（冶金工程专业论文）延长铝电解槽寿命方法研究.pdf

硕：仁学位论文 摘要 摘要 铝电解槽是工业炼铝的主要设备，延长电解槽的使用寿命，一直 是广大镪工作畿关注魄重要课题。延长电勰槽使用时间，减少横大修 费用，降低吨铝成本，节约能源是大家共同的愿塑。本谦题结合山西 关锅的实际情况，进行了延长铝电勰槽寿命方法的研究，主要内容及 结果如下： 2 3 4 5 阴极炭块采用硼化钛涂艨，改善铝液对阴极的润湿性，焙 烧阴极温度分布均匀，阴极表颟温度梯度小。洁净炉底， 减少了沉淀的生成，降低炉底毽降。减少电解槽早期破损 的机率，延长阴极炭块的使用寿命。 对甯于电解槽热平衡不往引莛豁侧都破损稽，采用侧部炭 块煎塑法，重塑侧部炭块，平均延长侧部炭块的使用寿命 2 5 2 天左右。提高了电解槽寿命，减少大修耩费用及焙烧 启动费用，减少了电解槽停槽大修期间母线电流的空耗。 减轻了工入的劳动强度，改善了工入静工作环境。 燃油焙烧在7 5 k a 预焙槽上的试验，词改善阴极电流分布 和秀温速度，减小热应力静产生，改善焙烧璇量。 加强侧部散热，优化电解槽内衬结构，用干式防渗料替代 耐火砖和氯仡铝粉，翔氮纯硅络台酸化硅代罄普通翻都炭 块，保护糟侧部不受侵蚀，同时在不改变槽壳的情况下增 麴产量，延长禧寿命。 优化电解槽生产技术指标，保持平稳生产，稳定槽况。 关键词铝魄鳃楷槽龄，鞠极破损，硼化铁涂层，侧部炭块霾塑， 燃油焙烧 硕十学位论文 摘要 a b s t r a c t t h ea l u m i n u n l e l e c t r o l y s i s c e l li st h em a j o re q u i p m e n tf o rt h e p r o d u c t i o no fa l u m i n u m h o w t op r o l o n gt h ec e l ll i f ec o n c e r n sm o s t l yf o r t h er e s e a r c h e r si nt h i sf i e l d i ti so u rc o m m o nh o p et op r o l o n gt h ep o t l i f e a n dd e c r e a s et h ec o s to fr e p a i r i n ga n dp r o d u c t i o na n ds a v ee n e r g y b a s e d o nt h ea c t u a ls i t u a t i o no fg lc o r p 。，t h em e t h o d so np r o l o n g i n gt h ep o t l i f e w e r es t u d i e d ，a n dt h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w ： 1 、 a d o p t i n gt h et i b 2c o a tt oi m p r o v et h em o i s tt h e a l u m i n u m l i q u i d h a v eo ni t , w h i c hc a l lp r o l o n gt h ew o r k i n gt i m eo f n e g a t i v ec a r b o n b l o c k s 2 、f o rt h o s es i d e d a m a g ec e l l sc a u s e db yt h eh e a ti m b a l a n c eu s e s i d ec a r b o nb l o c k sr e m o l d i n gf o rp r o l o n gt h el i f e s p a n 3 、 f u e l i n gb l o c ke x p e r i m e n tw h i c h i sc o n d u c t e do n7 5 k a ，t o i m p r o v en e g a t i v ec u r r e n t d i s t r i b u t i o na n dr i s i n gt e m pa sw e l la s t h ep r o d u c t i o no f t h eh e a ts t r e s s 4 、s i d eh e a td i s s e m i n a t i o n ，o p t i m i z et h ec o n s t r u c t i o no fi n s i d e ，u s e t h ed r yp e r m e a t e - p r o o fa sas u b s t i t u t ef o rt h ep o w d e ro fa 1 2 0 3 o rt h ef i r eb l o c k ，a n du s es i n 3 一s i c 2t or e p l a c et h ea v e r a g es i d e c a r b o nb l o c k s w h i c hc a np r e v e n tt h es i d eo fc e l lf r o me r o d i n g t op r o l o n gt h el i f e s p a no f c e l l 5 、 o p t i m i z et h ep r o d u c i n gt e c hi n d i c e st ok e e ps t e a d yp r o d u c t i o n k e yw o r d s l i f e s p a n o fa l u m i n u r ee l e c t r o l y s i sc e l l ，c a t h o d e d e s t r u c t i o n ，t i b 2c o a t i n g ，s i d i n gc a r b o nb l o c kr e m o l d ，f u e l i n gb a k e i - = 程硕十学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 熔盐电解法是目前世界上生产金属铝的主要方法，铝电解槽是熔盐电解法 炼铝的主要设备。自采用电解法生产金属铝以来，随着科技的进步铝电解槽的形 式也有了很大的改进和发展，现代铝工业上使用的电解槽按阳极类型区分主要有 两种类型，分别为自焙阳极电解槽和预焙阳极电解槽。在这两种电解槽中，阳极 装置有很大的不同，但阴极装置却大同小异。电解槽的内衬均由阴极炭块、阴极 钢棒，耐火材料、保温材料，氧化铝粉等部分组成。 近几十年来，预焙槽的发展很快。为了进一步增加铝产量和降低能耗，许 多国家致力于电解槽的大型化和操作自动化以及有关工艺设备的试验研究，新建 成的铝电解槽大多为2 0 0 3 0 0 k a 的大型预焙阳极电解槽，最大的电解槽容量已 达到5 0 0 k a 左右。电解生产的电流效率也不断提高，已经达到了9 5 左右。电 解操作的自动化程度和劳动生产效率也日益提高。世界上最大和产量最高的电解 槽是法国彼施涅公司的a p 5 0 电解槽，槽长度1 8 米，电流5 0 0 k a ，槽日产量3 8 2 5 公斤铝，阳极效应为0 0 40 0 5 次日，这种电解槽投资成本比一般电解槽高出 1 5 ，生产成本降低1 0 ，和同样容积的a p 3 0 电解槽相比，每个工人的劳动生 产率提高3 6 。 进入2 1 世纪，随着现代大型预焙阳极电解铝技术的推广应用，使我国迅速 成为铝工业大国，我国铝工业已经得到了空前的高速发展，采用大型预焙阳极电 解槽生产技术的铝厂如雨后春笋般的兴建，2 0 0 0 年至2 0 0 1 年，一年的时间内， 大型铝电解企业就增加了十多家。原铝产量也得到了大幅度的增长，2 0 0 0 年的 年产量为2 9 8 万吨，2 0 0 1 年就增加至3 4 0 万吨，2 0 0 3 年达到5 4 6 万吨，而电解 铝产能己达到近8 0 0 万吨，已成为世界产铝第一大国；我国铝工业装备也迅速的 现代化，高能耗、污染大的自焙阳极铝电解槽系列被淘汰，小容量预焙槽也已远 远的落后了，大容量高效率的电解系列已成为电解铝工业的主体装备，如新建的 3 0 0 k a 系列电解槽已经达到1 0 条，产能近3 0 0 万吨。 目前，我国的电解铝工业装备虽然获得了长足的发展，但是由于设计及筑 炉材料、焙烧启动、电解槽的日常管理等因素的影响，大型预焙槽寿命只有1 2 0 0 天左右，个别铝厂达到2 5 0 0 天。我国铝工业电解槽的平均寿命仅为4 年( 1 4 6 0 天) ，有的铝厂电解槽的平均寿命还不到4 年。而国外电解槽的平均寿命达到3 0 0 0 天，正好是我们的2 倍，这是一个相当大的差距。平均槽寿命是铝电解生产中一 】。：程硕士学位论文第一章绪论 个很重露的技术经济指标，直接影响电解铝的生产成本。 1 。2 本课题研究的肉容 本课题铰攒锯毫熬揸邀解撼臻援酸按懿瑗象积极瑾、影蛹魄鳝疆羚愈豹霞 索及延长电解槽寿命的方法，主要研究电解槽阴极炭块硼化钛涂屡对槽寿命的影 峨，涂鼷在毫鲜壤中款蠢愈以及涂层禹魄鳃援的运行状援：薮型燃油烟气熄烧对 电解槽焙烧期闻阴极电流分布、阴极表面升温、阴阳极的氧化情况及启动后各项 攘标的影晚；对凌于电熊糖热平德不好g l 起侧邦炭块破损的电鳃横采用侧部炭块 蘑塑法煎塑阴极炭块，介绍了侧部炭块煎塑法的绦作及效果：优化电解稽的内衬 结构，改善电嬲横侧部散热，用氮化硅结合碳他旗掰型楗料代替传统的鼗通侧郝 炭块，阁干式防渗料代替传统的氯化铝粉和耐火砖层。 1 3 本课题磺究酶目的 通道上述采取一系列措施，w 来改善阴极炭块对铝渡的滤浸性，提高电流效率 和阴极炭块的使用时问；消除焦睾立焙烧引起的阴极内衬电流分布不均和热应力现 象，使阴极炭块在焙烧期间均匀嚣温；改善由于电勰槽热平衡设计问题藤弓l 起的 侧部散热不良现象，重塑侧部炭块；减少侧部厚度，改善侧部散热，更有利于炉 帮的生成，减少侧部炭块的破损。从丽延长电鼹糟的使用寿命，减少大修费用和 吨铝成本，提高电流利翊率，节约能源，提高金渡在市场的竞争力。为新技术的 避一步的推广积累经验。 ：t 程硕士学位论文 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 我国电解铝工业的现状及发展 2 1 1 我国电解铝工业的发展历史 新中国成立5 5 年来，我国电解铝工业有了长足的发展。主要经历以下阶段： ( 1 )以自焙为主的发展阶段。1 9 5 4 年1 0 月，抚顺铝厂开始生产电解铝， 采用前苏联设计的6 0 k a 侧插棒式自焙阳极电解槽形成第一系列，年产电解铝2 5 万吨，1 9 5 7 总产量达7 万吨。1 9 5 4 年至1 9 7 9 年的2 5 年间，我国绝大部分电解 铝厂采用的都是6 0 - - 7 0 k a 的侧插自焙槽，只有贵州铝厂和青铜峡铝厂采用8 0 f f a 的上插自焙槽，虽有对预焙槽的研究和试验，但不具代表性。电解铝总体技术没 有突破性发展。 ( 2 ) 自焙槽和预焙槽共同发展的阶段。从1 9 8 0 年至1 9 9 5 年，我国自行 设计并建造的1 3 5 k a 预焙槽和贵州铝厂引进日本诉1 6 0 k a 预焙槽，标志着大型预 焙化阶段的开始。从此，大型预焙槽技术被不断地消化、吸收和创新，有了较快 的发展，建立了贵铝、青海铝、苹果铝等大型预焙槽铝厂。 ( 3 )以预焙槽为主，逐步淘汰自焙槽的阶段。从1 9 9 6 年至今，随着我国 大型预焙槽技术的不断完善和国家环保政策的限制，自焙槽停止建设并限期关 闭，我国电解铝工业进入了以预焙槽为主的阶段。其特点是槽容量越来越大，从 最初的1 6 0 k a 到现在的3 4 0 k a ，自动化程度越来越高，新建系列都配备烟气净化 设备，生产操作和控制的自动化程度较高，属环保节能型企业。 2 1 2 我国电解铝工业的现状 随着我国国民经济的不断发展，铝作为基本的原材料，在工业中的应用越来 越广泛，使得电解铝投资不断加大，而大型预焙槽技术的成熟为电解铝工业的 发展创造了条件。止2 0 0 3 年底，我国共有电解铝产量5 5 6 3 万吨，产能8 3 4 万吨。1 ，为世界第一大原铝生产国。2 0 0 3 年，新投产的电解铝厂有1 2 家，都 是采用大型预焙槽技术。2 0 0 4 年，由于国家的宏观调控和电解铝工业增长过快， 电解铝工业出现了前所未有的危机。 我国电解铝工业呈现以下特点： ( 1 ) 新建电解铝产能全部采用大型预焙槽，提升了电解铝行业整体技术 水平。仅2 0 0 3 年，我国大型预焙槽在1 6 0 k a 3 5 0 k a 各类槽型，其中，2 8 0 k a 及 以上的产能达到1 7 3 万吨，1 6 0 k a 及以上大型预焙槽产能5 6 1 万吨，占总产能的 6 7 3 。自焙槽经过不断淘汰，生产能力逐步减少，占总产能的1 2 4 5 ，预计2 0 0 5 程硕士学位论文第二章文献综述 年底产能将有可能全部消失o 。大型预焙槽成为我国电解铝工业的主导槽型“。 ( 2 ) 薮建和扩建产能都以国内技术为主进行设计，大部分采用国产设备， 只有部分铝厂进口关键设备。从j 压几年的情况来褥，国内的设备和技术已经接近 戏达到国际先进水平。先进技术和设备的采用，大大提高了我国锅电解生产的技 术经济指标，上馓纪9 0 年代以前”，电解电流效率达到8 7 。5 是先进指标，而现 在，大型预焙槽的电流效率都在9 2 以上，有的甚至达到9 4 ，吨铝单耗也在不 断下降。 ( 3 )实行锚电联营，增强竞争能力，走规模化发展道路。在电勰铝生产 成本中，电费占很大的眈例，生产吨铝约需1 5 0 0 0 千瓦时左右电，电解铝厂只 有建立自己的自备电厂，取锝优惠的电力成本，才能降低吨铝成本，提商企业在 市场的竞争力。新建电解铝厂不但要优他自己豹资源配鬣，还要优亿产照结构， 迮规模化道路，才能使企业真正只有国际竞争力。 2 1 3 当前电解锚工业发展的突出问题 2 0 0 3 年我戮电解锘厂1 4 7 家，已超过全球冀德雷家铝厂总数。褪其平均窥 模较小，经营集约化程度低，技术装备水平较低，与跨国公司相比，我国铝厂 豹整体实力帮撬风险黥力弱显不足。奁国家产渡政策彝市场酌双重溺整下，电 解铝投资过热现象将得到控制，目前，电解铝工业发展主要有以下突出问题： ( t ) 怒力供痰紧张，电侩上澈导致一帮分铝厂生产陷入匿境 2 0 0 3 年1 2 月2 1 日，国家发改委为解决因煤炭涨价而对电价的影响，调节 逛力供求，决定摄裹电瓣电徐，并疆定了砖逛舞锱等毫g 耗金堑瓣往枣惫徐熬基 数，要求地方各级政府一律停止执行自行出台的高能耗用电优惠电价措施。 ( 2 ) 氧毯铝绘臻上涨， 亍鼗葶彗薤受援 随着国民经济的不断发展，对铝的需求不断提高，电解铝属于高投资、高回 摄行业，强内瞧麟铝产壤燕缀恢，氧 二锯熬发震已不2 满足裹逮发曩懿瞧舞铝， 因此从2 0 0 3 年底始，氧化铝价格不断上涨，至2 0 0 3 年5 月进口氧化铝港口价格 已达到5 4 0 0 - - 5 5 0 0 元人民币，达历史最离。出予氧纯锻馀格的上涨，原锯成本 提高，电解铝厂已无利润可言，有的甚至亏本经营。 由于受电力供应和氧化铝价掺的影孵，至2 0 0 4 年1 2 月底，全国共傍建产能 1 4 7 万吨，缓建产能9 0 万吨，2 0 0 4 年没有一个新的项目上马“1 。已有3 3 家电解 锅厂完全停产，4 8 家铝厂亏损，累计亏损额7 6 亿元。 ( 3 )大型槽槽寿命短，吨铝成本高 我国大型预焙横的平均寿命约为1 4 6 0 天，鹾困雏较先进的大裂预焙楗其寿命 阿达3 0 0 0 天左右，为崮内的两倍。近几年设计的大型预焙槽由于采用新技术， 4 ：i ：程硕士学位论文第二章文献综述 寿命设计值为1 8 0 0 天”1 ，与国外相比还有一定的差距。槽寿命已变成开发大电 解槽的难题”1 。由于大型预焙槽的大修费用高达几十万，使吨铝成本比国外高， 削弱了国内电解铝厂在国际市场的竞争力。 2 2 铝电解槽的生产与阴极破损 2 2 1 铝电解槽的生产原理 1 8 8 6 年，法国人保尔一埃鲁和美国人查尔斯一霍尔各自独立地发明了一种 炼铝方法，两人同时申请了专利，即为目前世界上采用的熔盐电解生产铝的方法， 是工业上唯一的炼铝方法，而且可以预见在未来，还没有别的方法可以代替它。 在霍尔一埃鲁法中，液态铝是由电解还原溶解在主要由冰晶石组成的熔融电解质 中的氧化铝而制取的。图2 一l 为铝电解槽生产的简图”1 。 电鼻厦 保叠层 图2 1 铝电解生产简图 在电解生产中，阳极为碳块，有两种基本的阳极设计形式。自焙阳极和预 焙阳极。预焙阳极是目前世界上普遍使用的阳极，自焙阳极铝电解槽由于污染严 重、能耗高而被淘汰。预焙阳极与自焙相比，产品质量较好，阳极碳耗减少。霍 尔一埃鲁法的典型特点是阳极是消耗的。阴极实际为铝液，但工业上把熔融铝和 阴极炭块整体称为阴极。铝在底部碳块上沉积，电流从铝液层导入底部碳块，所 以底部碳块刁是电解过程的阴极：因此，阴极包括底部碳块、钢质导电棒、铺在 碳块下面和侧部碳块背后的耐火砖层和保温砖层。 铝电解槽的电解液为熔融的冰晶石。电解原料氧化铝在熔融的冰晶石中溶 解，在强电流的作用下，发生电化学反应生成铝液，沉积在电解槽底部，当铝液 达到一定高度时，由真空抬包进行出铝。到目前为止，还没有新型的溶剂替代冰 晶石溶解氧化铝，或者在这方面有根本性的突破，但是可以通过添加剂来改变电 解质的成份，使铝电解的电流效率最高和能耗最低。 工襁硕士学 _ ：7 ：论文菊二二章文献综述 铝电解糟的阳极和阴极过程比较复杂，参与电化学反应的离子很多，总的反 褒式霹霉为： 2 a i 。0 ；( 溶鳃的) + 3 c ( 固) = 4 a i ( 液) + 3 c 0 ：( 气) 2 2 。2 毫瓣槽煞破臻凌蒙鞫萃踅莲 铝魄解过程中，理论土，在据毽条传下电簿獯辫鑫酉达 g 每袋i 8 霉双上。 据资料报邂8 1 ，电解槽如铝阳下形成韵琉穴深度，如桑以大于5 啪每年的遵度计 葵，按爨掇碳块表褥辍躐戮极键捺2 5 一- 3 0 锵计算，在只鸯歪鬻黪攒麓特臻下接 海命可遮5 6 年，僵实际上，工娥电解稽的平均寿命只肖3 6 年。这是因为阴 极碳块在热、逛、磁、浚体、力场的作爆下，不投承受磐转旋力巍痰 交的物理损 坏，蠲辩逐遭戮多种纯学葳应材料体积的变优鹃纯密。蜜践证明，几乎蕊祷韵电 鳏撰破损都是骥投破损号i 越姆。 在一般情况下。，当原镭中含鬟连续超过i 筠时，表示炭鞠裰滋严重破损：硅 食避超过0 0 6 9 6 时，边郝炭化硅融严重侵蚀，这时，电鳃攒裙 事横大修。 铝电辩稽斡玻揆现象可妇纳戏i o 静”：炭鞠辍中寄不少苏囱裂纹；炭麓辍 中商不少横向裂纹；炭阴极中有冲蚀坑，从槽底涌出铝和电解液；炭阴极屡状剥 落；炭骥辍国土隧怒著裂开；黼辍棒变薅，翔上隧怒，一帮分凝檄棒受镭液瘸镪； 檎底耐火砖和保温屡受电解质侵蚀，在中央部位生成灰囱层，此朦向上突超，灰 囱联串煮许多在晌气孔；在淡强辍的裂缝书存在诲多黄毽翁谈倦锻，在蕊辍鼗炭 块之间有渗下来的电解藤：边部炭炔或碳化硅砖爱空气氧化，或者鼹电解质和铝 滚酶狰瓣丽瘗攒，形成满稿瞧解袋和镪液的通遂，弓i 起漏沪；锈葳糟蠢两耱膨骚， 略呈椭圆形，底部钢板向下鼓出，甚至角部裂开。 匿2 2 缭愈了蓣楚耩菠掇酸摄滚糗酸损蒲撬鳆一黢黧案。 潦 _ 袤示肆藏蟪 鼙2 2 鞭嬉媾臻挺酸矮情境料 憩 ：翻鼙硕： ：学位论文 第二章文献综述 总的来说，铝电解槽阴极破损主要有炭缝裂开、炭块隆起和形成冲蚀坑“。 而阴极炭块破损的主要原因是炭块吸收钠和电解质，液态铝中的钠与炭块中的碳 作用生成嵌入化合物，使碳品格间距增大，炭块的体积膨胀，炭块易产生裂纹或 剥离。 一般工业铝电解槽的破损部位大多在槽底中央的纵向炭缝处。在炭块和炭 缝的交界处填充着黄色的碳化铝和灰白色的电解质以及金属铝。这主要是由于连 接炭块的碳糊在捣固过程中没有捣实以及碳块本身有裂纹，电解槽温度升高熔融 电解质和金属铝进入缝细中漏下，造成电解槽破损。 电解槽阴极炭块在电解过程中逐渐向上隆起，引起槽底破裂。铝电解过程 中，在阴极不仅电沉积析出金属铝，同时还会析出金属钠。电沉积极有可能伴随 阴极内衬的整个生命过程。阴极炭块隆起的原因是多方面的，其中最主要的是形 成了盐积。钠对阴极炭块的渗透在电解槽的启动初期最为强烈。这是因为在电解 槽启动时，先灌入电解槽的是熔融冰晶石电解质，电解质在向下渗透过程中， 一部分在炭素内衬结晶，使得炭素材料本身的孔洞缩小，填充碳块和炭缝，一部 分继续渗透到炭块下面的耐火砖和保温砖层。由于电解质的渗透，炭素垫和耐火 砖之间形成一层灰白层，其中部的厚度可达7 0 1 0 0 帆。该灰白层由熔融电解质 沉积而成。由于灰白层的沉积，炭块槽底更加向上隆起，而且中央部分隆起的更 高，结果使炭块槽底的中央纵缝劈裂，为铝液的渗漏创造了条件。金属铝与氟化 钠发生置换反应也能生成金属钠。钠沿炭晶格扩散并引起膨胀，在炭块内或在槽 底材料内的变化也会造成体积变化，使阴极炭块隆起“”。 当阴极炭块隆起高度增大时，会引起电流偏流和电压降增大，铝的纯度降低， 槽膛有效深度减小，造成生产操作困难。 因此，炭块的劈裂机理可归纳为：焙烧时产生裂纹( 存在于炭块的交界面上) ； 由于钠的侵蚀作用，炭缝变得疏松和破碎；由于炭块本身膨胀和隆起，炭缝终于 劈裂。 冲蚀坑就是电解槽底或侧壁上由于铝液的冲刷作用而形成的喇叭状坑穴，预 焙槽多见。电解槽一旦形成冲蚀坑，电流效率就会降低，而且容易漏铝。形成冲 蚀坑的原因可能是：首先是由于阴极炭块或炭缝中有裂缝；再次，高温铝液在电 解槽中不断地流动，当流经裂缝时，由于磁场、温度场和气流的作用，产生局部 的旋涡，铝液中夹有大量的悬浮的氧化铝把裂缝表面的一层内炭化铝磨掉，使裂 缝逐渐扩大形成坑穴，即冲蚀坑。一旦冲蚀坑与阴极钢棒相连，金属铁便溶解在 铝液中，使铝液中的铁含量不断升高，时间长了就有漏槽的危险。 另外，阴极炭块的机械磨损和焙烧启动过程中阴极内衬内部产生热应力， 使阴极炭块受到热冲击引起阴极炭块的破损。阴极炭块质量、捣固糊质量、电解 i 。：程硕士学位论文 第二章文献综述 椭筑炉施工质量及电解工艺水平蒋都能遗成稽寿命缩短。 2 3 影晌毫解攘阴极破损豹因素 锯电鳃壤戆嬲极内越是由炭块砌筑褥成的，内村楗糕的破坯最终会g l 起电惩 褙停槽大修。因此，影响阴极内幸寸使用寿命的因素，也是影响电解糟寿命的因素。 电鳃铝工渡发展到今，人们对电孵楗早期破损的原因和掇理作过大量的研究，造 成阴极破损的原因是多种多样的，主要怒电解槽的设计、筑炉材料和质量、电解 横的焙烧启动和网常生产管理。统计数掇表明。1 ，各主要影响因素及其在糟寿命 上所占比例大概为：槽型结构设计占2 0 ，筑炉工艺占2 0 ，筑炉材料占1 0 ， 焙烧启动方法占2 5 ，生产管理披术占2 5 。但在实际生产中，任一环节如现重 大失误可能导致电解稽韵早期破损，电解稽的早潮破损又是多种搿素共同作用翰 结果，所以对于电解槽的早期破损，要舆体问题具体分槲，不能一概而论。 无潮煤炭块的磨损一般每年为o 5 1 5 ，按此计算其寿命至少为l o 年， 但在实际生产中并非如此，其寿命比较短。这主要是设计的误差和施工、材料、 络烧、启动帮操作方面酌原因，实践证磷，启动方法和生产操作对稽寿命舶影确 蠼大。 2 3 1 电解槽的物理场设计对电解槽的影响 - 很好的磁场设计是延长电解稽寿命的基础。研究表明，铝电解槽内的物理场 对于槽内衬寿命的影响十分明显。电解槽内电解质和铝液由于受到槽内电流场和 磁场的相互作嗣产生的魄磁感应力的作爝丽发生旋转运动，镧部炉帮受到高温 熔体的冲刷而被熔解，如果熔体速度沿横周边分布不均匀程度较大，将会造成局 部妒帮大能形戒，甚至遵人造伸褪也被冲蚀，这样势必造成电解耩的早麓破损。 现代化电解糟物理场包括电磁场、热场、流体场在内的各物理场优化基础上 豹统一饶纯的搦疆场体系。热场饶纯研究直接关系餮妒憩静平稳形成靛最往静节 能效果，使电解槽在最健的热平衡状态下自然形成炉帮。优化流体场的设计，确 定萁最稳运行状态，经减少铝懿二次损失熬奄能损失；力场瓣设诗优纯可戳篌电 解槽达到最佳力平衡，防止因受力失衡引起槽内衬寿命的减少。传统的电解槽没 商物理踢瓣铙琵设计，警致电磁场静无_ 跨：分布，锈滚滚遴、隆超熬波裁大，炉毖 不能形成最佳的平稳状态，槽结构受力平均衡，影响电解槽的节能降耗和内衬寿 念。 2 ，3 2 电勰槽筑炉材料鲋电解槽阴极早期破损的影响 铝电解槽的筑炉材料包括阴极炭块、侧部炭炔、防渗材料、炉底保温砖、耐 ： 稿i 垂堂堡丝苎 第二章文献综述 火砖江及粘接炭块的糊料等。每一种材料质量的好坏都将影响电解槽的筑炉质 量从而影响电解槽阴极寿命。 9 3 2 1 阴极炭块的影响 欧美各国一般把电解槽阴极炭块分为三类。4 ：为无烟煤炭块，即以电煅烧无 烟煤为基础，含有一定数量( 通常小于1 0 ) 的石墨碎的炭块，也有的制造商不 加石墨，全用电煅烧无烟煤为骨料制造阴极炭块；第二类为石墨型炭块，或叫半 石墨型，即以电煅烧无烟煤为基料，加2 0 、3 0 、5 0 的石墨碎，没有经过石墨 化、仅经过1 2 0 0 。c 焙烧的炭块；第三类为石墨化炭块，即以石油焦或沥青焦为 骨料加上沥青成型经焙烧和石墨化的炭块，石墨化温度超过2 5 0 0 。c 叫全石墨化， 石墨化温度在2 3 0 0 左右的叫半石墨化。我国把第一类炭块称石墨质炭块。三 类炭块的比较如表2 1 。 表2 1 阴极炭块性质对比表 电解过程中阴极炭块因钠渗透导致的膨胀1 图2 3电解期间阴极炭块因钠渗透导致的膨胀 a 一无定形b 一半石墨质c 一半石墨化 d 一石墨化分子比为4 0t = 9 6 0 9 8 0 。i ：程硕士学位论文 星三兰兰献综述 内衬材料的性戆与设f 选誊| 对电解槽淹命降低的影响，主要蠢默下艨嚼： ( 1 ) 热冲击阴极炭块的破裂或裂缝是电解稽内衬早期破损的主要原 因，特别是无烟煤炭块在直接采耀电阻加热的方式更为严菔，丽在石墨含爨较高 的阴极炭块上由予电流易得到均匀分布，所以发生此类问题的趋瓣减少。 ( 2 )扎缝底糊的裂缝出于糊料粒度配比不当和及糊温度不当，必然 引起底糊与炭块间产生裂隙，致使铝液渗漏。 ( 3 )钠的膨胀特别是无烟煤炭块，在钠的影响下膨胀系数达1 5 ，而 石墨炭块仅为0 2 左右，褥加上0 3 o 编酶炭块自膨涨，炭块必然破裂或捡起。 所以，槽壳的设计要有足够的强度，并选用对钠的膨胀影响最小的阴极炭块，以 减小钠膨胀豹影响。 ( 4 ) 阴极炭块与阴极钢棒的连接：“”阴极淡块与钢棒的接触处，主骚是燕 嚣稽到麓极表面的垂直鼹离，这麓电解稽早簸破旗静原因之一。邃主要蘧瘀瘫衬 材料引起的。 ( 5 ) 铡帮的痰搂对予大型锫魄解稽采漭，铡帮豹溪损也是影酾其寿 命的一个主要原因。一般情况下，侧部由于氧化而引起的烧损主鼹有经下原因： 铡部傈滋过强，生成豹淡证锯或镶帮结壳殛纯壤铡零浇攒。 阴极钢榉与槽壳问孔没有封好，空气从阴极棒孔进入侧部炭块的后面， 氧纯了爨帮炭块。 侧部炭块从上部氧化 键邦炭块麓裹攒壳囊内簇瓣，造成姨镄轰内部氧铯炭头。对于铡都炭块 的氧化，可以用炭化硅砖代替侧部炭块，而对于a 和d 则没有办法解决。 ( 6 )骥投庶部醵壤损大型铝电瓣撼弱投炭块豹壤按也是 掌严震戆， 主要是幽于生成炭化铝和自然磨损两者共同作用的结果，其中阴极炭块石凝含量 越裹，其瘗撰越严重。 2 3 2 2 耐火保温材料 电然横炉底保温主受靠保漫楗辩来遴行倮湛，一旦保滠材料受到电解质或铝 液的腐蚀，其保温性能将发生变化。因此改变保温材料和耐火材料的性质，将影 蟋铝电魑毂经济指标和横寿命。理想的筑炉毒毒料应是即不与电解膜或铝滚发生反 应或溶解，又能阻止液态铝或电解质渗漏其中。在实际生产中，筑炉材料和电解 质发生发应，反应的生成物只要能阻止液态铝或电解质继续渗漏就行，任何可以 减弱生成物与电解质的反应及提高生成物与电解质共晶点的途径对提高簖渗材 料的质量都是有豢的“。 、 ：i ：程硕十学位论文 第二章文献综述 2 3 2 4 阴极捣固糊料 电解槽阴极渗铝大部分是在炭块缝隙间，这主要是由于阴极捣固糊不能承受 槽内的化学和热学、机械作用“。生产实践证明“，当槽底变形时，首先阴极炭 块间的捣固糊遭到破坏。由于捣固糊的理化指标和施工方法的不当，使捣固部分 结构产生缺陷，造成停槽，是电解槽寿命较短的一个重要因素。捣固糊影响槽寿 命的主要指标是其电解膨胀率，这是反应捣固糊抗电解质侵蚀能力和指标，目前 大都使用无烟煤质原料来减小电解膨胀率。另外，捣固糊的加热温度、捣固压力 的大小、捣固角度也对捣固质量有一定的影响。 2 3 3 电解槽内衬筑炉施工对电解槽阴极早期破损的影响 电解槽内衬筑炉施工质量对其寿命有直接的关系。好的施工“，可以使槽内 衬较好地达到设计要求，就好比好的裁缝做出的衣服做工精良、耐穿一样。除施 工经验外，对施工规程、施工方法进行研究，探讨有益于延长槽寿命的施工方法， 制定严格的施工管理和质量检验规程也是很重要的。关铝公司原6 0 k a 自焙阳极 铝电解槽，同一筑炉施工规程由两个不同的施工单位进行筑炉，槽龄相差最大的 为3 年。可见，施工质量的好坏对电解槽寿命的影响有多严重。 2 34 焙烧启动方法对电解槽阴极早期破损的影响 2 3 4 1 铝电解槽焙烧的目的 铝电解槽焙烧即铝电解槽由室温状态到电解状态( 9 5 0 ) 的过程，是铝电 解槽的必经阶段，焙烧的目的：焙烧阴极，通过焙烧使阴极炭块之间炭糊进行烧 结，使阴极成为一个整体：排除内衬中含有的水分，因水分在高温内衬中易形成 气体，如不及时排出，则会在启动期或生产期使内衬产生膨胀，造成内衬漏洞； 均匀升高内衬温度。在焙烧过程中使内衬按不同层次、一定梯度均匀升温，以满 足正常生产之需要。均匀升温不致在内衬中产生过大的温度梯度，在内衬中产生 均匀的热应力，避免形成内衬早期破损。焙烧是电解槽最关键的操作之一，其质 量好坏不仅影响电解槽的运行，而且直接影响其寿命。也就是说直接关系到铝锭 的生产成本，关系到企业产品的竞争力。在许多铝企业形象地将这一阶段比作电 解槽的“分娩婴儿阶段”，需要特殊的精心呵护。 2 3 4 2 电解槽焙烧的方法 目前，在国内外通常使用的焙烧方法大致有四种：即铝液焙烧、焦粒焙烧、 石墨焙烧和燃料焙烧。其中前三种焙烧方法属于电热焙烧，即在通电的情况下， 通过电阻发热作为内部热源来加热整个电解槽内衬；燃料焙烧属于热焙烧，是二 十世纪八十年代刁开发出的新技术，该技术是采用外部加热的方式，例如，燃烧 王堡堡主堂垡笙塞 璺三翌兰堕堡堕 液体燃料或气体燃料，通过使用一定的装筒和设备，使热艇从电解槽阴极的上表 嚣囱其内部簧递寒完成燃烧。 铝液焙烧是灌八高濑铝液后通以直流电，利用铝液和阴、阳极碳块在通以直 流电状态下产生的焦尔热来焙烧电解攒。啦于铝的电阻较小，故产生的热璧较低， 因此，般大型预焙槽的焙烧时间为7 8 搔夜a 铝液焙烧电瓣檀的筠图如图2 - - 4 所示。 s 矗建卷 卜 i 2 3 4 1 一秘极母线，2 一冰晶石保温赞，3 一鹚投 4 一电解质和冰晶石粉，5 一铝液，6 一槽体 毽2 4 铝液焙绕电解穗麓毽 这种方法的优点是操作简单、过程平稳，不需要增加任何其他临时设施； 焙烧螽，电鳃禧内敕渥寝分毒虽然不均匀，毽不会塞现严重夔弱极蜀部避燕戆瑷 象：由于阴极的农面覆盏一层铝液，因此在焙烧过程中，阴极碳块不会被氧化； 霹| 冀使怒邦分袁残电投熄娆，有剥于降低生产戏本，启动蜃电鼹厦洼净无夹杂， 省工省料。 锯滚焙烧的缺点：羲先铝液焙嶷感动法隧镪液鲍邀疆小丹潺馒，烙烧时闻 长，造成焙烧过程能耗较高，效率较低。其次，铝液焙烧启动法对电解槽寿命影 响磺究表明：其致命缺点就是镪液首先与骥极表露接触，在焙烧过程中阴极表磋 产生缺陷和细小裂纹，酋先由金属铝液充填，由于金属镏的热胀冷缩作用以及电 鼹湿度的变化，渗透阴极细小裂纹中的金属铝凝固和熔化的交蛰作用，会进一步 使细小裂纹扩大，加速锅液渗透作用，造成铝液避入内衬中而导致电解槽早期破 损m ，。另外，焙烧温度低也给阴极扎缝糊和边部扎固糊遮成焙烧篡：彻底，启动后 升温剧烈，升温梯度过大，造成较大的内应力役巢产生裂缝，金属铝液进入裂缝， 进两破坏电解横的热平徽，使金属铝的热胀冷缩作用以及电解温度的变化的频率 加快，葳过来加速铝液渗透作溺，造成电解稽早期破损或寿命较短。铝液焙烧法 对电解糟寿命的影响比较大，故现在铝液焙烧法逐步被淘汰。 焦粒( 粉) 焙烧法焦粒焙烧是在龟解槽的阴极炭浚上预先铺上一艨焦粉， 坐上阳极，通上直流电，靠焦粒本身电阻发热卷焙烧 骣极。 ：l ：程硕十学位论文第二章文献综述 在验收的电解槽上，在阴极底部碳块上铺一层炭粒( 粉) ，然后坐上阳极碳 块，使电解槽阴阳极通过炭粒( 粉) 接通形成电流回路，通以直流电，靠炭粒( 粉) 本身的电阻以及电解槽的阴阳极碳块本身电阻产生的焦耳热来实现对电解槽的 焙烧一。 炭粒焙烧法的简图如图2 5 所示： 1 一螺旋卡具2 一阳极横母线3 一连接软母线4 一隔热盖5 一补强焊缝 6 一冰晶石卜一钢板8 一炭粒层9 一阳极导杆1 0 一中缝 图2 5 炭粒焙烧示意图 其特点是：由于焦粒( 粉) 是自由装入的，只经过阳极碳块靠自重将其压 实，故电阻较大，因而焙烧速度快，可以实现快速投产，焙烧时问7 2 小时炉底 温度即可由常温升至9 0 0 。但因焦粒( 粉) 是通过阳极碳块自重压实的，存在 有焦粒( 粉) 压实程度不一样，造成电阻不一样进而使电解槽阴阳极电流分稚不 均匀，以及在焙烧升温过程中热胀冷缩的效应使电流分布越不均匀，使电解槽局 部升温过高造成热应力集中导致电解槽阴阳极碳块产生事故，造成电解槽破损或 阳极碳块脱落。 针对上述情况，对焦粒( 粉) 焙烧进行改进采用新型焦粒焙烧启动方法： 焙烧槽按比例铺上粒度为1 5 m 的焦粒3 c m ，阳极导杆与槽上阳极大母线采用 软连接，阳极大母线与进电端立柱母线采用分流器，阳极碳块四周用冰晶石混合 料覆盖，随后通电焙烧，焙烧7 2 小时往槽中灌入液体电解质进行启动。 其技术特点：采用软连接技术，使阳极碳块在焙烧的过程中可以有效化解 因其热膨胀而产生的位移，使电流分布趋向均匀。采用了分流器，使电解槽焙烧 电流逐步升全，减少全电流对电解槽的冲击，同时实现了方便拆卸和多次使用的 效果。因采用焦粒做填充介质，焙烧电阻大，温升过程较迅速，即焙烧时间短： 同时焙烧结束时温度较高”“。 新型焦粒焙烧启动法需要安装软连接和分流器，在电解槽阴极表面需要铺 装焦粒，故此种方法与铝液焙烧法相比：装炉、通电过程复杂，中途需要拆卸分 i ( 挥硕士学位论文 第二章文献综述 流器；工人劳动强度大，焙烧结束启动时需要将炭渣捞出，面i 临1 0 0 0 的电解 矮液体捞炭渣，劳动环境 豢茇。 这种焙烧方法的特点是阴极从常温状态逐步升温，避免了韬液的热冲击， 优先形成豁电解质填入在嚣温过程中阴极表面的裂纹和缺陷中，褥苇于预防电解 槽的早期破损。加之此时电解质分子比较高，一般在重量比1 - 4 以上，因此，将 有效地的阻止正常电解过程铝液渗透，对阴极起麓保护作用，也就是说对电鳃槽 淹命产生有利的影响。具有时间短、效率高、对电解槽寿命产生有利的影响等， 褥加上大型预焙铝电解槽的快遽撰广应用( 并已境自焙锅电解槽淘汰) ，新型焦 粒焙烧扇动法迅速在全豳推广应用，已取代了锅液焙烧。 但此法的缺点是：炭粒锚垫不均匀致，致使电流分谁不均匀，一般体现两 灞电流密度大，中间电流密度小，导致两端熟而中间冷，内衬温度呈“龃”形分 稚，在内衬中可能产生温差应力和膨胀不均匀的现象。此外，该法升温速度快， 平均羿漱速度为1 3 2 4 ，h ，局部升温速度达到7 6 c h ，对内衬菊较强韵热冲击； 其最大的缺点是电解槽焙烧过程中，电流分布不均匀，没有办法进行调整使电流 分布均匀，我公嚣j 在7 5 k a 预涪锈毫解稽焙疵嚣寸梭溺发现，因毫流分布不均匀造 成温度分布很不均匀，在7 3 0 m m 的距离一匕阴极碳块表面温差达到6 0 0 。c ，而且非 常普遍。焙烧遗程中宅瀛分布不均匀，戮辍炭浚升温梯度大，旋块阉静滚差大， 不易调撼，产生的热点易造成应力集中丽影响槽海命。 燃气戆浇怒稳嗣燃精燃浇系统帮瀣发控铡系统泉络浇毫簿穰，不鬻逶壹浚 电。需要燃料燃烧系统和温度控制系统朱焙烧铝电解槽；随后灌入液体电解质， 遥壹滚奄送行癌麓。魏法是近卡足年来发震起来懿一释耨憝焙绕方法。，燃糕磐 烧法简图如图2 6 所示： 图2 6 电解槽燃料焙烧装置圈 美国、挪碱等国先后对燃料焙烧避行了试验研究并获得成q 土为。与电阻焙烧 相比，燃料焙烧提供了更好的预热控制。因此燃料焙烧怒很好的预热铝电解槽的 ：| = 程硕士学位论文第二章文献综述 方法。通过热的对流和辐射，燃料焙烧能显著地改善阴极上表面的热分布。这就 能确保电解槽的内衬能被完全焙烧，使得电解槽能够更平稳、更快地启动和延长 电解槽的使用寿命。在最近采用的电解槽的焙烧技术中，许多厂家都倾向于使用 燃料焙烧作为优先选择的预热方法。 国外的燃料焙烧使用的燃料是燃油或者液化石油气。使用燃油焙烧的燃料 焙烧系统包括一个燃烧器，一个喷油嘴和供油系统、空气管和燃油管；一个控制 装罱，控制热电偶和绝热罩。调节预焙阳极为燃烧提供燃烧空间，把燃烧器放在 适当的位置，以保证在碳块表面上有最大的热气流循环和最小的火焰冲击。焙烧 完成时，关闭燃油( 空气) 的供给系统，移开燃烧器和绝热罩，下降阳极，使阳 极恢复到电解槽启动的位置。向电解槽内灌入熔化冰晶石的同时，通电启动电解 槽。 通过使用上述焙烧方法焙烧电解槽阴极后发现，在焙烧过程中，阴极表面 温度上升均匀，温度上升速率接近于预定速率：阴极断面的温度梯度最大达到 4 0 0 m ；在阴极的全长上，阴极底面温差一般小于4 0 ”。 综合国外的焙烧技术来看，此方法的优点是：容易控制加热速度，焙烧过程 中阴极表面升温均匀缓慢，阴极表面温度均匀；升温梯度小，内衬产生应力小， 焙烧后并没有发现阴极表面有裂缝出现；对边部扎糊的焙烧能达到其它焙烧方法 无法达到的效果；启动时先灌入的是电解质而不是铝液，能填充充阴极表面的裂 纹和缺陷；启动后电解质洁净，也不需要捞除碳渣。实践证明，为了延长电解槽 的寿命，燃料焙烧的方法是最理想的。缺点是操作复杂，需天然气等燃料和燃烧 器，焙烧过程中阴极表面氧化严重，捣固糊缝易燃烧。为了避免阴极氧化，采用 在阴极表层铺设耐热钢板，这些装置的设置，一方面阻止了燃烧的高温烟气对阴 阳极的热传输，使燃料焙烧的优势不能充分发挥，另一方面需要大量的机械和相 应的配套设备来达到控制阴极碳块及扎缝和边部扎糊的燃烧，使操作进一步复 杂。这些缺点削弱了燃料焙烧的优势，影响其大范围推广。 启动对电解槽寿命的延长是很重要的。在这段时间内“”，电解质加入阴极槽 膛，提高阴极底部温度，钠开始浸入阴极炭块，槽电压逐渐下降，炉帮结壳开始 形成。启动时，电解质中不能含有铝液，保持恰当的电解质成份，及时加入铝和 监控槽电压。如果加入的电解质中含有铝液，则会渗进阴极炭块在焙烧过程中形 成的细小裂纹中，为以后的漏铝埋下隐患，而电解质会填充裂纹中并将其封闭， 杜绝了铝液的渗入。 试验证明，启动开始时将电解质成份调到中性有利于延长电解槽的寿命。理 论上，钠渗透增加，封闭了阴极炭块的裂纹，从而保护了阴极。然而，电解槽在 高电解温度下操作，生产度较低，现代化的预焙阴极，将电解质调到中性对其寿 。c 程硕士学位论文第二章文献综述 命没有影响。采用低分子比的电解质，随之是低的电解温度，有利于炉帮的生成， 这与裹分子电解腰带寒阉样蜓效果，印延长阴极的使用寿命。 实验证明懈3 ，在低温下，钠的侵蚀严蘑，反应生成物多，阴极炭块的膨胀率 大。当瀣度高于8 5 0 c 时，碳吸收钠减少，生成的碳钠他食物较少且易于分解， 膨胀率变小，破损程度降低。所以启动时阴极底鄢温度避免过低，应在8 5 0 c 以 上。加入的电解质温度也不能过低。加入锅液的时闻应控制在启沙2 4 小时以后， 让电解质充分渗入阴极淡块的裂纹中，同时更好地焙烧鞠极糊。 2 3 。5 邀瓣攮懿瓣豢操 睾霹臻掇翠鞠酸搂戆影弱 电解槽的同常操作最终决定槽寿命的长短。一个很好的阴极设计、优良的 筑妒楗辩、高蔟豢豹藐工质量帮戆烧癌动方法，魏采磊麓操 荤不始，也镀滚达虱 高寿命的目的。 ( 1 ) 乎稳鲍供瞧毒度 平稳的供电制度是电解生产所必须的，电流过高或过低都会：觑接或间接地影 峨电孵攒的破损，各静热差冲击易使阴极炭块产生裂纹，阴极钢棒变形，最终g l 起电解楷手破损。 ( 2 ) 稳煦电鼹潺度 电解温度离低既影响电流效率，以俸用于电解槽的内衬结构，高温下难生成 炉帮。攒温高捣因糊固化收缩变化大，也为电鳃质和钠的侵入创造了条件；槽温 低，一方面加强阴极对金属钠的吸收，弱一方面也通过影响炉越等间接起作用。 所以电解温度在生产过稷中是十分关键的因素，必须保持平稳。 ( 3 ) 加工制度和规整的炉隧 加工制度的合理化装现在阳极效应系数和炉臆的规婺程度上，而三者以又是 相互 乍嗣的。爵的加工制度，保证槽中氧纯铝完全溶解又不至予发生阳极效应， 归根到槽底没有沉淀的生成，炉底压降小，电流效率升高，炉帮结壳良好、规整， 电解槽生产稳定，减少人为遗干抗，电解稽燕平衡不易破坏，从孺延长了寿命。 如果制度不好，加入和氧化铝要么沉在槽底，增加炉底厦降，要么电解槽缺料， 弓| 发阳投效应，皴坏电辩稽魏热平衡，潮速穗肉瓣酌破损。 ( 4 ) 分子比的控制 分予酌控毒l 不麓忽裰，低静分子篦魏解囊呈黢萑，霹减少金麓钠对鞠极懿镘 蚀。 妥羚，还要减少病戆静警瓒，实践淫明，瘸撩弓l 莛掰极破攒褥辊率较离，在 异常槽中碳化锱的生成燮为敏捷，从热力学的角度看，商温下碳化铝更易生成， 特别是奁沉淀中，在热援、器稽、滚锈，攘中炭大量生成，鸯瑶重对弱辍蠹瓣熬懂 蚀。 ：l ：程硕士学位论文第二章文献综述 为了说明操作对槽寿命的影响，c l e l l a n d 等人检查过高电压对因电解槽侧 部内衬损坏而停槽的影响。如图2 7 所示“7 1 ： 图2 7 电解槽