陳 穎

（貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550004）

鋁電解槽是鋁電解生產(chǎn)的核心設(shè)備，電解槽壽命長短直接關(guān)系到鋁的生產(chǎn)成本及各項(xiàng)指標(biāo)。對于一個(gè)系列年產(chǎn)25萬t原鋁、電流強(qiáng)度為400kA的大型預(yù)焙陽極鋁電解槽，每臺槽在停槽大修期約少產(chǎn)90t～100t原鋁，在啟動(dòng)后，約30d左右才能產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)原鋁，加上停槽前所產(chǎn)鋁的質(zhì)量下降，總計(jì)有50d以上的時(shí)間生產(chǎn)次等鋁，且在電解槽啟動(dòng)初期，電流效率要比正常期低3%左右。目前，大修1臺400kA級的電解槽其成本約為65萬元，再加上焙燒啟動(dòng)的原材料消耗，以及由于焙燒啟動(dòng)和停槽期間的母線電壓降損失所消耗的電能，1臺槽由停槽至恢復(fù)正常生產(chǎn)所耗的經(jīng)費(fèi)約需130萬元。由此可見，提高槽壽命對增加產(chǎn)量、節(jié)約電能、提高電流效率及降低大修費(fèi)用等都有重要作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)大型預(yù)焙鋁電解槽的槽壽命大多未超過設(shè)計(jì)的天數(shù)(1800d)[1]，而國外先進(jìn)的預(yù)焙槽槽齡都在2500d以上。影響槽壽命的因素很多，其中由于側(cè)部塊上抬現(xiàn)象引起的槽壽命降低在生產(chǎn)中占一定比例，而針對這一普遍存在的問題，目前還沒有資料從根本上進(jìn)行比較系統(tǒng)和深入的分析研討，只僅僅對出現(xiàn)的問題進(jìn)行簡單的處理。因此，為了能更好地提高槽壽命，增產(chǎn)節(jié)能，本文作者針對電解生產(chǎn)中普遍存在的側(cè)部塊上抬這一因素進(jìn)行深入剖析，希望能為電解生產(chǎn)提供參考。

1 電解槽槽內(nèi)襯側(cè)部塊上抬現(xiàn)象

目前，電解槽槽內(nèi)襯側(cè)部塊上抬這一現(xiàn)象在鋁電解生產(chǎn)中普遍存在。更有甚者，由于側(cè)部塊的嚴(yán)重上抬導(dǎo)致其上壓的槽沿板變形、焊縫開裂，從而使側(cè)部塊暴露于內(nèi)襯之外。這不僅破壞了內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，對槽壽命帶來不利影響，而且還給生產(chǎn)操作帶來了諸多不利。

2 電解槽內(nèi)襯側(cè)部塊上抬現(xiàn)象的分析

在鋁電解生產(chǎn)中，引起槽內(nèi)襯側(cè)部塊上抬的因素多種多樣，具體歸納起來有以下幾點(diǎn)。

圖1 電解質(zhì)侵蝕側(cè)部塊造成側(cè)部塊破損后沿破損處進(jìn)入側(cè)部塊底部凝固的示意圖

圖2 電解質(zhì)沿著側(cè)部塊與槽殼內(nèi)壁之間的縫隙進(jìn)入側(cè)部塊底部而凝固的示意圖

（1）人造伸腿裂紋的影響。目前，已經(jīng)投入正常生產(chǎn)使用的大部分電解槽所使用的人造伸腿都是不經(jīng)過焙燒的碳素糊料，這種糊料在250℃～300℃時(shí)會(huì)發(fā)生塑性膨脹，在500℃～1000℃時(shí)又固化收縮，加上焙燒加熱期間陰極電流分布不均，溫度梯度大，因此，在電解槽啟動(dòng)初期，由于受熱收縮碳素糊料很容易產(chǎn)生裂紋和空隙。另外，由于側(cè)部塊與人造伸腿的結(jié)合面較光滑，在施工過程中容易出現(xiàn)結(jié)合不好的現(xiàn)象，因此，容易在結(jié)合部位形成裂紋。當(dāng)電解質(zhì)的初晶等溫線處于人造伸腿以上時(shí)，會(huì)在人造伸腿附近凝固而不會(huì)繼續(xù)沿著人造伸腿自身的裂紋和空隙或側(cè)部塊與人造伸腿之間的裂紋下移而進(jìn)入側(cè)部塊底部，也就不會(huì)給側(cè)部塊上抬帶來隱患。但由于生產(chǎn)是波動(dòng)的，當(dāng)溫度控制不穩(wěn)定時(shí)，該等溫線會(huì)下移至人造伸腿以下，這樣一來，電解質(zhì)就會(huì)沿著裂紋或空隙進(jìn)入側(cè)下部凝固而造成側(cè)部塊上抬。

（2）側(cè)部爐幫形成不好的影響。如果側(cè)部爐幫形成不好時(shí)，電解質(zhì)會(huì)直接侵蝕側(cè)部塊而造成側(cè)部塊破損，從而使得電解質(zhì)從側(cè)部塊破損處直接進(jìn)入側(cè)部塊內(nèi)部，造成側(cè)部塊上抬（見圖1）。

（3）側(cè)部塊與槽殼間縫隙的影響。為了限制側(cè)部塊上抬，在其上通常設(shè)有槽沿板，而側(cè)部塊頂面與槽沿板之間留有一定間隙。但由于生產(chǎn)的波動(dòng)，溫度控制不穩(wěn)，兩水平波動(dòng)大時(shí)，熔體電解質(zhì)會(huì)進(jìn)入該間隙。當(dāng)電解質(zhì)水平降低時(shí)，填充到縫隙中的電解質(zhì)發(fā)生凝固，凝固的電解質(zhì)體積膨脹后頂壓槽沿板使其上翹，從而導(dǎo)致側(cè)部塊無約束而上抬。另外，在施工過程中，由于側(cè)部塊與槽殼內(nèi)壁之間存在縫隙，進(jìn)入槽沿板與側(cè)部塊頂面的電解質(zhì)有少量可能會(huì)繼續(xù)沿著側(cè)部塊與槽殼內(nèi)壁之間的縫隙進(jìn)入側(cè)部塊底部而凝固，最終造成側(cè)部塊上抬(見圖2)。

（4）側(cè)部上下復(fù)合塊間粘接縫隙的影響。大型鋁電解槽側(cè)部塊要求具有電阻率高、熱傳導(dǎo)率高，高溫下機(jī)械強(qiáng)度高，優(yōu)良的抗氧化性、抗熱震性、抗腐蝕性、空隙度小等特點(diǎn)。為了滿足這一系列本求，目前投入生產(chǎn)的大型鋁電解槽所采用的側(cè)部塊通常為整塊SiC-Si3N4塊，但為了考慮節(jié)約成本，通常可以選用SiC-Si3N4塊與碳塊粘接的“上下復(fù)合塊”。若側(cè)部塊選用“上下復(fù)合塊”，此時(shí)SiC-Si3N4塊與碳塊的粘接須在現(xiàn)場實(shí)施，由此帶來施工質(zhì)量問題或粘接技術(shù)不過關(guān)等問題，很難保證SiC-Si3N4塊與碳塊之間的接縫粘結(jié)良好，最終造成側(cè)部塊存在留有縫隙的隱患。同時(shí)，由于“上下復(fù)合塊”的接縫長期處于熔融電解質(zhì)中，當(dāng)生產(chǎn)發(fā)生波動(dòng)導(dǎo)致爐邦減薄甚至于完全熔化后，此接縫就會(huì)沒有爐邦的保護(hù)而直接暴露在電解質(zhì)液體中。這樣一來，電解質(zhì)就會(huì)不斷滲透到“上下復(fù)合塊”的接縫里而凝固。當(dāng)凝固的電解質(zhì)累計(jì)過多后會(huì)促使側(cè)部塊上抬，從而使得槽殼側(cè)壁直接接觸電解質(zhì)，造成電解槽側(cè)部漏爐。

（5）陰極碳塊膨脹的影響。金屬鈉通過界面反應(yīng)與陰極碳塊中的碳形成穩(wěn)定的嵌層化合物，由于其晶格大于碳素晶格尺寸而造成陰極碳塊膨脹。在本文的設(shè)計(jì)中，大面?zhèn)认虏慷急Ａ粲猩炜s縫，這是調(diào)整內(nèi)應(yīng)力的重要環(huán)節(jié)。理想的伸縮縫材料應(yīng)該是：當(dāng)壓應(yīng)力大于某一設(shè)定值時(shí)，可以被壓縮而緩沖壓力；當(dāng)壓應(yīng)力小于設(shè)定值時(shí)，可以反彈。但在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，理想的伸縮縫材料是沒有的[2]，因此，當(dāng)伸縮縫材料不能調(diào)整陰極碳塊膨脹力對側(cè)部的影響時(shí)，伸縮縫材料會(huì)受陰極碳塊膨脹力和槽殼的約束力相互作用而擠壓上抬，帶來側(cè)部塊也隨之上抬。

3 如何解決或減輕側(cè)部塊上抬的現(xiàn)象

（1）選用預(yù)制塊代替人工扎糊。為了克服上述人工扎固的碳素糊料的“冷漲熱縮”現(xiàn)象，對于人造伸腿，可以選用預(yù)先經(jīng)過焙燒的預(yù)制碳塊代替現(xiàn)場人工扎固的碳素糊料。由于預(yù)制碳塊具有耐沖刷性強(qiáng)、熱膨脹率低、不易產(chǎn)生裂紋，施工簡便等優(yōu)點(diǎn)，有利于降低電解質(zhì)的浸入凝固而造成側(cè)部塊上抬的現(xiàn)象。

（2）優(yōu)化內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，調(diào)整工藝參數(shù)，形成合理的爐幫結(jié)構(gòu)。利用成熟的三維電-熱場耦合計(jì)算模型，針對不同種類物料要求，精準(zhǔn)的確定相應(yīng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)，得到合理的電解槽內(nèi)部等溫線分布，使電解槽在生產(chǎn)中保持規(guī)整的爐幫形狀和合理的爐幫厚度，如此一來，既保證了電解槽的穩(wěn)定生產(chǎn)，又很好的保護(hù)了側(cè)部內(nèi)襯，延長了槽壽命。

（3）選用側(cè)部開槽的側(cè)部塊。為了使周圍糊(即人造伸腿)能與側(cè)部塊粘接緊密，需要對側(cè)部塊進(jìn)行局部處理，即在側(cè)部塊與周圍糊料連接處設(shè)置一定深度的三角形或梯形溝槽，使得側(cè)部塊與糊料通過溝槽互相鑲嵌。此種結(jié)構(gòu)的側(cè)部塊能夠提高其與周圍糊的結(jié)合度，降低由于結(jié)合不良產(chǎn)生縫隙的可能性，從而阻斷電解質(zhì)的浸入，減少側(cè)部塊上抬現(xiàn)象的出現(xiàn)。

（4）在側(cè)部塊頂面與槽沿板之間填充某種糊料。側(cè)部塊與槽沿板之間所留的間隙為電解質(zhì)的浸入創(chuàng)造了便利，為了截?cái)啻送緩?，可以在?cè)部塊頂面與槽沿板之間填充某種糊料。該種糊料的填充使得電解質(zhì)不能進(jìn)入側(cè)部塊與槽沿板之間的間隙，從而防止電解質(zhì)浸入，最終降低側(cè)部塊上抬的幾率。

（5）側(cè)部塊采用整塊SiC-Si3N4塊。為了避免碳塊與SiC-Si3N4塊之間的粘接接縫帶來的電解質(zhì)浸入隱患，且保證側(cè)部塊具有電阻率高、導(dǎo)熱性好，高溫下機(jī)械強(qiáng)度高，抗氧化性、抗熱震性、抗腐蝕性好和空隙度小等特性，側(cè)部采用整塊的SiC-Si3N4塊代替“側(cè)部上下復(fù)合塊”。

（6）減輕陰極碳塊膨脹程度。對于鈉與碳的作用通常碳的結(jié)構(gòu)越是無序，則在各種溫度下吸收的鈉量越多。據(jù)研究報(bào)道：在溫度為950℃～1000℃范圍內(nèi)，由于碳趨于生成較多的石墨化結(jié)構(gòu)，而石墨化結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)就是吸收的鈉量較少，從而使碳塊膨脹變小。因此，考慮到石墨化結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，應(yīng)盡量選用石墨含量較高的陰極碳塊來減輕陰極碳塊的膨脹，從而減小陰極碳塊所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，最終使低強(qiáng)保溫磚不至于被擠壓過度而上抬，減輕側(cè)部塊上抬現(xiàn)象。

（7）對槽沿板進(jìn)行加強(qiáng)處理。為了約束側(cè)部塊上抬，對原有結(jié)構(gòu)的槽沿板采取加固的方法處理，即在槽沿板上加裝筋板。但應(yīng)注意加裝的筋板不能過多，否則會(huì)造成約束太強(qiáng)，不利于應(yīng)力的釋放，造成側(cè)部塊損壞。同時(shí)加裝的筋板還應(yīng)考慮不影響正常的生產(chǎn)操作。

4 結(jié)語

綜上所述，為了減少側(cè)部塊上抬現(xiàn)象，可以對內(nèi)襯結(jié)構(gòu)采取如下的改進(jìn)措施。①人造伸腿可選用預(yù)制碳塊；②優(yōu)化內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，調(diào)整工藝參數(shù)，形成合理的爐幫結(jié)構(gòu)；③對側(cè)部塊進(jìn)行開槽處理；④在側(cè)部塊與槽沿板之間填充糊料；⑤采用整塊SiC-Si3N4塊替代“側(cè)部上下復(fù)合塊”；⑥陰極碳塊可選用石墨含量較高的陰極碳塊；⑦對槽沿板進(jìn)行加強(qiáng)處理以約束側(cè)部塊上抬。

另外，除了對槽內(nèi)襯采取以上結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施以外，還應(yīng)注意嚴(yán)把材料訂貨和扎固施工質(zhì)量關(guān)、電解槽焙燒啟動(dòng)質(zhì)量關(guān)，且生產(chǎn)操作工藝控制應(yīng)穩(wěn)定，避免溫度的控制大起大落。只有將以上采取的各種措施和注意事項(xiàng)很好的結(jié)合起來，才能有利于減少側(cè)部塊上抬現(xiàn)象。