铝电解槽阴极钢棒被浸蚀现象探析

白卫国，曹永峰，解宇斌，袁 飞，马瑞兵

（1.中国铝业郑州有色金属研究院有限公司，河南 郑州 450041；2.包头铝业有限公司，内蒙古 包头 014000）

铝电解槽是现代电解铝生产的核心设备，电解系列一般配备几百台电解槽。根据电解槽槽型大小不同，其阴极钢棒规格及数量均有所不同。阴极钢棒与阴极碳块的组装方式主要有糊料扎固和磷生铁浇铸两种，考虑到阴极浇铸组装时成品率低、成本高等因素，目前大多数企业采用前者。阴极钢棒费用在电解槽大修内衬筑炉材料总费用中占比约25%，高导电材质阴极钢棒费用占比约30%。据了解，在电解槽各种停槽案例中，阴极钢棒因被浸蚀断裂造成铁含量持续升高最终停槽的比例多达40%以上[1]。为降低漏炉风险，企业加大对阴极钢棒运行状态监测，例如加装红外探头和温度传感器，进行数据预警管理以减小企业不必要的经济损失。

1 大修槽阴极钢棒常见浸蚀表现

铝电解.槽正常生产中，阴极钢棒被浸蚀现象并不能肉眼发现，在排除外部操作或涮阳极钢爪等原因外，原铝铁含量连续升高并超过正常值，当铁含量连续超过2.0%或升高梯度明显时，可判定阴极炭块或伸腿部位已发生严重破损，技术人员通过测量阴极钢棒电流分布和阴极钢棒温度，能够找到被浸蚀的钢棒并采取钢棒切割的措施，控制风险。

在现场刨炉发现阴极钢棒被浸蚀位置一般在电解槽中缝和大面端部[2]。图1（a）是某企业400kA电解槽运行1900多天阴极钢棒被浸蚀情况。图1（b）是某企业400kA电解槽运行2200多天阴极钢棒被浸蚀情况。

图1 阴极钢棒被浸蚀现场图

2 铝电解槽阴极钢棒被浸蚀现象探析

2.1 钢棒被浸蚀机理实验室研究

电解槽中钢棒的浸蚀机理目前尚无系统研究，需通过试验研究电解质和铝液对不同类型钢棒的浸蚀速度开展相关性研究。本文开展了两者的相关性研究，选用基于电解槽设计的Q235阴极钢棒材料和当前行业中认可的新型稳流保温铝电解槽专用高导电阴极钢棒YT-2两种材料[3]进行试验。将两种预先切割好的ф15mm的钢棒浸泡在950℃的熔盐电解质中24小时，取出后两种材料的外观尺寸均没有明显变化。试验证明：铁元素在冰晶石为主要成分的熔盐电解质中的溶解度很低，同时铁的氧化物、氟化物等络合物在其中的溶解度也不高，这意味着铝电解槽中的熔盐电解质对钢棒的浸蚀速度较慢。

图2 被浸蚀的阴极钢棒示意图

根据铁-铝二元相图可知，在足够高的温度下，铁与铝可以形成相互溶解的合金熔体，这说明铝液可以通过溶解的方式迅速浸蚀铁。为进一步测定高温铝液对不同类型钢棒浸蚀速度，在实验室将上述规格相同的两种材料在950℃的液态铝中浸泡24小时，发现钢棒的直径分别减小为12.2mm和12.1mm，试验说明：高温铝液对不同类型钢棒浸蚀速度无明显差别。

工业电解槽同样得出上述结论。在电解槽流速场测试时采用ф15mm的钢棒插入电解槽约10分钟，取出的钢棒能够看出浸入电解质的钢棒直径没有变化，而浸入铝液中的钢棒直径缩小为4mm～6mm。不同试验条件下的结果表明，钢棒的浸蚀速度与铝液的温度和接触面铝液的相对流度相关性更强，且铝液温度越高、接触面铝液的相对流度越大，浸蚀速度越快。

2.2 工业电解槽钢棒被浸蚀的原因分析

图3 电解槽炉底破损现场图

电解槽阴极钢棒被浸蚀势必有一条铝液经阴极炭块达到阴极钢棒的裂隙通道，电解槽发生破损，阴极的破损位置有两种情况，一是阴极炭块侧部，铝液和电解质在电解槽侧部经过裂隙迅速与阴极钢棒上方的高强浇注料发生化学反应，生成铝硅酸盐等沉积物，沉积物将产生体积膨胀应力，在应力释放的过程中导致裂纹进一步扩大，大量的铝液浸蚀钢棒导致漏炉；二是阴极炭块中部，在电解槽中部铝液同样会通过裂隙下渗，与阴极钢棒接触后，形成铁铝合金，导致阴极钢棒浸蚀。几种裂隙通道示意[4]见图2及工业电解槽炉底破损照图3。

通过上述分析，钢棒的腐蚀与阴极内衬早期遭到破坏有很大的相关性。当铝液与钢棒之间出现贯穿的通道，阴极钢棒失去碳素材料保护接触铝液后满足了钢棒浸蚀条件，在浸蚀界面上形成FeAl3，若进一步扩散形成Fe2Al5，该晶格组织粗大疏松，容易剥落和溶解，且由于温度梯度、浓度梯度等物理场原因，通道中的铝液与钢棒表面形成相对速度，加快了钢棒的浸蚀。电解槽破损并形成铝液和阴极钢棒之间的通道原因主要有以下五个方面：

2.2.1 设计因素

某电解槽等温线原设计如图4（a），电解质初晶温度等温线位于炭块基体中部，存在底部内衬材料保温不足的问题，阴极炭块应该会受到冻结破坏。优化后的设计使电解质初晶温度等温线应在阴极炭块下面，保温层上面的耐火材料层内，目的是使电解质的冻结破坏作用下降到阴极炭块以下，并在保温砖层以上，既能够保证阴极炭块基体避免受到冻结破坏，又可能够保证保温材料避免受到电解质的浸蚀，如图4（b）所示。

内衬结构设计时，阴极炭块与浇注料圈梁之间没有碳糊扎固伸缩缓冲缝，产出向上的引力集中，引起阴极爆块，形成铝液渗透通道。

2.2.2 原材料质量及筑炉施工

阴极碳间糊质量缺陷，糊料加热温度控制、挥发分控制、糊料捣打密度低在焙烧焦化过程中发生剥落，容易形成铝液渗透通道；周围糊扎固过程中由于物料软化温度低、物料板结、风压波动、施工不同步、扎固层间麻点缺失等原因，在电解槽启动过程中发生剥离，也容易形成铝液渗透通道。

2.2.3 焙烧启动制度

焙烧阶段，特别是采用焦粒焙烧方式的电解槽易发生局部偏流，局部高温，启动时易引发病槽，加剧电解槽碳素材料热应力集中，人造伸腿处发生阴极爆块起层脱落，形成冲蚀坑，形成铝液渗透通道，铝液和电解质进入阴极底部，从而导致熔化阴极钢棒。

图4 某电解槽优化前、后槽内等温线设计图

2.2.4 电解槽后期管理

铝电解槽正常运行过程中，在阴极.表面生成碳.化铝，若工艺条件大幅波动，炉膛不规整，炉底沉淀增多，改变了铝液流速及方向，可能有局部形成.冲蚀坑.，在电毛细作用下，冲蚀坑.不断扩大直到钢棒被快速浸.蚀熔化，形成破损槽。有的企业为改善指标，在未做测试方案的情况下，凭经验升电流，破坏原热平衡，炉帮炉底熔化，温度和过热度频繁波动，炉底返热，最终阴极炭块破损，铝液浸蚀钢棒，发生破损。

3 铝电解槽阴极钢棒被浸蚀预防措施

（1）优化内衬结构设计[5]，避免阴极基体发生冻结现象，造成碳块裂纹。

（2）筑炉材料方面开展必要的抽验检测，从源头严格把关。

（3）施工前槽壳校正[6]，制定合理的筑炉施工规范和质量标准规范，筑牢防止电解质和铝液渗漏的第一道防线；保温砖、耐火砖铺设时必须结构严密，不能凹凸不平；阴极钢棒窗口要密封严密，避免空气漏入而氧化碳块；阴极碳块组装时，可采用石墨质碳糊扎固阴极钢棒。

（4）电解槽砌筑好后，尽早启用，放置时间过长，内衬将吸收大量水分，破坏材质结构，启动后破损机率增加。暂不启动的电解槽必须妥善保护，禁止槽内堆放物品，砸坏阴极表面。

（5）合理的焙烧启动方法：焦粒焙烧方式最大优点在于焙烧期间产生的液体电解质填实了由于筑炉质量引起的裂纹、裂缝，优化铺焦粒、挂阳极、装炉、安装分流器、控制升温曲线等关键环节有效预防电解槽的早期破损。

（6）正常期的管理：①保持平稳的供电制度，电解槽稳定是长寿的基础，若系列电流频繁调整，势必增加破损机率[7]。②保持稳定工艺技术条件，合理的电解温度，保持稳定的两水平高度以及效应系数，形成稳定的炉帮，隔绝铝液和电解质对内衬的浸蚀。③建立完整的电解槽数据台帐，通过大数据监测，及时发现异常特征，采取早发现早修补的办法，避免阴极钢棒被进一步浸蚀。

4 结语

电解槽发生破损后，铝液通过阴极碳块缝隙下渗，与阴极钢棒接触，满足了钢棒被浸蚀条件，在浸蚀界面上形成FeAl3，若进一步扩散形成Fe2Al5，该晶格组织粗大疏松，容易剥落和溶解，且由于温度梯度、浓度梯度等物理场原因，通道中的铝液与钢棒表面形成相对快速，加快了钢棒的被浸蚀速度，最后导致阴极钢棒熔化。阻止铝液与钢棒之间出现贯穿的通道是有效预防钢棒被浸蚀的唯一途径，在大修阶段、焙烧阶段及正常生产阶段应保证阴极内衬的完整状态，避免出现贯穿铝液与钢棒之间的通道是杜绝钢棒被浸蚀的关键。