由于大修、焙燒啟動(dòng)費(fèi)用及陰極內(nèi)襯廢料排放費(fèi)用昂貴，各國(guó)電解鋁廠均致力于提高電解槽壽命的研究。本文結(jié)合實(shí)際對(duì)電解槽壽命問(wèn)題進(jìn)行了探討。
1、提高電解槽壽命的意義
統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：國(guó)外大型預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽的平均壽命在5年(1800天)以上，法國(guó)彼施涅公司的180kA電解槽平均壽命甚至達(dá)2190天~2820天，而我國(guó)大型預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽陰極內(nèi)襯壽命平均不到1500天，與國(guó)外有一定差距。電解槽大修、格燒啟動(dòng)需要投人大量的人力與資金。圜此，延長(zhǎng)電解槽的使用年限對(duì)提高電解槽生產(chǎn)的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，增加產(chǎn)量以及降低電解鋁成本有重要作用。
2、影響電解槽壽命的因素
槽壽命的長(zhǎng)短與多種囚寒有關(guān)，如內(nèi)村結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量、內(nèi)襯材料的性質(zhì)質(zhì)量、電解槽焙燒啟動(dòng)質(zhì)量等(如圖1所示)，其中主要因素是陰極內(nèi)襯設(shè)計(jì)和電解槽的操作和砌筑方法。電解槽操作包括焙燒啟動(dòng)和日常操作，這幾類因素對(duì)槽壽命的影響大致占90%，因此既要有良好的陰極內(nèi)襯設(shè)計(jì)，也要注意焙燒啟動(dòng)及后天日常的操作。
3、電解槽破損原因的分析
3.1 電解槽陰極裂縫
電解槽焙燒時(shí)，電流分布不均勻，使陰極炭塊產(chǎn)生局部過(guò)冷或過(guò)熱，在交界處形成裂縫。電解槽啟動(dòng)初期，槽溫偏低，陰極析出的鈉不斷滲透到炭縫里與碳發(fā)生反應(yīng)，生成碳鈉嵌入式層狀化合物，破壞了炭的晶格，使炭塊體積膨脹和酥松，使其上表面膨脹率大，下表面膨脹率小，這樣就使陰極炭塊自然向上拱起，產(chǎn)生很大的膨脹應(yīng)力，當(dāng)陰極炭塊承受不了這種拱起的抗彎強(qiáng)度時(shí)，便在陰極炭塊中產(chǎn)生裂縫，給電解質(zhì)和鋁液入侵創(chuàng)造條件。
在鋁電解槽的整個(gè)使用期內(nèi)，鈉始終從表面向陰極炭塊中滲透，使炭塊的裂縫擴(kuò)大，槽內(nèi)鋁液在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生局部旋渦，并夾帶有沖刷作用的懸浮氧化鋁沖刷裂縫，又使裂縫逐漸擴(kuò)大和增深，鋁液向下巷透，當(dāng)裂縫與陰極鋼棒相通造成電流集中，局部溫度超高，陰極鋼棒便被鋁液熔化，使電解槽破損加快。如果電解槽焙燒溫度過(guò)低，啟動(dòng)時(shí)吸鈉更快，槽破損越嚴(yán)重。
3.2 槽側(cè)部爐幫不易形成
電解槽側(cè)部破損主要是由于側(cè)部散熱不良不易形成保護(hù)側(cè)部炭塊的爐幫，使熔融的電解質(zhì)隨著電解的進(jìn)行緩慢地滲透到炭塊中。而電解質(zhì)中的鈉離子很容易與碳發(fā)生反應(yīng)生成碳一鈉中問(wèn)化合物，引起側(cè)部炭塊疏松、剝層，這就加劇了側(cè)部炭塊被氧化和侵蝕的速度，以160kA電解槽為例，電解槽熔體的流動(dòng)呈兩個(gè)不對(duì)稱的主璇渦運(yùn)動(dòng)(兩側(cè)立柱水平磁場(chǎng)對(duì)垂直電流作用引起)(如圖2)。
這說(shuō)明在電解槽的1/4處是鋁液和電解質(zhì)流動(dòng)沖刷強(qiáng)烈的地方，正好對(duì)應(yīng)電解槽兩大面的第2根陰極鋼棒與笫4根陰極鋼棒之間和笫10根陰極鋼棒與第14根陰極鋼棒之間(如圖3)
因此，此處側(cè)部炭塊人造伸腿容易受到?jīng)_刷磨損，導(dǎo)致下面陰極鋼棒承受更大電流，引起過(guò)熱發(fā)紅，甚至發(fā)生漏槽而導(dǎo)致停槽，縮短電解槽壽命。
3.3 陰極炭塊分層、脫落
當(dāng)陰極炭塊質(zhì)量不好或局部電流集中時(shí)，會(huì)耐不住電解槽通電焙燒高溫的熱沖擊，或由于焙燒時(shí)間不夠而強(qiáng)行啟動(dòng)，使陰極炭塊內(nèi)部產(chǎn)生不均勻膨脹壓力，而此時(shí)陰極炭塊表面吸收了大量的鈉，也會(huì)發(fā)生明顯的體積膨脹，從而使陰極炭塊表面出現(xiàn)分層、脫落現(xiàn)象。
4、提高槽壽命的措施
針對(duì)以上影響槽壽命的因素和電解槽破損原因，提出以下對(duì)應(yīng)措施。
4.1合理的陰極設(shè)計(jì)和選用內(nèi)襯材料
(1)合理的陰極設(shè)計(jì)
陰極設(shè)計(jì)的主要方面是內(nèi)襯、槽殼、熱場(chǎng)和磁場(chǎng)設(shè)計(jì)。目前大型鋁電解槽內(nèi)村設(shè)計(jì)的原則是側(cè)部散熱，底部保溫，這樣有利于形成規(guī)整的爐膛。設(shè)計(jì)的槽殼必須能承受和限制陰極熱變形，能抵抗由槽陰極及爐膛內(nèi)溫度分布引起的使槽殼發(fā)生變形的應(yīng)力。槽殼內(nèi)的熱場(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)適合工廠操作，以保持熱平衡。倆部爐幫的大小和位置，電解槽膛內(nèi)等溫線的位置都取決于陰極的熱場(chǎng)設(shè)計(jì)。沒(méi)有適當(dāng)?shù)臓t幫，槽側(cè)部易受電解質(zhì)的侵蝕，而等溫線位置不舍適會(huì)使陰極炭塊更易受電解液和鋁液的侵蝕而破裂，這兩種因素都會(huì)縮短槽壽命。磁場(chǎng)對(duì)電解槽的影響也很大，電流 經(jīng)陽(yáng)極導(dǎo)入電解液、鋁液和陰極，在周圍環(huán)境中產(chǎn)生了強(qiáng)大的磁場(chǎng)，鋁液中的垂直電流與水平 磁場(chǎng)相作用而產(chǎn)生的電磁力，會(huì)引起鋁液中心部分隆起，當(dāng)槽內(nèi)電流不對(duì)稱時(shí)使鋁液旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)，降低電流效率，且當(dāng)夾帶沉淀的鋁液產(chǎn)生的旋渦流使陰極炭塊受沖刷而形成沖蝕坑，以后會(huì)越磨越深，使陰極破損。所以鋁母線的配置應(yīng)盡量減小磁場(chǎng)對(duì)電解槽內(nèi)鋁液的影響，現(xiàn)代大型電解槽采用橫向排列和多點(diǎn)進(jìn)電，可減輕和抵消垂直和水平磁場(chǎng)強(qiáng)度。
(2)選用合適的內(nèi)襯材料
內(nèi)村材料是影響槽壽命的重要因素，它包括陰極嵌塊，側(cè)部材料，耐火材料和保溫材料等。為獲得較高的槽壽命，選用合適的陰極炭塊極為重要。對(duì)陰極炭塊的基本要求是它在鋁電解的條件下能抵御鈉、電解質(zhì)和鋁液的侵蝕作用，能夠在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)使用，其次要求它有良好的導(dǎo)電性和一定的耐熱振性和機(jī)械強(qiáng)度，經(jīng)得住焙燒啟動(dòng)期間溫度激烈上升，并能承受鋁液的沖刷作用。目前使用的陰極炭塊主要有三種，表1比較了這幾種炭塊的多種性能。
石墨化炭塊抗鈉腐蝕性最好，電阻也最小，但它易受侵蝕和成本高。半石墨炭塊比石墨炭塊耐蝕能力強(qiáng)，但成本高于無(wú)定型炭塊。無(wú)定型炭塊導(dǎo)電性雖差，但其耐蝕能力強(qiáng)，且成本較低。選用古石墨30%以上高導(dǎo)電陰極炭塊比較合適，雖然成本高于無(wú)定型炭塊，但抗鈉腐蝕性和導(dǎo)電性能要明顯優(yōu)于無(wú)定型炭塊，可降低陰極壓降，使陰極導(dǎo)電更加均勻，對(duì)提高電解槽壽命及降低電耗有利，某廠曾進(jìn)行過(guò)含40%石墨的半石墨炭塊在160kA電解槽的應(yīng)用試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明試驗(yàn)槽的壽命都有延長(zhǎng)，達(dá)1800天左右。另外為提高槽壽命還應(yīng)選用合適的側(cè)部材料和耐火材料及保溫材料。側(cè)部材料應(yīng)能耐物理和化學(xué)的侵蝕，還要能抗氧化，要有足夠的熱傳導(dǎo)來(lái)建立一個(gè)保護(hù)性的爐幫。好的側(cè)部材料應(yīng)有以下特征：電阻率高、導(dǎo)熱率大、機(jī)械強(qiáng)度高、抗氧化和抗腐蝕能力強(qiáng)、生產(chǎn)成本低。現(xiàn)大部分采用的是碳化硅側(cè)塊和碳化硅與炭塊的復(fù)合側(cè)塊。
(3)保證筑爐質(zhì)量
保證筑爐質(zhì)量也是提高槽壽命的先決條件，選用砌筑的各種材料應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，貫徹內(nèi)襯砌筑技術(shù)規(guī)程。對(duì)保溫磚、耐火磚每塊每行每層灰縫的要求是即薄又滿，應(yīng)將側(cè)部材料砌筑得無(wú)裂紋。每項(xiàng)砌筑工作都應(yīng)仔細(xì)進(jìn)行。即要有嚴(yán)格的操作管理，還要嚴(yán)把筑爐材料關(guān)，嚴(yán)格搗固工藝技術(shù)條件，如風(fēng)壓、扎固壓縮比等。
4.2電解槽操作
電解槽操作包括電解槽焙燒、啟動(dòng)和電解槽的日常操作，是決定電解槽壽命的重要因素之一。要達(dá)到長(zhǎng)壽槽，需要有良好的焙燒啟動(dòng)過(guò)程，精心控制分子比和溫度范圍、電解質(zhì)和鋁液高度，協(xié)調(diào)地氧化鋁給料，且使電解槽陽(yáng)極和陰極電流分布應(yīng)均勻。
總的來(lái)說(shuō)，要精心焙燒和啟動(dòng)，在啟動(dòng)初期保持適宜的高分子比和較高的槽溫，保證其不致早期玻損。
另外，還需日常精心地管理和維護(hù)，以獲得最高的槽壽命。以下分三方面具體說(shuō)明。
4 .2. l? 選擇合適的焙燒啟動(dòng)工藝制度
焙燒的目的主要是烘干爐體，并提高陽(yáng)極和陰極的溫度，以利于下一步的啟動(dòng)。焙燒階段雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但是工作的好壞影響到以后的生產(chǎn)，所以要特別注意。重要的是在焙燒中要維護(hù)內(nèi)襯材料的完整性，溫度在陰極內(nèi)的分布必須均勻，使陰極逐漸被加熱，通過(guò)陰極的溫度梯度過(guò)渡平緩，陰極就會(huì)平緩地升溫。以前主要采用的是鋁液焙燒法，此種方法平穩(wěn)方便，操作較簡(jiǎn)單，焙燒時(shí)電解槽電流分布較為均衡，焙燒溫度均勻，但嚴(yán)重的缺點(diǎn)是高溫對(duì)陰極的熱沖擊以及鋁液會(huì)侵入陰極焙燒時(shí)產(chǎn)生的裂縫。鋁液與陰極棒接觸會(huì)產(chǎn)生陰極局部過(guò)熱，而侵入保溫層破壞熱平衡。為克服這個(gè)缺點(diǎn)，現(xiàn)在大都用焦粉焙燒。
★焦粉焙燒
焦粉焙燒又分焦粒焙燒、石墨粉焙燒、焦粒+石墨粉焙燒等三類焙燒方法。
(1)焦粒焙燒法
焦粒焙燒法是以焦粒作為電阻層對(duì)電解槽陰極進(jìn)行焙燒。
主要優(yōu)點(diǎn)是陰極內(nèi)襯從常溫逐漸升溫預(yù)熱，可防止陰極表面受到熱沖擊，使用軟連接與分流片技術(shù)可以控制陰極內(nèi)襯的預(yù)熱速度，避免局部過(guò)熱現(xiàn)象產(chǎn)生。另外由于焦粒的電阻大于鋁水，所以焙燒時(shí)間可以縮短，節(jié)省了電能。在啟動(dòng)時(shí)首先灌入的是電解質(zhì)，避免了啟動(dòng)時(shí)漏鋁、滲鋁現(xiàn)象的產(chǎn)生，有利于預(yù)防電解槽早期破損。
其主要缺點(diǎn)是分流片與軟連接的安裝與拆卸過(guò)程比較繁瑣，啟動(dòng)后電解質(zhì)內(nèi)炭渣較多，增加了撈渣的工作量。另外對(duì)鋪焦粉、掛極等操作也有較嚴(yán)格的要求。
(2)石墨粉焙燒法
石墨粉焙燒足以石墨粉作為電阻對(duì)電解槽陰極內(nèi)襯進(jìn)行焙燒。
該焙燒方法為丹江鋁廠引進(jìn)德國(guó)VAW114，5kA電解槽時(shí)帶進(jìn)的，國(guó)外很多鋁廠使用此方法對(duì)電解槽進(jìn)行焙燒。
其主要優(yōu)點(diǎn)是可以不用分流器，焙燒時(shí)溫度及陽(yáng)極電流分布更均勻，由于焙燒時(shí)石墨粉用量少，啟動(dòng)后電解質(zhì)內(nèi)炭渣也少，減少了撈炭渣的工作量。在啟動(dòng)時(shí)首先灌入電解質(zhì)也預(yù)防了電解槽早期破損，對(duì)提高槽壽命有利。
其缺點(diǎn)是鋪石墨糟及掛極要求很嚴(yán)格。
(3)焦粉+石墨粉焙燒法
此方法是中鋁股份貴州分公司獨(dú)創(chuàng)的一種焙燒法，它是將焦粉和石墨粉按一定比例混合作為電阻層對(duì)電解槽陰極內(nèi)襯進(jìn)行焙燒。
優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)軟連接及分流片控制電解槽預(yù)熱速度，避免局部過(guò)熱。
缺點(diǎn)是鋪焦粉和石墨粉、掛極等操作的要求十分嚴(yán)格。
焦粉、石墨粉、焦粉+石墨粉等焙燒方法基本上是一致，沒(méi)有本質(zhì)分別。其主要區(qū)別就是石墨粉因?yàn)殡娮璞冉沽５?，便于溫度控制，焦粒由于電阻大，升溫快，溫度不好控制。而焦?石墨粉介與二者之間，應(yīng)當(dāng)采用此種方法作為電解槽的焙燒啟動(dòng)，但對(duì)于鋪焦粉、掛極等關(guān)鍵操作過(guò)程應(yīng)仔細(xì)研究，使之更加完善。
★鋁液焙燒
采用鋁液焙燒啟動(dòng)時(shí)，過(guò)程為：焙燒槽灌鋁液，全電流通電焙燒，焙燒時(shí)間192小時(shí)左右，啟動(dòng)時(shí)灌電解質(zhì)，采用AE啟動(dòng)。由于陰陽(yáng)極間導(dǎo)電介質(zhì)為金屬鋁液，有利于焙燒過(guò)程中電流分布的均勻，但是焙燒電阻較小，升溫過(guò)程緩慢，焙燒時(shí)同較長(zhǎng)，造成焙燒結(jié)束溫度較低，其技術(shù)特點(diǎn)可歸納如下。
①電流分布均勻;
②焙燒時(shí)間長(zhǎng);
③焙燒溫度低(950℃左右)。
此方法缺點(diǎn)之一就是鋁液首先與陰極炭塊表面接觸，焙燒過(guò)程中產(chǎn)生的不可避免的裂縫和孔隙，首先由金屬鋁液充填，由于鋁液所具有的良好流動(dòng)性和較低的熔點(diǎn)，以及熱脹冷縮作用，將加速裂縫的擴(kuò)大及裂縫間的貫通，造成滲鋁甚至內(nèi)襯破損。當(dāng)然，鋁液焙燒漏鋁并非必然，只有在炭素內(nèi)襯的裂縫或孔隙與外圍澆注料、耐火磚、鋼棒與炭素材料間的縫隙偶然串通時(shí)，才會(huì)發(fā)生滲漏。
4.2 .2? 電解槽啟動(dòng)后的維護(hù)
啟動(dòng)后期很好地維護(hù)并使電解槽順利地轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)，這對(duì)電解槽壽命影響很大。應(yīng)使電解槽在啟動(dòng)后期電流保持穩(wěn)定，電解槽不得進(jìn)入冷行程，否則會(huì)使?fàn)t內(nèi)沉淀增多，應(yīng)保持適宜的高分子比和較高的槽溫，保證其不致早期破損。要保持槽內(nèi)熱平衡，使槽溫逐步下降，利用效應(yīng)的時(shí)間清除炭渣，有計(jì)劃地下降電壓，總之，啟動(dòng)后期控制好槽溫很重要。
4 2.3? 正常生產(chǎn)期間工藝技術(shù)備件控制
在電解槽正常生產(chǎn)期間應(yīng)嚴(yán)格控制技術(shù)條件，保持穩(wěn)定的熱平衡，降低槽發(fā)病率，以延長(zhǎng)電解槽壽命，如槽溫過(guò)高，爐幫會(huì)被熔化，破壞槽膛內(nèi)形;如槽溫過(guò)低和電解質(zhì)水平、鋁液水平保持不好，會(huì)造成爐底沉淀，電流分布不均勻，槽況惡化，引發(fā)病槽。多年實(shí)踐表明，各種病槽都會(huì)使電解槽陰極內(nèi)襯遭到不同程度的影響，時(shí)間一長(zhǎng)使電解槽破損，大大地縮短電解槽壽命。如陽(yáng)極效應(yīng)過(guò)多是影響槽壽命的一個(gè)重要因索，當(dāng)發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)，槽電壓驟然上升數(shù)十伏，槽溫上升30℃~40℃，槽溫高時(shí)達(dá)1000℃，容易破壞電解槽的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)燒穿爐幫，實(shí)際上有部分槽子就是因?yàn)樾?yīng)引發(fā)漏爐而停槽。此外，效應(yīng)過(guò)多使電解槽經(jīng)常處在高溫狀態(tài)，也會(huì)使側(cè)部爐幫易化，爐膛形成不好，降低電解槽的穩(wěn)定性。
我國(guó)近年來(lái)先后推廣的幾項(xiàng)新技術(shù)均對(duì)延長(zhǎng)槽壽命、提高電流效率起到重要作用。其中自92年開(kāi)始推廣的自適應(yīng)技術(shù)及電解槽筒式下料器改造，改進(jìn)了原有加工制度引起沉淀多，效應(yīng)頻繁使鋁液中水平電流增大，加劇高溫鋁液和電解質(zhì)對(duì)側(cè)部炭塊的沖刷和侵蝕，造成電解槽側(cè)部破損的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了按需下料，勤加工少下料，氧化鋁容易分散，并立即被電解液浸透溶解，從而避免或減少槽底沉淀的生成，陽(yáng)極應(yīng)系數(shù)降到0.1次/(槽·日)以下，電解槽溫度也有所降低，生產(chǎn)平穩(wěn)，有利于側(cè)部爐幫的形成。
“四低一高”的工藝技術(shù)條件控制方法，也使槽發(fā)病率降低，陰極破損減少，為提高槽壽命創(chuàng)造了條件。另外還應(yīng)采取科學(xué)的管理方法，對(duì)電解槽在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的冷槽、熱槽等應(yīng)及時(shí)搞清產(chǎn)生病槽的原因，對(duì)癥下藥，使電解槽盡快轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)。
現(xiàn)正在中鋁系統(tǒng)內(nèi)推廣的“三度尋優(yōu)”工藝控制技術(shù)，確定了鋁電解槽低分子比、低溫、合適的過(guò)熱度的技術(shù)路線，充分利用信息化控制手段，實(shí)現(xiàn)過(guò)熱度的在線控制，開(kāi)發(fā)出天平式氧化鋁控制技術(shù)，確定了氟化鋁添加的調(diào)整策略，實(shí)現(xiàn)設(shè)定電壓在線自動(dòng)調(diào)整，由此實(shí)現(xiàn)電解槽信息化、標(biāo)準(zhǔn)化的管理模式，全面提高了電流效率等指標(biāo)，也對(duì)提高電解槽壽命作出了貢獻(xiàn)。
4.2.4?? 破損槽采取補(bǔ)救措施
生產(chǎn)中破損槽是不可避免的，為把損失降到最低，應(yīng)針對(duì)不同的破損，采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，使電解槽繼續(xù)生產(chǎn)。對(duì)槽側(cè)部局部過(guò)熱發(fā)紅的電解槽，可用壓縮空氣冷卻該部位，還應(yīng)適當(dāng)增加大面加工次數(shù)，降低側(cè)部溫度。對(duì)陰極鋼棒發(fā)紅嚴(yán)重的電解槽，可將該處陰極鋼棒割斷，使其停止通電逐步降溫，但如爐膛不好則不宜采用此法。