（有色金属冶金专业论文）160ka电解槽扩容改造的研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 强化电流是当今世界铝电解工业发展的趋势，也是我国铝工业发 展的迫切要求。作者针对中国铝业青海分公司现行1 6 0 k a 电解槽存在 的单位槽底面积产量低、槽膛底面积过大、阴极电流密度较低、供电 潜力未能充分挖掘等问题，对现行1 6 0 k a 电解槽扩容到1 8 0 l l a 进行了 可行性及工业试验的研究。主要研究内容及成果是： 1 ) 变青海分公司电解槽基本结构、母线配置和阳极间距的前提 下，采用对称阳极结构，并将阳极尺寸从1 4 0 0 i i l l n 加长到1 5 0 0 i i l 【n ，可 达到强化电流的目的，工业试验结果表明，强化后的电解槽在技术和 工艺上是完全可行的。 2 ) 对大修的电解槽内衬结构进行了优化，为扩容后电解槽的工 艺条件、技术参数、寿命等提供了技术保证。 3 ) 进行了扩容内衬结构试验前后物理场的测试与分析，完成了 电解槽从1 6 0 k a 扩容到1 8 0 l ( a 后的内衬结构的论证，达到了预期的目 标。 作者历时两年的时间完成了对传统1 6 0 k a 电解槽强化电流的改 造试验研究，试验现场的统计结果表明，1 6 0 k a 电解槽强化电流后能 有效地增加产能，降低成本。此外，作者在研究过程中所获得的技术 成果和工程经验，将为同类型电解槽的强化改造提供参考依据。 关键词：铝电解槽，强化电流，增效 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t r e m f o r c e dc u r r c n ti st h et e n d e n c yt h a tp r e s e n tw o r l da l u m i n u me l e c n d l y s i s i n d u s t r yd e v e l o p s， i sa l s ot h e u r g e n tr e q u i r e m e n to ft h e a 1 1 l i n i n l 埘i n d u s t r i a l d e v e l o p m e mo fo u rc o u i n r y a u 也o ra i m sa tt h ec h i n e s ea l u m i n u mt r a d eq i n 曲a i e x i s t e n tu n i ta r e ao m p u to fb o t t o i 工il a n do f 血eb r a l l c hc u r r e n te l e c t r o l y s i sg 正o o v eo f 16 0 ：匠at o1 0 w ，g r o o v ec h e s tb o t t o mp r o d u c tt h ee x c e p t i o n a lc u r r e n td e n s i t yo f n e g a t i v ep o l e 幽el o w e rp o t e n t i a lo fp o w e rs u p p l yc o u l dn o ta i 】叩l e e x c a v a t ee t c p r o b l e m ，f o rt h ec u r r e n te l e c t m l y s i so f1 6 0k ag r o o v ee x p a i l da l l o w1 8 0k a t 1 1 e r e s e a r c ht h a th a sc a r r i e do u tm ee x p e r i m c n to ff e a s i b m t ya n di n d u s t r y m a j o r r e s e a r c h c 。n t e n ta n da c c o m p l i s h m e n ta r e ： 1 ) t h ep r c r e q u i s i t et h a tc h a n g e sq i n 曲a i b r a n c he l e c t r o l y s i sg r o o v eb a s i c a l l y s t r u c t u r a l ，b u sd i s p o s i t i o na n dt h es p a no f p o s i t i v ep o l ea d o p t st h es t r u c t u r eo f p o s i t i v e 口o l e ，a n di ti so f1 5 0 0m m t og ot ot h es i z co fp o s i t i v ep o l ef 如mt h ee x t e n s i o no f 1 4 0 0m m ，t h ei n d u s t r i a lt e s tr e s u l ta n dp u r p o s et h a tc a nr e a c hr e i n f o r c e dc u r l - e n ts h o w t h a tt h ce l e c 廿o l y s i sg r o o v e 蕊e r r e i l l f b r c e m e n ti sc o m p l e t e l yf e a s m l eo nt e c h n o l o g y a 1 1 dt e c l l n o l o g y 2 ) f o rt h ee l e c t r 0 1 y s i sg r o o v el i n e ro fo v e r h a u l ，s t n l c t u r eh a sc a l t i e do u t o p t i m i z a t i o n ，h a s o 位r e d t e c l l n o l o g yg u a r a n t e e t o e x p a n d l i f e e t c ，t e c h n i c a l p a r 帅e t e r a n d 也e t e c h n o l o g yc o n d i t i o n o f a l l o w i n g r e a re l e c t m l y s i sg r o o v e 3 ) e x 口a n dt oa l l o wt h el i n e rt c s ta n da n a l y s i so fs t r u c t u r a lt e s ta r o u n dp h y s i c a l s i t e ，h a v ec o m p l e t e de l e c n o l y s i sg r o o v es i n c e1 6 0l e x p a n d st h ed e m o n s t r a t i o no f t h el i n e rs t r u c t u r em a ta l l o w sa n e r18 0k a ，h a v er e a c h e de x p e c t e dg o a l t h et i m en l a ta u m o rl a s t st w ov e a r ss h o w sc o n s u m m a t e l vf o rt h et r a d i t i o n a l s t a t i s t i c a lr e s u l to ft 1 1 ee l e c t r 0 1 y s i sg r o o v er e i n f o r c e dc u r r c n to f16 0k at 1 1 a tr e f o r m s t e s tr e s e a r c ha n dt e s t ss c e n e ，a f t e rt h ee l e c t r 0 1 y s i sg r o o v er e i n f o r c e dc u r r e n to f16 0 k ac a ni n c r e a s ee f f i c j e n t l vt op r o d u c ec a n ，r e d u c ec o s t b e s i d e s ，t h et e c h n i c a l a c c o m p l i s e n ta n dp r o j e c te x p e r i e n c et h a ta u m o rg e t si nr e s e a r c hc o u r s ew i l lo f 托r r e f e r e n c eb a s i sf o r 血er e i n f o r c e dt r a n s f o r m 、v i mt y p ee l e c t r o l y s i sg r o o v e k e y w o r d a l u m i n u me l e c 行o l y s i sg r o o v es t r e n g 幽e nc u r r e n t s y r 硷唱i s m 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包括他人已经发表过大 研究成果，也不包括含为获得中南大学或其他单位的学位或 使用的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已 在在论文作了明确的说明。 作者签名；星垂日期：呈鲤圣年鱼月三旦日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定。 即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、 缩印或其它手段保存学位论文：学校可根据国家或湖南省有 关规定送交学位论文。 作者签名：导师签名； 日期：辱月且 中南大学硕士学位论文第一章概述 第一章概述 1 1 我国铝工业的发展概况 进入二十一世纪后，我国加入了w t o ，国民经济以8 以上快速增长。铝工业 发展迅猛，到2 0 0 3 年底，产量将达到4 3 7 万吨。预计2 0 0 4 年原铝产量将达到 5 0 0 万吨，我国的电解铝，除保障国内需求外，还将在东南亚、中亚等区域拓展 外销市场。2 0 0 2 年预计出口8 0 万吨，2 0 0 4 年预计出口1 0 0 万吨。铝的生产和消 费将保持强劲的发展势头。 电解铝的迅猛发展，带动了电力、铝用原材料及铝加工行业的发展。如果按今年 产铝4 3 7 万吨计算，铝的产值将达到6 3 2 亿元( 1 4 6 0 0 元吨) ，需要8 7 4 万吨 氧化铝，电解铝需消耗6 3 3 6 亿度电力、2 4 0 3 万吨炭素制品、1 5 5 万吨氟化盐， 铝加工行业也会随之迅猛发展。因此，我国铝电解工业的发展，对促进我国国民 经济的发展有重大作用。 1 2 强化电流是电解铝生产的发展趋势 电解铝行业的发展，一方面靠单独建设较大规模的新厂，新建铝厂的投资一 般较大，如果包括与之配套的阳极厂的投资在内，吨铝投资在1 5 0 0 0 1 6 0 0 0 元 之间( 国内) 。另一方面靠扩建现有的电解铝厂扩建项目的投资，大约在吨铝 1 0 0 0 0 元左右。因此，近些年来，国内外多家铝厂通过适当提高系列电流( 称为 强化电流) 的方法，充分利用已有铝电解设备( 电力、电解槽) 的潜力，可以用 少的投资，较多地提高铝的产量，从而获取可观的经济效益。与新建和扩建相比， 强化电流的方法是最经济的。众所周知，提高电流效率，可以在用电不增加的情 况下提高铝的产量。但是，电流效率从9 2 起，每提高1 都是比较难的，而其产 量的提高，不过是3 。如果把电流从1 6 0 k a 提高到1 8 0 k a ，则产量可以提高1 1 。 国外铝厂强化电流的例子很多。挪威桑达尔铝厂的三期电解槽，1 9 6 9 年投 产时的电流强度为1 3 8 k a ，到了1 9 8 5 年电流强度增加到1 5 1 k a ，1 9 9 7 年增加到 1 6 0 k a 。2 0 0 0 年他们在该系列1 4 台电解槽上做强化电流到1 7 5 k a 的试验。试验 中南大学硕士学位论文第一章概述 槽运行平稳，电流效率达到9 2 5 ，该厂现已在全系列电解槽上推广。电流强度 从刚投产时的1 3 8 k a ，提高到现在的1 7 5 k a ，增加了3 7 k a ，相当于提高产能2 6 8 。 每年该厂多产铝4 6 2 万吨。既使按中国的投资水平1 5 万元吨铝计算，投资节 省近7 亿元。 新西兰迪拜铝厂新系列2 0 0 k a 大型预焙档一年的运行结果显示，阳极电流密 度高达0 8 8 a c m 2 ，电流效率高达9 5 5 。这种高电流密度的电解槽堪称世界一 流，属目前最先进的电解槽技术。相比之下，我国大型预焙阳极电解槽的阳极电 流密度至今还没有超过o 7 3 a c 讯“。这反映了我国在电解槽设计、阳极质量、 内衬质量等多方面的差距，同时也显示出在提高阳极电流密度方面，我们仍有很 多潜力可挖。由于高电流密度铝电解槽是在不降低电流效率和不增加设备的情况 下，提高铝电解反应速度，以提高铝的产量，大幅度地提高劳动生产率，大幅度 降低生产成本，从而产生显著的经济效益，所以，它也是当今铝工业的高新技术。 开发高电流密度的电解槽，是一个系统的技术创新工程。 因此，为了提高我国铝电解的技术水平，奋起追赶世界铝电解先进水平，是 我们冶金工程技术人员的奋斗目标。本文根据青海分公司的具体情况，研究开发 适合我国情况的强化电流的电解技术。 本课题的研究成果，将直接用于中铝青海分公司两个1 6 0 k a 电解系列的扩容 改造。 2 主堕三! 三兰塑主堂垡论塞第二章1 6 0 k a 电解槽扩容改造的可行性研究 第二章16 0 k a 电解槽扩容改造的可行性研究 2 1 企业概况 中国铝业青海分公司( 以下简称青海分公司) 是中国铝业股份有限公司所属 的企业，生产规模为2 0 万吨铝锭，建有与之配套的规模为1 2 万吨的阳极厂以及 齐全的辅助生产设施。青海分公司分两期建成，一期工程于1 9 8 8 年1 2 月投 产，二期工程于1 9 9 4 年1 2 月投产。一期和二期工程均采用了1 6 0k a 大型预焙阳 极电解槽，每期产能1 0 万吨。两个电解系列共安装5 2 0 台1 6 0k a 电解槽。2 0 0 1 年实际产量达2 0 6 万吨。三期于2 0 0 0 年扩建预计2 0 0 4 年将达产1 4 万吨，居时 青海分公司生产规模将达到3 5 万吨以上，是目前我国规模最大的电解铝厂印1 。 2 0 0 3 年，青海铝业生产铝2 6 9 万吨，利润总额3 亿元。 2 216 0 k a 中间下料预焙阳极铝电解槽的技术参数 1 6 0 k 中间下料预焙阳极铝电解槽的技术参数见表2 1 项 目 主要技术参数 槽壳内部尺寸( m m ) 炉膛尺寸( m m ) 侧部炭块尺寸( m m ) 阳极炭块尺寸( m ) 阳极炭块 阳极炭块行间距离( m m ) 阳极炭块邻间距离( m ) 加工大面距离( 咖) 9 8 0 0 4 3 5 0 1 3 5 0 9 5 5 0 4 1 0 0 5 2 5 5 2 0 3 6 5 1 2 3 1 4 0 0 6 6 0 x5 4 0 2 4 块 2 5 0 4 5 5 2 5 2 3 1 6 0 k a 中间下料预焙阳极锅电解槽内衬结构 目前1 6 0 i ( a 中间下料预焙阳极铝电解槽内衬结构是由沈阳铝镁设计院设计 ( 见图2 1 ) ，从图中可以看出： 中南大学硕士学位论文第二章16 0 k a 电解槽扩容改造的可行性研究 1 铺设绝热板，短侧距槽壳1 2 7 i i l i l o i i i n l ，长侧距槽壳1 5 0 釉1 0 帆，四周用 粒度小于5 唧的耐火颗粒填充。 2 干砌槽底轻质保温砖二层，砌筑保温砖分为上、下两层，错缝砌筑，所有砌 筑缝小于2 m ，并用氧化铝粉填满，不准有空隙。短侧保温砖距槽壳1 2 7 m m 1 0 m m ，长侧保温砖距槽壳1 5 0 m m 1 0 m m ，四周用粒度小于5 m m 的耐火颗粒 填充。 3 砌筑耐火砖二层。第一层耐火砖为干砌，立缝小于2 m m ，并用氧化铝粉填实。 第二层耐火砖为湿砌，它与第一层耐火砖错缝砌筑，卧缝小于3 m m ，立缝小 于2 m m 。耐火砖四周应砌筑保温砖，长侧保温砖一块和一块半交错，短侧保 温砖横砌一行或两行。短侧保温砖距槽壳1 2 7 m m 1 0 m m ，长侧保温砖距槽壳 1 5 0 m l o 。在砌筑中应随时在四周填充粒度小于5 m 的耐火颗粒。 4 阴极炭块组。( 1 6 组) 5 在电解槽短侧湿砌耐火砖，上、下交错砌筑，卧缝小于3 m ，立缝小于2 m m 。 第一、二、三、四层耐火砖与阴极炭块组的距离为1 2 3 咖，第五层耐火砖与 阴极炭块组距离为1 7 3 m ，第六层耐火砖与阴极炭块组距离为2 8 6 姗，在一 至五层耐火砖与槽壳间横砌1 1 3 m m 的轻质保温砖，轻质保温砖与槽壳间的空 隙用粒度小于5 眦的耐火颗粒填充。 6 阴极钢棒以上为三层湿砌耐火砖，卧缝小于3 咖，立缝小于2 姗，第一层耐 火砖与阴极炭块组的距离为1 0 5 m m ，第二层耐火砖与阴极炭块组距离为 1 7 0 m ，第三层耐火砖与阴极炭块组距离为3 1 7 m m ，全长水平精度2 跚。在 第一二层耐火砖与槽壳间砌1 1 3 岫的轻质保温砖( 若背缝大于3 0 m m 则加工 轻质砖条湿砌) ，其余空隙用粒度小于5 唧的耐火颗粒填充。 7 砌筑侧部炭块，每块尺寸为5 2 0 m m x 3 6 5 m m x l 2 3 m m ，共八十块。 8 扎固填缝糊，共分八层进行，糊料温度达到1 0 0 1 0 。扎固后糊斜坡高度 为2 0 0 m m ，坡度1 3 5 度，上下各平扎8 0 m m ，底糊应盖压阴极炭块上表面。扎 固时使用平锤及方锤交替进行捣打。 4 中南大学硕士学位论文第二章16 0 k a 电解槽扩容改造的可行性研究 图2 11 6 0 l ( a 中间下料预焙阳极铝电解槽内衬结构 中南大学硕士学位论文第二章16 0 k a 电解槽扩容改造的可行性研究 2 4 扩容改造的必要性 青海分公司现在运行的1 6 0k a 电解槽，基本上是在贵州铝厂八十年代初引进 的目轻技术基础上设计的，两端进电，大面出铝，中间点式下料，电流效率设计值 为8 8 ，在八十年代期间，属于比较先进的槽型口3 。两个1 6 0k a 电解系列，受当时 技术水平的局限，只能反映出十几年前的电解技术水平，与现在设计的大面多端 进电的电解槽相比，存在着较大差距。但由于受各方面因素的制约，绝不能扒倒重 来，亦不可能全系列停产进行技术改造。根据青海分公司现有的供电设施，尚有提 供2 0 0k a 系列电流的能力，而现有电解槽的槽膛宽度，尚有适当加长阳极以便提 高系列电流到1 8 0k a 余地，因此提出本次扩容改造。 本次扩容改造，由于利用原有供电设施，电解槽的台数、阴、阳极、母线均不 改变，只改变阳极尺寸，大修时改变其内衬侧部，电流密度稍有增加，系列电流就 可以从现在的1 6 0k a 提高到1 8 0k 凡这样，在不影响生产的前提下，可以用较少 的投资，增加两个电解系列的产能，将明显地提高企业的经济效益。因此，本次扩 容改造是十分必要的。 扩容改造在原有的基础上增加2 0 k a 电流，势必会造成原有的三场平衡破 坏，主要存在以下几个方面的问题巧1 ： 1 热冲击加剧，由温度的剧烈波动引起，主要出现在电解槽焙烧启动和 运行初期，是导致电解槽破损的主要原因之一。 2 钠侵蚀阴极速度加快，由金属钠的渗透( 伴随着膨胀和电解质的渗透) 引起，主要出现在电解槽开动和运行初期也是破损的主要原因之一。 3 电化学腐蚀加剧，由生成碳化铝引起，发生在电解槽整个运行期间。 4 机械磨损，由炉底沉淀的冲刷引起，由于扩容后电解质与铝液的流速加 快，势必带动炉底沉淀加速，且发生在电解槽整个运行期间。 所以要解决上述主要破损原因，就必须建立相应的内衬结构来消弱对槽内 衬的破坏。由此可见，保证电解槽炭素内衬在焙烧启动后缺陷少及没有大的缺陷， 对于电解槽的高效长寿运行是非常关键的一环。通过上分析，在新筑炉的电解槽 中，优化内衬结构，消除、消弱焙烧、启动初期两个主要破坏电解槽因素是非常 必要的。 本次扩容试验成功后，不仅可阻为青海分公司的扩容改造打下坚实可靠的基 中南大学硕士学位论文第二章1 6 0 k a 电解槽扩容改造的可行性研究 础，而且还将为全国铝行业的扩容改造开辟出一条平坦大路。 2 5 扩容改造的可行性 青海分公司的现有条件，已基本满足扩容改造的要求。 1 ) 电力供应：电网可满足扩容的需要。 2 ) 整流设施：槽数不增，现有1 1 5 0k 的系列电压不变。每个系列由4 台5 6k a 机组 供电，最大直流输出可达2 2 4k a ，满足1 8 0k a 的需要。 3 ) 阳极块的长度从1 4 0 0 咖延长到1 5 0 0m m ，现有电解槽的炉膛宽度可以满足。 4 ) 阳极焙烧炉可以焙烧长为1 5 0 0 咖的阳极块，不需改动。 5 ) 改造现有的阳极多功能天车，增加电解烟气净化系统及焙烧烟气净化系统的烟气 处理能力，以及其它相关设备的改造都是可以实现的。 6 ) 可实现不停槽改造。槽内衬优化改造在槽大修时进行。 综上所述，本次扩容改造是完全可行的。 2 6 扩容改造所遵循的主要原则 根据青海分公司的情况，本次扩容改造遵循如下原则： 1 ) 电解槽两端进电的方式不变。 2 ) 槽壳不变，只在大修时更换先进的船型结构。 3 ) 阴极不变，这样可以在不停槽的情况下进行扩容改造。只在大修时采用新型 筑炉材料，优化其内衬结构。 4 ) 变压器和整流设备不变。 5 ) 电解槽的主要生产指标不变。 2 7 技术改造方案 中铝青海分公司1 6 0k a 中间下料预焙槽与当前国际先进的同类型槽相比， 存在较突出的差距是单位产能低，致使单位槽底面积产能低，属低产型的主要原 因之一是槽膛底面积过大，即阳极至槽侧部距离过大( 5 2 5 i i l 【n ) 。1 ；两排阳极之 间中缝尺寸过宽；其二是阳极电流密度较低。近几年来我国新建投产的1 6 0 一2 8 0 中南大学硕士学位论文第二章16 0 k a 电解槽扩容改造的可行性研究 k a 预焙槽大面加工面宽度为3 0 p _ 3 5 0m m ，7 5 8 2k a 预焙槽大面加工面最小的 为2 7 5m m 。而中铝青海分公司1 6 0k a 槽大面加工面宽5 2 5m m 。国外先进铝厂电 解槽阳极电流密度为o 7 5 _ 。8 5 a c 砰，而中铝青海分公司电解槽阳极电流密度 为o 7 2a c 群。生产实践证明，小加工面尺寸，有助于减少水平电流，减少阳极 气体c o z 与金属铝的二次反应，对提高电流效率起到良好的作用“。因此本技术 改造方案，采用加大单块阳极长度的同时，增加电流强度，以减少阳极至槽侧部 距离( 大面加工面) ，缩小两排阳极中缝尺寸的有效措施，以达到提高单位槽铝产 量，充分发挥旧有设备生产能力，达到增产之目的。电解槽扩容改造的实施方案 如下： 不改变母线配置，不改变槽上部金属结构。不改变阴极。密封罩板、钢爪、 打壳锤头需改制，槽内衬改造在大修时改为优化内衬结构。 充分利用现有辅助与公用系统。 对厂内现有的阳极生产系统进行改造，由现在生产1 4 0 0 x 6 6 0 x 5 4 0m m 的阳极 炭块改造为生产1 5 0 0 6 6 0 5 4 0 咖的阳极炭块。为此，要进行阳极组装系统的改 造。由于厂内已扩建了一个年产1 4 万吨铝的2 0 0k a 电解系列，2 0 0k a 电解槽使 用的阳极钢爪是4 个爪的，本次2 个1 6 0k a 电解系列改为1 8 0k a 电解系列，使用 的钢爪也应该是4 个爪的，这样在一个厂内，规格统一。 不停产进行改造，系列槽更换阳极的改造周期大约2 4 天，每天每台槽用一组 1 5 0 0m m 长阳极换下1 4 0 0m 长阳极。以逐渐升电流的方式，在适当时间内，使 系列电流由1 6 0k a 升至1 8 0k a 。 槽内衬结构的改进与优化，只能在槽大修时进行。因此，整个扩容改造的完全 实现，要用4 年左右的时间。 中南大学硕士学位论文第三章扩容后铝电解槽内衬破损机理与结构设计分析 第三章扩容盾铝电解槽内衬破损机理与结构设计分析 3 1 概述 影响铝电解槽寿命的因素不是孤立的，而是受到设计、材料、筑炉、焙烧启 动、操作等几个方面的综合作用，只有通过对电解槽破损机理和内衬设计的若干 重要问题进行综台分析，探讨了延长槽寿命的途径。多年来的铝电解工业实践表 明；铝电盘犁槽阴极炭块的年正常损失速率( 包括电化学腐蚀和机械磨损) 为石墨化 炭块约3 厘米，其他各类炭块卜2 厘米。阴极钢棒之上的炭块厚度在2 5 厘米以 上，如果炭块按正常损失速率均匀地损失，需要1 0 年以上的时间才能达到阴极 钢棒。这也就是说，电解槽的正常寿命应在1 0 年以上。但我国铝电解槽的平均 寿命大多不超过1 8 0 0 天，有的甚至不到1 5 0 0 天。电解槽的寿命显著小于正常寿 命的原因是由于在电解槽内衬设计、材料、筑炉、焙烧启动和操作等五个环节上 存在着缺陷。上世纪8 0 年代末，有人对铝电解槽寿命的影响因素进行了统计和 分析后，认为以上五个环节的相对重要性百分数为设计2 0 ，材料1 0 ，筑炉2 0 ， 焙烧雇动2 5 ，操作2 5 n 1 。近年来随着控制水平的提高和阳极效应系数的减小， 操作所占的份额有所减小，而材料的重要性贝i j 有所增加。应当强调的是，电解槽 寿命的影响因素不是孤立的，而是相互关联的。分析电饵槽的破损枫理时，应当 综合考虑上述五个环节。 3 2 内衬热平衡设计 电解槽内衬热平衡设计的基本原则，一是电解质凝固等温线应在阴极炭块 之下的耐火砖层内，8 0 0 。c 等温线应在保温砖层之上的粘土耐火砖内；二是在侧 部能迅速形成一定厚度和形状的凝固电解质保护层。保护内衬侧部结构，减少 侧部被击穿的可能性。需要强调的是，迄今没有任何材料能长对问经受电解质和 锅的联合腐蚀，都必须借助于凝固电解质层( 俗称槽帮) 的保护。槽帮不但可以保 护侧部内衬，而且对铝电解生产的技术经济指标也有很大的影响。因此侧部能否 形成并维持可靠合理的槽帮是电解槽热平衡设计的重点。槽帮及伸腿可因下列影 响因素的变化减小。而改变。1 ) 以半石墨化底炭块取代普通无烟煤底部炭块，f = ! 中南大学硕士学位论文第三章扩容后铝电解槽内衬破损机理与结构设计分析 解槽保温及其他条件均不变，槽帮厚度基本不变或稍有增加，伸腿会有所缩短。 一个较为明显的效果是电解槽的电能效率得到改善叫。2 ) 槽侧部以氮化硅结合碳 化硅取代普通无烟煤碳块块，伸腿显著长长( 进入阳极炭块投影面内) 。槽帮也会 增厚。0 1 。3 ) 若电解槽运行一段时间后保温性能变坏、底块石墨化，伸腿会显著长 长，槽帮会显著增厚，电能效率会恶化“。4 ) 电解质缩壳保温增强( 通过加厚氧 化铝覆盖层等) ，槽帮厚度和伸腿长度都会有所减小。 3 3 内衬应力设计 电解槽内衬应力设计的基本原则是应使内衬始终处于一适量的压应力下， 以防止界面( 包括填缝糊一炭块界面和槽壳一侧块界面) 和垂直裂纹张开，同时又不 会压裂或压碎炭块。内衬应力设计主要包括槽壳强度和应力缓冲区的设计。内 衬韵应力主要源自于内衬的热膨胀和钠渗透所引起钓膨胀“4 ，不同的材料的膨胀 性能差别甚大。因此，内衬的应力设计与电解槽热平衡设计和所采用的内衬材料 是密切相关的。 槽壳的设计原则是在内衬最大应力作用下及在使用温度范围内保证其变 形都在弹性范围内“”。除了考虑温度和应力外，还应考虑槽壳长时间在应力作 用下的蠕变。近年来槽壳的发展趋势是增大其强度( 通过优化设计、增大钢板强 度和加强支护等) 。采用强度小的槽壳虽然可以通过其变形来缓冲内衬的膨胀应 力，但由于内衬的温度和应力是变化的，当温度降低内衬收缩时，就容易在槽壳 和侧块间形成保温好的缝隙，破坏原来的热平衡设计，严重时会使槽帮消失、侧 块被腐蚀、直至漏炉。 在底部炭块与槽壳间设立膨胀应力缓冲区是必要的“。用填缝糊捣实的边 部大缝及炭块间缝都是膨胀应力缓冲区。另外，还可用可压缩的耐火材料于靠近 槽壳处专门设立一圈膨胀应力缓冲区( 俗称伸缩缝) 。近年来发展起来的大电流电 解槽倾向于取消侧上部的伸缩缝，即将侧块直接粘贴在槽壳上。现代中间点式下 料电解槽要求边部散热快，故边部设计得相当薄、没有伸缩缝且用导热好的碳化 硅砖取代普通侧部炭块。在这种情况下为减小膨胀应力，就岿须采用热膨胀系数、 钠膨胀系数和弹性模量都小的阴极炭块，即半石璺化炭块。如果仍使用无烟煤基 炭块：则出现因压应力过大而导致炭块破损的机会就会大为增大。事实上，这种 主堕盔兰堡主堂垡丝苎 星三垩芝查巫塑皇堡塑塑煎堡塑垫望量堕塑塑生坌塑 情况主要出现在增大电流强化生产的老电解槽上。其原因是在加长炭块减薄应力 缓冲区的同时，没有使用高档炭块而是仍使用原来的低档炭块。另一方面，在槽 的侧下部优化保温设计的同时，保留伸缩缝仍是必要的。 炭块的抗弯强度远小于其抗压强度“。因此应尽量避免炭块受到弯曲应力 的作用。在炭块端部的上半部施加较强的膨胀限制而在其下半部( 阴极钢棒周围) 施加较小的膨胀限制可以抑制炭块向上拱起，从而减小炭块受到弯曲应力作用的 可能性。研究还表明，炭块端部下半部是裂纹诱发区，应力容易在此集中，裂纹 多从这里产生并向其他部位扩展。因此减小此处的应力还可减小裂纹产生的可能 性。为此般有三种做法，一是在炭块端面下半部砌筑较软的耐火材料。此处切 忌使用坚硬的耐火水泥浇铸砖。二是在此处捣打填缝糊。三是将炭块的下端角切 去，实践证明这是一个很有效的办法。另外，应允许阴极钢棒自由膨胀和滑动。 用炭糊捣打阴极钢棒，应在捣打前尽量将钢棒表面弄光滑。阴极炭块之外的钢棒 部分可在侧部内衬施工前包裹2 3 毫米黑胶稚带，起到阴极钢棒膨胀似的缓冲 作用，避免或减少阴极碳块产生裂纹的可能性。应当指出，焙烧启动方法对内衬 的应力设计也是有影响的。 采用焦粒焙烧法时，周边糊通常要在灌电解质启动电解槽后方被烧结“。 填缝糊的塑性和烧结时的收缩可以缓和相当大一部分膨胀应力。因此在相同条件 下内衬中所形成的压应力比采用燃气焙烧法时要小。还有一点需要指出的是，国 外焦床焙烧的时间一般控制在4 8 小时“”。过快和过慢都对填缝糊的性能有不良 影响。过快( “0 小时) 会使糊的裂纹增多，强度下降；过慢( 7 2 小时) 会使边部 大缝里的糊处在2 0 0 4 5 0 。c ( 焦床焙烧终了时边缝糊的温度一般不会超过4 5 0 0 c ) 的时间过长，蒸馏掉大量沥青组份，使沥青的粘结性能下降，同样也会使糊的孔 隙度增大、强度下降。强度过低的糊很容易受到电解质和铝液的渗透，也容易在 铝液的冲刷下飘浮起来，从而对电解槽寿命产生不利影响，甚至导鹭早期破损。 3 4 水平裂纹和垂直裂纹及其预防措施 裂纹的形成和扩展是内衬破损的主要模式之一。一般说来，石墨化程度高 的炭块生成裂纹的可能性较小，石墨化程度低的炭块生成裂纹的可能性较大“。 如果压应力过大，内村中会生成水平裂纹和垂直裂纹。如果压应力太小，内衬中 ! 耍奎兰堡主堂垡堕壅 茎三童婪查亘塑些坚塑塑i ! 堡塑垫望兰堕塑墼：| 坌堑 容易形成垂直裂纹。水平裂纹会显著增大炭块的电阻。有水平裂纹的炭块，其负 担的电流份额会明显减小。如果在一台电解槽里的多数炭块生成了水平裂纹，则 槽底电压降会显著增大，其影响甚至比榴底沉淀还要大。因此，阴极电流分布和 槽底电压降是阴极炭块是否生成了水平裂纹的重要判据。如果一台电解槽的槽底 电压降显著高于其他电解槽，而其槽底沉淀与其他电解槽大致相同，则应判断该 电解槽的多数底炭块都生成了水平裂纹。 填缝糊与炭块的结合是机械啮合。其结合力是很小的。填缝糊一炭块界面可 以看作是贯通的垂直裂纹。这是需要在内衬中保持适量压应力的主要原因。如 果压应力太小，或者填缝糊的焙烧收缩率太大，就会形成缝隙。缝隙的宽度有时 甚至可达几厘米。填缝糊在电解榴焙烧启动过程中会或多或少地生成一些水平裂 纹和垂直裂纹。裂纹的多少和大小取决于填缝糊的抗热霞性、筑炉施工质量和焙 烧启动工艺“。填缝糊是铝电解槽内衬中的薄弱部位，电解槽的破损多从这里 开始。因此，提高填缝糊的抗热震性、改进扎糊施工质量和采用合理的焙烧启动 工艺对电解槽的寿命有重要意义。 3 5 电化学腐蚀及其预防措施 采用半石墨化阴极炭块的电解槽，槽底某些局部的腐蚀速率显著高于平均 腐蚀速率，这是槽寿命的主要限制因素。实验室研究和工业实践都表明，其腐蚀 机理是电化学腐蚀。其腐蚀特征有两个：一是炭素槽底的腐蚀形状呈“w ”形， 即靠近侧部槽帮伸腿处腐蚀较深，年腐蚀率可达5 厘米o 。槽中央腐蚀较小，年 腐蚀率约1 厘米。二是底块间的填缝糊腐蚀很小而显著地凸出炭块表面。分析和 实测都表明，腐蚀形状与电流密度分布基本上是对应的，即电流密度较大的地方 腐蚀较深，电流密度小的地方腐蚀较浅。半石墨化炭块的平均年腐蚀速率为3 厘米，明显高于其他各类炭块。目前有两点初步结论。一是阴极炭块的电阻率愈 小，阴极电流密度分布就愈不均匀。半石墨化炭块的电阻率比其他各类炭块都小， 因此较易形成电流集中的现象：二是根据对实验室研究结果和电解槽腐蚀图形的 分析。确定主要腐蚀机理为电化学腐蚀而不是机械磨损，即腐蚀主要由生成碳化 铝引起。鉴于半石墨不耐磨，机械磨损也许对电化学腐蚀起了促进作用。数学模 中南大学硕士学位论文第三章扩容后铝电解槽内衬破损机理与结构设计分析 型研究表明，增大炭块的电阻率的各向异性有助于改善阴极电流分布。以上措施 是否有效尚待工业实践检验。应当指出的是，由于半石墨化炭块具有优越的抗热 震性、抗钠侵蚀性及性能均匀等特点，基本上消除了热冲击、钠侵蚀和由电解质 渗透所引起的槽底上抬等所造成的电解槽破损，尤其是早期破损。工业生产实践 表明，采用半石墨化炭块的电解槽运行平稳，取得了明显的增产节能效果。大电 流电解槽都优先选用石墨化阴极炭块。这也是阴极炭块的发展趋势。 中南大学硕士学位论文 第四章扩容后内村结构的优化 第四章扩容后内衬结构的优化 1 6 0 k a 电解系列强化到1 8 0 k a ，系列电流提高，如果电解槽其内衬结构不 变，电解槽的热平衡就会出现一定的偏离，即：底部保温性能会降低，增加槽底的散 热量，侧部数热性能差，不利于炉邦的形成4 1 。拟通过优化阴极内衬结构，来适应 系列电流强度的增大，同时确保电解槽寿命，我们认为可以对1 6 0 k a 电解槽阴 极内衬结构做如下改进来解决。其优化后的内衬结构图如图4 1 所示。 4 1 槽壳结构的改进4 青海分公司一期1 6 0 k a 电解槽槽壳原设计上不合理，主要有两点，( 1 ) 摇篮架 与槽壳之间的膨胀间隙不够；( 2 ) 摇篮架直角弯处承受的剪切应力过大。因此电解 槽在生产运行中受热应力作用不可避免的产生槽壳外胀变形、摇篮架断裂现象， 严重制约着电解槽正常运行和槽寿命。我们曾在9 8 年2 月份对一期的电解槽摇 篮架进行过全面检查，统计结果表明有5 3 8 的电解槽摇篮架有不同程度的损 坏。表4 一l 是在9 8 年2 月份统计的数据“： 表4 1一期电解槽摇篮架损坏情况统计 以上统计可以看出，随着大修周期的增加摇篮架损坏数量也在不断增加。而 二期1 6 0 k a 电解槽由于在设计时吸收了一期电解槽的经验，在摇篮架宽度方向放 大膨胀量及立板与工字钢间加补三角板的手段，9 4 年1 2 月投产至今，仅有4 台 电解槽因槽壳外胀及摇篮架断裂而更换。一、二期电解槽壳装配示意图见图4 2 。 ! 塑奎兰堡主堂垡丝塞 笙婴童芝查星堕型丝塑塑垡些 图4 - 1 优化后的内衬结构图 中南火学硕：b 学位论文第四章扩容历内衬结构的优化 一期1 6 0 k a 电解槽槽壳结构在做出以下改进后有效的解决这一问题：( 1 ) 将现有的 槽壳在大修理过程中逐渐更换为三期2 0 0 k a 电解槽的船型结构，如示意图2 。( 2 ) 适当加宽摇篮架内腔尺寸，以增加槽壳的热膨胀空间。( 3 ) 在摇篮架的立板与工字 钢间加焊钢板，使其端头变成箱体结构，用以增加摇篮架三角部位的强度。如青 海分公司一期电解在2 0 0 2 年有3 1 台电解槽的槽壳制作采用船型结构及以上办 法，运行至今，未发现一处摇篮架断裂，且槽壳的外胀变形也得到了改善。 圈l 一、= 电解摇麓絮示怎田 图4 2 一、二期电解槽壳装配示意图 4 2 槽底内衬结构的改进 目前，1 6 0 k a 电解槽的槽底内衬结构中，为防止电解质通过阴极碳块渗透到 保温层而破坏保温性能的方法是，用耐火砖和氧化铝砌体作为阻挡层。但耐火砖 和氧化铝砌体无法从根本上解决防渗问题。而且，有文献载，在高温下，氧化铝 能与缝隙中进入的空气中的氧以及渗入的钠化合。形成b n a 。o a l z o ，和 n a ：0 a 1 。o 。，其体积分别膨胀7 8 和1 3 8 ，致使槽底| 5 j | _ 橄隆起”1 。另外，在氧化钳 被挤压成饼的状态下，其导热系数大大增加，使槽底保温性能降低。鉴此，目前 世界各国在大型预焙槽内衬结构上都取消了氧化铝层。 扩容改进前后的槽底内衬结构示意图，如图4 3 。槽底内衬改进后，采用干 式防渗料做阴极“阻挡层”，其导热系数低( 约占耐火砖的l 4 3 4 ) 、保温性能 好。它能与渗透下来的电解质生成5 一1 5 m 厚致密的霞石阻挡层，阻止电解质继 续向下部渗透：另一方面，由于阻挡层具有可塑性及颓粒层有一定的可压缩性， 能够有效地缓解炉底隆起、槽壳变形等问题。 1 6 中南大学硕士学位论文第四章扩容后内衬结构的优化 氧 阴极碳块阴极碳块 i i 耐火砖 千式防渗料 铝 _ _ ：。- 保温层 保温层 图3 底衬改进前后示意豳 青海铝1 9 9 6 年1 0 月一1 9 9 7 年3 月，在6 6 # 、2 2 7 # 槽上进行了干式防渗料试 验，并选择同期启动的6 7 # 、2 2 6 # 槽作为对比槽。干式防渗料的性能见表4 2 。 表4 2 干式防渗料主要性能 耐火度( p c e ) 温度， 每立方米干料重。k 化学成分， 受热后线形变化 热导率，w m k s i 瓯 a 1 ：0 3 f e 。魄 t i o ： c a 0 | f l g o 1 1 0 8 1 6 2 0 0 3 1 3 5 1 6 8 3 一1 7 8 5 1 9 2 0 一2 0 2 0 5 0 5 5 4 0 4 5 1 3 1 2 0 2 一o 4 o 2 一o 4 龙 体积稳定 0 3 4 4 2 0 0 3 9 6 5 0 o 4 3 1 7 中南大学硕士学位论文第四章扩容后内衬结构的优化 试验槽和对比槽底板温度比较情况，见表4 3 。 表4 3 试验槽和对比槽底板温度比较( 单位：) 从表4 3 中可以看出，试验槽槽壳底板温度明显低于对比槽槽壳底板温度， 且炉底温度分布比较均匀，温度在正常范围之内。由此可说明干式防渗料能加强 槽底保温能力，减少槽底的热量散失。 4 3 阴极钢棒优化配置技术 阴极钢棒优化配置技术，能解决1 6 0 k a 电解槽因设计存在缺陷，造成的运行 中电流和热场分布不均而引起的槽内衬寿命短的问题。 青海铝早在1 9 9 5 年1 0 月一1 1 月，首次在1 9 1 # 、2 3 3 # 槽上试验了阴极钢棒优 化配置的实旄，并于2 0 0 0 年1 1 月通过省科技厅组织的项目验收。该技术的要点 是，裁短1 6 0 k a 电解槽中央4 1 3 组的4 0 根阴极钢棒，而保留槽两端1 3 、1 4 1 6 组的原有2 4 根阴极钢棒，以使电流分布均匀，避免槽中部电流集中，防止槽 中心部位温度过高，减轻槽底隆起，达到降低电耗，提高电流效率，延长电解槽 寿命的目的。 此项技术在实施中，应注意两点：( 1 ) 组装时，短阴极钢棒与碳块之间的空余 部分用侧部碳块填充，周边用糊扎固，要求糊越少越好；( 2 ) 在焊阴极软母带时， 在槽b 侧( 远立柱母线侧) 的1 、2 、1 5 、1 6 钢棒与母线连接处增焊4 束软带。 4 4 周围砌体内衬结构的改进 1 6 0 k a 电解槽侧部周围砌体用耐火砖和保温砖进行砌筑，砌体与钢棒或槽壳 间的缝隙用耐火颗粒和氧化铝进行填充。该结构中，由于侧墙的防渗漏阻挡能力 十分薄弱，易发生电解槽钢棒窗口漏槽。 中南大学硕士学位论文第四章扩容后内村结构的优化 1 6 0 k a 电解槽侧墙改进后，用高强防渗浇注料代替周围砌体的下四层耐火砖， 形成对钢棒的密封和保护，能抗渗透熔体的冲刷和侵蚀，增强周围砌体的防渗能 力。2 0 0 2 年9 月一1 2 月青海铝1 0 台试验槽侧墙用高强防渗浇注料施工，其理化 指标“”见表4 4 ，改进后的槽子侧部防渗能力明显增强，没有出现侧部渗漏现象。 高强防渗浇注料在施工中，应注意做好以下工作：( 1 ) 选用的高强防渗料的加 水量2 0 ；( 2 ) 采用敷压法“，进行振动成型( 3 ) 不少于3 天的自然干燥养生期； ( 4 ) 紧靠槽干摆6 5 m 厚保温砖来抵消材料的热膨胀应力。 表4 4 高强防渗浇注料的理化指标 4 5 侧部碳砖的改进 1 6 0 k a 电解槽由于原料加在中心，边部温度偏高，加上阳极效应等非稳定性 因素的影响，电解槽在正常生产中难以形成侧部结壳。所有这些因素难免使倒部 碳块暴露于空气一电解质一铝液界面，电解质、铝液在强磁场和阳极气体作用下， 不断地向侧部冲刷，使得侧壁腐蚀氧化，并有部分电流从侧壁经过。这样会造成 侧部碳块的破损，电流效率的损失。 近几年来，我国s i 。结合s i c 耐火材料在电解铝工业的推动下发展迅猛， 产品的实物指标已能够满足国内铝电解行业的需求。s i 。n 4 结合s i c 侧部碳砖的 优点是，导