延长在产石墨化阴极铝电解槽寿命的探析

2021-12-26郭彬，刘驰

世界有色金属 2021年19期

关键词：内衬电解铝电解槽

郭彬，刘驰

（内蒙古锦联铝材有限公司，内蒙古霍林郭勒 029200）

1 概述

电解槽是电解铝产品生产的主要关键设备，电解槽内衬又是电解槽的核心。

图1 电解槽内衬示意图

文献显示，电解槽内衬的成分是氟化物和耐火材料各占30%左右，炭质材料占37%左右，此外还有霞石、Al2O3、AlN、铁铝合金和微量的氰化物[1]，电解槽大修渣是国家明令禁止的危险固体废物。400KA电解槽停槽大修，内衬材料总重110吨，大修费用在120万元，大修产生的大修固体危险废物在115吨左右，处置费用在22万元。所以，延长电解槽内衬使用寿命，对于电解铝行业节能减排，低碳生产，意义重大。

2 石墨化阴极的特点

众所周知，与普通半石墨质及50%石墨质阴极相比，如表1所示[2]，石墨化阴极具有低电阻值、高导电率、高导热率、低吸钠、低膨胀、抗热冲击力强和易操作管理、操作容错率高、指标优异等优点，受到国内外电解铝厂的使用，尤其是西方国家电解铝厂，几乎都在采用全石墨化阴极[3]。但是，石墨化阴极也存在材质软、机械强度低、抗耐磨及电化学腐蚀性差等缺点。

表1 不同材质阴极炭块主要指标对比

以某公司400KA电解槽为例，破损的形式主要表现是冲蚀坑或冲蚀洞，破损部位绝大部分位于进电端的A面，距离侧壁炭块30～45的位置，破损深度在25cm～30cm冲蚀坑（洞）。停槽后，从端头看，宽度方向上阴极表面腐蚀的形状类似“W”型。

3 石墨化阴极腐蚀的机理

石墨化阴极炭块的主要问题是其表面相对较高的腐蚀速率。阴极炭块的腐蚀是一个物理磨损和电化学腐蚀的综合过程，其中，电化学腐蚀是最主要的，其腐蚀机理是炭化铝的生成和磨蚀[3]。

4 延长石墨化阴极槽寿命的措施

针对石墨化阴极的腐蚀机理，围绕如何减少磨损、电化学腐蚀和出现腐蚀坑后的精准修补，就能实现延长石墨化阴极的使用寿命。

4.1 合理匹配电解工艺技术条件，保持稳定的热平衡和物料平衡

4.1.1 稳定的电流强度

国内石墨化阴极在正常生产中，电流强化到一定值后，要求电流恒定保持。

降低电流和提高电流都会影响电解槽的热收入，随之而来的就会造成炉膛的变化，从而破坏电解槽原有的热平衡，要想实现新的平衡，必须调整电压、铝水平、分子比等才能实现电解槽的稳定。

4.1.2 保持合适的温度和过热度

合适的槽温和过热度是电解槽平稳运行的基础条件，400KA电解槽槽温一般控制在945℃～955℃，过热度8℃ ～12℃。

当槽温和过热度偏高时，槽帮熔化，电解质向阴极的渗透加大，电解槽效率降低。槽温和过热度偏小，熔解氧化铝的能力下降，炉底产生沉淀，非沉淀区域电流聚集，沉淀区域电流减弱，电流分布不均，加速腐蚀。

4.1.3 保持合适的电解质成分

稳定的电解质成分是电解平稳生产的前提，对于一个原料供应稳定的电解铝厂来说，稳定的分子比最为重要，对于国内低锂盐电解质体系的电解槽，分子比保持2.35～2.45比较合适，个别有伸腿的电解槽分子比可以上提至2.4～2.5。如果分子比的保持波动较大，电解质的过热度也会随着波动，电解槽的热平衡就会很难保持。所以，分子比保持范围一旦确定，离散度越小越好。

4.1.4 前期低铝水平运行，后期逐步提高铝水平保持

石墨化阴极电解槽前期转入正常期生产后，电流效率在94%左右，直流电耗在12600Kwh/t.Al左右，电解操作容错率较高，这种状况一般会持续1500天左右。1500天后，阴极炉底开始出现接近阴极钢棒的腐蚀坑，这个时候就要逐步提高铝水平至27cm～29cm。通过提高铝液水平，降低水平电流和水平磁场的强度，提高电解槽稳定性，以此来抵消腐蚀坑引起的偏流问题。

4.2 创新修补模式，延长阴极寿命

众所周知，要想达到好的修补效果，修补材料的性能要满足密度大，易沉入槽底，与炭素、氧化铝和铝液结合力较好的材料，经过反复试验跟踪，最后发现刚玉颗粒、镁砂、大修槽结壳块单独或混合使用，修补后易于固定、不漂移，粘附效果明显优于传统的材料。仅仅有好的修补材料还不能保证修补的效果，这里需要精准的修补方法。根据腐蚀坑的大小，让修补物料呈一个稍大于坑的“小丘状”半凝固体，然后用新组装的阳极放在上面，上下移动3～5次，进行压实。此种修补方法一般能坚持3个月以上。