320kA铝电解槽早期破损原因及预防措施.pdf

2 0 1 2 年8 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 1 7 d o i l O ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．0 8 ．0 0 7 3 2 ok A 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，北京1 0 0 0 2 9 摘要详细叙述了某电解铝厂3 2 0k A 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3 2 0k A 铝电解槽；早期破损；工艺技术；管理；预防措施 中图分类号T F 8 2 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 0 8 0 0 1 7 一0 4 R e a s o n sf o rE a r l yB r e a k a g eO f3 2 0k AA l u m i n u m C e l la n dI t sP r e v e n t i o nM e a s u r e s L I UJ i a n h u i ，A IZ i j i n C h i n aN o n f e r r o u sM e t a lI n d u s t r y ’sF o r e i g nE n g i n e e r i n ga n dC o n s t r u c t i o nC 。．，L t d ．，B e 巧i n g1 0 0 0 2 9 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee a r l yb r e a k a g eo fc a t h o d e1 i n i n go fi n d i v i d u a l3 2 0k Ap r e b a k e da l u m i n u mc e l lw a sd e s c r i b e d i nd e t a i l ．T h eb r e a k a g er e a s o n sw e r ee x p l o r e da n dt h ee f f e c to ft e c h n i c a lc o n d i t i o n so nb r e a k a g ew a sa n a 一 1 y z e d ． T h em e a s u r eo fc o n t r o l l i n gt h ea c c o r d i n gt e c h n i c a Ic o n d i t i o n st op r e v e n tb r e a k a g ew a sp r o p o s e d ． K e yw o r d s 3 2 0k Ap r e b a k e da l u m i n u mc e l l ；e a r l yb r e a k a g e ；t e c h n o l o g y ；m a n a g e m e n t ；p r e v e n t i o nm e a s U r e S 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2 5 万t ／a 电解铝厂3 2 0 k A 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1 0 2 8 、8 1 58 、1 3 0 8 、 1 0 98 、8 0 28 和1 0 58 ，其寿命分别是6 5 1 、6 7 1 、6 5 4 、 7 3 1 、7 0 6 和7 4 7 天。破损电解槽的实物照片见图1 。 在刨炉过程中，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2 0 1 2 一0 1 1 6 作者简介刘建辉 1 9 6 8 一 ，男，河南扶沟人，硕士，高级工程师 1 6 台电锵槽在停槽后都见不到明显的侧部炉 帮，侧部的S i C 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1 a 电解槽侧部黑色的部位 ； 2 S i C 砖受热膨胀现象严重，或向上拱起，或与 槽壳分离，出现缝隙 图1 b ； 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1 c ； 4 阴极炭块向上隆起严重，最高的隆起高度约 有8 ～9c m 图1 d ； 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A 1 。C 。 图1 e 。特别是在炭块与阴极钢棒的交界位置有 万方数据 1 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／ r s y I ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年8 期 凝固的电解质，这也是造成炉底压降高的主要原因； 图l 早期破损的电解槽照片 a 一侧部妒帮 b 一s i c 砖； c 一阴极炭块； d 一阴极炭块隆起； e 一渗透的电解质和铝液； f 一阴极钢棒 F i g ．1 P i c t u r e so fe a r I yb r e a k a g ea I u m i n u mc e 8 一s i d el 甜嚣； b 一s j cb r 萱c k ； c 一∞t h o d eM 眦k ；d 一u p I i f t e dc a t t l o d eb l 们k ； le 一p e Ⅱe t n t e de I ∞t m t y t ea n da I 岫i n 眦m e l t ；Cf 一e r o d e dc a t h o d eb 盯 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，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 A 1 。C 。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1 f ； 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； 1 0 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 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孑L 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一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。 2 ．3 机械磨损 1 0 98 槽的第1 9 块炭块和第2 0 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 万方数据 2 0 1 2 年8 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 1 9 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 工艺技术条件的影口向 电解槽工艺技术参数的控制必须平稳，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，2 0 0 8 年1 1 月至2 0 0 9 年3 月的铝 水平以及2 0 0 8 年1 1 月的分子比控制情况分别见表 1 ～2 ． 表l铝水平 T a b l e1A l u m i n u ml e v e l／c m 槽号0 8 年1 1 月0 8 年1 2 月0 9 年1 月0 9 年2 月0 9 年3 月 1 0 2 1 0 9 1 3 0 2 ．2 5 2 ．3 3 2 ．1 8 在生产中保持铝水平和分子比的平稳非常重 要，从表1 ～2 可以看到，1 0 28 槽在2 0 多天时间内 铝水平相差达3 ．3c m ，1 3 0 8 槽分子比在同一个月时 间内从2 ．1 8 上升到2 ．4 3 ，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 2 0 0 8 年1 1 月至2 0 。9 年3 月的槽电压数据见 表3 。 表3槽电压 T a b l e3 C e V o l t a g e／V 槽号 1 0 2 1 0 5 1 0 9 1 3 0 0 8 年1 1 月0 8 年1 2 月0 9 年1 月0 9 年2 月0 9 年3 月 电压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，电压偏离时间持续长达几个月， 最高时平均电压近5V ，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 强化电流的影晌 电流强度的变化情况见表4 。 表4 电流强度 T a b l e4C u r r e n ti n t e n s i t y ／k A 日期电流强度 2 0 0 8 1 2 一0 4 2 0 0 8 1 2 2 3 2 0 0 90 1 2 0 2 0 0 9 0 1 3 1 2 0 0 9 一0 2 0 3 2 0 0 9 0 2 2 4 2 0 0 90 3 0 3 2 0 0 9 一0 3 1 0 3 2 0 ．6 0 3 2 1 ．2 9 3 2 3 ．0 4 3 Z S 。1 0 3 2 4 ．9 0 3 2 5 ．1 4 3 2 5 ．1 1 3 2 5 ．O O 从表4 可以看出，2 0 0 8 年1 2 月4 日开始强化 电流，到2 0 0 9 年1 月3 1 日电流强化至3 2 5k A 。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无疑是雪上加霜，只会 加速电解槽的破损。 3 ．4 铁含量变化情况 表5 为2 0 0 8 年1 1 月至2 0 0 9 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。 万方数据 2 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年8 期 表5 铁含量 ，r a b l e51 1 ．o nc o n t e n t／％ 槽号 1 0 2 1 0 9 1 3 0 0 8 年1 1 月0 8 年1 2 月0 9 年1 月0 9 年z 月0 9 年3 月 由表5 可看出，在2 0 0 8 年1 1 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 电解湿度的控制 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，频繁调整电解槽温度是生产 不允许的，所以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9 5 s ～9 6 0 ℃， 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，3 2 0k A 电解槽较合适的铝水平控制范围推 荐i 9 ～2 0c m 。 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，电解槽的日常操作在很大程度上决 定了槽寿命的长短。电解槽合理的电场～热场一磁 场设计、优良的筑炉材料、高质量的施工质量和焙烧 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，电解槽是很难达到长寿命的。 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3 2 0k A 大型预焙电解槽个别槽阴极内 树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，冯乃样．铝电解槽破损机理及槽寿命若 干问题的探讨[ J ] ．矿冶，2 0 0 2 ，1 1 1 6 2 6 6 ． [ 2 ] 邱竹贤．预焙槽炼铝[ M ] ．北京冶金工业出版社， 2 0 0 5 ． 铊∞强 0 O 0 2 6 9“ 凹∞ 0 O 0 4 4 8吣∞ O 0 O 9 6 2∞呖m O 0 O 3 4 2叮∞憾 0 0 O 万方数据