電解槽底部破損與應對

郭福寶，賈曉剛

（山西兆豐鋁電有限責任公司，山西 陽泉 045200）

鋁電解槽是在900℃以上高溫的熔鹽狀態下工作的設備，它的陰極內襯長期受到鋁液和電解質的侵蝕，由于侵蝕所產生的應力會使槽體變形和內襯破損，嚴重時導致電解槽停槽大修。電解槽大修需要耗費大量的人工和費用，從降低成本和增加產量的角度出發，應當加強生產期間對電解槽的日常維護，減少電解槽的破損。而當電解槽出現初期破損時，如何及早發現并進行成功修補，是電解生產中十分重要的一項工作。

1 電解槽破損的現象、原因及機理

1.1 破損現象

在電解槽停槽清理內襯時，可以看到底部破損的情況：陰極炭塊發生變形，膨脹隆起、有沖蝕坑、橫向或縱向斷裂；炭塊之間的扎固糊發生裂紋造成炭縫之間有碳化鋁、電解質和鋁等固體；炭塊與鋼棒的交界面上有凝固的鋁和電解質，部分鋼棒被鋁液熔化，生成鐵鋁合金；炭塊下面有凝固的電解質、鋁、鋁鐵合金，嚴重時耐火磚、防滲料、炭塊與沉積物熔鑄在一起，形成較大的結塊。

1.2 破損原因

電解槽發生破損的根本原因是電解槽在高溫鋁液和電解質的侵蝕下，陰極炭塊出現沖蝕坑或者裂縫，鋁液從沖蝕坑或者裂縫中進入陰極炭塊，造成炭塊變形隆起上抬，嚴重時造成炭塊斷裂和陰極鋼棒熔化[1]。

1.3 破損機理

電解生產中陰極炭塊是不消耗的，但它長期與高溫電解質和鋁液接觸，不可避免的會受到侵蝕和滲透，并最終演變為破損，主要表現在以下三種情況。

（1）炭間縫裂開。炭間縫是指兩組陰極炭塊之間用炭間糊搗實的接縫。炭間縫的破損通常表現為炭間糊搗實體在炭塊界面上產生裂縫或者其本身破裂，以至鋁液和電解質從裂縫中進入炭間縫，逐漸朝下滲透。

炭間縫裂開通常發生在焙燒期間，在焙燒過程中，炭糊中的揮發分急劇排出，遺留下許多微細氣孔，同時炭間糊本身的收縮(收縮率約為3%)，使其在炭塊界面上產生裂紋。啟動后，陰極析出的鈉滲透到炭間糊里面，并且生成碳鈉化合物，使炭間縫疏松破碎，從而使炭間糊和炭塊界面上的裂縫更加擴大。

根據碳鈉化合物在低溫下穩定、高溫下分解的特點，在電解槽焙燒啟動期間，保持較高的焙燒溫度（接近啟動時灌入電解質的溫度），能有效避免電解槽早期的破損[2]。

（2）陰極炭塊斷裂。常見炭塊斷裂現象是沿著電解槽長度方向形成一條或幾條大裂縫，鋁液和電解質沿裂縫穿透炭塊，將鋼棒融化，形成鋁鐵合金。嚴重時穿透耐火磚層，直至槽底鋼板。

造成陰極炭塊斷裂的主要原因是炭塊質量不好及焙燒啟動期間受熱不均勻。

（3）陰極炭塊隆起。在電解生產中，槽內熔融體慢慢地滲入到炭塊之中，鈉、電解質和鋁液與炭素生成的炭鈉化合物和碳化鋁會引起炭塊疏松和體積膨脹，使陰極炭塊向上隆起。熔融體在填充完裂縫和裂紋后，繼續往深部侵蝕和滲透，當侵入到炭塊下面時，與耐火磚反應生成鋁硅酸鹽(Na2O·Al2O3·2SO2)，使耐火磚體積膨脹，形成被稱為“灰白層”的沉積物。

（4）陰極炭塊的沖蝕坑。沖蝕坑穴是陰極炭塊受沖刷作用而形成的。坑穴的表面上磨得很光滑，有旋轉沖刷的痕跡并覆蓋著一層白色的氧化鋁。其形成的主要機理是：①在扎固炭縫表面或炭塊表面存在著一些裂縫或凹凸不平。②鋁液在磁場的作用下會在裂縫中產生一種局部漩渦，其中挾帶著懸浮著的氧化鋁沉淀物。③氧化鋁在旋轉狀態下具有很大的沖刷作用，會將裂紋越磨越大、越磨越深，最終形成坑穴。

2 電解槽破損的表現

（1）硅鐵含量上升。電解槽在正常生產期，鋁液中的鐵含量比較穩定，當鐵含量突然上升時，就要分析產生的原因。如果是陽極化爪或者打殼錘頭、鐵工具等融化，這種情況經過幾次出鋁就會緩慢下降。如果排除上述原因，鋁液中鐵含量仍然持續高于0.15%，并且每天升高，而硅含量也隨之上升時，就初步判斷是電解槽出現破損。

（2）槽體溫度異常。當某組陰極炭塊出現破損，形成鋁液通道時，破損部位電流集中，導致陰極鋼棒電流密度升高，棒頭產生的熱量明顯增多，使陰極鋼棒溫度升高。破損炭塊的對應側部鋼棒和底部鋼板溫度一般也會隨之升高。

（3）陰極炭塊有裂縫或沖蝕坑。在換極等工序對爐底進行檢查時，如果發現陰極炭塊有裂縫或沖蝕坑，則此處陰極炭塊有很大可能出現破損。

3 如何確定破損部位

（1）換極時認真摸排爐底，用大鉤仔細的在爐底勾探，將有坑或者有縫的部位記錄下來，并判斷破損部位的長度、寬度和深度。破損部位鋁液和鋼棒直接接觸，電阻小，通電多，溫度也高，所以鉤尖插入這里拔出后，一般會有發白冒白煙現象。

（2）測量溫度。用紅外線測溫儀測量爐幫、鋼棒頭、底板溫度，要反復測量幾次，減少誤差。以300KA電解槽為例，一般底部鋼板溫度高于120℃，鋼棒頭溫度高于正常值40℃，側部鋼板溫度高于正常值50℃，則可以初步判斷此處對應的陰極炭塊存在異常。

（3）測量壓降。①爐底壓降。陰極出現較嚴重的破損后，此處陰極的爐底壓降與正常陰極相比存在差異，可以通過逐塊測量陰極的爐底壓降，對比分析測得的數值，找出破損部位。②陰極鋼棒小母線壓降。正常生產的電解槽，各陰極鋼棒小母線的等距壓降基本是相同的，出現破損時，由于爐底形成鋁液的通道，使該處局部電阻減少，通過的電流增大，導致陰極小母線的等距壓降提高。通過測量陰極鋼棒與大母線之間鋁軟帶的等距離壓降，壓降明顯升高的，可以初步判斷該鋼棒周圍有破損跡象。

4 電解槽破損部位的修補

在確定了破損部位后，要在最短的時間內組織人力去修補。

（1）修補材料的選擇。修補材料通常用鎂砂、氟化鈣和氧化鋁，因為鎂、鈣的電位順序在鋁之前，融入電解質中不會在陰極析出，也不會影響電解生產和原鋁質量。并且鎂、鈣材料密度大，容易沉在爐底，融化或者半融化時能以粘稠狀態填充在破損部位的陰極炭塊上，阻止鋁液向陰極內部的滲漏，從而達到修補陰極、延長槽壽命的目的[3]。

（2）預制鎂砂餅。鎂砂餅就是用鋁做皮鎂砂做餡的“餅”。鎂砂餅形狀大小可以根據破損部位確定，面積要大于電解槽破損處面積，我公司多用800mm×500mm×300mm的尺寸。

（3）修補方法。①破損部位位于陰極炭塊中部。修補時將破損位置對應的陽極拔出，將鎂砂餅放置在漏鏟上（如果鎂砂餅太重，可用天車輔助），上面用大鉤壓住，緩慢送到破損位置上方，將鎂砂餅慢慢放入電解質中，使其沉到破損處。用大鉤檢查是否蓋住破損處，如位置不準要用大鉤進行調整，直至完全覆蓋在破損處為止。②破損部位位于陰極炭塊邊部，靠近伸腿部位。修補時先將破損部位對應的殼面用天車打開，然后用面積合適的鋼板做擋板，擋在側部炭塊與陽極之間，加入鎂砂、氟化鈣、氧化鋁、殼面塊的混合物，并迅速用用鐓子砸實，最后蓋好保溫料。

（4）修補效果的判斷。修補后第二天取樣化驗，如果硅鐵含量不再上升，并且在接下來的幾天呈下降趨勢，說明修補效果較好。連續分析觀察數日，直至含鐵量逐步下降至接近正常水平，證明破損處已經完全補住。

5 修補后的日常管理

成功修補后，可以延長電解槽使用壽命，生產出合格的鋁液，有的還能完成較好的經濟技術指標。為了達到好的效果，在日常生產中務必要做好以下工作：

（1）保證電解槽平穩運行。匹配合理的技術條件，細化日常管理，狠抓操作質量，保持槽況穩定。

（2）零效應管理。盡量避免發生陽極效應，因為效應發生時會在短時間內產生大量的熱量，可能會造成破損處填補材料融化，出現二次破損。

（3）保持較低的爐底溫度。適當降低設定電壓，提高鋁水平，保持較低的電解質溫度和過熱度，進而達到降低爐底溫度的目的。

（4）減少對破損部位的干擾。換極時不要用鐵工具觸碰破損部位，以免造成填充材料的破壞。

（5）加強日常監測和數據統計工作。日常生產時要對破損部位加強監測，并做好數據的收集和統計工作，確保出現問題時能及時發現并及時采取措施。