張永明

（山西兆豐鋁電電解鋁分公司， 山西 陽(yáng)泉 045200）

當(dāng)前鋁企業(yè)電解生產(chǎn)總會(huì)遇到客觀因素導(dǎo)致系列或部分停槽，由于熱脹冷縮的原因，會(huì)導(dǎo)致電解槽存在不同程度的破損，在條件允許的情況下想要二次啟動(dòng)，需要進(jìn)行清槽、修理、再啟動(dòng)，若想二、三次槽壽命延長(zhǎng)，實(shí)踐表明，除二、三次電解槽清爐及維修情況等因素外，還與啟動(dòng)后的正常生產(chǎn)期間技術(shù)條件的把控及生產(chǎn)操作有著密切關(guān)系[1]。如何延長(zhǎng)槽壽命代表著鋁電解生產(chǎn)技術(shù)水平管理能力，還代表著企業(yè)能否平穩(wěn)生產(chǎn)、降低生產(chǎn)成本等間接性創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的問(wèn)題，所以對(duì)二、三次槽啟動(dòng)后如何做好正常生產(chǎn)期管理工作，對(duì)延長(zhǎng)電解槽壽命的探討是十分必要的，本文主要介紹300 kA 電解槽在二、三次啟動(dòng)后，通過(guò)工藝技術(shù)條件的調(diào)整，如何延長(zhǎng)電解槽使用壽命的問(wèn)題進(jìn)行探討，與大家共勉。

1 穩(wěn)定的槽況、規(guī)整的爐膛對(duì)槽壽命的影響和意義

電解槽由于在強(qiáng)磁場(chǎng)和高溫熔鹽狀態(tài)下工作，雖然鋁電解過(guò)程本身不消耗陰極，但在強(qiáng)腐蝕性電解質(zhì)侵蝕和各種應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，導(dǎo)致陰極材料的膨脹與收縮、鈉離子向陰極內(nèi)襯侵入、電解質(zhì)和鋁水向爐底滲透、電化學(xué)或化學(xué)腐蝕，最終引起電解槽的變形和電解槽內(nèi)襯的破損，導(dǎo)致破損槽的出現(xiàn)。二、三次槽在此基礎(chǔ)上更加劇破損槽的出現(xiàn)，由于在停、啟槽時(shí)，槽內(nèi)溫度的急劇下降、上升，根據(jù)熱脹冷縮原理，容易出現(xiàn)炭塊隆起、斷裂等現(xiàn)象，存在此類隱患的電解槽在正常電解生產(chǎn)過(guò)程中，保持穩(wěn)定的槽況和規(guī)整的爐膛對(duì)槽壽命延長(zhǎng)有著極其重要的影響[2]。

穩(wěn)定的槽況一方面是指電解槽的平穩(wěn)運(yùn)行，包括槽控曲線、設(shè)定電壓的穩(wěn)定，另一方面是指分子比、鋁水平等各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)以及爐底壓降、爐底溫度的平穩(wěn)保持。電解槽爐底溫度很難始終保持在“適中”狀態(tài)，總是在“熱槽- 偏熱- 微熱- 適中- 微冷- 偏冷-冷槽”往返調(diào)整、緩慢進(jìn)行的過(guò)程中，是否碰到兩個(gè)端頭體現(xiàn)出一個(gè)工區(qū)對(duì)電解槽的把控水平和能力，在把控過(guò)程中最忌諱爐底溫度的忽高忽低，特別是二、三次槽的管理，鋁水平的快速變化、分子比的快速變化都可能造成爐底溫度的忽高忽低、破損槽的加劇，特別是分子比的穩(wěn)定保持，因?yàn)榉肿颖扔煞X控制，而氟化鋁控制分子比有滯后性，影響滯后性的因素很多、因槽而異，而工區(qū)在把控過(guò)程中對(duì)滯后性考慮得不充分就會(huì)造成氟化鋁過(guò)量，爐底溫度控制不好，電壓擺、電壓下甩、紅爐幫等現(xiàn)象出現(xiàn)。槽況的不穩(wěn)定極易造成電解槽的破損、滾鋁、漏爐等事故的發(fā)生。

電解槽爐膛的規(guī)整可以更好的保證槽內(nèi)襯的完整，對(duì)電解槽效率的提高、壽命的延長(zhǎng)有積極作用，在日常生產(chǎn)中電解槽爐膛的規(guī)整的維護(hù)與保持，是日常生產(chǎn)管理的重要條件之一，爐膛的不規(guī)整主要由于爐底沉淀造成的，而爐底沉淀的形成原因較多，如下料過(guò)多、槽溫低、爐底涼等方面導(dǎo)致，電解槽爐膛的規(guī)整工作是一項(xiàng)長(zhǎng)期而細(xì)致的工作，只有長(zhǎng)期堅(jiān)持不懈地從工藝條件控制入手，輔助人工處理爐底沉淀，才能達(dá)到維護(hù)和規(guī)整爐膛的目的，從而使電解槽處于平穩(wěn)運(yùn)行中，達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)和高效。

穩(wěn)定的槽況和規(guī)整的爐膛兩者相輔相成，促進(jìn)電解槽的使用壽命。一旦發(fā)現(xiàn)電解槽異常、出現(xiàn)破損情況，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)，對(duì)延長(zhǎng)陰極內(nèi)襯的使用周期和電解槽的使用壽命具有重要意義：一是降低澆筑材料、焙燒啟動(dòng)時(shí)的電能等物料的消耗；二是提高鋁質(zhì)量；三是避免電解槽大修增加鋁產(chǎn)量。

2 做好二、三次槽正常生產(chǎn)期主要技術(shù)參數(shù)的管理

延長(zhǎng)電解槽壽命的關(guān)鍵是加強(qiáng)正常生產(chǎn)期管理。正常生產(chǎn)管理內(nèi)容主要是采用合理的工藝技術(shù)條件，始終保持電解槽規(guī)整的爐膛和穩(wěn)定的槽況，因此正常生產(chǎn)期就要建立電解槽理想的能量平衡狀態(tài)、物料平衡狀態(tài)、電磁場(chǎng)平衡狀態(tài)[3]。現(xiàn)結(jié)合山西兆豐鋁電電解鋁分公司（以下簡(jiǎn)稱兆鋁）生產(chǎn)實(shí)際談?wù)勲娊馍a(chǎn)技術(shù)參數(shù)的日常保持情況。

2.1 鋁水平、電解質(zhì)水平的管理

在日常生產(chǎn)中兩水平的不穩(wěn)定也會(huì)對(duì)電解槽的運(yùn)行造成較大影響，結(jié)合近幾年二、三次槽管理經(jīng)驗(yàn)，鋁水平保持在30～31 cm 各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較理想（見(jiàn)表1），鋁水平過(guò)高會(huì)造成爐底偏冷，伸腿偏大，造成電壓波動(dòng)、電壓下甩現(xiàn)象，甚至新極頂大母線問(wèn)題，但隨著槽齡的增加，爐底形成的結(jié)殼又不宜利用技術(shù)條件讓爐底結(jié)殼化開(kāi)，這樣會(huì)增加破損槽的出現(xiàn)，或是前期修補(bǔ)住的槽再次出現(xiàn)異常，故保持合適的鋁水平與合適的爐底溫度非常關(guān)鍵[4]。鋁水平的保持需結(jié)合爐底壓降、設(shè)定電壓、因槽而異，一切以電解槽的高效低耗為標(biāo)準(zhǔn)。

表1 兆豐電解鋁二次槽兩水平保持情況

電解質(zhì)水平建議嚴(yán)格把控在17～18 cm 區(qū)間，過(guò)高的電解質(zhì)必須及時(shí)外取，過(guò)高容易造成殼面塌殼，涮鋼爪影響原鋁液品位，同時(shí)陽(yáng)極浸入電解質(zhì)過(guò)深，陽(yáng)極氣體不易排出，鋁與陽(yáng)極氣體發(fā)生二次反應(yīng)加劇，最主要是對(duì)爐幫、上口上涮，造成水平電流過(guò)大，影響電流效率。相反，過(guò)低不利于氧化鋁的溶解，現(xiàn)場(chǎng)操作難度大。

2.2 電壓管理

電壓的控制是由計(jì)算機(jī)通過(guò)調(diào)整極距來(lái)調(diào)整電壓，原則上保持電壓的穩(wěn)定比變動(dòng)好，在一定的電解質(zhì)組成下，縮小極距可有效降低電解質(zhì)壓降，同時(shí)，工作電壓的高低也反映了極距的高低。在鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中，首先需要綜合考慮電解槽各部位的壓降、電解槽的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)等，合理設(shè)定電壓，保證電解槽能夠處于正常運(yùn)行工況下。兆鋁二、三次槽平均爐底壓降在335mV左右，一直控制比較穩(wěn)定，由于爐底壓降偏高，故設(shè)定電壓也偏高，隨著槽齡的增加，為了保持槽控曲線的平穩(wěn)運(yùn)行，設(shè)定電壓也稍有提高，具體見(jiàn)表2。

表2 兆豐電解鋁二次槽正常生產(chǎn)期電壓、電耗完成情況

在電解生產(chǎn)中，電壓偏差的大小能夠反映出電解槽生產(chǎn)狀態(tài)的穩(wěn)定性，如果電壓偏差比較小，則說(shuō)明電解槽穩(wěn)定性較高。同時(shí)日常對(duì)電解槽不規(guī)范手動(dòng)干擾，也一定程度上影響電壓偏差，對(duì)不規(guī)范的人工手動(dòng)調(diào)整電壓，還會(huì)造成鋁液波動(dòng)，爐幫受損，嚴(yán)重影響電解槽平穩(wěn)運(yùn)行，因此，規(guī)范手動(dòng)操作，減少人工干擾，尤其是在正常生產(chǎn)期間，電壓的管理以穩(wěn)定為主，防止由于電壓的波動(dòng)，影響電解槽爐膛形成的增減。

2.3 分子比等電解質(zhì)成分管理

電解質(zhì)成分對(duì)工藝技術(shù)條件影響較大，同時(shí)也對(duì)爐膛的保持有著重要的影響，想要保證電解槽的穩(wěn)定生產(chǎn)，需要保持電解質(zhì)成分的穩(wěn)定。

分子比的穩(wěn)定尤為重要，想要改變電解質(zhì)成分，主要通過(guò)添加氟化鋁，來(lái)達(dá)到降低分子比，從而降低電解質(zhì)初晶溫度，影響電解質(zhì)溫度，對(duì)電解槽過(guò)熱度進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到電流效率提升的目的。在電解生產(chǎn)中，設(shè)定電壓、鋁水平等技術(shù)參數(shù)日?；咀兓淮?，所以日常對(duì)電解槽的把控主要是通過(guò)氟化鋁對(duì)槽況的把控，氟化鋁是電解生產(chǎn)中的“雙刃劍”，在各項(xiàng)條件匹配度較高時(shí)，若氟化鋁添加量不準(zhǔn)確，會(huì)對(duì)電解槽造成負(fù)面的影響，槽況波動(dòng)情況明顯，對(duì)電解槽的穩(wěn)定不利。雖然低分子比有利于電流效率的提高已經(jīng)得到了鋁業(yè)界的認(rèn)同，但不能忽視分子比過(guò)低的負(fù)面作用，低分子比會(huì)導(dǎo)致氧化鋁的溶解度會(huì)降低，容易產(chǎn)生沉淀，爐膛易受到槽溫影響受到破壞；電解質(zhì)電阻增大，槽電壓不穩(wěn)，陽(yáng)極氣體不易順暢排出，導(dǎo)致效應(yīng)增多，氟化鋁的揮發(fā)損失較大等缺點(diǎn)。

2.4 效應(yīng)管理

根據(jù)國(guó)家生態(tài)、環(huán)保及能耗方面相關(guān)政策，電解鋁行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)是向“零”效應(yīng)管理模式靠攏，陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生時(shí)，陽(yáng)極停止工作、不產(chǎn)鋁，且消耗大量電能，還會(huì)融化新建立的爐幫，在插入效應(yīng)棒后，鋁的翻滾、再溶解于電解質(zhì)中加劇鋁的二次反應(yīng)，不產(chǎn)鋁且消耗鋁，同時(shí)效應(yīng)后6～12 h 內(nèi)，電解槽的效率才能逐步恢復(fù)到正常水平；而且陽(yáng)極效應(yīng)釋放出來(lái)的氣體除CO和CO2外，還伴隨著對(duì)大氣臭氧層有破壞性的全氟化炭PFCS（CF4、C2F6）氣體的產(chǎn)生，污染環(huán)境。

但各電解鋁公司需根據(jù)自身?xiàng)l件，如槽控設(shè)備、物料（氧化鋁）性狀、工區(qū)管理能力、電解工操作質(zhì)量等綜合考慮，保持合適的效應(yīng)間隔和效應(yīng)時(shí)間，保證電解槽的物料平衡與熱量平衡。兆鋁由于設(shè)備老化、槽控系統(tǒng)比較落后，加上電解工長(zhǎng)期短缺，操作質(zhì)量跟不上，氧化鋁性狀不好，效應(yīng)系數(shù)一直偏高，如表3。后來(lái)趨于對(duì)短路口立柱母線絕緣的保護(hù)目的，在峰值電壓、效應(yīng)時(shí)間、效應(yīng)質(zhì)量、平均效應(yīng)電壓上不過(guò)分追求，以“安全第一”為原則，從技術(shù)條件調(diào)整上來(lái)進(jìn)行把控，確保電解槽的安全運(yùn)行。

表3 兆豐電解鋁二次槽正常生產(chǎn)期間效應(yīng)系數(shù)情況

2.5 極上保溫料管理

極上保溫料的重要性。通常極上保溫料主要作用保溫、防止陽(yáng)極氧化和降低鐵碳?jí)航档淖饔谩母旧蟻?lái)說(shuō)極上保溫料是實(shí)現(xiàn)電解槽的物料平衡和熱平衡的重要手段。據(jù)研究測(cè)定，陽(yáng)極每減薄或增厚1 cm的極上保溫料，相當(dāng)于放出或增加6～9 mV電壓產(chǎn)生的熱量。

為了保證極上保溫料的循環(huán)利用，避免出現(xiàn)積存，降低氧化鋁單耗，我單位在保溫料上一直不是很厚，在鋼梁下平線附近根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)整，保溫料不厚但必須保證密實(shí)性，一方面是在顆粒配比上做文章，直徑3～5 cm 的粉碎料與米粒大小的細(xì)碎料混合使用，最后從中縫扒出氧化鋁撒在新極表面拍實(shí)；另一方面加強(qiáng)整形收邊工作，將陽(yáng)極升降逢處扎實(shí)加強(qiáng)保溫料密實(shí)性，同時(shí)不是很厚的保溫料方便收邊工作，促進(jìn)電解槽散熱，陽(yáng)極上的保溫料隨著陽(yáng)極的消耗要求始終在陽(yáng)極的同一位置上，確保新極保溫、低殘極能散熱。

3 對(duì)發(fā)現(xiàn)破損槽修補(bǔ)的一些方法與建議

某單位2016 年啟動(dòng)的一批槽，因大修材料或筑爐工藝上存在的某些缺陷，最終導(dǎo)致啟動(dòng)后人造伸腿大塊脫落，有兩個(gè)工區(qū)（37 臺(tái)槽/區(qū)）80%的槽出現(xiàn)伸腿脫落現(xiàn)象，在運(yùn)行過(guò)程中陸續(xù)有破損槽出現(xiàn)，但通過(guò)針對(duì)性的技術(shù)條件保持，以及一些特殊手段進(jìn)行修補(bǔ)后，運(yùn)行至今，將近有30 臺(tái)破損槽通過(guò)修補(bǔ)目前仍平穩(wěn)運(yùn)行著，槽齡達(dá)到2 000 天以上仍高效生產(chǎn)，部分槽齡達(dá)到3 200 d 以上。如738#槽，2017 年9 月份鐵含量出現(xiàn)異常，硅鐵含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 最高達(dá)0.082%、0.321%，當(dāng)時(shí)A8 處鋼棒頭溫度明顯偏高，故進(jìn)行切割阻斷通電，對(duì)破損部位進(jìn)行修補(bǔ)后原鋁質(zhì)量逐漸恢復(fù)正常，運(yùn)行至目前總槽齡達(dá)2 100 d，其中破損后運(yùn)行天數(shù)已達(dá)1 600 d 以上。

結(jié)合以上對(duì)破損槽的修補(bǔ)和管理經(jīng)驗(yàn)，提出以下建議。

3.1 識(shí)別和判定電解槽是否存在破損

電解槽在破損初期若能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、找準(zhǔn)破損部位，正確進(jìn)行修補(bǔ)并適當(dāng)調(diào)整技術(shù)條件、加強(qiáng)維護(hù)，則可以有效的減緩其破損速度，延長(zhǎng)電解槽使用壽命。確認(rèn)破損槽最有效辦法是關(guān)注原鋁質(zhì)量中硅鐵含量的變化，正常情況下硅含量在0.05%，鐵含量在0.1%左右范圍平穩(wěn)保持，若出現(xiàn)單槽硅、鐵含量連續(xù)上升沒(méi)有穩(wěn)定或下降趨勢(shì)，在排除陽(yáng)極化爪等因素導(dǎo)致后，則基本可以判定該槽陰極鋼棒已開(kāi)始熔化，陰極內(nèi)襯已出現(xiàn)破損。

在日常生產(chǎn)中，需密切關(guān)注原鋁質(zhì)量變化情況，對(duì)單槽硅鐵含量上升較快或異常的槽須引起高度重視，排查硅鐵含量升高的原因，是電解質(zhì)高上涮鋼爪、化爐幫，還是陽(yáng)極問(wèn)題導(dǎo)致化爪，一定要弄清楚硅鐵含量升高原因，在原因排查清楚之前將其列為破損槽進(jìn)行全爐溫度監(jiān)測(cè)，確保電解槽的安全運(yùn)行。

3.2 做好破損部位的精確查找，做到精準(zhǔn)修補(bǔ)

做好日常換極檢查爐底工作，換極在用鐵鉤判定爐底冷熱趨勢(shì)的同時(shí)，探查陰極是否存在坑洞或裂縫，若存在異常須記錄詳細(xì)情況，如坑洞大小、深度、大概位置。對(duì)待不同異常需不同方法處理，發(fā)現(xiàn)不太明顯的破損部位，或是陰極發(fā)現(xiàn)凹陷區(qū)域，此時(shí)可以用爐底沉淀進(jìn)行遮蓋，用特制工具將中縫處的沉淀扒至坑逢區(qū)域，對(duì)陰極形成保護(hù)；若發(fā)現(xiàn)明顯破損部位，此時(shí)需用特制鎂砂餅進(jìn)行修補(bǔ)。

通過(guò)陰極鋼棒頭和底板溫度結(jié)合電流分布來(lái)查找具體破損部位。對(duì)于大型預(yù)焙槽，一旦發(fā)現(xiàn)異常，用換極長(zhǎng)鉤和換極之機(jī)進(jìn)行查找破損，不但比較困難而且時(shí)間太長(zhǎng)等不及，為此，可通過(guò)鋼棒頭、爐底溫度測(cè)量結(jié)合陽(yáng)極導(dǎo)桿電流分布來(lái)查找，溫度偏高、電流分布偏低部位進(jìn)行提極查找破損，由此可以大致判斷陰極具體破損部位。

結(jié)合以往破損槽修補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)，在確定存在破損后，須用特制鎂砂餅進(jìn)行修補(bǔ)，此處強(qiáng)調(diào)：一方面不宜大面積修補(bǔ)，在查找破損槽過(guò)程中，不能“病急亂求醫(yī)”，若發(fā)現(xiàn)疑似破損也進(jìn)行修補(bǔ)的話，最后會(huì)導(dǎo)致滿爐底都是沉淀，即使修補(bǔ)住也不確定是哪個(gè)位置起關(guān)鍵作用，長(zhǎng)期修補(bǔ)對(duì)爐膛的破壞會(huì)出現(xiàn)陽(yáng)極導(dǎo)電不均、經(jīng)常性電壓擺、電壓下甩出現(xiàn)，最后破損槽壽命不會(huì)延長(zhǎng)太久。另一方面需用特制的鎂砂餅進(jìn)行修補(bǔ)，別以為簡(jiǎn)單在破損部位撒上鎂砂、氟化鈣就能修補(bǔ)上缺口，結(jié)合長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，這樣的成功機(jī)率太低。

3.3 修補(bǔ)材料以及制作特制鎂砂餅

特制鎂砂餅的制作：用鋼板焊接500 mm×300 mm×150 mm 大小的模具用以制作鎂砂餅，若鎂砂餅太小，在槽內(nèi)隨著鋁液的流動(dòng)和逐漸溶化，鎂砂餅和熔化的鎂砂粒會(huì)位移、游走，不能完全填補(bǔ)住破損部位。在材料的選用上，鎂砂顆粒需米粒大小不規(guī)則形狀，氟化鈣、氧化鋁即可，首先在模具最底層澆上鋁液20 mm，然后平鋪30 mm 厚的鎂砂粒，讓后將混合的氟化鈣、氧化鋁3～5 kg 混合料填在模具中央，然后在四周填滿、鋪平鎂砂顆粒，在逐步添加鎂砂過(guò)程中逐步舀進(jìn)鋁液，鋁液進(jìn)入模具一定要緩，盡可能不沖散、攪亂鎂砂餅順序，最后冷卻成型。

在修補(bǔ)過(guò)程中，在確定破損部位利用天車配合人工，將鎂砂餅正面朝上，準(zhǔn)確地放在破損部位，在放置過(guò)程中，可用天車打殼錘頭協(xié)助下壓至爐底，然后人為用長(zhǎng)、短鉤配合保證鎂砂餅坐在破損部位。隨著高溫熔化，鎂砂和混合料形成沉淀堵住破損部位，在修補(bǔ)后的一周時(shí)間內(nèi)，修補(bǔ)部位不宜用鉤進(jìn)行摸爐底試探效果，密切關(guān)注原鋁質(zhì)量即可判斷是否修補(bǔ)到位。若修補(bǔ)到位，則以后該區(qū)域的換極摸爐底時(shí)，不要過(guò)分摸爐底檢查，避免將修補(bǔ)料形成的結(jié)殼勾起，再次形成破損通道；若未修補(bǔ)到位，可同樣方式進(jìn)行第二次修補(bǔ)。

3.4 保持破損槽技術(shù)條件

對(duì)于破損槽，需保持較低的爐底溫度，技術(shù)條件的把控上需更精準(zhǔn)，若爐底溫度一直過(guò)低，會(huì)逐漸形成大量結(jié)殼，最后爐膛不規(guī)整，頻繁出現(xiàn)電壓擺、電壓下甩現(xiàn)象，破損會(huì)再次出現(xiàn)，即使破損未出現(xiàn)，但綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也不太理想，同時(shí)耗費(fèi)大量的人力、物力，所以破損槽的管理，穩(wěn)定是首位，根據(jù)日常槽控曲線運(yùn)行狀況，保持合適的分子比，在保證電解槽平穩(wěn)、安全運(yùn)行的前提下，保證較低的爐底溫度，讓電解槽盡可能延長(zhǎng)使用壽命。