电解槽内衬结构对槽寿命的影响

2010-04-03刘晋云

材料与冶金学报 2010年1期

关键词：耐火砖炭块铝液

刘晋云

（中电投宁夏能源铝业公司青铜峡铝业股份有限公司大修部）

电解槽内衬结构对槽寿命的影响

刘晋云

（中电投宁夏能源铝业公司青铜峡铝业股份有限公司大修部）

从不同的方面对电解槽阴极内衬寿命的影响因素进行了分析与研究,指明了延长铝电解槽阴极内衬寿命的途径.

铝电解槽是铝电解生产的核心装置,其寿命的长短不仅与槽型、阴极内衬结构、筑炉材料的质量有关,而且铝电解槽的焙烧启动方法、正常生产的维护与管理以及操作制度等多方面因素对其均有影响.

1 铝电解槽结构分析

铝电解槽是铝电解生产的主体设备.目前为止铝电解槽的阳极有所不同,但是阴极基本相同.电解槽的寿命取决于阴极,因此电解槽的寿命通常指的是阴极的寿命.铝电解槽阴极由电解槽槽壳、保温材料、耐火材料和炭素内村四部分组成.铝电解槽阴极炭素材料包括阴极侧部和底部两部分,直接与电解质和铝液相接触,是铝电解槽的关键部位,这不仅是由于它是盛置熔融的铝液和电解质的容器,更为重要的它还作为一种导电装置,使电流由阳极流向阴极母线.铝电解槽的侧部是由侧部块和扎固糊扎固而成,阴极底部由阴极炭块组和缝间糊扎固而成为一个整体.阴极炭素内衬的结构是否合理,材料的选择以及砌筑质量都将直接影响到电解槽的使用寿命.

铝电解槽内衬按区域分,可分为底部内衬和侧部内衬.底部内衬从功能上讲,起着支承阴极结构和保温的作用.侧部内衬则主要起着保护钢制金属外壳面免受电解质熔体的侵蚀的作用.由于电解质的强烈腐蚀性,仅仅靠侧部内衬材料尚不足以抵御电解质的长期侵蚀,因此,希望在侧部内衬里侧形成一层所谓的结壳,来保护侧衬.从电解槽底部内衬的功能上讲,希望底部内衬具有足够的机械强度,减小由于重力、内应力引起的压缩变形.这样,底部内衬要具有较高的容重抵御压缩变形,同时希望底部内衬具有较好的保温性能.这样,底部内衬的容重应尽量低.鉴于底部内衬的中温度分布特点和对抗电解质侵蚀的要求,内衬层材料从上到下,一般容重依次降低,上层最高.结合实际经验,对电解槽内衬结构进行了分析并提出了相应的配置方式（假定阴极下部内衬材料分布自上而下依次为第四、第三、第二和第一层）.

1.1 阴极炭块下、环行耐火浇注料圈内的底部内衬部分

（1）第四层应采用捣实干式防渗料.干式防渗料作为一种新型散状颗粒内衬材料,其与电解质反应生产一种玻璃状体可阻止电解质向下的进一步渗透.该捣实层捣实密度在 2.0 g/cm3左右,具有较高的容重,但低于黏土质耐火砖（2.2 g/cm3左右）.同时,该捣实层的导热系数（约为黏土质耐火砖 1/3）远低于黏土质耐火砖.这样的材料特征既可以增强底部内衬的保温,同时其为散状颗粒状态,因此可以吸收阴极膨胀力,缓冲阴极向上的隆起力.另外,由于其较高的捣实密度,又可在一定程度上抵御阴极膨胀的内压力.捣实干式防渗料的这两种特征兼顾了吸收阴极膨胀和抵御阴极膨胀的两方面要求.

（2）第三层采用隔热耐火砖.硅藻土质隔热耐火砖,导热系数稍低于捣实干式防渗料,容重也低.该种材料价格低,可满足该位置的保温要求,目前国内电解槽内衬在此层多选用该材料.

（3）第二层采用保温性能更高的、容重稍低于硅藻土质隔热耐火砖的陶瓷纤维（硅酸铝）隔热板.该隔热板导热系数约为硅藻土质隔热耐火砖的 1/3,容重约为硅藻土质隔热耐火砖的 1～1/3倍,相对于耐高温硅酸钙板,导热系数偏高,但容重大,耐高温性能等同或高于硅酸钙板.虽然陶瓷纤维（硅酸铝）隔热板导热系数略高于硅酸钙板,但由于其容重大,抗压缩能力强,受压缩后导热性能变化小的缘故.

（4）第一层采用硅酸钙板.硅酸钙板容重低于陶瓷纤维隔热板,但导热系数约为陶瓷纤维隔热板的 1/2.由于该层距离阴极最远,又有上面 3层吸收阴极膨胀力,加之其低的导热系数,硅酸钙板是该层的最佳选择.同时,这样的内衬结构,不仅当量容重依次提高（有利于热平衡稳定性）,更主要的是在内衬中形成导热系数逐渐下降、温度梯度较为均匀的结果,使得内衬各层共同负担保温作用,避免出现过高的温度梯度.

1.2 阴极端头、环行耐火浇注料圈以下的内衬结构

该部分结构应具有为环行耐火浇注料的捣实提供坚固底面、阻止电解质渗透的功能,同时又要提供高的保温效果.基于这种要求,该部分结构又分为两部分.靠近槽中心内侧部分,固体砖应耐较高温度并耐电解质侵蚀,因此应采用黏土质耐火砖,或以干式防渗料为原料压制成的砖块.靠近槽壳部分,采用保温性能好的硅藻土砖.

1.3 钢棒端头侧下部保温结构

由于大型电解槽大面多采用船型结构,侧下角的保温层厚度相对减薄,这样的变化对于阴极内部的温度分布、阴极压降都产生很大影响.对于阴极中的温度分布,希望温度均匀,等温线尽量水平,减小由于温差引发的内部应力不均以及引起的钢棒与炭块之间的膨胀接触力不均,影响接触电阻率.同时希望阴极底部的温度以及端头底角位置都要高于 900℃.因为渗入炭块中的钠与碳形成晶间化合物,该晶间化合物在高于 900℃条件下不稳定,又分解为钠和碳,不会对阴极产生膨胀破坏作用.同时,在该温度下,渗透至钢棒位置的电解质不会在钢棒上沉积增大接触电阻率.因此,该部位的保温就非常重要.

1.4 阴极端头、侧部槽壳以内部分

电解过程中阴极炭块吸收电解质产生膨胀,最终导致槽壳变形和炭块中间隆起和折断.这种观点已被业内人士普遍接受.在阴极端头部位的处理方式上,多年来变化很小,一般都是采用耐火浇注料进行捣固,或者在浇注料与槽壳之间垫一层砖,目的是利用砖的破损来吸收炭块膨胀.然而,破损槽内衬的剖析结果发现,砖被压碎后,在边部形成很大的空洞,加速了内衬破损.为缓冲炭块膨胀,可在浇注料与槽壳之间加两层耐火度高、受压后有一定收缩度、与浇注料同高度的陶瓷纤维板.该纤维板有一定的抗压强度,受力后收缩,但不会被压碎,因此是缓冲膨胀的理想材料.

1.5 侧部结构

大型电解槽炭化硅结合氮化硅侧块表面内表面加工出一些沟槽,不仅可以增强结壳与侧块的结合力,又可以增强边糊与侧块的结合力,减小由于边糊收缩而与侧块分层的几率.

2 电解槽阴极内衬破损分析

阴极炭素内衬是电解槽的关键部分,电解槽的破损几乎都是首先从炭素内衬的破损所引起.阴极内衬破坏主要以下三个方面:

2.1 炭缝裂开

炭缝炭块之间裂纹极可能是焙烧启动后转入正常生产的过程中产生的.焙烧到启动是一个升温过程,通过计算可知,炭块的受热膨胀大于块间缝糊的收缩,在炭缝与炭块之间没有形成裂缝的可能,但是启动后期到转入正常生产是一个降温过程,阴极块的收缩是在所难免的,而炭缝糊虽然已经过焦化,但仍然会收缩,至少不会产生膨胀用于弥补炭块的收缩,因此在这个降温过程中.炭缝与炭块间形成裂缝是在所难免的,如果施工中,炭缝扎固的压缩比达不到技术要求,更会加速这种裂纹的形成.

2.2 炭块隆起

炭块的隆起往往是后期产生的,在前期的生产中很少有阴极炭块隆起的发生.阴极隆起有一个过程,在焙烧启动时,电解质不断渗入炭素内衬,一部分结晶,炭块内部产生较大的应力,炭块体积发生明显的膨胀.这种应力产生的膨胀会使炭块变得酥松,炭缝与块间的裂纹增大,电解质和铝液则由裂纹往下渗漏,当渗漏到一定深度时,温度的变低使其凝固,电解槽技术条件的波动,则会使电解槽温度产生波动.这种波动将会使渗入到裂缝里的电解质和铝液重新熔化和凝固,因此形成了一个凝固——熔化——再凝固的恶性循环,每一次循环,都会使电解质和铝液继续往下渗漏,直至到阴极炭块的底部,甚至进入耐火砖和保温材料层.当电解质与炭块发生化学作用时,炭块由于吸收电解质而被石墨化,其电导率将会增加,导热性能也会增强,更加剧了电解质和铝液的往下渗漏,这些渗漏物的增加以及对耐火砖的侵蚀,使炭块向上隆起的速度加快,最终导致炭块的破裂,阴极导电棒熔化,电解槽的破损,而无法生产被迫停槽.

2.3 形成冲蚀坑

所谓冲蚀是指槽底或侧部上由于铝液的冲刷作用而形成坑穴.冲蚀坑对工业电解槽危害极大,一旦冲蚀坑形成,则电解槽的电流效率降低,而且容易发生漏炉而被迫停槽.冲蚀坑的形成机理是:炭缝或炭块中存在裂缝,槽内铝液在磁场作用下产生一种旋涡流,其中挟带着氧化铝沉淀物,氧化铝具有很强的磨蚀性,当这种旋涡流经过裂纹的地方时,便把裂纹磨大,进而形成喇叭状坑穴,坑穴面积越磨越大,深度越磨越深,所产生的旋涡流作用力越强,最终结果是把阴极炭块磨穿,导电棒便逐渐被溶在铝液中,铝中的铁含量升高,当铁含量达到一定的高度时（1.5%～1.8%）,就会有漏槽的危险.

3 延长铝电解槽的寿命

要延长电解槽的使用寿命,就必须选择好的筑炉材料,完善和改进筑炉工艺,除此之外,加强生产过程中对电解槽的维护也是不可缺少的重要一环.加强电解槽的维护,首先要做好铝电解槽的焙烧启动工作,铝电解槽焙烧的目的在于通过提高内衬温度至接近于运行温度,而不至于在内村中形成非正常的温度梯度.阴极内衬的保温性能要好,这是电解槽保持热稳定的前提条件,但对于侧部要有较好的散热条件,这是电解槽正常生产的器要.电解槽不同的部位有不同的要求,即保温的合理性的体现.