%～1.8%）,就會有漏槽的危險.

3 延長鋁電解槽的壽命

要延長電解槽的使用壽命,就必須選擇好的筑爐材料,完善和改進筑爐工藝,除此之外,加強生產過程中對電解槽的維護也是不可缺少的重要一環.加強電解槽的維護,首先要做好鋁電解槽的焙燒啟動工作,鋁電解槽焙燒的目的在于通過提高內襯溫度至接近于運行溫度,而不至于在內村中形成非正常的溫度梯度.陰極內襯的保溫性能要好,這是電解槽保持熱穩定的前提條件,但對于側部要有較好的散熱條件,這是電解槽正常生產的器要.電解槽不同的部位有不同的要求,即保溫的合理性的體現.

4 結 語

本文對電解槽結構、早期破損的原因進行了分析,確定影響電解槽陰極使用壽命的主要因素.對幾種筑爐料的特性進行深入研究,目的在于應用結構上合理、性能優良、經濟效益最佳、技術上可行的新的筑爐材料,使電解槽陰極內襯結構達到最優化.

A

1671-6620（2010）S1-0077-02