李元山, 徐興超

(酒鋼集團 甘肅東興鋁業(yè)有限公司,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

電解槽是電解鋁行業(yè)生產(chǎn)的核心設(shè)備,其內(nèi)襯的材料選擇,施工工藝與質(zhì)量,焙燒啟動和早期生產(chǎn)管理中電解質(zhì)溫度不合理是影響電解槽壽命和技術(shù)指標的重要因素[1]。在鋁廠的實際生產(chǎn)過程中,高溫電解質(zhì)及鋁液從側(cè)部、鋼棒窗口、端部滲漏嚴重時擊穿槽殼載體，是導致電解槽破損或停槽的重要因素[2]。因此,通過必要的施工工藝技術(shù)的優(yōu)化來延長鋁電解槽使用周期對鋁電解生產(chǎn)來說非常重要。本文對實際生產(chǎn)中由于施工工藝導致電解槽內(nèi)襯破損因素進行分析和探討,總結(jié)出了內(nèi)襯施工工藝改進等相關(guān)技術(shù)措施。

1 電解槽破損事例分析

停槽電解槽解剖分析發(fā)現(xiàn):生產(chǎn)運行過程中鋁液通過從側(cè)部復合塊縫隙中滲入周邊,同時從糊料接縫中滲入;陰極炭塊組在周邊澆注體周圍開裂縫較多(見圖1);陰極炭塊組中部易橫向斷裂,斷裂截面上碳化鋁侵蝕嚴重且燕尾槽底部有鋁滲入;陰極扁鋼存在變形彎曲的現(xiàn)象(見圖2)。

圖1 澆注體周圍形成的破損裂紋

圖2 陰極鋼棒變形示意

通過對現(xiàn)場上述事例進行分析,可能的原因如下:

(1)搗固糊的分層破損現(xiàn)象較普遍,搗固后的糊料在焙燒中或啟動后期易開裂破損。如果糊料出現(xiàn)“濕糊”現(xiàn)象(粘結(jié)劑過多),在搗固時會出現(xiàn)粘結(jié)劑和細粉骨料集中在表面層,焙燒時此表面層的收縮性不同于其它層,因而在糊層之間產(chǎn)生裂紋;如果糊料出現(xiàn)“干糊”(粘接劑過少)現(xiàn)象時,糊料中焦粒在搗固中被壓碎,表面層上的細粒骨料增多,骨料表面積增大,搗固層之間的粘結(jié)受到影響,形成糊料層與層之間的薄弱層。在電解生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)裂縫、解體或形成滲漏通道。

(2)施工過程中,搗固人員由于搗固次數(shù)未達標從而造成糊料壓縮比過低,出現(xiàn)“欠搗”現(xiàn)象,從而導致后期啟動過程中出現(xiàn)飄糊,造成鋁液滲透后沖刷糊料本體出現(xiàn)分層的現(xiàn)象;另一種是由于搗固人員施工次數(shù)過多,從而造成搗固壓縮比過大,出現(xiàn)“過搗”現(xiàn)象,糊料出現(xiàn)翻漿,從而導致糊料的層與層之間連接分層,造成后期啟動或生產(chǎn)過程中鋁液滲入，出現(xiàn)分層。

(3)槽周邊側(cè)部采用復合塊(碳化硅與炭素材料復合體)砌筑,角部炭塊為炭素材料,砌筑時與相鄰側(cè)部復合塊產(chǎn)生的立縫與炭間縫形成隱蔽垂直接縫(見圖3)。由此清晰可見，該區(qū)間在槽內(nèi)邊角處遭受電解質(zhì)及鋁液長時間侵蝕沖刷較其它位置相對嚴重,因而易發(fā)生電解質(zhì)與鋁液滲漏。統(tǒng)計顯示,鋼棒窗口漏爐容易產(chǎn)生在如圖3的垂直接縫位置,如進出電側(cè)第二根、第四十七根處鋼棒的側(cè)部，發(fā)生滲漏的比例占滲漏槽37%。這說明,垂直隱蔽縫隙可能是該問題的直接原因。同時漏爐時常常將電解槽陰極軟帶沖斷,槽周陰極母線損傷,從而造成電解槽導電不均勻造成過早停槽。

圖3 側(cè)部立縫與炭間縫形成垂直通縫示意

(4)電解槽在運行期間，槽殼兩端頭及側(cè)部窗口位置滲漏較為頻繁。內(nèi)襯清理中發(fā)現(xiàn)周邊縫與炭間縫結(jié)合處有鋁滲入現(xiàn)象。具體表現(xiàn)在:傳統(tǒng)的扎固方式需在槽內(nèi)兩端頭扎固糊料層之間每層預留接茬;需要安裝模具封堵炭間縫進行扎固,需要在與糊料接觸的表面噴涂煤焦油;由于煤焦油粘接特性與糊料本體所采用的粘結(jié)劑有一定的差異,因此該工藝的實施,存在電解質(zhì)及鋁液滲漏的風險，對內(nèi)襯組織結(jié)構(gòu)、爐膛整體完好性及電解槽壽命均存在不同程度隱患。

(5)陰極炭塊與澆注料液體粘連后,陰極炭塊接觸面會吸收澆注體內(nèi)未蒸發(fā)的水分,電解槽焙燒時此部分水分逸出,易于滲入陰極炭塊內(nèi)部。焙燒啟動過程中,隨著此部分水氣的排除,可能會產(chǎn)生電解質(zhì)或鋁水的滲漏通道,造成側(cè)部早期破損,嚴重時停槽。

(6)陰極炭塊周邊澆注料施工環(huán)節(jié),由于施工單位使用水溫度未精細控制在4～27℃,同時施工用水存在雜質(zhì),造成施工質(zhì)量缺陷。另外由于施工過程中用水量控制不均衡,用水過少,造成施工性大打折扣。用水過少,會出現(xiàn)澆注料分層,用水過多造成澆筑料離析。從而導致澆注料強度不能滿足設(shè)計要求,電解槽啟動和生產(chǎn)過程可能會導致滲漏。

2 內(nèi)襯施工工藝優(yōu)化分析

(1)砌筑材料的理化指標設(shè)計對改善內(nèi)襯水平電流的分布、導熱性能及熱膨脹應(yīng)力至關(guān)重要。氮化硅結(jié)合碳化硅在300～1000℃時熱膨脹系數(shù)及導熱率低于炭素材料,抗沖刷性能優(yōu)于炭素材料。因此,在角部選用氮化硅材料沿槽殼一角邊緣中心點將角部側(cè)塊定位后,將角塊復合塊按電解槽長側(cè)方向靠緊砌穩(wěn)。然后沿小面方向順序砌筑,這種砌筑方法可優(yōu)化內(nèi)襯砌筑質(zhì)量,特別是有助于減少隱蔽垂直縫隙。

此外,在施工現(xiàn)場采用側(cè)磚和異型塊粘接較整體側(cè)部粘接復合磚有利于提高砌筑質(zhì)量,將砌筑過程產(chǎn)生的累計誤差延伸到末端,解決了整體粘接復合塊在砌筑過程中,受到碳氮化硅粘接碳化硅與炭素材料異型塊部分相互牽制影響而產(chǎn)生接縫過大可能導致滲漏的隱患。

同時角部選用氮化硅粘接碳化硅材質(zhì)能有效提高角部抗腐蝕沖刷的能力與保溫性能。與傳統(tǒng)采用炭素材料異型塊相比,有利于解決電解槽角部容易發(fā)涼導致結(jié)殼及堆積沉淀,從而影響角部陽極工作等問題。

(2)冷搗糊施工溫度變化相對較小,可有效利用這一特性,采用無接茬循環(huán)搗固方式,有效壓縮了施工周期時間。由原來接縫扎固近5個小時的時間壓縮至2個小時,同時通過無接茬循環(huán)扎固,不再二次吹風,節(jié)約了資源,有效預防粉塵污染,大幅提高了施工質(zhì)量,改善了施工環(huán)境,提高搗固質(zhì)量,預防后期糊搗體在焙燒啟動過程中出現(xiàn)的分層破裂,減少滲漏事故及伸腿脫落事故的發(fā)生。

(3)通過優(yōu)化內(nèi)襯結(jié)構(gòu),將周圍糊打到底,以吸收炭塊因鈉膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力,同時能夠緩沖后期焙燒過程中陰極炭塊熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力釋放,防止?jié)沧⒘现苯雍吞繅K接觸誘發(fā)破損裂紋的產(chǎn)生,對延緩內(nèi)襯破損,保護爐膛整體完整性得到一定改善。

(4)改進搗固工藝,將炭間縫與周邊縫整體搗打,消除了因先搗固陰極炭塊中縫后搗固陰極炭塊周邊預留磨具固定的接口產(chǎn)生的垂直通縫。為預防在接茬處發(fā)生滲漏起到了良好的實用效果。

(5)施工搗固控制,對比密度表格(見圖4)看搗實密度是否在合格的范圍內(nèi),對扎固質(zhì)量來說至關(guān)重要。搗固密度與溫度密不可分,合理控制溫度和搗固次數(shù)成為關(guān)鍵因素,見圖4。

圖4 針密度表格圖

(6)增加陰極鋼窗口再密封的工序。不僅能防止危害生態(tài)環(huán)境的氟化物通過窗口排除,還能有效預防外界空氣通過未封閉的外側(cè)鋼窗口進入電解槽陰極內(nèi)襯,從而造成陰極炭塊和側(cè)部復合塊加速氧化現(xiàn)象發(fā)生,縮短陰極炭塊服役壽命。

(7)增加電解槽周邊側(cè)部復合塊與背縫氧化鋁填充施工工序,確保側(cè)部復合塊與槽殼緊密接觸,阻斷電解質(zhì)或鋁液的滲漏通道的形成,有效形成一道物理保護層,確保電解槽后期啟動平穩(wěn)。

3 小 結(jié)

通過對電解槽內(nèi)襯在實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)滲漏等問題進行了分析。通過分析可以看出,品質(zhì)優(yōu)良的內(nèi)襯材料,嚴格按照規(guī)程的筑爐施工是延長電解槽壽命的重要因素。通過對施工工藝和材料的環(huán)節(jié)的不斷改進，有助于進一步延長槽壽命和提高電解系列技術(shù)經(jīng)濟指標。