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铝电解槽使用寿命如何提高 合理选择耐火材料

作者:寰洋实业  发布日期:2017-02-17

由于大修、焙烧启动费用及阴极内衬废料排放费用昂贵,各国电解铝厂均致力于提高电解槽寿命的研究。本文结合实际对电解槽寿命问题进行了探讨。

1、提高电解槽寿命的意义

统计结果表明:国外大型预焙阳极铝电解槽的平均寿命在5年(1800天)以上,法国彼施涅公司的180kA电解槽平均寿命甚至达2190天~2820天,而我国大型预焙阳极铝电解槽阴极内衬寿命平均不到1500天,与国外有一定差距。电解槽大修、格烧启动需要投人大量的人力与资金。圜此,延长电解槽的使用年限对提高电解槽生产的各项经济技术指标,增加产量以及降低电解铝成本有重要作用。

2、影响电解槽寿命的因素

槽寿命的长短与多种囚寒有关,如内村结构的设计、施工质量、内衬材料的性质质量、电解槽焙烧启动质量等(如图1所示),其中主要因素是阴极内衬设计和电解槽的操作和砌筑方法。电解槽操作包括焙烧启动和日常操作,这几类因素对槽寿命的影响大致占90%,因此既要有良好的阴极内衬设计,也要注意焙烧启动及后天日常的操作。


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3、电解槽破损原因的分析

3.1 电解槽阴极裂缝

电解槽焙烧时,电流分布不均匀,使阴极炭块产生局部过冷或过热,在交界处形成裂缝。电解槽启动初期,槽温偏低,阴极析出的钠不断渗透到炭缝里与碳发生反应,生成碳钠嵌入式层状化合物,破坏了炭的晶格,使炭块体积膨胀和酥松,使其上表面膨胀率大,下表面膨胀率小,这样就使阴极炭块自然向上拱起,产生很大的膨胀应力,当阴极炭块承受不了这种拱起的抗弯强度时,便在阴极炭块中产生裂缝,给电解质和铝液入侵创造条件。

在铝电解槽的整个使用期内,钠始终从表面向阴极炭块中渗透,使炭块的裂缝扩大,槽内铝液在磁场的作用下产生局部旋涡,并夹带有冲刷作用的悬浮氧化铝冲刷裂缝,又使裂缝逐渐扩大和增深,铝液向下巷透,当裂缝与阴极钢棒相通造成电流集中,局部温度超高,阴极钢棒便被铝液熔化,使电解槽破损加快。如果电解槽焙烧温度过低,启动时吸钠更快,槽破损越严重。

3.2 槽侧部炉帮不易形成

电解槽侧部破损主要是由于侧部散热不良不易形成保护侧部炭块的炉帮,使熔融的电解质随着电解的进行缓慢地渗透到炭块中。而电解质中的钠离子很容易与碳发生反应生成碳一钠中问化合物,引起侧部炭块疏松、剥层,这就加剧了侧部炭块被氧化和侵蚀的速度,以160kA电解槽为例,电解槽熔体的流动呈两个不对称的主璇涡运动(两侧立柱水平磁场对垂直电流作用引起)(如图2)。


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这说明在电解槽的1/4处是铝液和电解质流动冲刷强烈的地方,正好对应电解槽两大面的第2根阴极钢棒与笫4根阴极钢棒之间和笫10根阴极钢棒与第14根阴极钢棒之间。

因此,此处侧部炭块人造伸腿容易受到冲刷磨损,导致下面阴极钢棒承受更大电流,引起过热发红,甚至发生漏槽而导致停槽,缩短电解槽寿命。

3.3 阴极炭块分层、脱落

当阴极炭块质量不好或局部电流集中时,会耐不住电解槽通电焙烧高温的热冲击,或由于焙烧时间不够而强行启动,使阴极炭块内部产生不均匀膨胀压力,而此时阴极炭块表面吸收了大量的钠,也会发生明显的体积膨胀,从而使阴极炭块表面出现分层、脱落现象。

4、提高槽寿命的措施

针对以上影响槽寿命的因素和电解槽破损原因,提出以下对应措施。

4.1合理的阴极设计和选用内衬材料

(1)合理的阴极设计

阴极设计的主要方面是内衬、槽壳、热场和磁场设计。目前大型铝电解槽内村设计的原则是侧部散热,底部保温,这样有利于形成规整的炉膛。设计的槽壳必须能承受和限制阴极热变形,能抵抗由槽阴极及炉膛内温度分布引起的使槽壳发生变形的应力。槽壳内的热场设计应适合工厂操作,以保持热平衡。俩部炉帮的大小和位置,电解槽膛内等温线的位置都取决于阴极的热场设计。没有适当的炉帮,槽侧部易受电解质的侵蚀,而等温线位置不舍适会使阴极炭块更易受电解液和铝液的侵蚀而破裂,这两种因素都会缩短槽寿命。磁场对电解槽的影响也很大,电流 经阳极导入电解液、铝液和阴极,在周围环境中产生了强大的磁场,铝液中的垂直电流与水平 磁场相作用而产生的电磁力,会引起铝液中心部分隆起,当槽内电流不对称时使铝液旋转滚动,降低电流效率,且当夹带沉淀的铝液产生的旋涡流使阴极炭块受冲刷而形成冲蚀坑,以后会越磨越深,使阴极破损。所以铝母线的配置应尽量减小磁场对电解槽内铝液的影响,现代大型电解槽采用横向排列和多点进电,可减轻和抵消垂直和水平磁场强度。

(2)选用合适的内衬材料

内村材料是影响槽寿命的重要因素,它包括阴极嵌块,侧部材料,耐火材料和保温材料等粘土耐火浇注料比重。为获得较高的槽寿命,选用合适的阴极炭块极为重要。对阴极炭块的基本要求是它在铝电解的条件下能抵御钠、电解质和铝液的侵蚀作用,能够在相当长的时间内使用,其次要求它有良好的导电性和一定的耐热振性和机械强度,经得住焙烧启动期间温度激烈上升,并能承受铝液的冲刷作用。目前使用的阴极炭块主要有三种,表1比较了这几种炭块的多种性能。

石墨化炭块抗钠腐蚀性最好,电阻也最小,但它易受侵蚀和成本高。半石墨炭块比石墨炭块耐蚀能力强,但成本高于无定型炭块。无定型炭块导电性虽差,但其耐蚀能力强,且成本较低。选用古石墨30%以上高导电阴极炭块比较合适,虽然成本高于无定型炭块,但抗钠腐蚀性和导电性能要明显优于无定型炭块,可降低阴极压降,使阴极导电更加均匀,对提高电解槽寿命及降低电耗有利,某厂曾进行过含40%石墨的半石墨炭块在160kA电解槽的应用试验,实验结果表明试验槽的寿命都有延长,达1800天左右。另外为提高槽寿命还应选用合适的侧部材料和耐火材料及保温材料。侧部材料应能耐物理和化学的侵蚀,还要能抗氧化,要有足够的热传导来建立一个保护性的炉帮。好的侧部材料应有以下特征:电阻率高、导热率大、机械强度高、抗氧化和抗腐蚀能力强、生产成本低。现大部分采用的是碳化硅侧块和碳化硅与炭块的复合侧块。


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(3)保证筑炉质量

保证筑炉质量也是提高槽寿命的先决条件,选用砌筑的各种材料应严格按照技术标准,贯彻内衬砌筑技术规程。对保温砖、耐火砖每块每行每层灰缝的要求是即薄又满,应将侧部材料砌筑得无裂纹。每项砌筑工作都应仔细进行。即要有严格的操作管理,还要严把筑炉材料关,严格捣固工艺技术条件,如风压、扎固压缩比等。

4.2电解槽操作

电解槽操作包括电解槽焙烧、启动和电解槽的日常操作,是决定电解槽寿命的重要因素之一。要达到长寿槽,需要有良好的焙烧启动过程,精心控制分子比和温度范围、电解质和铝液高度,协调地氧化铝给料,且使电解槽阳极和阴极电流分布应均匀。

总的来说,要精心焙烧和启动,在启动初期保持适宜的高分子比和较高的槽温,保证其不致早期玻损。

另外,还需日常精心地管理和维护,以获得最高的槽寿命。以下分三方面具体说明。

4 .2. l  选择合适的焙烧启动工艺制度

焙烧的目的主要是烘干炉体,并提高阳极和阴极的温度,以利于下一步的启动。焙烧阶段虽然时间不长,但是工作的好坏影响到以后的生产,所以要特别注意。重要的是在焙烧中要维护内衬材料的完整性,温度在阴极内的分布必须均匀,使阴极逐渐被加热,通过阴极的温度梯度过渡平缓,阴极就会平缓地升温。以前主要采用的是铝液焙烧法,此种方法平稳方便,操作较简单,焙烧时电解槽电流分布较为均衡,焙烧温度均匀,但严重的缺点是高温对阴极的热冲击以及铝液会侵入阴极焙烧时产生的裂缝。铝液与阴极棒接触会产生阴极局部过热,而侵入保温层破坏热平衡。为克服这个缺点,现在大都用焦粉焙烧。

★焦粉焙烧

焦粉焙烧又分焦粒焙烧、石墨粉焙烧、焦粒+石墨粉焙烧等三类焙烧方法。

(1)焦粒焙烧法

焦粒焙烧法是以焦粒作为电阻层对电解槽阴极进行焙烧。

主要优点是阴极内衬从常温逐渐升温预热,可防止阴极表面受到热冲击,使用软连接与分流片技术可以控制阴极内衬的预热速度,避免局部过热现象产生。另外由于焦粒的电阻大于铝水,所以焙烧时间可以缩短,节省了电能。在启动时首先灌入的是电解质,避免了启动时漏铝、渗铝现象的产生,有利于预防电解槽早期破损。

其主要缺点是分流片与软连接的安装与拆卸过程比较繁琐,启动后电解质内炭渣较多,增加了捞渣的工作量。另外对铺焦粉、挂极等操作也有较严格的要求。

(2)石墨粉焙烧法

石墨粉焙烧足以石墨粉作为电阻对电解槽阴极内衬进行焙烧。

该焙烧方法为丹江铝厂引进德国VAW114,5kA电解槽时带进的,国外很多铝厂使用此方法对电解槽进行焙烧。

其主要优点是可以不用分流器,焙烧时温度及阳极电流分布更均匀,由于焙烧时石墨粉用量少,启动后电解质内炭渣也少,减少了捞炭渣的工作量。在启动时首先灌入电解质也预防了电解槽早期破损,对提高槽寿命有利。

其缺点是铺石墨糟及挂极要求很严格。

(3)焦粉+石墨粉焙烧法

此方法是中铝股份贵州分公司独创的一种焙烧法,它是将焦粉和石墨粉按一定比例混合作为电阻层对电解槽阴极内衬进行焙烧。

优点是通过软连接及分流片控制电解槽预热速度,避免局部过热。

缺点是铺焦粉和石墨粉、挂极等操作的要求十分严格。

焦粉、石墨粉、焦粉+石墨粉等焙烧方法基本上是一致,没有本质分别。其主要区别就是石墨粉因为电阻比焦粒低,便于温度控制,焦粒由于电阻大,升温快,温度不好控制。而焦粉+石墨粉介与二者之间,应当采用此种方法作为电解槽的焙烧启动,但对于铺焦粉、挂极等关键操作过程应仔细研究,使之更加完善。

★铝液焙烧

采用铝液焙烧启动时,过程为:焙烧槽灌铝液,全电流通电焙烧,焙烧时间192小时左右,启动时灌电解质,采用AE启动。由于阴阳极间导电介质为金属铝液,有利于焙烧过程中电流分布的均匀,但是焙烧电阻较小,升温过程缓慢,焙烧时同较长,造成焙烧结束温度较低,其技术特点可归纳如下。

①电流分布均匀;

②焙烧时间长;

③焙烧温度低(950℃左右)。

此方法缺点之一就是铝液首先与阴极炭块表面接触,焙烧过程中产生的不可避免的裂缝和孔隙,首先由金属铝液充填,由于铝液所具有的良好流动性和较低的熔点,以及热胀冷缩作用,将加速裂缝的扩大及裂缝间的贯通,造成渗铝甚至内衬破损。当然,铝液焙烧漏铝并非必然,只有在炭素内衬的裂缝或孔隙与外围浇注料、耐火砖、钢棒与炭素材料间的缝隙偶然串通时,才会发生渗漏。

4.2 .2  电解槽启动后的维护

启动后期很好地维护并使电解槽顺利地转入正常生产,这对电解槽寿命影响很大。应使电解槽在启动后期电流保持稳定,电解槽不得进入冷行程,否则会使炉内沉淀增多,应保持适宜的高分子比和较高的槽温,保证其不致早期破损。要保持槽内热平衡,使槽温逐步下降,利用效应的时间清除炭渣,有计划地下降电压,总之,启动后期控制好槽温很重要。

4 2.3  正常生产期间工艺技术备件控制

在电解槽正常生产期间应严格控制技术条件,保持稳定的热平衡,降低槽发病率,以延长电解槽寿命,如槽温过高,炉帮会被熔化,破坏槽膛内形;如槽温过低和电解质水平、铝液水平保持不好,会造成炉底沉淀,电流分布不均匀,槽况恶化,引发病槽。多年实践表明,各种病槽都会使电解槽阴极内衬遭到不同程度的影响,时间一长使电解槽破损,大大地缩短电解槽寿命。如阳极效应过多是影响槽寿命的一个重要因索,当发生阳极效应时,槽电压骤然上升数十伏,槽温上升30℃~40℃,槽温高时达1000℃,容易破坏电解槽的稳定性,严重时烧穿炉帮,实际上有部分槽子就是因为效应引发漏炉而停槽。此外,效应过多使电解槽经常处在高温状态,也会使侧部炉帮易化,炉膛形成不好,降低电解槽的稳定性。

我国近年来先后推广的几项新技术均对延长槽寿命、提高电流效率起到重要作用。其中自92年开始推广的自适应技术及电解槽筒式下料器改造,改进了原有加工制度引起沉淀多,效应频繁使铝液中水平电流增大,加剧高温铝液和电解质对侧部炭块的冲刷和侵蚀,造成电解槽侧部破损的缺点,实现了按需下料,勤加工少下料,氧化铝容易分散,并立即被电解液浸透溶解,从而避免或减少槽底沉淀的生成,阳极应系数降到0.1次/(槽·日)以下,电解槽温度也有所降低,生产平稳,有利于侧部炉帮的形成。

“四低一高”的工艺技术条件控制方法,也使槽发病率降低,阴极破损减少,为提高槽寿命创造了条件。另外还应采取科学的管理方法,对电解槽在整个生产过程中出现的冷槽、热槽等应及时搞清产生病槽的原因,对症下药,使电解槽尽快转入正常生产。

现正在中铝系统内推广的“三度寻优”工艺控制技术,确定了铝电解槽低分子比、低温、合适的过热度的技术路线,充分利用信息化控制手段,实现过热度的在线控制,开发出天平式氧化铝控制技术,确定了氟化铝添加的调整策略,实现设定电压在线自动调整,由此实现电解槽信息化、标准化的管理模式,全面提高了电流效率等指标,也对提高电解槽寿命作出了贡献。

4.2.4   破损槽采取补救措施

生产中破损槽是不可避免的,为把损失降到最低,应针对不同的破损,采取相应的补救措施,使电解槽继续生产。对槽侧部局部过热发红的电解槽,可用压缩空气冷却该部位,还应适当增加大面加工次数,降低侧部温度。对阴极钢棒发红严重的电解槽,可将该处阴极钢棒割断,使其停止通电逐步降温,但如炉膛不好则不宜采用此法。

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