淺論鋁電解槽破損修復技術的應用與發展

郭立國

摘 要 本文論述了鋁電解槽破損修復技術的應用與發展，為鋁電解槽破損修復技術的應用走可持續發展道路提供了一定的見解。

關鍵詞 鋁電解槽破損 修復技術 應用與發展

一、引言

鋁電解槽是電解鋁生產的重要設備。其運行狀態良好程度，壽命長短，直接關系到電解鋁生產的質量和產量，同時也對電解鋁生產的成本有很大影響。鋁電解槽經多年使用，運行周期較長，電解槽槽殼變形、破損嚴重，需進行大修理。改進電解槽大修理工藝，提高電解槽大修理質量和大修理效率，降低維修成本，是生產中一項重要的設備管理、維護工作。鋁電解槽的破損及維修是一項重要的工作。其只有了解電解槽破損的原因之后，才能對其實行維修處理，保障鋁電解槽的可靠性，以滿足電解鋁的實踐過程。由于鋁電解槽發生破損后容易影響生產的效果，因此其只有做好維修的工作，恢復鋁電解槽的基本結構，才能完善鋁電解槽的具體應用。

二、對鋁電解槽破損修復技術的應用現狀的分析與認識

（一）電解槽破損鑒定

在停電過程中，需要對電解槽的破損進行鑒定。電解槽的破損主要是由于槽側部的炭塊過度損耗或人為因素造成破壞未及時處理造成的。其主要的破損形式有以下兩種：一是側部伸腿的過度損耗導致電解質與鋁液從陰極鋼棒處滲漏。二是側部爐幫發紅導致側部擊穿滲漏電解質。

引起這種現象的原因主要有空氣對側部炭塊的氧化和爐幫的形成不良，使高溫和強腐蝕的電解質溶液直接對側部炭塊的沖刷和侵蝕。

1.小修。一是陰極炭塊在電、熱、磁等共同作用下會時常出現碳內襯中的熱膨脹、鈉膨脹，陰極斷裂、沖蝕、剝層，以及碳內襯下部各滲透物漸漸填充的現象等，這些都造成了槽底炭塊的隆起。如果隆起在50mm以下，凹坑在80mm以下時可定位小修。二是側部內襯兩小面仍可見炭塊的輪廓，大面伸腿以上受到不同程度破損和侵蝕，但如若側部炭塊破損不至于見到鋼板則不需更換。經過干刨伸腿的局部都有橫向裂紋，但整體形狀規整。按照我公司的122臺小修啟動后發現鋼棒發紅、漏鋁比值是2.46%。三是對槽內沒脫落的陰流塊要嚴格檢查，因為它和電解槽的使用壽命有一定的聯系。

2.中修。更換1～14塊破損嚴重的陰極炭塊，若一塊陰極炭塊破損50%以上、低于其他陰極炭塊表面120mm以上的話，則給予更換。

3.大修。陰極炭塊拱起90mm以上、爐底鋼板溫度異常、表面破損嚴重裂紋較多。

（二）鋁電解槽常見破損形式及原因

通常所說的電解槽破損是指其陰極內襯的破損。鋁電解槽的陰極內襯使用期不到1年，稱為早期破損。槽內鋁液中的鐵含量連續增加，一般情況下，是槽底部陰極鋼棒受鋁液侵蝕熔化所致。這往往是陰極炭塊破損的征兆。當鋁液中的鐵含量連續超過1%時，表示陰極炭塊已發生嚴重破損。電解槽陰極內襯破損可歸納為如下幾種形式：

1.陰極炭塊及保溫絕熱結構的變異。陰極內襯的變異主要有：陰極炭塊發生變形——膨脹、隆起、裂開或有沖蝕坑穴，炭塊之間的炭糊接縫發生裂紋。其中浸漬著碳化鋁、電解質和鋁，炭塊中的鋼棒彎曲變形，一部分被鋁熔解侵蝕，形成亮晶晶的鋁鐵合金，炭塊下面的耐火磚層局部變質，向上隆起，呈凸棱鏡狀，側部炭塊受到侵蝕，其中滲透著鋁和電解質，體積膨脹，槽殼變形，側壁向外鼓出，四角上抬，底部呈船形。

2.鈉的滲透。在一定的NaF/A1F3分子比和溫度下，鋁中的鈉含量應為平衡值。但是實際的鈉含量恒低于平衡值。其主要原因是鈉向炭陰極滲透擴散引起的。鈉往陰極炭塊中滲透之后，形成炭鈉化合物，炭的晶格體積膨脹，使晶格變得酥松，這是造成炭陰極破損的一個重要原因。一般認為，鈉的侵蝕作用在較低溫度下尤其嚴重，因為炭鈉化合物在高溫下部分分解，一般在溫度400～1，000℃，鈉對炭的破壞作用隨溫度升高而減弱。

故對于電解槽槽底的焙燒而言，焙燒溫度達到900～950℃之后再啟動為宜。

3.電解質的滲透。電解質的滲透量與陰極炭塊的材質有很大關系。滲透量增大的順序與炭活性增大的順序一致。在無煙煤基陰極（未經高溫焙燒的）中滲透量最多，其次是油焦和瀝青基（未經高溫焙燒的），在石墨陰極中最少。而且，孔度大的材料滲透量多，孔度小的滲透量小。

（三）陰極內襯破損的檢查與維修

破損部位的檢查：

第一，用鐵釬探查槽底把直鐵釬的尖端前部彎成長約10cm的直角鉤，然后把鉤尖伸入陰極下面，按照底塊和底縫排列的縱橫順序逐塊逐縫依次探鉤，把有坑和有縫的部位記錄下來，并估計出破損部位的長度和深度。另外，也可觀察鉤尖的情況。在破損部位，由于鋁水和陰極鋼棒的接觸，電阻很小，通電較多，沉淀較少，溫度較高，因此，鉤尖插入這里拔出后，鉤尖會有冒白煙現象。

第二，測量陰極電流分布和陰極鋼棒的溫度為了進一步證實該槽是否破損，可根據槽內初檢的情況，再測量一下陰極電流分布和陰極鋼棒溫度。一般情況下，熔化的陰極鋼棒的電流分布和溫度都比正常的高。

（四）破損部位的填補方法

確定破損部位以后，應及時進行填補。填補材料常用鎂砂、鎂磚塊、氟化鈣和氧化鋁沉淀。這些材料中的金屬元素電位順序都在鋁以上，即使熔入電解質中，也不會在陰極上析出，不會影響電解的正常進行和原鋁質量。同時，這些材料密度較大，易沉在槽底，熔化或半熔化后，能以勃稠狀態充填于破損的深處或覆蓋在槽底，阻止鋁液的滲漏，減少陰極鋼棒被鋁液進一步侵蝕，從而延長電解槽的壽命。

三、依靠技術進步，促進鋁電解槽破損修復技術應用的可持續發展

（一）電解槽破損的修補方法

針對上述電解槽側部破損的情形，國內同行業最初采取的是風管冷卻，多功能機組進行砸補，以及這兩種方式的結合和加大巡視力度等措施。盡管投入了大量的人力和物力，但是效果差強人意，不能自效地解決問題。為此，筆者針對傳統方法的不足，同時結合自己多年檢修大型電測曹的實際經驗，依據生產實踐，總結出以下方法：

第一，若側部的炭塊破損較小，如表層剝落、側部鋼板微紅或者暗紅，我們可以采取扎邊操作的方法。具體是用風鎬把破損的殘留側炭和氧化鋁料塊沿著槽鋼殼刨出，深度約為50cm～60cm，寬度約15cm，長度視側部炭塊破損多少而定，一般不超過60cm。再用炭糊補充刨出的坑內，并用搗固機層層扎固，確保炭糊與側部炭塊緊密結合，扎固到與原來側炭的相仿高度即可。若側部的炭塊破損較為嚴重時，先在槽沿板上用粉筆劃好欲修補的側部炭塊的長度，用鋁液和干燥的鎂砂與氟化鈣混合成厚約10cm的相應大小的餅狀材料。然后在導桿處加紙斷電，將相關的爐底沉淀清理干凈，再用漏鏟，釬子等工具把補爐材料準確送至破損處并壓住，將修補炭塊與四周的炭塊燒結成一體。

第二，對陰極炭塊凹坑為110mm ～150mm修復可采用表面打花、鉆孔以及扎糊料進行修補。

第三，在中修時取出破損嚴重的陰極炭塊，不能用液壓千斤頂及天車等大型設備進行拆除，只能用人工用風鎬打碎取出。

第四，碳塊重塑法修補。對電解槽陰極電流的分布、陰極鋼棒溫度、散熱孔溫度等全面分析，在換極過程中對爐幫、伸腿部位進行測量，確定電測曹損壞區域，對于發生嚴重浸蝕、散熱孔發紅的區域采取以下固定流程進行修補。一是確定電解槽損壞部位。通過綜合技術分析對電測槽的損壞部位進行確定，包括損壞面積、損壞程度等。調整維修技術條件，并準備好維修過程中各種工器具、材料。二是操作人員需提前四小時用多功能操作機械將需要修補的地方砸實，在兩個方向留下一定寬度，同時將修補部位散熱孔用風冷卻，在修補的過程中電解質不得超過過十八毫升。剩余的電解質必須及時排出。三是確認修補后，清除砸實區域上部結殼決，去除對應部位的雜質。四是將損壞部位的殘余雜質用風鎬挖出。在清理的過程中，如果發現有鋁液泄露，必須將泄露的鋁液清理干凈，堵住泄露源頭。根據損壞程度，刨挖的寬度一般為二到四塊側塊寬，底部挖到耐火磚部位，用風管吹干凈挖掘處。五是在槽殼上及耐火磚上涂上焦油.添加熱搗糊將底部撫平，安放側部碳塊，同時用鎂磚支持，在修補區域的兩端頭，用鋼板固定，添加熱搗糊將側部碳塊空隙搗實。六是焙燒二十到四十小時，拆除鋼板，沿側部碳塊邊緣鋪部分氧化鈣，焊好鋼帶。繼續風冷。七是對陰極炭塊裂縫的修補則需先將裂縫刨成內八型，如果鋼棒融化部位能用鎂磚制成料狀與糊料扎固第一層，其他層數則按照扎縫的工藝來施工。八是對于沒見到鋼板破損的側部碳塊應采用碳化硅水泥和水及成漿進行三次修補，硬化后和側部塊的硬度相似，以降低成本。

（二）防止和減少槽殼破損的改進措施

1.采用新槽形，提高槽殼鋼結構的強度。根據設計院設計論證和電解鋁廠實際使用表明，采用船形結構的槽殼（如圖1所示）比原電解槽的槽殼抗變形強度好，易于分散熱量，不易破損，運行周期長。某公司對舊槽殼報廢后，更新的電解槽槽殼也已改用船形槽殼。其在電解現場使用效果很好。

2.保證原輔材料和大修質量合格。管理部門要嚴格舊槽殼的報廢標準，加強大修槽的焊接及槽膛的耐火磚砌筑質量檢查，提高槽殼大修后就位的準確率，陰極炭塊和扎固糊料等的原料進貨質量檢查等基礎環節上要嚴格，以避免因槽殼變形或漏爐而造成的早期破損、停槽大修。

3.加強電解的日常操作維護。在日常的操作和維護上，要從提高換極質量到保溫料的添加，從爐底處理到大面整形，都精細操作，嚴格根據槽運行情況設定合理的目標電壓、保持合理的槽溫，控制好合理的氧化鋁濃度、分子比，設定理想的加料間隔，保持匹配的電解質水平和鋁水平，密切關注電解槽運行狀態，使各項技術條件相互匹配，為延長槽殼的運行周期奠定基礎。

（三）鋁電解槽操作規范

分析鋁電解槽破損后維修時的操作規范，諸如：

第一，鋁電解槽工作中發現有破損時，先將鋁電解槽停運、冷卻一周的時間，提出陽極結構后執行槽體拆卸，所有的拆卸工作必須由專業的人員操作。

第二，維修現場要樹立起安全警示牌，提醒工作人員注意安全，所有的維修工具都要擺放整齊，以免有不規范的操作，現場執行拆卸工作時也要保證安全工作。

第三，維修中處理鋁電解槽的上下槽體時，需要采用梯子類型的輔助設施，維修人員上下過程中不能直接接觸槽體，預防安全事故。

第四，鋁電解槽彎料管、煙道管、扣壓管拆卸維修時，需確保鋁電解槽處于安全的環境中，禁止維修現場發生漏電事故，保護維修人員的安全等。

四、結語

鋁電解槽使用中為了降低破損的發生概率，就要落實操作規范，通過規范的操作延長鋁電解槽的壽命，同時也能減少破損維修時的工作量，避免影響鋁電解槽的具體應用，由此才能為鋁電解槽的應用提供優質的環境。只有對電解槽的破損原因有了充分的了解才能較為準確的判斷電解槽的修復性質。在停電過程中對電解槽進行修復能有效地節約生產成本，對修槽過程中的問題進行及時解決。

（作者單位為包頭鋁業有限公司）

參考文獻

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[2] 李祥祺.大型預焙鋁電解槽側部破損的處理方法[J].輕金屬，2006（04）：11-12+47.