1、320 kA 铝 电解槽早期破损 原因 及 预防 措施 刘建辉 ，艾自金 （ 中国有色金属建设股份有限公司 ， 北京 100029） 摘要 ： 详细叙述了 某 电解铝厂 320 kA大型预焙电解槽 个别槽 阴极内衬 出现 的 早期 破 损 现象 ， 探讨 了电解槽破损的 原因 ， 分析 了工艺条件对电解槽破损的影响， 进而提出 通过 控制工艺技术条件 来 预防电解槽破损 的 措施 。 关键词： 320 kA铝 电解槽； 早期 破损； 工艺 技术 ； 管理 ；预防措施 中图分类号： TF821 文献标识码： A 文章编号： 1007-7545（ 2012） 08-0000-00 Reasons
2、for Early Breakage of 320 kA Aluminum Cell and Its Prevention Measures LIU Jian-hui, AI Zi-jin (China Nonferrous Metal Industrys Foreign Engineering and Construction Co., Ltd., Beijing 100029, China) Abstract: The early breakage of cathode lining of individual 320 kA pre-baked aluminum cell was desc
3、ribed in detail. The breakage reasons were explored and the effect of technical conditions on breakage was analyzed. The measure of controlling the according technical conditions to prevent breakage was proposed. Key words: 320 kA pre-baked aluminum cell; early breakage; technology; management; prev
4、ention measures 作者 全程 参与了采用 我 国自主知识产权、 中国公司 承包最完整的 国外某 25 万 t/a 电解 铝 厂 320 kA大型 预焙阳极 电解槽 工程 ， 见证了从工程前期开发、施工建设、试车 投产 和生产 运 营各个阶段。 由于业主后期管理和生产运营没有跟上，个别槽阴极内衬出现早期破损现象，这些经验对我国大型电解铝生产有一定借鉴价值。 1 电解槽破损 状况 早期 破损 的 电 解槽 主要有 102#、 815#、 130#、 109#、 802#和 105#，其 寿命 分别是 651、 671、 654、 731、 706和 747 天 。 破损电解槽的 实物
5、 照片见图 1。 图 1 早期破损的电解槽 照片 (a)-侧部炉帮 ； (b)-SiC 砖 ； (c)-阴极炭块 ； (d)-阴极炭块隆起 ； (e)-渗透的 电解质 和铝液 ； (f)-阴极钢棒 Fig.1 Pictures of early breakage aluminum cell (a)-side ledge; (b)-SiC brick; (c)-cathode block; (d)-uplifted cathode block; (e)-penetrated electrolyte and aluminum melt; (f)-eroded cathode bar 在刨炉过程中，
6、我们发现其破损有较多相似的现象，这些现象也从侧面反应了电解槽的运行状况以及破损原因： 收稿日期 ： 2012-01-16 作者简介 ：刘建辉（ 1968-），男，河南扶沟人，硕士，高级工程师 . doi： 10.3969/j.issn.1007-7545.2012.08.006 (a) (b) (c) (d) (e) (f) 1） 6 台电解槽在停槽后都见不到明显的侧部炉帮，侧 部的 SiC 砖受侵蚀非常严重，大部分已经几乎没有；另外，很多部位都采用捣固周围糊的方法对侧部进行过修补 （ 图 1a 电解槽侧部黑色的部位 ） ； 2） SiC 砖受热 膨胀 现象严重，或向上拱起，或与槽壳分离，出现
7、缝隙 （ 图 1b） ； 3） 阴极炭块 表面有较多的冲蚀坑 和 层 状剥落 现象， 造成阴极表面高度下降 ， 并 出现有大的纵向裂缝，长度较长，大量的铝液和电解质 通过裂缝通道渗入 阴极炭块 和内衬材料中 （ 图 1c） ； 4） 阴极炭块 向上 隆起 严重，最高的隆起高度约有 89 cm（ 图 1d） ； 5） 阴极炭块 碳间缝糊位置 和 内部 都 有明显的渗透电解质和铝液 ，还有 反应 生成的黄色物质 Al4C3（ 图 1e） 。特别是在 炭块 与阴极钢棒的交界位置有凝固的电解质，这也是造成炉底压降高的主要原因 ； 6） 阴极炭块 被凿开后， 铝液渗透严重的 位置对应的 钢棒已被侵蚀严重
8、，且很容易脱落。 拆卸出来的钢棒已被铝液 严重 侵蚀，孔隙较多，有的部分基本已经蚀空 ， 钢棒周围有大量凝固的铝液和黄色 Al4C3 存在 。结合漏槽的位置，可以判断这是漏槽的主要通道 ； 7） 阴极炭 块下面的各种耐火材料保持较为完好， 经反应后形成结晶体 ； 8） 阴极 钢棒变形 较为 严重，向上隆起，拆卸时发现一些阴极钢棒已经从中间断裂，或者已经很容易断 裂。阴极钢棒下表面几乎都出现较严重的侵蚀 (图 1f)； 9） 大面和小面侧部 的浇注料 、 周围糊 、耐火砖等耐火、保温材料都保存较好 ； 10） 钢质槽壳向外膨胀，略呈椭圆形，底部钢板有些部位向下鼓出。 2 电解槽破损 原因 分析
9、2.1 阴极炭块的变异 在用碳 粒 进行焙烧启动电解槽的过程中， 水分和挥发分自下而上冒出， 由于碳缝体积的收缩，填充在 炭块之间的碳糊便与 炭块 分离，形成裂缝 。 另外， 阴极炭块局部电流密度过大，温度过高 也容易 引起 电解槽出现横向裂纹，裂纹的深浅不等，最深的也可使阴极炭块 横向裂断 1。 生产中 阴极上析出铝 的 同时又 析出 钠，钠从铝液中扩散入 阴极炭块 的表层，并顺次向下扩散， 路径可能 是 从炭块的气孔 或者 在碳的晶格内扩散 2。钠侵入碳的晶格时，生成碳钠化合物，使炭块体积膨胀和疏松； 阴极炭块 和 炭 缝中侵入钠之后，组织便疏松，也就给电解质和铝液的侵入创造了条件。 阴极
10、炭块在电解 铝生产 过程中主要发生两种变异，一种是炭块体积膨胀 ， 另一种是渐渐进行石墨化 2。 2.2 电解质和铝水的渗透 碳钠化合物对于冰晶石 氧化铝熔 体 有良好的湿润性，因此 电解质容易溶解在炭素材料中。 当电解质和铝液侵入炭素内衬时，槽壳在其膨胀力的作用下发生变形，侧部向外 鼓出。 熔体填充裂纹后，仍继续向下渗透，与耐火材料发生 化学反应 ，生成铝硅酸盐。随着渗透沉积物的不断增多，产生很大的上抬力，最后 炭块 上部断裂，形成较大的纵向裂缝， 形成铝液的渗漏通道，侵入钢棒区，造成铝液中铁含量逐步升高，严重时导致漏槽 ，分析认为 6 台中有 5 台 槽的破 损基本遵循 这样的 规律 。
11、2.3 机械磨损 109#槽的 第 19 块 炭块 和第 20 块 炭块 之间的碳间糊 位置 靠 A侧处形成一个 椭圆形 大 坑 ， 一直 深 入 到 钢棒 ，造成铁含量急剧上升，被迫停槽 。 其破损原因 分析 如下： 由于正常生产后 碳糊收缩 等原因 在该位置造成小的裂缝，生产过程中铝液 在磁场 、热场、流场 作用下产生漩涡流 ，当这种漩涡流出现在 裂缝位置时， 夹带的氧化铝等 把裂缝越磨越大 、 越磨越深，最终把 阴极炭块 磨穿。 在坑穴深 到钢棒位置后，由于其 面积 很大，造成 铝液通道，使得铁含量急剧上升 ，无法处理而不得不停槽 。 3 工艺 技术 条件 的 影响 电解槽工艺技术参数的
12、 控制 必须平稳，电解槽 的平稳 运行 是建立在平稳的工艺技术条件基础上 的 ，没有平稳的技术条件，就没有规整的炉膛，槽况的平稳就无法得到保证。 这里 ， 我们 选取 3 至 4 台电解槽在破损过程中的工艺参数， 进行了相关的统计和计算， 并 分析 工艺参数 控制好坏 对电解槽 寿命 的影响 ， 从而 提高工艺参数控制水平，减少电解槽破损的发生 。 3.1 铝水平、分子比 波动较大 正常生产时， 2008 年 11 月至 2009 年 3 月的 铝水平 以及 2008 年 11 月的 分子比 控制 情况 分别 见 表 12。 表 1 铝水平 Table 1 Aluminum level /cm
13、 槽号 08 年 11 月 08 年 12 月 09 年 1 月 09 年 2 月 09 年 3 月 102 22.1 20.7 23.0 21.2 24.0 105 22.0 21.0 21.4 21.7 21.7 109 21.2 20.7 21.4 21.2 21.3 130 22.1 19.1 21.1 20.4 21.0 表 2 分子比 Table 2 Molecular ratio 槽号 11 月 17 日 11 月 815 日 11 月 1623 日 11 月 2430 日 102 2.25 2.30 2.31 2.35 109 2.33 2.34 2.24 2.33 130 2
14、.18 2.34 2.43 2.30 在 生产 中 保持 铝水平和分子比的 平稳非常重要 ， 从表 12 可以看到 ， 102#槽在 20 多天时间内 铝水平 相差达3.3 cm， 130#槽 分 子比 在同一个月时间内 从 2.18 上升到 2.43， 波动 较大 。 技术条件的调整违背了大型预焙电解槽平稳调整的原则 。 槽膛底部 存在 一定数量的铝液 可以 起到防止铝直接在 炭 阴极上析出、传导热量 、 削弱电磁力和稳定 槽况 的作用 。 但如果 出现大幅波动或长时间保持偏低或偏高 ， 就 容易造成 将 建立好的热场和磁场 的平衡被打破，使炉膛发生变化，进而使电解槽发生波动， 如 处理方法
15、不 合理 或不及时， 可 直接 导致电解槽病槽的产生。 3.2 槽电压长时间高位运行 2008 年 11 月至 2009 年 3 月的 槽电压 数据见表 3。 表 3 槽电压 Table 3 Cell voltage /V 槽号 08 年 11 月 08 年 12 月 09 年 1 月 09 年 2 月 09 年 3 月 102 4.260 4.372 4.688 4.899 4.940 105 4.195 4.212 4.362 4.424 4.380 109 4.166 4.168 4.263 4.380 4.390 130 4.293 4.261 4.395 4.373 4.420 电压
16、是电解槽输入能量的 最主要 来源，是维持和调整体系热平衡最重要、最易实现的因素。 由表 3 可以看出， 电压偏高 时间 持续长达几个月， 最高时平均电压近 5 V， 这 无疑 使 得 电解槽的热平衡 遭到严重破坏 ， 是 造成炉膛不规整、炉底不干净 的主因 。 3.3 强化电流的影响 电流强度的 变化 情况 见表 4。 表 4 电流强度 Table 4 Current intensity /kA 日期 强度 2008-12-04 320.60 2008-12-23 321.29 2009-01-20 323.04 2009-01-31 325.10 2009-02-03 324.90 2009
17、-02-24 325.14 2009-03-03 325.11 2009-03-10 325.00 从 表 4 可以看出 ， 2008 年 12 月 4 日开始 强化 电流，到 2009 年 1 月 31 日电流强化至 325 kA。 当时可能是考虑 天气寒冷的原因，为了 提高 炉底 温度 而强化的电流 。 应该说 这种做法 当时对大部分电解槽 是 有利的，但是对于 异常槽 却 是致命的 ，本来电解槽的能量就已经严重过剩， 电解槽 处于热行程状态， 给这些电解槽 进行电流强化这无疑是雪上加霜，只会是加 速 电解槽的破损。 3.4 铁含量变化情况 表 5 为 2008 年 11 月至 2009
18、年 3 月 铁含量变化情况 ， 可以形象地反应 电解槽 逐步 破损 过程 。 表 5 铁含量 Table 5 Iron content /% 槽号 08 年 11 月 08 年 12 月 09 年 1 月 09 年 2 月 09 年 3 月 102 0.073 0.059 0.084 0.172 0.62 109 0.064 0.056 0.054 0.076 0.09 130 0.082 0.102 0.168 0.409 0.38 由 表 5 可 看出，在 2008 年 11 月前铁含量一直在正常范围内， 在 此 后的生产过程中电解槽出现 一些 异常情况 。 因为 对 这些 异常槽缺乏治
19、理， 或 者 处理 方法 不合理 、 技术条件 调整不及时，没有做到对症下药，使槽况长时间处于高电压运行中，并随着 保持 高电压的 时间 持续，使电解槽的破损速度加快，铝液熔化钢棒导致铁含量持续上升。 4 预防电解槽破损的工艺技术管理措施 生产 中，出现 “ 异常槽 ” 是不可避免 和 正常的。重要的是 当 出现 “ 异常槽 ” 时，要及时 诊断， 找出 出现异常的 原因，有 针对性 地采取有效措施进行处理，尽快平稳槽况。 4.1 电解温度 的控制 电解槽 经过后期管理 进入生产阶段 ， 钠和电解质的渗透已基本达到饱和， 引起 破损的主要 原因 通常 是 温度的 突然 变 化， 频繁 调整 电
20、解槽 温度是生 产所不允许的 ， 所以 电解温度的稳定与合理调整非常关键。 建议正常生产电解槽 温度控制在 955960 。 4.2 电解质成分 和水平 的控制 生产 技术指标 的优劣与 电解质成分 有较大关系 ，其中分子比对电解温度有直接影响。保持相对稳定的电解质成分，寻求最佳的能量平衡点， 不仅 可以 提高电流效率 ，而且还可节能 。 在后期管理阶段， 保持较高水平的电 解质有利于电解温度 的 稳定和增加氧化铝 的 溶解能力，避免炉底沉淀产生。 4.3 铝液水平的控制 铝水平 高 可以 减少电压波动、 减弱磁场对铝液的作用力，同时 还 能增加 散热 、 利于形成规则炉膛 、 减少炉帮的溶
21、解。当然，铝 水平 过高， 容易 产生炉底沉淀，致使 电流分布不均，造成局部过热， 导致 与其它部位存在较大热应力， 造成 内衬的破损。 对于 寒冷地区， 320 kA电解槽较合适的铝水平控制范围 推荐 1920 cm。 4.4 避免过热槽 过 热槽 对电解槽 危害性 较大，直接表现是 炉膛 增 大 、 温度 升 高 、 增加了钠在电解质中的析出速度 ， 从而 增加了钠和电解质在阴极炭块上的渗透速度。 潜在影响是 加快了阴极内衬的腐蚀速度，增加了破损几率。 总而言之， 电解槽的日常操作很大程度地决定了槽寿命 的 长短， 电解槽合理的电场 热场 磁场设计、优良的筑炉材料、高 质量 的施工质量和焙
22、烧启动方法对槽寿命非常 重要，但如果在生产过程中操作不好，电解槽是很难达到高寿命的 。 在电解槽的生产操作上，应以预防炉膛变差为主，充分理解 “ 预防比处理更重要 ” 的原则，炉膛差的异常槽在保持合理的技术条件的基础上，还要精细化、标准化的操作。在实际生产管理 上 ， 异常电解槽 生产控制 工艺技术 条件 和参数设定 切忌大起大落。 5 结论 通过对 320 kA大型预焙电解槽个别槽阴极内衬出现 的 早期破损原因 的 分析， 采取 控制工艺技术条件的 措施可以达到 预防电解槽 的早期 破损。 参考文献 1 冷正旭 ， 代军 ， 冯乃祥 . 铝电解 槽 破损 机理 及 槽寿命若干问题的探讨 J. 矿冶， 2002， 11(1)： 62-66. 2 邱竹贤 . 预焙槽炼铝 M. 北京： 冶金工业 出版社 ， 2005.
