郭福寶，賈曉剛

（山西兆豐鋁電有限責任公司，山西 陽泉 045200）

鋁電解槽是在900℃以上高溫的熔鹽狀態(tài)下工作的設備，它的陰極內(nèi)襯長期受到鋁液和電解質(zhì)的侵蝕，由于侵蝕所產(chǎn)生的應力會使槽體變形和內(nèi)襯破損，嚴重時導致電解槽停槽大修。電解槽大修需要耗費大量的人工和費用，從降低成本和增加產(chǎn)量的角度出發(fā)，應當加強生產(chǎn)期間對電解槽的日常維護，減少電解槽的破損。而當電解槽出現(xiàn)初期破損時，如何及早發(fā)現(xiàn)并進行成功修補，是電解生產(chǎn)中十分重要的一項工作。

1 電解槽破損的現(xiàn)象、原因及機理

1.1 破損現(xiàn)象

在電解槽停槽清理內(nèi)襯時，可以看到底部破損的情況：陰極炭塊發(fā)生變形，膨脹隆起、有沖蝕坑、橫向或縱向斷裂；炭塊之間的扎固糊發(fā)生裂紋造成炭縫之間有碳化鋁、電解質(zhì)和鋁等固體；炭塊與鋼棒的交界面上有凝固的鋁和電解質(zhì)，部分鋼棒被鋁液熔化，生成鐵鋁合金；炭塊下面有凝固的電解質(zhì)、鋁、鋁鐵合金，嚴重時耐火磚、防滲料、炭塊與沉積物熔鑄在一起，形成較大的結(jié)塊。

1.2 破損原因

電解槽發(fā)生破損的根本原因是電解槽在高溫鋁液和電解質(zhì)的侵蝕下，陰極炭塊出現(xiàn)沖蝕坑或者裂縫，鋁液從沖蝕坑或者裂縫中進入陰極炭塊，造成炭塊變形隆起上抬，嚴重時造成炭塊斷裂和陰極鋼棒熔化[1]。

1.3 破損機理

電解生產(chǎn)中陰極炭塊是不消耗的，但它長期與高溫電解質(zhì)和鋁液接觸，不可避免的會受到侵蝕和滲透，并最終演變?yōu)槠茡p，主要表現(xiàn)在以下三種情況。

（1）炭間縫裂開。炭間縫是指兩組陰極炭塊之間用炭間糊搗實的接縫。炭間縫的破損通常表現(xiàn)為炭間糊搗實體在炭塊界面上產(chǎn)生裂縫或者其本身破裂，以至鋁液和電解質(zhì)從裂縫中進入炭間縫，逐漸朝下滲透。

炭間縫裂開通常發(fā)生在焙燒期間，在焙燒過程中，炭糊中的揮發(fā)分急劇排出，遺留下許多微細氣孔，同時炭間糊本身的收縮(收縮率約為3%)，使其在炭塊界面上產(chǎn)生裂紋。啟動后，陰極析出的鈉滲透到炭間糊里面，并且生成碳鈉化合物，使炭間縫疏松破碎，從而使炭間糊和炭塊界面上的裂縫更加擴大。

根據(jù)碳鈉化合物在低溫下穩(wěn)定、高溫下分解的特點，在電解槽焙燒啟動期間，保持較高的焙燒溫度（接近啟動時灌入電解質(zhì)的溫度），能有效避免電解槽早期的破損[2]。

（2）陰極炭塊斷裂。常見炭塊斷裂現(xiàn)象是沿著電解槽長度方向形成一條或幾條大裂縫，鋁液和電解質(zhì)沿裂縫穿透炭塊，將鋼棒融化，形成鋁鐵合金。嚴重時穿透耐火磚層，直至槽底鋼板。

造成陰極炭塊斷裂的主要原因是炭塊質(zhì)量不好及焙燒啟動期間受熱不均勻。

（3）陰極炭塊隆起。在電解生產(chǎn)中，槽內(nèi)熔融體慢慢地滲入到炭塊之中，鈉、電解質(zhì)和鋁液與炭素生成的炭鈉化合物和碳化鋁會引起炭塊疏松和體積膨脹，使陰極炭塊向上隆起。熔融體在填充完裂縫和裂紋后，繼續(xù)往深部侵蝕和滲透，當侵入到炭塊下面時，與耐火磚反應生成鋁硅酸鹽(Na2O·Al2O3·2SO2)，使耐火磚體積膨脹，形成被稱為“灰白層”的沉積物。

（4）陰極炭塊的沖蝕坑。沖蝕坑穴是陰極炭塊受沖刷作用而形成的?？友ǖ谋砻嫔夏サ煤芄饣?，有旋轉(zhuǎn)沖刷的痕跡并覆蓋著一層白色的氧化鋁。其形成的主要機理是：①在扎固炭縫表面或炭塊表面存在著一些裂縫或凹凸不平。②鋁液在磁場的作用下會在裂縫中產(chǎn)生一種局部漩渦，其中挾帶著懸浮著的氧化鋁沉淀物。③氧化鋁在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下具有很大的沖刷作用，會將裂紋越磨越大、越磨越深，最終形成坑穴。

2 電解槽破損的表現(xiàn)

（1）硅鐵含量上升。電解槽在正常生產(chǎn)期，鋁液中的鐵含量比較穩(wěn)定，當鐵含量突然上升時，就要分析產(chǎn)生的原因。如果是陽極化爪或者打殼錘頭、鐵工具等融化，這種情況經(jīng)過幾次出鋁就會緩慢下降。如果排除上述原因，鋁液中鐵含量仍然持續(xù)高于0.15%，并且每天升高，而硅含量也隨之上升時，就初步判斷是電解槽出現(xiàn)破損。

（2）槽體溫度異常。當某組陰極炭塊出現(xiàn)破損，形成鋁液通道時，破損部位電流集中，導致陰極鋼棒電流密度升高，棒頭產(chǎn)生的熱量明顯增多，使陰極鋼棒溫度升高。破損炭塊的對應側(cè)部鋼棒和底部鋼板溫度一般也會隨之升高。

（3）陰極炭塊有裂縫或沖蝕坑。在換極等工序?qū)t底進行檢查時，如果發(fā)現(xiàn)陰極炭塊有裂縫或沖蝕坑，則此處陰極炭塊有很大可能出現(xiàn)破損。

3 如何確定破損部位

（1）換極時認真摸排爐底，用大鉤仔細的在爐底勾探，將有坑或者有縫的部位記錄下來，并判斷破損部位的長度、寬度和深度。破損部位鋁液和鋼棒直接接觸，電阻小，通電多，溫度也高，所以鉤尖插入這里拔出后，一般會有發(fā)白冒白煙現(xiàn)象。

（2）測量溫度。用紅外線測溫儀測量爐幫、鋼棒頭、底板溫度，要反復測量幾次，減少誤差。以300KA電解槽為例，一般底部鋼板溫度高于120℃，鋼棒頭溫度高于正常值40℃，側(cè)部鋼板溫度高于正常值50℃，則可以初步判斷此處對應的陰極炭塊存在異常。

（3）測量壓降。①爐底壓降。陰極出現(xiàn)較嚴重的破損后，此處陰極的爐底壓降與正常陰極相比存在差異，可以通過逐塊測量陰極的爐底壓降，對比分析測得的數(shù)值，找出破損部位。②陰極鋼棒小母線壓降。正常生產(chǎn)的電解槽，各陰極鋼棒小母線的等距壓降基本是相同的，出現(xiàn)破損時，由于爐底形成鋁液的通道，使該處局部電阻減少，通過的電流增大，導致陰極小母線的等距壓降提高。通過測量陰極鋼棒與大母線之間鋁軟帶的等距離壓降，壓降明顯升高的，可以初步判斷該鋼棒周圍有破損跡象。

4 電解槽破損部位的修補

在確定了破損部位后，要在最短的時間內(nèi)組織人力去修補。

（1）修補材料的選擇。修補材料通常用鎂砂、氟化鈣和氧化鋁，因為鎂、鈣的電位順序在鋁之前，融入電解質(zhì)中不會在陰極析出，也不會影響電解生產(chǎn)和原鋁質(zhì)量。并且鎂、鈣材料密度大，容易沉在爐底，融化或者半融化時能以粘稠狀態(tài)填充在破損部位的陰極炭塊上，阻止鋁液向陰極內(nèi)部的滲漏，從而達到修補陰極、延長槽壽命的目的[3]。

（2）預制鎂砂餅。鎂砂餅就是用鋁做皮鎂砂做餡的“餅”。鎂砂餅形狀大小可以根據(jù)破損部位確定，面積要大于電解槽破損處面積，我公司多用800mm×500mm×300mm的尺寸。

（3）修補方法。①破損部位位于陰極炭塊中部。修補時將破損位置對應的陽極拔出，將鎂砂餅放置在漏鏟上（如果鎂砂餅太重，可用天車輔助），上面用大鉤壓住，緩慢送到破損位置上方，將鎂砂餅慢慢放入電解質(zhì)中，使其沉到破損處。用大鉤檢查是否蓋住破損處，如位置不準要用大鉤進行調(diào)整，直至完全覆蓋在破損處為止。②破損部位位于陰極炭塊邊部，靠近伸腿部位。修補時先將破損部位對應的殼面用天車打開，然后用面積合適的鋼板做擋板，擋在側(cè)部炭塊與陽極之間，加入鎂砂、氟化鈣、氧化鋁、殼面塊的混合物，并迅速用用鐓子砸實，最后蓋好保溫料。

（4）修補效果的判斷。修補后第二天取樣化驗，如果硅鐵含量不再上升，并且在接下來的幾天呈下降趨勢，說明修補效果較好。連續(xù)分析觀察數(shù)日，直至含鐵量逐步下降至接近正常水平，證明破損處已經(jīng)完全補住。

5 修補后的日常管理

成功修補后，可以延長電解槽使用壽命，生產(chǎn)出合格的鋁液，有的還能完成較好的經(jīng)濟技術(shù)指標。為了達到好的效果，在日常生產(chǎn)中務必要做好以下工作：

（1）保證電解槽平穩(wěn)運行。匹配合理的技術(shù)條件，細化日常管理，狠抓操作質(zhì)量，保持槽況穩(wěn)定。

（2）零效應管理。盡量避免發(fā)生陽極效應，因為效應發(fā)生時會在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，可能會造成破損處填補材料融化，出現(xiàn)二次破損。

（3）保持較低的爐底溫度。適當降低設定電壓，提高鋁水平，保持較低的電解質(zhì)溫度和過熱度，進而達到降低爐底溫度的目的。

（4）減少對破損部位的干擾。換極時不要用鐵工具觸碰破損部位，以免造成填充材料的破壞。

（5）加強日常監(jiān)測和數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作。日常生產(chǎn)時要對破損部位加強監(jiān)測，并做好數(shù)據(jù)的收集和統(tǒng)計工作，確保出現(xiàn)問題時能及時發(fā)現(xiàn)并及時采取措施。