电解槽内衬材料与结构的合理配置.pdf

第6 1 卷第3 期 2009 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 1 ．N o ．3 A u g ． 2O09 电解槽内衬材料与结构的合理配置 戚喜全 东北大学设计研究院 有限公司 ，沈阳1 10 0 13 摘要电解槽内衬，不同位置所起的作用不同，生产过程中所受到的影响也不同。因此，应该依据不同位置内衬的作用采 用不同的材质，不同的配置方式，以实现最大限度发挥每种材料的正面作用，降低其负面影响，最大限度提高电解槽寿命，降低生 产过程中的额外能量消耗。作者依据内衬材料结构对电解槽寿命、能耗的影响的理解和自身经验，提出了合理的内衬配置方式。 关键词冶金技术；铝电解槽内衬；阴极膨胀；槽寿命；接触电阻率 中图分类号T F 8 2 l ；T F l l l ．5 2 文献标识码A 文章编号l 0 0 1 一0 2 1 l 2 0 0 9 0 3 一o 1 0 5 一0 4 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。这样又希望侧衬材 料有合理的散热性能和结构，利于结壳的形成。由 于材料技术的发展并随着电解槽容量的增大，电解 槽侧衬材料结构，已由早期的双炭块外加保温砖结 构，逐渐演变为无保温砖、单层炭块，以至当今的单 独的炭化硅结合氮化硅材料。实践证明，这种材料 结构是有效的⋯。然而时间证明，由于炭化硅结合 氮化硅材料制作的侧块致密，表面孔隙度小，电解质 不易在其表明形成牢固的结壳 远不如侧部炭块上 表面形成的结壳牢固 ，而且破损槽的剖析经验发 现，侧部几乎不再有任何侧块和人造伸腿。 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。关于内衬不同容重材料配置方式对 电解槽热稳定性的影响，R ．w e i b e l 对三种内衬结构 形式进行过研究嵋1 ，阴极下面均为两层耐火阻渗 收稿日期2 0 0 7 一0 7 2 7 作者简介戚喜全 1 9 6 5 一 ，男，河北武邑县人，讲师，博士，主要从 事铝冶金技术等方面的研究。 砖，阻渗砖下面分别为两层低密度摩尔砖、两层中密 度摩尔砖、一层中密度摩尔砖加一层硅酸钙板。 研究结果表明，前两种情况下，在整个寿命周期 2 0 0 0 d 内，电解槽的热平衡稳定性很好，波动小。 而第三钟情况，在电解槽的启动初期，底部温度较 低，保温性能较好，但随时间的推移，底部热损失加 大，热平衡稳定性相对较差。通过对大修槽解剖分 析并测量大修槽衬的导热性能，R ．w e i b e l 认为主要 是由于不同容重材料的不同压缩度导致了这些差 别。材料容重越小，压缩度越大，则压缩后导热系数 增加也越多。另一方面，电解槽内衬承受的负荷中 重力负荷、热负荷、膨胀力负荷等 ，阴极膨胀力负 荷的作用最大，它是导致内衬压缩、炭块变形隆起的 最主要原因旧。。从这个角度讲，又希望由阴极膨胀 引起的内压力要尽量小。另外，关于由于P a p o p o n 效应引起的阴极炭块膨胀原理，很多研究者都进行 过研究旧一“，针对由此引起的内衬早期破损，从材料 和结构上也提出许多建议“ “⋯。鉴于炉底既要有 足够强度又要保温，侧部既要防漏又要减小变形的 要求，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 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 9 ／c m 3 左右，具有较高 的容重，但低于黏土质耐火砖 2 ．2 9 ／c m 3 左右 。同 万方数据 1 0 6 有色金属第6 1 卷 时，该捣实层的导热系数 约为黏土质耐火砖l ／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。因此， 作者推荐在此层选用隔热耐火砖。目前国内电解槽 内衬在此层多选用该材料。在法国S t ．J e a n 铝厂，6 0 台A P l 8 电解槽采用传统的耐火砖、保温砖内衬结构， 同样取得了很好的槽寿命效果“。这至少说明电解 槽保温层采用保温砖的结构仍然可行和有效。 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。国内的南山铝业在大 修电解槽 3 0 0 k A 上采用陶瓷纤维 硅酸铝 隔热板 取代硅酸钙板，与对比槽相比，底板温度降低2 0 ℃ 以上。究其原因，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。 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 内圈 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 外圈 部分，采用保温性能好的硅藻土砖。此两 种砖层的厚度与中心位置第四层相同，再下面结构 同中心内衬结构。 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9 0 0 ℃。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9 0 0 ℃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‘1 5 。”1 。 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Ⅲ。1 ⋯。 因此，该部位的保温就非常重要。该部位斜坡 面，推荐 外 采用一层硅酸钙板、 内 一层陶瓷纤 维 硅酸铝 隔热板结构。 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_ 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。1 ⋯。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。 5侧部结构 鉴于目前大型电解槽炭化硅结合氮化硅侧块表 面上结壳不牢固的特点，推荐在侧块内表面加工出 一些沟槽，这样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。 6阴极钢棒结构 工业电解槽发展至今，阴极材料取得了很大进 万方数据 第3 期戚喜全电解槽内衬材料与结构的合理配置 1 0 7 步，但阴极棒结构以及与炭块之间的结合方式变化 很小。由于电解槽阴极组的这种安装方式，导致阴 极中电流分布严重不均，末端的1 ／3 长度阴极负担 了流经它的2 ／3 电流强度Ⅲ。1 ⋯。带来的负面效应 是铝液中产生较大的y 向电流，不利于磁流体稳 定；由于边部阴极表面电流密度过高，导致该部位阴 极磨损过快，特别是对于高石墨质和石墨化阴 极⋯，严重影响内衬寿命。 为了实现铝液及阴极表面的均匀电流分布，曾 提出了对阴极进行分段处理、实现不同电阻率阴极 的专利旧⋯，但该结构形式为阴极生产带来不便。也 有人提出变钢棒断面的设想，但会对炭块钢棒槽的 加工带来不便，也会影响阴极的总体寿命。建议在 钢棒上加工出数个深度较小的凹槽，将凹槽用电绝 缘材料覆盖，然后按常规方法与炭块捣固。凹槽宽 度自外向里依次减小，实现阴极中电流的垂直流动。 由于钢棒局部绝缘带来的阴极压降升高，可以采用 适当增大钢棒断面、提高炭块石墨质或石墨化程度 参考文献 来补偿。模拟结果表明，采用该种钢棒结构 石墨 化阴极的阴极组，其压降仍比传统的钢棒结构 普 通炭块的阴极组低2 0 ％。结果是磁流体稳定性提 高 因铝液中水平电流减小 ，阴极寿命提高。因 此，是一种可以借鉴的结构形式。 7结语 底部内衬在保证保温的前提下应尽量采用容重 大的材料，以提高材料的抗压缩能力，提高热平衡稳 定性。侧下部斜坡部分应特别注意加强保温，以利 于实现阴极中温度的合理分布，降低钢棒与炭块接 触压降。捣制耐火混凝土下面应采用既可耐热防 渗，又保温的里外分类固体砖配置。阴极端头应采 用可压缩材料吸收阴极膨胀，提高槽寿命。侧部炭 化硅结合氮化硅块表面应加工出一些沟槽，增强与 结壳及与边糊的结合力。阴极棒可以分段绝缘，实 现阴极和铝液中电流的垂直流动，延长阴极寿命并 提高磁流体稳定性。 [ 1 ] T a b e r e a u xAT ．R e v i e w i n ga d v a n c e si nc a t h o d er e f r a c t o r ym a t e r i a l s [ J ] ．J O M ，1 9 9 2 ，4 4 11 2 0 一2 6 ． [ 2 ] W e i b e lR ，J u h lLF ，N i e l s e nB ，e ta 1 ．A g i n go fr e f r a c t o 。yp o t1 i n i n gm a t e “a l si na l u m i n u me l e c t r o l y s i sc e l l s [ c ] ／／E l e v e n t h I n t e r n a t i o n a lA l u m i n u mS y m p o s i u m ．T m n d h e i m B e r g e n T r o n d h e i m ，N o r w a y ，2 0 0 l 6 5 7 9 ． [ 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r a yT ，F e v eB ，e ta 1 ．A l u m i n u mp e c h i n e ye x p e r i e n c ew i t hg r a p h i t i z e dc a t h o d eb l o c k s [ J ] ．L i g h tM e t a l s ， 1 9 9 8 6 5 3 6 5 8 ． [ 2 0 ] 德赖弗斯JM ．用于电解铝的石墨阴极法国专利，0 0 8 04 5 9 0 ．9 [ P ] ．2 0 0 0 一0 2 0 1 ． 万方数据 1 0 8 有色金属 第6 1 卷 L i n i n gM a t e r i a la n dA r r a n g e m e n ti nA l u m i n u mR e d u c t i o nC e l l s Q ，x i g “o n ，V o r ￡矗e n s e r 凡U n 如e ，丐赴yE 昭i n e e r 打l g 兄e s e n ，- c ，n s ￡如“把C o ． L f d ．，S e 凡y 。n gl1 0 0 1 3 ，C i n 口 A b s t r a c t L i n i n gm a t e r i a l sa td i f k r e n tl o c a t i o n si n s i d er e d u c t i o nc e 儿sp l a yd i f 亿r e n tr 0 1 e sa n ds u f 玷rd i | k r e n ti n n u e n c e s d u r i n go p e r a t i o n ．T h e r e f b r e ， d i f f e r e n tm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r es h o u l db ea d o p t e dt oc a t e rf b r t h i s p u r p o s e t o m a x i m i z et h ep o s i t i V ef u n c t i o no fl i n i n gm a t e r i a l sa n dm i n i m i z et h e i rs h o r t c o m i 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