1引言
1.1 研究背景
自1954年我國第一家電解鋁廠撫順鋁廠建成并投產(chǎn)，年產(chǎn)鋁量為1.5萬噸，經(jīng)改革開放，我國的鋁工業(yè)有了突飛猛進的發(fā)展。經(jīng)不斷努力，1992年我國電解鋁產(chǎn)量首次突破100萬噸，十年之后，我國原鋁產(chǎn)量達到342.7萬噸，成為世界第一。隨后我國電解鋁呈“井噴式”發(fā)展，連續(xù)12年排名世界第一，時至2012年，我國電解鋁產(chǎn)量達到2200萬噸，如圖1所示。
圖1 我國原鋁產(chǎn)量變化趨勢
目前，我國大型預焙電解槽平均壽命普遍在1500～1800天之間(如表1)，最長也超不過2000天，而國外大型預焙電解槽平均壽命可達2500～3000天[]。盡管我國電解鋁技術(shù)已居國際中上游水平，但與國外相比相差接近一半。此外，由于大型預焙電解槽的大修費用高昂，使噸鋁成本比國外高，從而削弱了國內(nèi)電解鋁廠在國際市場的競爭力。顯然，電解槽的壽命因需更多的關(guān)注，如何使電解槽的使用壽命得到延長對鋁廠具有十分重要的意義。
表1 國內(nèi)企業(yè)電解槽平均壽命
影響電解槽使用壽命的因素很多，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明[2]，各主要影響因素及其在槽壽命上所占的比例大致如下圖所示。
圖1 影響電解槽壽命的因素及其所占比例
1.2 研究目的及內(nèi)容
鋁電解槽壽命是鋁電解生產(chǎn)的重要標志，是受多種因素影響的一項綜合指標，其長短直接影響鋁電解生產(chǎn)成本和企業(yè)的經(jīng)濟效益?；陔娊怃X工業(yè)的發(fā)展狀況以及影響電解槽破損因素的分析，提出了與之相對應的延長電解槽壽命的方法。優(yōu)化內(nèi)襯設(shè)計，以提高電流效率，形成合理形狀的爐幫;采用優(yōu)質(zhì)的筑爐材料，來改善側(cè)部散熱，延長保溫材料的使用壽命;消除焙燒引起的陰極內(nèi)襯電流分布不均和熱應力現(xiàn)象，從而延長電解槽的壽命，降低企業(yè)成本、節(jié)約能源，提高企業(yè)面向市場的競爭力。
下面就從電解槽的設(shè)計、筑爐材料及工藝、焙燒啟動和日常生產(chǎn)管理方面對提高鋁電解槽壽命進行一些探討。
2.電解槽設(shè)計的影響
電解槽的設(shè)計包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和物理場的設(shè)計。
2.1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計
鋁電解槽的陰極內(nèi)襯是由炭塊砌筑而成的，內(nèi)襯材料的破壞最終會造成電解槽停槽大修。內(nèi)襯材料不僅要承受高溫冰晶石熔體的侵蝕，還要承受熔鹽電解過程的電化學作用。因此，內(nèi)襯設(shè)計的好壞，直接影響陰極的使用壽命。
內(nèi)襯設(shè)計應滿足底部保溫和側(cè)部散熱的要求，并能建立穩(wěn)定的、高電流效率的合理形狀的爐幫，力求盡量減少能耗，降低熱損失。中南大學、東北大學和貴陽鋁鎂設(shè)計院等單位，設(shè)計了一套2D+3D的混臺切片模型[, , ]，為實際電解槽生產(chǎn)提供理論支撐。國內(nèi)電解鋁企業(yè)和設(shè)計研究所，在電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)方面提出了諸多改進方案，如槽殼側(cè)部改為單圍帶并加裝散熱片;側(cè)部炭塊厚度減薄，減小槽加工面;采用小船形的槽殼結(jié)構(gòu)[]等均有利于槽側(cè)部散熱和熱平衡的建立。
2.2 物理場的設(shè)計
物理場包括磁場、流場、熱場、力場等物理場體系。其相互作用致使電解質(zhì)和鋁液發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，側(cè)部爐幫受到高溫熔體沖刷而被熔解，若熔體的速度沿槽周邊分布不均程度較大，人造伸腿被沖蝕，勢必造成電解槽的早期破損。傳統(tǒng)電解槽沒有物理場的設(shè)計，電磁場呈無序分布，鋁液流通波動大，爐膛不能形成最佳平穩(wěn)狀態(tài)，槽結(jié)構(gòu)受力不均衡，影響了電解槽內(nèi)襯壽命。
近年來，通過模擬技術(shù)有效模擬物理場，為爐幫的形成提供了理論依據(jù)，可使槽內(nèi)溫度控制在最佳的范圍，從而避免了電解槽早期破損。Paulsen等人對槽側(cè)部槽幫和槽殼溫度進行了相關(guān)性研究，建立一維槽幫、槽側(cè)壁溫度和側(cè)部熱損失電熱瞬態(tài)模型[, ]。加拿大MarcDupuis等人建立了3D電一熱場瞬態(tài)有限元模型，對300kA電解槽焦粒焙燒時，陰極內(nèi)襯的溫度隨時間的變化進行了研究[, ]。因二維瞬態(tài)模型計算量巨大，使其在鋁電解槽的現(xiàn)場的應用中效果有限。
3 電解槽材料影響
筑爐材料包括陰極炭塊、側(cè)部炭塊、防滲材料、耐火保溫材料、搗固糊料以及槽殼等。每一種材料的優(yōu)劣都將影響電解槽的筑爐質(zhì)量，從而制約電解槽壽命。
3.1筑爐材料對槽壽命的影響
(1) 炭塊的影響
陰極炭塊在電解過程中除了承受高溫熔體的侵蝕，還要承受電化學作用。目前預焙電解槽絕大部分采用半石墨質(zhì)陰極炭塊，易產(chǎn)生變形和向上隆起，引起電流偏流和電壓降增大，鋁的純度降低，槽膛有效深度減小，造成生產(chǎn)操作困難;在焙燒過程中鈉和電解質(zhì)向陰極炭塊滲透，造成陰極起層脫落，形成沖蝕坑。在正常的生產(chǎn)中，側(cè)部炭塊出現(xiàn)大面積的碳化硅脫落、氧化、燒損以及炭塊消耗過快的現(xiàn)象，都會造成側(cè)部漏電和紅爐幫，給電解槽的平穩(wěn)運行及槽壽命帶來極大的影響，也會使電解槽的產(chǎn)量和各種經(jīng)濟指標長期偏低。
(2)耐火和保溫材料的影響
電解槽爐底保溫主要由保溫材料發(fā)揮作用，一旦保溫材料受到電解質(zhì)和鋁液的侵蝕，如電解質(zhì)和鋁液與其發(fā)生熔解或滲透，材料的保溫性能將會發(fā)生變化。因而改變保溫和耐火材料的性質(zhì)，將會影響鋁電解的經(jīng)濟指標和槽壽命。
(3)陰極搗固糊料的影響
電解槽采用普通陰極炭塊組，陰極炭塊之間的縫隙常用扎固糊填充并搗固扎實粘結(jié)而成。一般認為陰極炭塊膨脹能夠?qū)⑵渲g的縫隙擠緊，事實上槽殼也在向外膨脹，搗固糊與陰極炭塊間的裂紋在未焙燒之前就已產(chǎn)生。焙燒期間若電流分布不均，局部溫度過高，陰極炭塊和燒結(jié)后的搗固糊都會隨溫度的升高而發(fā)生收縮，這樣縫隙越來越大，導致電解質(zhì)和鋁液的滲漏，造成電解槽早期破損。
(4)槽殼的影響
槽殼是電解槽陰極結(jié)構(gòu)的主要組成部分，整個槽殼承受著其本身的熱應力和內(nèi)襯對槽殼施加的壓力，槽殼內(nèi)側(cè)從常溫被加熱到300。C時，產(chǎn)生熱應力使得槽內(nèi)襯產(chǎn)生一系列變化。特別是陰極底部炭塊，水平力使槽殼四周向外扭曲，垂直力使槽殼和炭塊向外或向下突起。槽殼的變形會影響陰極內(nèi)襯的穩(wěn)定性并使其產(chǎn)生裂紋。鋁液和電解溶液使底部突起，產(chǎn)生張力并加劇槽殼變形，最終導致陰極內(nèi)襯早期破損，縮短槽壽命。
3.2 方法—選用優(yōu)質(zhì)筑爐材料
全石墨質(zhì)石墨化陰極炭塊具有較好的理化性能，有利于降低爐底壓降，彌補半石墨質(zhì)陰極炭塊的缺點，改善鋁液對陰極的潤濕性。但其也存在鈉膨脹率小于其它陰極炭塊的特性，如圖2。陰極使用TiB2涂層技術(shù)，可以減少鈉和電解質(zhì)侵蝕以及炭塊的磨損，從而延長電解槽壽命。LarryG.Boxall等人[]測試了TiB2陰極涂層的潤濕性，發(fā)現(xiàn)涂層具有良好的鋁液潤濕性，通電電解可加速鋁液潤濕。A.Oye[]研究了TiB2涂層陰極的抗鈉膨脹性，結(jié)果表明TiB2涂層與鋁液具有良好的潤濕性，從而減少鈉膨脹20%～70%。
圖2 不同材質(zhì)陰極炭塊的鈉膨脹率
現(xiàn)代先進的鋁電解槽，用碳化硅材料構(gòu)筑電解槽側(cè)壁，該材料與其它碳化硅基和炭基側(cè)壁材料性能差異見表1，從表可知，碳化硅結(jié)合氮化硅材料是電解槽理想的側(cè)壁和內(nèi)襯材料，其優(yōu)點為：耐熱強度高，導熱性好，線膨脹率低，抗震性好，抵御高溫化學腐蝕性好，在不改變槽殼的情況下擴大了電解槽的容積，改善了側(cè)部散熱，利于側(cè)部爐幫的生成和穩(wěn)固，延長了電解槽的使用壽命。
表1 碳化硅結(jié)合氮化硅材料與其他碳化硅基和炭基側(cè)壁材料性能比較
耐火材料和保溫材料可采用于式防滲料，干式防滲料的理化性能見表2。干式防滲料是最有效阻止電解質(zhì)滲透的耐火材料，可減少環(huán)境污染，節(jié)能降耗，延長保溫材料的使用壽命;選用灰份含量低，有良好的導電導熱性能、耐侵蝕、燒結(jié)性能好等優(yōu)點的搗固糊，才能更加有效地預防電解槽的早期破損;選擇合理的槽殼，其應有足夠的強度來抵擋爐膛內(nèi)的熱應力和內(nèi)襯材料膨脹產(chǎn)生的應力，且能約束內(nèi)襯材料相互間的運動，避免陰極內(nèi)襯早期破損。
表2 干式防滲料的理化性能指標
4.筑爐工藝的影響
4.1 筑爐工藝對槽壽命的影響
電解槽內(nèi)襯筑爐施工質(zhì)量對其壽命有直接的關(guān)系。如炭糊扎固，在傳統(tǒng)的陰極結(jié)構(gòu)中，陰極炭塊之間用炭糊經(jīng)搗固粘結(jié)在一起，電解槽在焙燒啟動和生產(chǎn)過程中，由于炭糊收縮、人工搗固、糊料性質(zhì)、施工質(zhì)量引起搗固性能發(fā)生變化，容易出現(xiàn)分層剝落現(xiàn)象，鋁液容易由此發(fā)生滲漏，從而造成電解槽的破損。
4.2 方法—改進筑爐工藝
陰極炭塊采用擠縫粘結(jié)技術(shù)[]，不僅能減少炭糊使用量，而且可以消除陰極底部炭塊的中縫以及因搗固糊引起的內(nèi)襯質(zhì)量事故，同時減少熔體向下部滲漏，延長了槽壽命;耐火層和保溫層應有最大的耐腐蝕性，槽殼底部與側(cè)部必須平整。側(cè)襯的砌筑必保證側(cè)部材料與槽殼粘結(jié)牢固且緊密連接，并完全用膠泥填充，防止鋁液和電解質(zhì)的滲透。此外，筑爐應選擇經(jīng)驗豐富的施工單位，應用現(xiàn)代化設(shè)備和管理方法，進行程序化作業(yè)，確保筑爐質(zhì)量。
5 電解槽的焙燒啟動
5.1 焙燒啟動對電解槽壽命的影響
焙燒啟動是電解槽進入正常生產(chǎn)前的關(guān)鍵操作，這個階段管理質(zhì)量的好壞影響電解槽運行外，還影響電解槽壽命，特別是內(nèi)襯的壽命[,,]。焙燒期間，因電流分布不均造成陰極表面溫度不均、局部溫度過高，使陰極碳塊膨脹不均勻，造成陰極破損。濕法啟動時，在準備啟動電解質(zhì)時需提高槽電壓，會造成早期形成的爐幫被熔化，難以起到防止側(cè)部漏電、保護側(cè)部碳塊的目的，而且再建爐幫存在一定難度，因此發(fā)生“紅爐幫”的現(xiàn)象，嚴重時會造成漏爐事故，縮短槽壽命。
5.2 方法—采用最佳焙燒啟動工藝
采用加長的陽極進行焙燒，可使陽極覆蓋到陽極中縫并得到充分焙燒;現(xiàn)行的預熱焙燒啟動方法中火焰預熱焙燒啟動法最接近理想方法,最好選用天然氣焙燒法，其次為焦粒焙燒法，最后選用鋁液焙燒法和鋁塊(屑)焙燒法。如果能采用新型高性能的內(nèi)襯材料, 該法將會更完美。中南大學劉業(yè)翔院士領(lǐng)導的課題組研究TiB2涂層技術(shù)已數(shù)年, 形成了較為成熟的技術(shù),若該技術(shù)能與火焰焙燒啟動法相結(jié)合, 勢必會使焙燒啟動方法更趨理想, 促進我國鋁工業(yè)的發(fā)展。
6 工藝操作的影響
6.1 電解槽日常生產(chǎn)管理對槽壽命的影響
(1)供電制度以及系列電流強度
電解生產(chǎn)過程中必須要有平穩(wěn)的供電制度?，F(xiàn)代電解槽容量比較大，每次電解槽大修需進行全系列停電，電流過低或過高都會影響電解槽的破損，不僅對正常生產(chǎn)技術(shù)條件造成破壞，而且使電解溫度急劇下降，碳塊中滲透的電解質(zhì)全部凝固，致使碳塊早期隆起、碳塊和碳縫破損并加劇槽殼變形，從而縮短了電解槽壽命。
(2)電解溫度
電解溫度高低既影響內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，又影響電流效率，高溫下難生成爐幫。實踐證明，無論電解槽形成冷行程或熱行程，都會不同程度地縮短陰極內(nèi)襯的使用期。尤其是電解溫度長時間處于高溫生產(chǎn)狀態(tài)是造成電解槽后期破損的最主要原因。
(3)分子比的控制
實踐證明，隨分子比的增加，鈉的滲透量增加，而電解質(zhì)分子比較低時，主要以電解質(zhì)滲透為主。分子比升高會造成電解溫度升高，通常將電解溫度視為電解生產(chǎn)重要的技術(shù)條件，而分子比又是電解溫度控制的基礎(chǔ)，因此分子比控制的好壞直接影響電解溫度的控制，而電解溫度的波動又直接影響著電解槽的壽命。
(4)加工制度和爐膛
好的加工制度，即保證槽中的氧化鋁完全溶解又不會發(fā)生陽極效應，爐底壓降小，電流效率高，爐幫結(jié)殼規(guī)整;若加工制度不好，那么氧化鋁要么沉在槽底，要么電解槽缺料，從而出現(xiàn)爐底壓降增加、陽極效應等，加速槽內(nèi)襯的破損。
6.2 方法—優(yōu)化日常生產(chǎn)管理
電解槽技術(shù)條件的管理是生產(chǎn)過程最重要的管理，根據(jù)不同槽型特點，加強對電解槽模糊控制和生產(chǎn)技術(shù)條件優(yōu)化探索，通過不斷優(yōu)化完善生產(chǎn)槽的管理，選擇適合自身的技術(shù)條件，為延長電解槽壽命提供有力的保障。綜合多家生產(chǎn)經(jīng)驗，表5.2給出了預焙槽正常生產(chǎn)狀態(tài)下的生產(chǎn)工藝制度。實踐檢驗的結(jié)果證明采用“四低一高”工藝技術(shù)(即低電解質(zhì)溫度、低氧化鋁濃度、低分子比、低陽極效應系數(shù)和較高的槽電壓)這種狀態(tài)下生產(chǎn)，電解槽可實現(xiàn)長壽。
表5.2 鋁電解槽合理生產(chǎn)技術(shù)條件
7 結(jié)語
盡管鋁電解槽的早期破損是無法避免的，但是只要采用合理措施，如選用高質(zhì)量的筑爐材料;在施工中不斷改進施工工藝，使用新技術(shù)，做好施工中的過程控制。不僅要在材料的選擇、筑爐質(zhì)量及工藝以及焙燒啟動方面進行改進，還要不斷完善電解槽的日常生產(chǎn)管理和操作維護，那么我國的電解槽在延長槽壽命上一定會取得新的進步。
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聲明：
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：西安建筑科技大學、陜西榆林新材料有限公司
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