槽內襯側部塊上抬分析

陳 穎

（貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550004）

鋁電解槽是鋁電解生產的核心設備，電解槽壽命長短直接關系到鋁的生產成本及各項指標。對于一個系列年產25萬t原鋁、電流強度為400kA的大型預焙陽極鋁電解槽，每臺槽在停槽大修期約少產90t～100t原鋁，在啟動后，約30d左右才能產出優質原鋁，加上停槽前所產鋁的質量下降，總計有50d以上的時間生產次等鋁，且在電解槽啟動初期，電流效率要比正常期低3%左右。目前，大修1臺400kA級的電解槽其成本約為65萬元，再加上焙燒啟動的原材料消耗，以及由于焙燒啟動和停槽期間的母線電壓降損失所消耗的電能，1臺槽由停槽至恢復正常生產所耗的經費約需130萬元。由此可見，提高槽壽命對增加產量、節約電能、提高電流效率及降低大修費用等都有重要作用。據統計，目前國內大型預焙鋁電解槽的槽壽命大多未超過設計的天數(1800d)[1]，而國外先進的預焙槽槽齡都在2500d以上。影響槽壽命的因素很多，其中由于側部塊上抬現象引起的槽壽命降低在生產中占一定比例，而針對這一普遍存在的問題，目前還沒有資料從根本上進行比較系統和深入的分析研討，只僅僅對出現的問題進行簡單的處理。因此，為了能更好地提高槽壽命，增產節能，本文作者針對電解生產中普遍存在的側部塊上抬這一因素進行深入剖析，希望能為電解生產提供參考。

1 電解槽槽內襯側部塊上抬現象

目前，電解槽槽內襯側部塊上抬這一現象在鋁電解生產中普遍存在。更有甚者，由于側部塊的嚴重上抬導致其上壓的槽沿板變形、焊縫開裂，從而使側部塊暴露于內襯之外。這不僅破壞了內襯結構，對槽壽命帶來不利影響，而且還給生產操作帶來了諸多不利。

2 電解槽內襯側部塊上抬現象的分析

在鋁電解生產中，引起槽內襯側部塊上抬的因素多種多樣，具體歸納起來有以下幾點。

圖1 電解質侵蝕側部塊造成側部塊破損后沿破損處進入側部塊底部凝固的示意圖

圖2 電解質沿著側部塊與槽殼內壁之間的縫隙進入側部塊底部而凝固的示意圖

（1）人造伸腿裂紋的影響。目前，已經投入正常生產使用的大部分電解槽所使用的人造伸腿都是不經過焙燒的碳素糊料，這種糊料在250℃～300℃時會發生塑性膨脹，在500℃～1000℃時又固化收縮，加上焙燒加熱期間陰極電流分布不均，溫度梯度大，因此，在電解槽啟動初期，由于受熱收縮碳素糊料很容易產生裂紋和空隙。另外，由于側部塊與人造伸腿的結合面較光滑，在施工過程中容易出現結合不好的現象，因此，容易在結合部位形成裂紋。當電解質的初晶等溫線處于人造伸腿以上時，會在人造伸腿附近凝固而不會繼續沿著人造伸腿自身的裂紋和空隙或側部塊與人造伸腿之間的裂紋下移而進入側部塊底部，也就不會給側部塊上抬帶來隱患。但由于生產是波動的，當溫度控制不穩定時，該等溫線會下移至人造伸腿以下，這樣一來，電解質就會沿著裂紋或空隙進入側下部凝固而造成側部塊上抬。

（2）側部爐幫形成不好的影響。如果側部爐幫形成不好時，電解質會直接侵蝕側部塊而造成側部塊破損，從而使得電解質從側部塊破損處直接進入側部塊內部，造成側部塊上抬（見圖1）。

（3）側部塊與槽殼間縫隙的影響。為了限制側部塊上抬，在其上通常設有槽沿板，而側部塊頂面與槽沿板之間留有一定間隙。但由于生產的波動，溫度控制不穩，兩水平波動大時，熔體電解質會進入該間隙。當電解質水平降低時，填充到縫隙中的電解質發生凝固，凝固的電解質體積膨脹后頂壓槽沿板使其上翹，從而導致側部塊無約束而上抬。另外，在施工過程中，由于側部塊與槽殼內壁之間存在縫隙，進入槽沿板與側部塊頂面的電解質有少量可能會繼續沿著側部塊與槽殼內壁之間的縫隙進入側部塊底部而凝固，最終造成側部塊上抬(見圖2)。

（4）側部上下復合塊間粘接縫隙的影響。大型鋁電解槽側部塊要求具有電阻率高、熱傳導率高，高溫下機械強度高，優良的抗氧化性、抗熱震性、抗腐蝕性、空隙度小等特點。為了滿足這一系列本求，目前投入生產的大型鋁電解槽所采用的側部塊通常為整塊SiC-Si3N4塊，但為了考慮節約成本，通?？梢赃x用SiC-Si3N4塊與碳塊粘接的“上下復合塊”。若側部塊選用“上下復合塊”，此時SiC-Si3N4塊與碳塊的粘接須在現場實施，由此帶來施工質量問題或粘接技術不過關等問題，很難保證SiC-Si3N4塊與碳塊之間的接縫粘結良好，最終造成側部塊存在留有縫隙的隱患。同時，由于“上下復合塊”的接縫長期處于熔融電解質中，當生產發生波動導致爐邦減薄甚至于完全熔化后，此接縫就會沒有爐邦的保護而直接暴露在電解質液體中。這樣一來，電解質就會不斷滲透到“上下復合塊”的接縫里而凝固。當凝固的電解質累計過多后會促使側部塊上抬，從而使得槽殼側壁直接接觸電解質，造成電解槽側部漏爐。

（5）陰極碳塊膨脹的影響。金屬鈉通過界面反應與陰極碳塊中的碳形成穩定的嵌層化合物，由于其晶格大于碳素晶格尺寸而造成陰極碳塊膨脹。在本文的設計中，大面側下部都保留有伸縮縫，這是調整內應力的重要環節。理想的伸縮縫材料應該是：當壓應力大于某一設定值時，可以被壓縮而緩沖壓力；當壓應力小于設定值時，可以反彈。但在現實生產中，理想的伸縮縫材料是沒有的[2]，因此，當伸縮縫材料不能調整陰極碳塊膨脹力對側部的影響時，伸縮縫材料會受陰極碳塊膨脹力和槽殼的約束力相互作用而擠壓上抬，帶來側部塊也隨之上抬。

3 如何解決或減輕側部塊上抬的現象

（1）選用預制塊代替人工扎糊。為了克服上述人工扎固的碳素糊料的“冷漲熱縮”現象，對于人造伸腿，可以選用預先經過焙燒的預制碳塊代替現場人工扎固的碳素糊料。由于預制碳塊具有耐沖刷性強、熱膨脹率低、不易產生裂紋，施工簡便等優點，有利于降低電解質的浸入凝固而造成側部塊上抬的現象。

（2）優化內襯結構，調整工藝參數，形成合理的爐幫結構。利用成熟的三維電-熱場耦合計算模型，針對不同種類物料要求，精準的確定相應內襯結構及工藝參數，得到合理的電解槽內部等溫線分布，使電解槽在生產中保持規整的爐幫形狀和合理的爐幫厚度，如此一來，既保證了電解槽的穩定生產，又很好的保護了側部內襯，延長了槽壽命。

（3）選用側部開槽的側部塊。為了使周圍糊(即人造伸腿)能與側部塊粘接緊密，需要對側部塊進行局部處理，即在側部塊與周圍糊料連接處設置一定深度的三角形或梯形溝槽，使得側部塊與糊料通過溝槽互相鑲嵌。此種結構的側部塊能夠提高其與周圍糊的結合度，降低由于結合不良產生縫隙的可能性，從而阻斷電解質的浸入，減少側部塊上抬現象的出現。

（4）在側部塊頂面與槽沿板之間填充某種糊料。側部塊與槽沿板之間所留的間隙為電解質的浸入創造了便利，為了截斷此途徑，可以在側部塊頂面與槽沿板之間填充某種糊料。該種糊料的填充使得電解質不能進入側部塊與槽沿板之間的間隙，從而防止電解質浸入，最終降低側部塊上抬的幾率。

（5）側部塊采用整塊SiC-Si3N4塊。為了避免碳塊與SiC-Si3N4塊之間的粘接接縫帶來的電解質浸入隱患，且保證側部塊具有電阻率高、導熱性好，高溫下機械強度高，抗氧化性、抗熱震性、抗腐蝕性好和空隙度小等特性，側部采用整塊的SiC-Si3N4塊代替“側部上下復合塊”。

（6）減輕陰極碳塊膨脹程度。對于鈉與碳的作用通常碳的結構越是無序，則在各種溫度下吸收的鈉量越多。據研究報道：在溫度為950℃～1000℃范圍內，由于碳趨于生成較多的石墨化結構，而石墨化結構的特點就是吸收的鈉量較少，從而使碳塊膨脹變小。因此，考慮到石墨化結構的特點，應盡量選用石墨含量較高的陰極碳塊來減輕陰極碳塊的膨脹，從而減小陰極碳塊所產生的膨脹應力，最終使低強保溫磚不至于被擠壓過度而上抬，減輕側部塊上抬現象。

（7）對槽沿板進行加強處理。為了約束側部塊上抬，對原有結構的槽沿板采取加固的方法處理，即在槽沿板上加裝筋板。但應注意加裝的筋板不能過多，否則會造成約束太強，不利于應力的釋放，造成側部塊損壞。同時加裝的筋板還應考慮不影響正常的生產操作。

4 結語

綜上所述，為了減少側部塊上抬現象，可以對內襯結構采取如下的改進措施。①人造伸腿可選用預制碳塊；②優化內襯結構，調整工藝參數，形成合理的爐幫結構；③對側部塊進行開槽處理；④在側部塊與槽沿板之間填充糊料；⑤采用整塊SiC-Si3N4塊替代“側部上下復合塊”；⑥陰極碳塊可選用石墨含量較高的陰極碳塊；⑦對槽沿板進行加強處理以約束側部塊上抬。

另外，除了對槽內襯采取以上結構改進措施以外，還應注意嚴把材料訂貨和扎固施工質量關、電解槽焙燒啟動質量關，且生產操作工藝控制應穩定，避免溫度的控制大起大落。只有將以上采取的各種措施和注意事項很好的結合起來，才能有利于減少側部塊上抬現象。