铝电解槽扎固问题分析及相应改进措施探讨.pdf

第5 9 卷第4 期 2007 年I1 月 有色金属 N O n f e I T O t l M e l a l 3 V 0 1 ．5 9 ，N o ．4 N o v e m b e r2007 铝电解槽扎固问题分析及相应改进措施探讨’ 黄昕，刘义伦，赵先琼，金晓宏 中南大学机电工程学院，长沙4 1 0 0 8 3 摘 要结合生产实际，从扎同的工艺、糨料、设备、质量检测等方面对电解槽扎固的现状进行综合分析。分析表明，基础理 论研究缺乏、国家标准不完善、生产设备陈旧、检测方法落后是造成铝电解槽扎固质量不高的主要原因。目前急需加强扎固的基 础理论研究，并在此基础上完善糊料、扎圆工艺和质量检测的国家标准。开发自动化扎固设备和先进检测方法，提高扎固质量从而 延长电解槽寿命。 ． 关键词冶金技术；铝电解槽；综述；扎圊 中图分类号T F 8 2 1 ；T F I l l ．5 2 2文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 I 2 0 0 7 0 4 0 1 1 9 0 5 在电解铝生产中。电解槽寿命是电解槽的重要 技术参数之一，也是目前铝电解行业一直关注的课 题。我国铝电解槽的平均寿命约1 3 0 0 ～1 5 0 0 d 左 右，只有国外同类电解槽平均寿命的一半⋯。作为 铝电解生产的主体设备，电解槽寿命的长短不仅关 系到铝的质量和产量，而且关系到企业的生产成本 和经济效益。电解槽一旦出现破损必须停槽修理， 所带来的直接经济损失就达几十万元，而早期破损 所带来的经济损失则更大。 关于电解槽大修的统计资料表明L 2 _ 3J ，9 0 ％以 上的停槽都是由于阴极装置的底部破损所致。一些 公司对其预焙槽早期破损曾做过统计【4J ，阴极炭块 问缝渗入电解质和铝液导致早期破损的占8 2 ％，侧 部渗入电解质和铝液导致早期破损的占1 0 ％，其他 占8 ％。这充分表明，电解槽早期破损的主要部位 是阴极装置的底部。铝电解槽的扎固，特别是底部 炭块间连接缝的扎固质量，是影响电解槽寿命的重 要因素【5 - 6 ] 。因此，扎固问题的研究对提高电解槽 寿命具有重要的意义。我国近年来提高铝电解槽寿 命的研究主要集中在新型阴极材料[ 7 峭】、电解槽结 构优化E 4 , 9 】、改进焙烧启动方法[ 1 0 q 1 ] 等方面，也有 对铝电解槽扎固的研究[ 1 2 - 13 J ，但主要是针对具体 问题提出改进方法。 通过对电解槽扎固的工艺、糊料、设备和质量检 收稿日期2 0 0 6 0 1 1 0 基金项目教育部科学技术研究重点项目 1 0 6 1 2 3 2 ；拐南省自然 科学基金资助项目 0 5 J J 4 0 0 1 0 作者简介黄听 1 9 7 8 一 ，男，湖北大悟县人，博士生。主要从事 机械设计及理论等方面的研究。 测等方面的全面分析，针对不足提出改进措施。 1电解槽结构及其扎固 近年来，电解铝生产技术不断发展和完善，但作 为生产主体设备的预焙槽结构基本未变【l4 l 。其结 构如图1 所示，包括燃烧装置、喷射装置、阳极装置、 阴极装置、母线装置和保温密封盖板等。电解槽的 阴极装置通常采用长方形钢体槽壳，槽壳内砌筑保 温层和侧块。槽膛底部的保温防渗层上用炭糊捣固 一层炭垫，其上并排布置多个阴极炭块组构成电解 槽阴极，炭块组之间的缝隙采用炭糊扎固连接。电 解槽阴极装置同铝液直接接触，参与电化学反应，是 决定电解槽寿命的关键。 i 一排烟管；2 一阳极母线粱；3 一集气罩；4 一炭阳极；5 一铝液；6 一电解质；7 一A i 2 0 3 覆盖层；8 一电解质结壳；9 一槽壳；1 0 一饱 块；i I 一炭阴极；1 2 一阴极棒；1 3 一炭垫；1 4 一保温防渗层 图1 预焙阳极槽 中部下料 F i g ．1P r e - b a k i n ga l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l s c e n t e rc h a r g i n g 研究表明[ ”】，如果炭块按正常速度均匀地损 万方数据 1 2 0有色金属第5 9 橙 失，阴极内衬的使用寿命可达1 0 年以上。在实际生 产中，国外铝电解槽的平均寿命多为4 ～7 年，而我 国大部分铝电解槽平均寿命为3 ～6 年，寿命偏低。 对大型预焙槽破损情况的分析表明，其破损方式主 要有底部炭块间的捣固糊处损坏、阴极炭块出现裂 缝或层状剥落损坏、侧部破损三种，其中前两种破损 是导致漏炉停槽的主要原因[ 2 ，5 t 1 1 1 6 ] 。底部漏炉大 部分是发生在炭缝处，除了阴极炭块和糊料本身质 量外，铝电解槽的扎固质量对底部阴极是否出现裂 缝有直接关系。因此，铝电解槽扎固的研究对延长 电解槽寿命有重要意义。 2铝电解槽扎固的现状与不足 影响铝电解槽扎固的因素是多方面的，存在的 主要问题有扎固工艺落后，无法满足目前电解槽长 寿命的要求；糊料的质量标准不完善；扎固设备和方 式落后，扎固质量不稳定；扎固质量检测不能满足生 产需要。 2 ．1 铝电解槽扎固工艺 在影响电解槽寿命的各种因素中，筑炉工艺因 素约占2 0 ％左右1 1 引，扎固工艺是筑炉的关键工艺。 因此，改进扎固工艺是延长电解槽寿命的有效途径 之一。铝电解槽扎固包括底部阴极扎固和阴极炭块 组装，工艺基本类似。阴极扎固包括底糊扎固、中缝 扎固和侧部扎固。中缝和侧部扎固采用8 层布料扎 固法，每层布料后用平锤扎实后，用爪型锤将表面打 成毛面。最后一层扎固后糊料高出阴极表面小于 5 m m 。该工艺存在以下问题 1 由于层间拉毛效 果不好，层间糊料不能很好的结合为一体，5 ～8 层 容易出现剥层； 2 布料厚度过薄而且没有先进的检 测技术配合，加上捣固工人怕欠扎，认为过扎比欠扎 好易导致过扎； 3 扎固层数多、施工时间长，扎固工 易过度疲劳，影响扎固质量的稳定性； 4 工艺对扎 固过程受人工操作的影响缺乏考虑。 在电解槽扎固过程中，炭糊扎固密度是衡量扎 固质量的关键指标。研究表明1 1 8J ，在不破坏级配的 前提下，扎固密度越大，电解槽寿命越长。一旦糊料 级配被破坏，即出现“过扎”，糊料中的大颗粒被压 碎，产生新的颗粒表面，这些颗粒表面没有被黏结剂 渗透、浸润，不易与其他糊料粘结，不但使扎固后糊 的强度降低、比电阻增加，而且由于粘结不好，易造 成该处电解质渗透沉积，最后出现分层剥离。孙少 波[ 1 9 ] 的研究表明，“过扎”使炭糊失去弹性，在焙烧 启动过程中不能有效吸纳钢棒的膨胀量，导致炭槽 根部出现裂纹。过扎和欠扎都会加快电解质和铝液 的渗透速度，严重时导致电解槽早期破损。由于扎 固质量受人工操作影响较大，因此不同工人的施工 效果不同，同一个工人在不同时段的施工效果也可 能不同。特别是因疏忽而出现“欠扎”或“漏扎”时， 会严重影响整体寿命，造成电解槽早期破损。 2 ．2 扎固用炭素糊料 在影响电解槽寿命的因素中，筑炉原材料因素 约占1 0 ％左右u7 I ，炭素糊料是主要原材料之一。 糊料的主要功能是填充炭块之间的孔隙，阻止金属 和电解液渗透到阴极内部。由于底部直接与高温铝 液和电解质接触，为了提高铝电解槽的整体性能，要 求糊料扎固后与阴极炭块有基本相同的性质。 糊料扎固的施工温度是影响扎固质量的关键因 素。扎固时糊料温度过低，液态黏结剂的量较少，会 发生“沙化”现象，不易扎实，过度扎固则可能破坏级 配。糊料温度过高，液态黏结剂的量较多，则会发生 “反浆”现象，也不易扎实。过度扎固会导致粘结剂 和细粉骨料集中在糊料表层，焙烧时由于层间的收 缩性不同会产生裂纹[ 2 0J 。这两种现象都使糊料与 炭块结合不好，易产生裂纹、分层，严重时焙烧启动 过程中会造成电解槽早期破损。 目前对扎固用炭素糊料的研究主要集中在糊料 的改进和开发[ 2 卜2 2 I 、原料和生产工艺对糊料性能 的影响0 2 3 q 4 ] 等方面。国外根据糊料使用部位、缝 隙大小等的不同制定不同的工艺标准【2 3 ] ，还对糊料 的理化指标如焙烧收缩率、抗热震性等，进行了严格 规定。我国企业对炭糊的作用不够重视，在选用上 没有严格的标准，严重影响了电解槽的使用寿命。 我国现行的扎固用炭素糊料标准不仅有国家标准， 同时还有冶金工业行业标准和有色金属行业标准。 这些标准存在以下缺陷[ 2 5 ] 1 缺少关键性指标，如 糊料的捣实性、焙烧膨胀／收缩率等指标； 2 没有科 学的方法测定糊料的适宜施工温度范围； 3 标准主 要用于有歧义和争议的仲裁，不符合预防为主的质 量管理宗旨； 4 各个标准对取样、样品制备的规定 不严格且与产品质量标准的规定有差别，实际使用 中易产生纠纷。 2 ．3 扎固设备 我国铝电解槽扎固是由工人手持风镐进行扎固 作业，设备包括空压机、风镐和锤头。电解槽阴极扎 固使用的锤头有方锤、平锤和爪型锤，其中方锤用于 各层的扎固，平锤用于对5 ～8 层进行扎固修整，爪 型锤用于层间拉毛。阴极炭块组装使用的锤头有方 万方数据 第4 期黄昕等铝电解槽扎固问题分析及相应改进措施探讨 1 2 l 锤和组装锤两种，分别用于扎底糊和侧缝。对扎固 设备的研究有改进扎固用的锤头2 | 、阴极组装的半 自动扎固2 6 j 等。国外的电解槽扎固普遍采用自动 化或半自动化设备，如挪威A L M E Q 公司的电解槽 扎固设备P o t l i n e r [ 2 “ 、法国的电解槽内村扎固机, 2 2 9 一 和阴极炭块组装设备等，均具有自动保温、布料、扎 固功能。与国外企业相比，目前我国的铝电解槽扎 固设备存在很多问题作业方式落后，缺乏自动化生 产设备；生产效率低；扎固质量不稳定。 2 ．4 扎固质量检测 ’ 糊料扎固后的密度是评价扎固质量的主要指 标。然而，国外企业不仅检测扎固密度，还检测扎固 后糊料的密度分布。如文献[ 2 7 ] 中采用检测装置 T R O X L E R 检测整个扎固面的密度分布，消除了检 测对产品质量的影响。国内企业主要检测糊料扎固 后的密度，大部分企业采用压缩比法，也有企业采用 针刺深度法[ t 2 ] 。压缩比法是根据布料厚度和扎固 后的厚度比来判断扎固密度。该方法测量的数据不 准确，特别在扎固槽缝的6 - - 8 层时，测量非常困难。 针刺深度法是根据冲击式针入密度计探针刺入深度 和扎固时的温度判断扎固质量是否合格。首先，这 种方法需要对每种不同的糊料进行扎固实验，获得 糊料扎固后针人深度与布料厚度、施工温度的关系 曲线，应用起来较复杂。其次，在检测时需对每个扎 固区检测一定的点数，点数过多影响扎固生产效率， 过少则不能保证检测数据的准确性。最后，这种检 测方法具有一定的破坏性，影响施工质量。 在扎固施工过程中，由于缺乏准确、快速的检测 手段，即使出现“欠扎”或“漏扎”，也很难及时发现， 造成扎固质量不稳定。对于反映扎固质量稳定性的 扎固密度分布，目前国内没有企业进行过检测。 3 提高电解槽扎固质量的途径探讨 影响铝电解槽扎固质量的因素很多，实践中应 从以下方面着手，加强工艺管理，科学分析和判断情 况，采取有效措施克服各种影响因素的作用。 3 ．1 扎固工艺 在选择优质原料的基础上，严格控制扎固工艺 技术条件，是保证扎固质量的关键。对于扎固工艺 标准，要针对存在的问题，根据实验测试结果结合施 工经验进行修改。如一些企业进行了不同布料厚 度、压下量和针刺深度关系的扎固试验，得出最佳布 料方法、厚度和层数，应用中取得了一定效果H 2 』。 应考虑根据试验的结果对国家工艺标准进行改进。 又如温度控制是扎固工艺控制的核心，主要控 制点有糊料的加热温度、扎固前电解槽的预加热温 度、周边糊扎固前电解槽内炭块温度、侧部炭块温度 等，在制定工艺时应进行相应的规定。另外为了适 应提高筑炉自动化水平的要求，需要建立相应的机 械扎固工艺标准。 3 ．2 炭素糊料的检验和使用 合格的原材料，是获得较高槽寿命的基础条件。 要注意以下问题。 1 制定严格的质量标准和相应的分析检测方 法。铝用炭素材料国际标准有很大一部分是近几年 发布的，而国家标准虽进行过修订，但仍然存在很多 问题。例如糊料的捣实性、焙烧膨胀／收缩率等指标 对其性能影响较大[ 2 9 - 30 J ，但国家标准中未作规定； 对于检测用的取样和试件制备，我国标准的部分规 定不够严格，使用时易造成纠纷。因此，急需参考国 际标准，修改完善炭素糊料的国家标准。 2 结合当地气温情况，根据现场施工温度对供 应商提出要求，如我国北方地区，在电解槽现场施工 时温度可能很低，因此要求的施工温度也可能较低。 3 近年来，国外对糊料的改进和开发应用的研 究较多，不但提高了糊料的使用性能，还减少了生产 中有毒气体的散发[ 2 2 , 3 1 ] 。我国企业可考虑引进或 自行研制性价比高、施工方便、环保性能好的新型材 料代替现有的材料。 3 ．3 扎固设备 早在2 0 世纪8 0 年代，欧洲的电解铝生产企业 就开始了电解槽自动扎固设备的开发，并应用于生 产中[ 2 7 - 28 | 。实践标明，自动扎固设备在扎固的密 度和均匀性方面要比手工扎固具有明显优势，且不 存在因人工扎固而导致的问题。因此，我国电解铝 生产企业应着手自行开发或引进国外先进的自动扎 固设备。 3 ．4 扎固质量检测 对于扎固密度的检测，近十年来出现了很多新 的检测方法[ 3 2 ] 和工具[ 33 l ，大大提高了检测水平。 尤其是扎固密度分布的检测，对扎固质量稳定性的 控制影响很大。因此，应参考国外先进检测设备开 发非接触式的扎固密度分布检测装置或直接引进成 套的检测设备。 4结语 1 加强扎固问题的基础理论研究，为炭素产品 质量标准和扎固工艺的修订提供支持。扎固工艺、 万方数据 1 2 2 有色金属第5 9 卷 设备、质量检测都和糊料本身特性直接相关，因此扎 固问题的理论研究势在必行。 2 参考国际标准，结合生产实际，完善和改进 现有的扎固工艺标准。 3 修改现有的炭素糊料国家标准，提高关键性 参考文献 指标的要求。、 4 提高对现有设备的管理水平，同时着手自行 开发或引进先进的成套自动化扎固设备。 5 完善和修改质量检测标准，采用新的检测方 法和设备。 [ 1 ] 冯乃祥，田福泉，徐英林，等．我国铝工业现状和与国外先进技术水平的差距[ J ] ．轻金属，2 0 0 0 ， 7 2 9 3 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m i n gp a s t ef o rt h ea l u m i n u md e c t r o l y s i sc e l lc o m p a t i b l ew i t ht e c h n i c a la n d e n v i r o n m e n t a lc o n s t r a i n t s [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，2 0 0 2 4 1 3 4 1 8 ． [ 3 2 ] C a s t o n g u a yL ，C o l l a r dM ，P r o u i xAL ．A ne v a l u a t i o nt e c h n i q u ef o rc o l dr a m m i n gp a s t e [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，1 9 9 7 2 4 1 2 4 6 ． [ 3 3 ] P e r r u c h o u dRC ，H u l s eKL ，B u h l e rU ，e ta 1 ．P r o d u c t i o na n dp e r f o r m a n c ea s p e c t so fr a m m i n gp a s t e [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，1 9 9 9 5 8 7 5 9 4 ． 下转第1 2 6 页，C o n t i n u e do nP ．1 2 6 万方数据 1 2 6有色金属 第5 9 卷 P r o g r e s so nR e s e a r c ho fS m e l t i n ga n dD o w n s t r e a mP r o c e s s i n go fL i t h i u m D A IL i x i n X i n j i a n gR e s e a r c hI n s t i t u t eo f N o n f e r r o u sM e t a l ，U r u m c h i8 3 0 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ep r o g r e s so fr e s e a r c ho nt h es m e l t i n ga n dd o w n s t r e a mp r o c e s s i n go fl i t h i u ma c h i e v e d r e c e n t l yi s r e v i e w e d ．T h ea s p e c t so fl i t h i u me x t r a c t i o nf r o ms a l tl a k eb r i n ea n df r o mo r e s ，p r e p a r a t i o no fh i g h p u r i t y l i t h i u ms a l t ，h i g h p u r i t yl i t h i u mm e t a l ，c r y s t a l l i n em a t e r i a lo fl i t h i u m n i o b a t ea n dl i t h i u mt a n t a l i t e ，a n d l i t h i u m i o nb a t t e r ym a t e r i a la r ec o v e r e d ． K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；l i t h i u m ；r e v i e w ；e x t r a c t i o n ；d o w n s t r e a mp r o c e s s i n g ． 上接第1 2 2 页，C o n t i n u e df r o mP ．1 2 2 P r o b l e mA n a l y s i sa n dA p p r o p r i a t eI m p r o v i n gM e a s u r e sA p p r o a c ho n A l u m i n u mR e d u c t i o nC e l lR a m m i n g T e c h n o l o g y H U A N GX i n ，L l UY i - l u n ，Z H A O U a n q i o n g ，H NX i a o - 1 w n g S c h o o lo fM e c h a n i c a l E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a e t T h ep i e s e n ts t a t u so ft h ec e i l sr a m m i n gf r o mt h er a m m i n gt e c h n o l o g y ，c a r b o np a s t e ，r a m m i n ge q u i p m e n t ， a n dq u a l i t yt e s t i n go ft h er a h a m e dp a s t ei sc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e do nt h eb a s i so ft h ep r o d u c t i o np r a c t i c e ．I ti s i n d i c a t e df r o mt h ea n a l y z i n gr e s u l t st h a tt h em a i nr e a s o n so fl o wr a m m i n gq u a l i t ya r ef e wf o u n d a t i o n a l i n v e s t i g a t i o no fr a m m i n g ，i n c o m p l e t en a t i o n a ls t a n d a r d s ，d a t e dp r o d u c t i o ne q u i p m e n ta n db e h i n d h a n dq u a l i t y t e s t i n gm e t h o d ．I ti su r g e n t l yr e q u i r e dt or e s e a r c ht h ep r i n c i p l eo fc e l lr a m m i n ga tp r e s e n t 。a n dm o d i f yt h e n a t i o n a ls t a n d a r d so ft h ep a s t e ，r a m m i n gt e c h n i q u e ，a n dq u a l i t yt e s t i n g ，d e v e l o p e dt h ea u t o m a t i cr a m m i n g e q u i p m e n ta n da d v a n c e dq u a l i t yt e s t i n gm e t h o do nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o n ，t h e r e f o r et oi m p r o v e t h er a m m i n gq u a l i t ya n dp r o l o n gt h el i f e s p a no ft h ec e l l s ． K e y w o r d s m e t a U u r g i c a lt e c h n o l o g y ；a l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l ；r e v i e w ；r a m m i n g 万方数据