預(yù)焙槽漏槽機(jī)理淺析及改進(jìn)措施

鐘暉

摘要：預(yù)焙槽壽命是一個(gè)綜合性的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，槽狀的好壞不僅標(biāo)志著鋁電解技術(shù)狀況，而且直接關(guān)系著企業(yè)的生產(chǎn)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)效益。本文針對(duì)500KA預(yù)焙槽早期破損的原因及解決方案進(jìn)行了分析探討。

關(guān)鍵詞：預(yù)焙槽；早期破損；陰極；焙燒

預(yù)焙槽是電解鋁生產(chǎn)的主體設(shè)備，西北某鋁廠284臺(tái)大型預(yù)焙槽，自2014年3月啟動(dòng)投產(chǎn)至年底，整個(gè)焙燒啟動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，各生產(chǎn)指標(biāo)均很好， 不但產(chǎn)能高， 而且預(yù)焙槽電流效率達(dá)到93.8% 以上， 直流電耗低于12700 kWh/t.AL，但期間發(fā)生了超過(guò)五起漏槽事故，同時(shí)還有60多臺(tái)預(yù)焙槽發(fā)生早期破損現(xiàn)象，為保證生產(chǎn)任務(wù)，破損槽只能在局部修補(bǔ)后帶病堅(jiān)持運(yùn)行，但產(chǎn)生了預(yù)焙槽鋁液中鐵、硅含量持續(xù)上升，導(dǎo)致鋁產(chǎn)品質(zhì)量下降的情況，破損情況嚴(yán)重的槽，因鋁液滲漏產(chǎn)生漏槽事故，造成重大財(cái)產(chǎn)損失，并極易人身安全事故。為避免后續(xù)預(yù)焙槽大修后和后續(xù)工程出現(xiàn)相同情況，研究分析該系列預(yù)焙槽早期破損機(jī)理，提出改進(jìn)措施，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.預(yù)焙槽早期破損情形

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和刨爐后分析得知，預(yù)焙槽早期破損表現(xiàn)為以下幾種情形：

（1）預(yù)焙槽陰極炭塊縱向隆起，隆起30㎜左右，最大達(dá)到55mm；

（2）預(yù)焙槽陰極炭塊橫向產(chǎn)生大量貫通式裂紋；

（3）陰極方鋼大幅度向上彎曲。方鋼下方形成空隙，偏離水平最高達(dá)135mm；

（4）陰極炭塊成斷層狀分部，中間夾有黃色的碳化鋁粉末，個(gè)別地方出現(xiàn)上下貫通的鋁線，直達(dá)陰極方鋼上表面。

2.預(yù)焙槽破損產(chǎn)生的機(jī)理分析

圖1是預(yù)焙槽陰極系統(tǒng)中的電化學(xué)反應(yīng)示意圖， 其反應(yīng)包括析出鋁和鈉， 以及生成碳化鋁，下面分別闡述幾種陰極破損的方式：

2.1碳化鋁腐蝕

正常生產(chǎn)過(guò)程中， 在陰極表面生成碳化鋁：

4Al+3C= Al4C3

在950℃時(shí)， GT=-149 kJ/mol，有冰晶石熔體存在時(shí)對(duì)上述反應(yīng)起到催化作用：

12Na+3C+4Na3AlF6=Al4C3+24NaF

碳化鋁覆蓋于炭陰極上， 使陰極電壓增大，X 射線衍射分析發(fā)現(xiàn)廢舊陰極中含有NaF， Al4C3，Na3AlF6， Al2O3和Na2O.11Al2O3

底部破損偶然發(fā)生在以下情形， 即生成碳化鋁而形成沖蝕坑在金屬中碳化物有一個(gè)緩慢的溶解過(guò)程伴隨著沖蝕坑穴的形成， 鋁與陰極鋼棒越來(lái)越接近， 加速了碳化鋁的生成和進(jìn)一步的溶解。生成的碳化物發(fā)生在電解槽底部的沉淀中，或在側(cè)部沒(méi)有凝固電解質(zhì)保護(hù)的地方， 任何溶解的碳化鋁都將被陽(yáng)極表面產(chǎn)生的CO2所氧化。

2.2鈉滲透

槽底破損的主要原因是由于吸收鈉和電解質(zhì)產(chǎn)生的各種反應(yīng)而致， 底部?jī)?nèi)襯破損的主要信號(hào)是炭塊的破裂或氟化物粗大晶體的長(zhǎng)大， 產(chǎn)生破裂的力主要是電解槽啟動(dòng)初期滲透結(jié)晶膨脹、鈉和電解質(zhì)反應(yīng)， 發(fā)生鈉吸收：

3Na+Na3AlF6= 6NaF+Al

4Na3AlF6+12Na+3O2=2Al2O3+24NaF

鈉與滲透的電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，電解質(zhì)滲透在充滿孔洞后或毛細(xì)管被結(jié)晶堵死后停止：

22Na3AlF6+68Na+17O2=Na2O.11Al2O3+132NaF

Na與C生成鈉-碳嵌入化合物而發(fā)生體積變大，也直接導(dǎo)致膨脹斷裂：32C+Na=C32Na；4Na+3O2+2C=2Na2CO3

2.3空氣滲入使內(nèi)襯氧化破損

由于鋼窗口密封不嚴(yán)， 空氣進(jìn)入內(nèi)襯； 直接在陰極內(nèi)襯下產(chǎn)生鈉- 碳- 空氣的反應(yīng)， 導(dǎo)致內(nèi)襯破損。

2.4電解質(zhì)滲漏

下部耐火磚受熔體侵蝕，電解質(zhì)滲漏使鋼棒熔化，雙陰極鋼棒炭塊組鋼棒高度為230㎜，炭塊開(kāi)槽深度為235毫米，在鋼棒和炭塊間設(shè)計(jì)鋪設(shè)一層厚度5㎜的石墨碎，由于石墨碎組織結(jié)構(gòu)疏松，如果陰極炭塊產(chǎn)生裂紋深度達(dá)到鋼棒頂部，高溫鋁液或電解質(zhì)液會(huì)不斷滲入，導(dǎo)致陽(yáng)極鋼棒快速熔化、腐蝕，很快就會(huì)發(fā)生漏槽事故。

2.5工程建設(shè)和焙燒啟動(dòng)控制

2.5.1 預(yù)焙槽筑爐安裝期間把關(guān)不嚴(yán)，未嚴(yán)格按技術(shù)規(guī)范施工，導(dǎo)致通電后電流分布不均勻，形成局部過(guò)熱，陰極炭塊過(guò)熱變形產(chǎn)生裂紋。

2.5.2 預(yù)焙槽焙燒啟動(dòng)過(guò)程中，受熱不均勻，導(dǎo)致個(gè)別陰極炭塊過(guò)早產(chǎn)生大間隙裂紋而破損。根據(jù)某預(yù)焙槽啟動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。其焙燒升溫曲線如圖2：

分析預(yù)焙槽焙燒升溫曲線，可以看出：焙燒后期A8與B8溫差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A16與B16的溫差，說(shuō)明該槽出鋁端受熱不均勻。停槽檢查后發(fā)現(xiàn)：出鋁端2至11組陰極炭塊隆起高度50㎜左右，大面積斷裂，裂紋寬度10㎜以上，深度250㎜左右，煙道端裂紋少而細(xì)，槽底較為平整，隆起不足10㎜。

2.5.3陰極炭塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因

預(yù)焙槽陰極炭塊長(zhǎng)度3680㎜，寬度665㎜，長(zhǎng)寬比大，高溫受熱后變形以炭塊縱向延伸為主。陰極炭塊熱膨脹延伸后，高強(qiáng)度側(cè)部炭塊將阻止陰極炭塊延伸，陰極炭塊的熱應(yīng)力不能有效釋放，導(dǎo)致陰極炭塊產(chǎn)生隆起變形，而陰極炭塊材料屬脆性材料，隆起變形超過(guò)其抗變能力后就會(huì)發(fā)生斷裂，產(chǎn)生裂紋。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，裂紋深度和寬度不斷加大，當(dāng)裂紋深度擴(kuò)散至陰極方鋼時(shí)，高溫鋁水和電解液勢(shì)必滲漏腐蝕陰極方鋼，從而導(dǎo)致預(yù)焙槽破損。

2.6陰極炭塊的隆起

在啟動(dòng)前期的生產(chǎn)中很少有陰極炭塊隆起的發(fā)生.陰極隆起有一個(gè)過(guò)程，在焙燒啟動(dòng)時(shí)，電解質(zhì)不斷滲入陰極炭塊內(nèi)襯，一部分結(jié)晶在炭塊內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力，陰極炭塊體積發(fā)生明顯的膨脹，會(huì)使炭塊變得酥松，炭縫與塊間的裂紋增大，電解質(zhì)和鋁液則順著裂紋往下滲漏，當(dāng)滲漏到一定深度時(shí)，溫度的變低使其凝固，由于預(yù)焙槽技術(shù)條件的波動(dòng)，會(huì)使電解槽溫度產(chǎn)生波動(dòng)，這種波動(dòng)將會(huì)使?jié)B入到裂縫里的電解質(zhì)和鋁液重新熔化和凝固，形成了一個(gè)凝固——熔化——再凝固的惡性循環(huán)，每一次循環(huán)，都會(huì)使電解質(zhì)和鋁液繼續(xù)往下滲漏，直至陰極炭塊的底部，甚至進(jìn)入耐火磚和保溫材料層，當(dāng)電解質(zhì)與炭塊發(fā)生化學(xué)作用時(shí)，炭塊由于吸收電解質(zhì)而被石墨化，其電導(dǎo)率將會(huì)增加，導(dǎo)熱性能也會(huì)增強(qiáng)，更加劇了電解質(zhì)和鋁液的往下滲漏，這些滲漏物的增加以及對(duì)耐火磚的侵蝕，使炭塊向上隆起的速度加快，最終導(dǎo)致炭塊的破裂。

3.預(yù)焙槽早期破損修理措施

對(duì)于500KA大型預(yù)焙槽，大修成本高達(dá)110萬(wàn)元左右，為降低維修成本，大型預(yù)焙槽維修可按以下原則進(jìn)行。

3.1未發(fā)生漏槽的預(yù)焙槽早期破損修復(fù)處理

由于該類破損槽未發(fā)生漏槽，應(yīng)該首先查找滲、漏點(diǎn)，確認(rèn)滲漏源，對(duì)滲漏源進(jìn)行修復(fù)。滲漏源以外其他裂紋修復(fù)處理方法如下：

3.1.1裂紋寬度小于2.0mm，深度小于100mm的均不做處理；

3.1.2裂紋寬度大于2mm或深度大于100mm，裂紋內(nèi)有鋁液滲漏的，清理出裂紋內(nèi)滲漏物用高壓風(fēng)吹凈后，用氧化鎂粉：鹵水=1.2：1的鹵水漿灌縫；

3.1.3一塊陰極炭塊上有超過(guò)6條縫寬大于5mm的裂紋，滲漏鋁嚴(yán)重，應(yīng)采取整塊更換陰極炭塊方式修復(fù)；

3.1.4如果一塊陰極炭塊上只有5條大于5mm裂紋，裂紋間距600㎜以上的，鋁液滲漏較少的，可采取陰極表面寬100--200mm、深度200mm的槽扎糊補(bǔ)槽；裂紋間距400毫米以內(nèi)，以裂紋為界，挖掉兩裂紋間的陰極，深度200 mm，然后扎糊補(bǔ)槽。

3.2對(duì)于已經(jīng)發(fā)生漏槽事故的預(yù)焙槽修復(fù)方案

3.2.1清理預(yù)焙槽爐膛內(nèi)的電解質(zhì)和鋁塊，用高壓風(fēng)吹凈到見(jiàn)陰極炭塊本色；

3.2.2檢查滲漏炭塊組，確認(rèn)滲漏源；

3.2.3以滲漏炭塊組為中點(diǎn)，打開(kāi)漏鋁端側(cè)部炭塊，左右各多打開(kāi)一塊側(cè)部炭塊；

3.2.4以滲鋁點(diǎn)裂紋為界，將滲鋁裂紋處至漏鋁窗口處的陰極炭塊刨開(kāi)，清理掉裂紋內(nèi)和陰極鋼棒上的滲漏物；

3.2.5清理干凈陰極炭塊，加熱至80--100°C；

3.2.6噴涂焦油后，分六層扎糊至炭塊設(shè)計(jì)高度，滲漏源以外其余裂紋按未發(fā)生漏槽事故的預(yù)焙槽破損修復(fù)處理方案進(jìn)行。

3.3內(nèi)襯改進(jìn)措施

3.3.1將炭塊槽深度由235㎜改為245毫米，在鋼棒和炭塊間增加一層鋼棒糊，厚度15㎜。在鋼棒和炭塊間增大應(yīng)變空間，滿足陰極炭塊和鋼棒因不同高溫變形率而導(dǎo)致的變形需要，可有效減少陰極炭塊裂紋的產(chǎn)生。

3.3.2 由于陰極炭塊隆起值高達(dá)50㎜，證明陰極炭塊與側(cè)部炭塊間間距80㎜不能滿足陰極炭塊縱向變形量，陰極炭塊結(jié)構(gòu)做如下改進(jìn)：一是將炭塊長(zhǎng)度由3680㎜改為3600毫米，陰極炭塊與側(cè)部炭塊間間距由80㎜增加到120㎜，可有效減少陰極炭塊的隆起變形，節(jié)約成本；二是利用反變形原理，在陰極炭塊的表面橫向均等分開(kāi)鑿應(yīng)力釋放槽，槽寬80㎜，深50㎜，有效減少炭塊裂紋產(chǎn)生。

3.4加強(qiáng)筑爐材料控制

選用均勻、優(yōu)質(zhì)的半石墨陰極炭塊，陰極的壽命決定了槽內(nèi)襯的可靠性， 獲得一個(gè)好的陰極壽命， 根據(jù)前述機(jī)理分析，槽內(nèi)襯必須能有效地阻礙電解質(zhì)液體滲透造成的剝蝕以及鈉膨脹的侵蝕，高質(zhì)量半石墨質(zhì)陰極可以有效地抵御鈉膨脹，不同質(zhì)量的陰極炭塊理化指標(biāo)相差較大， 也可以解釋很多鋁廠一些電解槽陰極早期破損的原因， 雖然理化指標(biāo)達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)， 但是槽壽命多者1000 d， 少者僅幾百天， 甚至幾個(gè)小時(shí)， 主要原因就是因?yàn)殁c膨脹造成陰極炭塊裂縫， 鋁液及電解質(zhì)大量滲透、堆積， 從而造成陰極上抬、隆起， 直至斷裂。

3.5焙燒啟動(dòng)

焙燒時(shí)間要求不低于96小時(shí)，根據(jù)配料嚴(yán)格控制爐底溫升曲線和分流片作業(yè)，最終焙燒溫度達(dá)960℃左右，啟動(dòng)后不急于來(lái)效應(yīng)，讓側(cè)部物料緩慢熔化，使溫度逐漸上升，減少邊部熱沖擊，啟動(dòng)后期高溫時(shí)間不要太長(zhǎng)，適當(dāng)提高鋁水平，保證有一定的在產(chǎn)鋁，在進(jìn)行電壓調(diào)整時(shí)，將電壓按梯度目標(biāo)進(jìn)行操作，啟動(dòng)后期分子比調(diào)整緩慢下降，并盡快形成伸腿和爐幫，在正常生產(chǎn)期，保證電解槽平穩(wěn)運(yùn)行，爐膛規(guī)整。

4.結(jié)束語(yǔ)

分析影響預(yù)焙槽早期破損機(jī)理和原因，尋求減少槽早期破損現(xiàn)象，是鋁行業(yè)的重要課題，優(yōu)化槽內(nèi)襯設(shè)計(jì)，優(yōu)選內(nèi)襯材料，在施工質(zhì)量中嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，焙燒啟動(dòng)時(shí)嚴(yán)格升溫控制，前期管理盡快建立穩(wěn)定規(guī)整的爐膛，保持技術(shù)條件穩(wěn)定都是減少預(yù)焙槽早期破損的重要管理措施，也對(duì)提高槽壽命起著關(guān)鍵作用。

參考文獻(xiàn)：

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