（机械工程专业论文）铝电解槽破损分析及槽壳改进设计研究.pdf

摘要铝电解槽是电解铝工业中重要的生产设备，电解槽寿命的长短，不仅关系到大修费用、铝的产量和质量，更关系到铝的成本和整个铝企业的效益。本文介绍了我国铝工业电解槽槽壳演变的历史及进程。通过对电解槽破损早期征状的特征及典型槽破损的类型的观察总结，深入到破损原因的分析，得出了电解槽破损主要是阴极内衬和槽体破损的结论，并提出了阴极破损的主要几种情况。根据中铝青海分公司投产十几年来1 6 0 k a 电解槽破损情况的观察，并对2 0 0 1 年大修的部分电解槽槽壳变形尺寸进行了测试，据此描述了槽壳变形情况。利用解析法和数值分析方法，对1 6 0 k a 电解槽的结构进行了受力分析，计算了槽壳的向外挠度。并在此基础上，提出了种新的结构设计方法，不但使得槽壳的挠度减小，而且使得最大应力下降。采用新的结构设计的电解槽已在青海分公司投入实际生产，经3 年来的使用，效果良好，证明新的结构能有效的延长铝电解槽的使用寿命。关键词铝电解槽，槽壳，破损，变形a b s t r a c te l e c t r o l y t i ct r o u g ho fa l u m i n i u mi sa ni m p o r t a n tk i n do fp r o d u c t i v ee q u i p m e n ti nt h ea l u m i n i u mi n d u s t r y t h el i f e s p a no fe l e c t r o l y t i ct r o u g h ，n o to n l yc o n c e r n so v e r h a u l i n ge x p e n s e s 、a l u m i n i u mo u t p u ta n dq u a l i t y ,b u ta l s oc o n c e r n st h ec o s to fa l u m i n i u ma n db e n e f i to ft h ew h o l ea l u m i n i u me n t e r p r i s e t h i sp a p e ri n t r o d u c e so u rn a t i o n a le l e c t r o l y t i ct r o u g hs h e l lo fa l u m i n i u me v o l u t i v eh i s t o r ya n dc o u r s e ，b yo b s e r v i n gt h ef e a t u r eo ff o r e p a r tt r o u g hb r e a k a g ea n ds u m m a r i z i n gt y p i c a lt y p e so ft r o u g hb r e a k a g e ，d e e p l ya n a l y z i n gt h ec o u r s eo ft r o u g hb r e a k a g e ，s ow ec a ng e tt h er e s u l t so ft r o u g hb r e a k a g ew h i c hc a u s eb yt r o u g hl i n i n ga n dt r o u g hb o d yb r e a k a g e ，a n dg i v es e v e r a lp r i m a r yi n s t a n c eo ft ( o u g hb r e a k a g e t h i sp a p e rd e s c r i b e sd i s t o r t i o no ft r o u g hs h e l lb yo b s e r v i n gt h et h i n g so f16 0 k ae l e c t r o l y t i ct r o u g ho fa l u m i n i u mb r e a k a g ew h i c hp u ti n t op r o d u c t i o na tq i n h a ia l u m i n i u ms m e l t e ro fc h l c oi nap e r i o do ft e e n a g ey e a r s ，a n db ym e a s u r i n gt h ed i s t o r t i o ns i z eo ft r o u g hs h e l lw h i c ha r ep a r to fh e a v yr e p a i re l e c t r o l y t i ct r o u g ho fa l u m i n i u mi n2 0 0 3y 6 a r b yt h ea n a l y t i cm e t h o da n da n a l y t i c a lm e t h o do fn u m e r i c a lv a l u e ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h es t r e s so f16 0 k ae l e c t r o l y t i ct r o u g ho fa l u m i n i u ma n dc a l c u l a t e st h ec a m b e ro ft h et r o u g hs h e l l b a s e dt h i s ，w ep u tf o r w a r dak i n do fn e ws t r u c t u r ed e s i g nm e t h o dw h i c hn o to n l ym i n i s hc a m b e ro fb o u g hs h e l lb u t - a l s o - r e d u c e m a x i m a ls t r e s s ，t h et r o u g hw h i c ha d o p t e dn e wd e s i g nm e t h o dh a sp u ti n t op r o d u c t i o na tq i n h a ia l u m i n i u ms m e l t e r ，一p a s s i n g3 - - y e a r su s a g e ，t h en e ws t r u c t u r ec a ne f f e c t i v e l yp r o l o n gt h el i f e - s p a no ft h ee l e c t r o l y t i ct r o u g ho fa l u m i n i u m k e y w o r d s ：e l e c t r o l y t i ct r o u g ho f a l u m i f i i u m ，s h e l lo fe l e c t r o l y t i cb o u g ho fa l u m i n i u m ，b r e a k a g e ，d i s t o r t i o n。硕士学位论文第一章绪论第一章绪论铝是国民经济的重要原材料，8 0 年代以来，由于我国经济的高速发展，铝和铝制品的消费量有了较大的增长。因此，铝加工业得到了很快的发展，而铝生产的一个重要生产设备是铝电解槽。由于槽寿命的长短，不仅关系到大修费用、铝的产量和质量，更关系到铝的成本和整个铝企业的效益。因此，如何延长槽的寿命已是一项相当紧迫的任务，而决定槽的正常使用寿命的主要因素是电解槽槽壳的破损。影响槽寿命的因素是多方面的，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，认为设计、材料、筑炉、焙烧启动、操作五个环节的相对重要性百分数为设计2 0 ，材料l o ，筑炉2 0 ，焙烧启动2 5 ，操作2 5 。本文仅对槽破损的机理进行分析，并根据青海分公司电解槽的状况，对槽壳结构进行了研究分析，在此基础上提出槽壳改进的方案，使改型后的槽壳结构更趋合理。1 1 电解槽槽壳演变的历史及进程一、4 0 5 0 年代从无到有我国铝工业从4 0 年代日本轻金属株式会社在东北抚顺建设铝厂开始。当时槽型为2 4 k a 自焙阳极电解槽。槽壳结构( 见图卜1 ) 为型钢钢板结构，有底框架式。5 0 年代初，从苏联引进了6 0 k a 自焙阳极无底电解槽。所谓无底是指槽壳本身没有底，只有一个钢制外套，靠埋入图1 - 12 4 k a 有底框架式槽壳图1 - 2无框电解槽1 一槽壳；2 ；槽沿板支架；3 侧部碳块；4 阴极棒；5 - 底部碳块图1 3 工字钢结构无底槽壳5 底部碳块；6 - 耐火砖；7 红砖；8 地脚锚；9 7 1 0 一f、一一一卜一硕士学位论文第一章绪论基础内的地脚锚将其固定在红砖和耐火砖砌的基座上，其结构见图卜2 。外套有两种结构，一种为槽钢结构( 见图卜2 ) ，另一种为工字钢结构( 见图卜3 ) 。槽钢结构的槽壳其上下均有用两根槽钢组成的钢箍，中间用槽钢和钢板联结，上下为等强度。工字钢结构为上部有4 根焊在一起的工字钢，下部只有一根槽钢，中间用钢板联结。从槽壳受力情况来说，后者比前者合理。无底槽壳的优点是用钢量少。一个6 0 k a 的钢壳只有6 - 8 t 。同时由于槽底保温好，因而沉淀比较少，槽底电压降也小。但是由于在生产过程中槽壳受力后产生上台( 其原因下节祥述) ，生产5 6 5 5 个月后地脚锚拔出，在大修电解槽内衬的同时要修正基础，增加大修工作量，延长大修时间l 倍以上，经济损失较大。因此后来在原有框架结构的基础上增加了槽底，成为框架式有底槽壳，一直沿用至今。二、5 0 年代末6 0 年代初的情况由于钢材奇缺而又急需提高铝产量，曾出现过砖砌电解槽，即用红砖砌成电解槽槽壳，其结构见图1 - 4 。用红砖砌成一个个拱形，利用红砖的耐压特性来克服内衬对槽壳施加的压力。视槽壳的大小，每侧一拱或多拱。拱角处设混凝土立拄4 ，并用横梁2 支撑在母线沟墙壁上，以阻止砖拱外 l移。铸铁槽沿板l 用地锚5 固定，以阻止侧部碳块上移：当时曾用这种电解槽修建了郑州铝厂和山东铝厂一个系列，包头铝厂半个系列。全国新建的地方小铝厂几乎全部采用砖砌槽壳。图1 4 砖砌电解槽槽壳1 槽沿板：2 - 混凝土横梁；3 - 角钢箍；4 - 混凝土立拄；5 地脚锚：6 - 红砖拱；7 - 耐火砖；8 - 红砖一由于红砖保温性能好，电解槽侧部不结炉帮，再加上缺少氧化铝，采用铝矿石粉直接电解，电解槽槽膛内的电解质象煮粥似的沸腾。在这种情况下，砖壳寿命仅维持不到一年( 有的长些，特别是小槽子更长些) 便四分五裂。后来这些厂都将砖槽拆除，改用有底框架式槽壳。三、7 0 年代电解扩容簧一一一一一一硕士学位论文第一章绪论在7 0 年代，随着电解铝容量不断扩大，原有的框架式结构使用的型钢号越来越大。当时1 0 0 k a 的实验槽槽壳其型钢号己用到1 4 5 ，再大则槽壳太重，组装困难。所以新开发的1 3 5 k a预焙阳极电解槽槽壳采用了臂撑式结构。其形式见图卜5 。每侧有8 根臂 二：厂_ ! 卜虿 卜型曩i图1 - 5 臂撑式槽壳o s k a )1 槽壳；2 - 臂撑；3 - 拉杆撑，中间4 根放在两组碳块之间，其余的每隔两组碳块放一组。槽壳上部设一大型槽钢。长边纵向焊有小型型钢，以增加臂撑间槽壳的刚性。我国抚顺铝厂及包头铝厂都采用了这种结构的槽壳。四、8 0 年代铝电解技术引进的年代：c 一1 i f 一； ：，图1 6 臂撑式槽壳0 0 0 v - a )1 上部槽壳：2 - 臂撑；3 - 拉杆；4 - 下部槽壳瞬一硕士学位论文第一章绪论8 0 年代初，青铜峡铝厂从日本买进了11 6 0 k a 上插棒自焙阳极3电解槽，其槽壳的臂撑2式结构见图1 - 6 。槽壳分上下两部分，用螺栓联结。臂撑为直线式。槽壳侧部无加强型钢，槽底型钢用压板与槽底联结，这种结构对槽底只起承托作用，不起多大加固作用。f ：fl ；l 上，d ! 一l l = = = = 三二= 二二= = = = = = = 兰3 5 0一图1 7 摇篮式槽壳8 0 年代初，贵州铝厂从日本引进了1 6 0 k a 中间下料预焙槽，其槽壳结构为摇篮式( 见图1 7 ) 。槽壳1 座在摇篮2 上。槽壳与摇篮之间由螺栓3 联结。8 0 年代后我国所建的铝厂，大部分都采用这种结构。1 2 问题的提出1 2 1 存在的问题中铝公司青海分公司是我国于八十年代建设的大型电解铝厂，年设计生产能力2 0 万吨，采用1 6 0 k a 预焙阳极电解槽，在当时此技术在我国铝电解行业中居先进水平。青海分公司一期工程( 1 0 万吨) 于八七年底投产，从投产开始就出现大面积的破损槽，电解槽大修数量逐年上升，至今仍困扰着青铝的生产经营发展( 大修一台电解槽，直接费用约6 0 万元) 。电解槽停槽大修的原因是多方面的，有生产工艺技术条件上的原因，有电解槽筑炉原因，有机械结构的原因等等。但最直接的表现就是铝液中含铁量过高，或电解槽变形过大，或电解槽侧部漏炉。这三方面的现象是相辅相成的，电解槽变形过大时，大部分情况是炉底拱起。而炉底烘起是因为电解质中的钠离子透过阴极碳块中的毛细孔在碳块底部与防渗层反应生成化合物( 俗称灰白层) ，使阴极碳块逐步上烘，到一定程度时即达到碳块弹性极限，碳块就断裂。 爵一心毒痢伊、l、05硕士学位论文第一章绪论碳块断裂后，铝液就流入底部与碳块中的钢棒发生反应( 此时铝液中含铁量必然增大) ，最后铝液熔断窗口处的钢棒流出槽体，形成漏炉。青海分公司于9 7 年做过调查统计，当时在电解槽1 5 组摇篮架中，有6个以上摇篮架在根部撕裂的，占5 2 0 台生产槽中的4 0 以上，摇篮架根部撕裂后，势必失去摇篮作用，使电解槽槽壁失去约束而外鼓，从停槽情况看，停槽后的电解槽大部分发生槽腔变形，宽度方向上最大外鼓在l l o m m 左右( 单面) ；长度方向上最大外鼓在1 4 0 m ( 双面) 。表卜1 青海分公司历年来大修电解槽统计年份大修槽数量( 台)19 8 8619 8 91 41 9 9 03 41 9 9 14 719 9 21719 9 34 31 9 9 44 019 9 55 119 9 68 019 9 79 919 9 81 0 61 9 9 91 3 62 0 0 018 02 0 0 116 12 0 0 21 2 52 0 0 31 0 6因此，从青海铝电解槽的现状出发，研究电解槽破损的原因并找到解决办法，并在此基础上做电解槽槽壳的改进设计是十分必要的。1 2 2 电解槽设计的意义一铝电解槽槽壳是铝电解槽体重要组成部分，它与槽内衬构成阴极结构，它本身承受着电解槽整体的荷载，担负着庞大的内衬膨胀施加于槽壳的力使四边向外挠曲，垂直力则使槽底和底部碳块向下或向上突起。电解槽槽壳结构、强度与电解槽寿命、操作技术条件与生产成本密切相关。虽然阴极寿命主要取硕士学位论文第一章绪论决于槽内衬，但是如果没有一个足够强度的槽壳来约束内衬的急剧变形和为内衬的侧部散热，底部保温创造必要的条件，则内衬的寿命是不会太长的。因此设计槽壳对其总的要求是有足够的强度，用钢量省，便于制造和维修。延长铝电解槽寿命可获得显著的经济效益和环保效益，近年来世界铝业界电解槽的平均寿命已突破3 0 0 0 天“1 ( 采用半石墨质和石墨质阴极炭块) 。我国预焙铝电解槽的平均寿命( 大部分在2 0 0 0 天以下) 与国际先进水平相比还有相当大的差距。由于环保要求愈来愈严，处理内衬废料的成本愈来愈高，将来有可能成为电解槽大修的主要成本。我们在内衬设计、材料质量、筑炉、槽壳设计、焙烧启动和操作等环节上跟世界先进水平都有差距“”。为提高我国原铝工业在国际上的竞争力，延长预焙槽的寿命已是一项相当紧迫的任务。1 3 课题研究的内容本论文的内容和结构大致分为三个大部分第一部分：以目前国内铝行业电解槽破损现状为核心，绽合分析电解槽破损的原因。第二部分：探讨电解槽槽壳受力分析及变形与应力计算。第三部分：摇篮槽壳结构的改进方案硕士学位论文一二一：二、- 一址一一- ：二一第二章国内铝行业电解槽破损分析第二章国内铝行业电解槽破损分析铝电解生产中的槽寿命是受多种因素影响的一项综合指标，也是铝电解生产技术水平的重要标志。槽寿命的长短，不仅关系到大修费用、铝的产量和质量，更关系到铝的成本和整个铝企业的效益。本章将从电解槽早期破损的征状，电解槽破损的形式，电解槽槽底隆起的原因，电解槽侧部碳块上移等几个方面对国内铝行业电解槽破损进行情况分析。2 1 电艇槽破损的早期征状槽内铝的铁含量升高，是电解槽破损的主要征状之一。这是因为，在铝电解过程中电解质和铝液经阴极裂纹或裂缝渗透到阴极钢棒，与阴极钢棒接触反应造成了电解液含铁量增加。发现这种情况后，有时为了避免漏槽或要保证铝质量，可考虑提前停槽。否则，电解槽继续运行，就应密切注意和记录铝中铁含量的变化，并应采取措施，如改变电解质成分，以降低电解质温度等，以减少电解质和铝液对阴极钢棒的侵蚀。铝中铁含量高的电解槽的情况见图2 - i 一、阴极隆起。阴极隆起主要是由于阴极碳质材料吸收钠后产生膨胀而引起，也可能是由于渗入碳阴极的用增加槽内铝的办一法，使槽膛中部有“正常的”金属高度。阴极隆起高度，可用测量阴极碳块表面各不同位置上金属的高度来确定。( 隆起的原因在下面将做详细说明)二、阴极电压升高电解槽启动投产后，阴极电压会逐渐持续升高，这是正常的1 。但如果阴极电压特别高或升高特别快，则是阴极某些部件损坏的迹象，可能是由于金属和电解质渗入阴极碳块的裂纹或裂缝中，随之产生碳块膨胀和隆起的结果。阴极电压升高的结果，会造成槽电压升高，增加铝电解的电耗。这时即使硕士学位论文第二章国内铝行业电解槽破损分析没有明显的漏槽迹象，为防止电耗量增大，也可以考虑提前停槽。三、阴极上出现孔洞。阴极i l 洞是指由于阴极碳块被侵蚀后造成的充满铝液的凹窝，主要是由于生成碳化铝造成的。阴极块上有机械损伤的部位，由于磁力的影响，会产生局部的金属旋流，旋流作用的结果也会造成大而深的洞。阴极上的孔洞更容易发生在碳缝处。阴极上的孑l 洞可用测量金属高度的弯钢钎沿阴极表面前后移动的办法找到。发现孔洞后，要随时注意观察，以防止进一步发展成漏槽。2 2 几种典型的槽破损2 2 1 槽底破损与漏槽阴极碳块上的裂纹、阴极碳块与碳块间扎固糊上和底块与侧块间的扎固糊上的裂纹，都会引起铝液和电解质渗入，裂纹逐渐扩大，进而使铝液与阴极钢棒接触，形成短路电路。电解质和铝还可进步淹浸阴极下面的隔热层，使之破坏，最后使电解质和铝液抵达和侵蚀钢槽底，并很快形成孔洞而漏出，造成槽底漏槽( 见图2 2 ) 。槽底一旦漏槽，就很难控制，这时需要停槽。2 2 2 从阴极钢棒漏铝图2 - 2 槽底漏槽的电解槽一旦熔融铝漏到阴极钢棒上，就，一会与铝起化学反应，形成铁铝化合l 一。一e物，一铁因此会逐渐熔化一通过槽底部；叠三三2巴的热传导形成一个空间温度分布，此皇；三三三三三三三三三三；温度分布能促进液体的流动，熔融电_ 一一f解质和铝萄可通道丙渗入。阴极钢棒、巨往往是对铝液阻力最小的通道，当金兰三三三三三三三三三三三三三三_ 一属铝到达电解槽的钢壳时，就很快经二二= = = = i 工= i = 二i 二i 二二= 匕= i阴极钢棒 l 漏出( 见图2 - 3 ) 。图2 3 阴极棒孔漏铝的电解槽这种类型的漏铝很难阻止，而且往往是在很少或无早期征象的情况下发生，。如果有早期征象，则与底部漏铝相似，即铝中铁含量增高，阴极电流分布变化。有时可将出问题的阴极棒断电，以阻止铝液对它的腐蚀。硕士学位论文第二章国内铝行业电解槽破损分析2 2 3 侧部或小面漏铝一旦槽膛内固体电解质结壳不能形成或被熔化，铝和电解质将会腐蚀侧部碳块和防护层，到一定程度被侵蚀部分的钢壳就会熔化，而发生漏槽。这种情况一般是发生在接近与电解质和铝液面交界的位置上( 见图2 - 4 ) 。在侧部或小面发生漏铝前，有时可能出现槽壳发红。对纵图2 - 4 侧部漏槽的电解槽向排列的有底槽这种情况更容易出现。对出现槽壳红尚未漏铝的电解槽，应尽可能早的用压缩空气冷却槽壳发红的地方，同时用固体电解质填充到发红的内侧，帮助侧部槽帮形成结壳。2 3 破损原因分析2 3 1 内衬破损通常所说的电解槽破损主要是指阴极内衬和槽体破损，阴极内衬破损是引起槽体相应破损的主要原因。因此，阴极槽体破损的主要原因，是处于高温状态下的阴极内衬由于受到钠离子、电解质和铝液的侵蚀和渗透作用，使其发生变化的结果。槽壳伴随内衬的变化而产生相应的变化，即出现槽壳外胀和上抬现象。阴极碳块在原则上是不消耗的，但它长期在电解质、钠和铝液侵蚀作用下会发生演变和破损。这些熔融体对阴极内衬的侵蚀和渗透有两个途径”“：l 、槽内熔融体经过长期强烈的渗透作用，“它慢慢地渗入碳块之中，在电解过程中，当阴极有钠析出时，钠便会从碳块的气孔中侵入，在破坏的晶格内扩散，并与碳生成碳钠化合物，使碳块体积膨胀和酥松，从而给电解质和铝液侵入创造条件。侵入碳块中的电解质和铝液与碳生成碳化铝，使碳素体积更加膨胀，进一步促使更多钓电解质和铝渗入碳块中，这样继续往深处渗透，直到碳块下面并淤积在那里。2 、电解质和铝从碳块问的裂缝渗透到底部。阴极在焙烧期间碳块之间的扎固碳缝产生了裂纹，电解质和铝从而进入了裂缝，在往下部渗透过程中，部分电解质和铝在高温条件下与沿途碳块生成黄色疏松的碳化铝，使该缝隙继续硕士学位论文第二章国内铝行业电解槽破损分析扩大，进而增加其渗透量，使电解质和铝液逐渐渗透到其底部。从上述两种侵蚀和渗透过程看，可能后者比前者渗透要更容易些，速度较快，渗透量大。但无论快与慢，多与少，对阴极内衬所引起的破坏作用是一致的。当钠离子、电解质和铝液先后侵入碳素内衬时，则引起碳块酥松和体积膨胀，于是阴极碳块向上隆起。同时槽壳在其膨胀应力作用下变形，侧部向外鼓出。在熔融体填充裂缝之后，仍继续往深部侵融和渗透，当侵入碳块下面时，电解质和铝同耐火砖发生化学反应生成铝硅酸盐，使耐火砖变质而体积胀大，并有其它成分沉积与其中，俗称灰白层，其主要化学成分列入下表表2 一l 灰白层的成分名称化学成分占重量的氧化铝a 12 0 l4 8 8 0氧化铁f 。2 0 33 1 5氧化钠n 。2 02 3 5 0其它沉积物2 4 5 5随着电解槽生产时间的延续，缓慢渗透过来的沉积物增多，使灰白层逐渐由底部中间向四周延伸，并与底部耐火砖熔铸在一起形成双凸透镜状的结块，碳块和耐火砖的体积和灰白层逐渐增厚相结合，产生很大的上抬力，使阴极钢棒歪曲，碳块和底缝从中间向上进一步隆起，或使碳块和扎固碳缝的间隙增大、或使碳块断裂，最后导致槽底破损。同时，槽壳也进一步随其应力的作用而向外鼓出。上面着重分析了引起槽壳变形的主要原因：因为槽壳两侧及底部受到侧部碳块和底部碳块在高温状态向外膨胀时的压力作用，槽壳外胀变形，槽底部下陷以及端头、槽侧壁及槽侧壁与槽底部等多个连接处焊缝可能出现开裂现象。造成铝水泄漏。或者由于槽侧壁外胀，槽底下陷等变化也有可能引起碳块和扎固碳缝断裂，铝水便从断裂缝隙进入碳块下部融化阴极钢棒，引起铝中含铁二二- ：= 二基骤然上升，被迫停槽。2 3 2 内衬水平裂纹和垂直裂纹裂纹的形成和扩展是内衬破损的主要模式之一“1 。一般来说，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，内衬中会生成水平裂纹和垂直裂纹。如果压应力太小，内衬中容易形成垂直裂纹。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，其影响甚至比槽底沉淀还要大。因此，i 碉硕士学位论文第二章国内铝行业电解槽破损分析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。填缝糊在电解槽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震性、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烙烧启动工艺对电解槽的寿命有重要意义。2 3 3 生产工艺对槽破损的影响铝电解槽的设计和筑炉材料的选择是否合理、电解槽的砌筑施工质量、启动方法和操作制度等，都对电解槽的破损和寿命有影响。在槽设计和内衬材质选择比较合理的情况下，电解槽的砌筑质量和焙烧启动是否得当，就将是影响槽寿命的重要因素。在铝电解生产过程中“，槽内衬不断受到电解质和铝液的侵蚀和运动的冲刷，电解过程中生成的钠以及空气中的氧和氮也会与槽内衬接触，并进入槽内衬中。在碳阴极和槽侧壁长时间被侵蚀后，不仅会生成碳化铝和氮化铝等物质，改变槽内衬表面的结构，还会使原有的微小裂纹和机械损伤逐渐扩大，形成较”大裂缝，使电解质和铝液等的侵蚀加深，并逐渐抵达阴极钢棒和槽壳，导致电解槽的破损和漏槽。槽内衬受到钠的侵蚀后，会产生明显的体积膨胀造成阴极隆起和破裂，这是造成电解质和铝液加速侵蚀槽内衬的重要原因。一电解槽的启动焙烧方法对槽寿命的影响也很大。电解槽的焙烧有铝液焙一一烧、电阻焙烧和火焰焙烧等方法。在所有这些方法中，最应注意的一点是：应使整体碳块完全焙烧，不可造成槽底加热不均。以免造成碳槽底的应力局部集。中和局部的变形过大。在铝电解的操作制度方面，应注意槽帮结壳的形式和稳定，否则将造成电解质和铝液对槽侧壁不应有的侵蚀和冲刷。电解槽的结构不合适或砌筑不好，会造成侧部内衬和槽壳间漏气，加速侧部碳块背面的氧化，最后导致侧部漏槽。2 4 槽底隆起的原因分析硕士学位论文第二章国内铝行业电解槽破损分析2 4 1 电解槽没有建立起理想的能量平衡由于槽温高没有形成完整的槽帮结壳缝，久之则在碳块底部结晶析出，产生膨胀，便漫漫上拱，使底部内衬整体上抬，并在四周有约束的情况下中间膨出。按规程要求m ，电解槽启动后期要形成规整的槽膛。因此，在启动后期要逐步降低电压，使槽温及内衬表面温度逐步下降，使电解槽在侧部碳块及人造伸腿表面逐渐结晶析出，自然长大形成槽帮结壳。槽底隆起主要是启动后期设置工作电压偏高，因而使槽温偏高，电解槽长期达不到理想的能量平衡状态，槽帮结壳长期建立电解质，铝水便缓缓侵入内衬的裂图2 - 5 大型预焙槽侧部钢结构形式a 日本1 6 0 k a 槽b 美国l5 0 1 8 0 k a 槽不起来。内衬在高温作用下，直接吸收钠及氟化钠，并使电解质、铝液侵入内衬中，久之则槽底、侧部碳块上拱，严重时侧部槽沿板被拱掉。若铝水熔化钢。棒，则原铝中铁含量逐步上升，久之则从阴极棒窗口漏槽，因未漏槽时铝水在碳块下部凝结，使碳块隆起。因此，大型预焙电解槽在启动后期的关键是使电解槽尽快形成规整的槽膛。2 4 2 内衬及钢壳结构不尽合理。钢壳结构及摇篮架侧部不利于通风散热，侧部结构见图2 5 所示。经实际测量，侧部钢板温度平均高达2 0 0 。c ，有时达到3 0 0 。c 。因此，导致侧部碳块表面温度过高，长期形不成槽帮结壳。内衬保温结构中，在耐火砖和保温砖之间，增加! 层一亘婴一厚笪氢业铝粉，以缓冲热应力，防止电解质进一步渗透，加强底部保温。但据文献记载，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起化合反应，形成b n a ：0 a i ：0 。和n a ：0 a i 。0 。，其体积分别膨胀7 8 和1 3 8 , ，致使槽底产生隆起。另外，在氧化铝被挤压成饼的：状态下，其导热系数大大增加，起不到加强保温的作用。鉴此，目前世界各国在大型预焙槽的内衬结构上都取消了氧化铝层。2 4 3 电解槽生产技术条件不尽合理生产初期对大型预焙槽的管理采用了类似自焙槽的电解技术，有的槽子采用较高的工作电压和较高的电解温度，电解温度偏高1 0 一2 0 。本来槽子散獬刁。_硕士学位论文第二章国内铝行业电解槽破损分析热不理想，电解温度偏高又增高了侧部内衬的表面温度，导致槽帮结壳长期长不成，理想的能量平衡状态无法建立。2 5 电解槽隆起的初步结论大型预焙电解槽产生槽底隆起的原因，除内衬、钢壳及摇篮架结构不尽合理外，主要跟生产中电解槽没有建立能量平衡有关。要避免电解槽槽底隆起，关键是要在电解槽启动后期尽快长成规整的槽帮结壳，正常生产期建立理想的热平衡，并加强电解槽日常维护和管理。要控制或避免电解槽槽底隆起，应采用新的电解生产技术条件，以进一步降低电解温度，阻止电解质、铝液的渗透。要避免槽底隆起，还应该逐步改进电解槽内衬保温结构及摇篮架性能，采用比较适宜的供电制度，减少系列停电次数。2 6电解槽侧部碳块上移的分析在焙烧和电解开始阶段，底部碳块由于温度和吸收钠后产生的垂直膨胀梯度，使底块中部隆起。根据有关计算“”长2 8 0 0 m m ，高4 5 0 唧的碳块，其上拱挠度可达3 3 唧，因此使底块和耐火砖之间形成空隙。电解槽投入生产后，由于碳块孔度形成的毛细管作用，逐渐有电解质渗透下来，与底部耐火砖起化学变化，生成所谓“灰白层”，其体积产生膨胀。另外，由于“灰白层”的形成，破坏了电解槽的底部保温性能，使等温线上移。后来侵入的电解质的某些成分逐渐凝固和结晶。在灰白层和碳块之间形成玻璃状的化合物，此化合物日积月累，便将底部碳块拱起。由于底部碳块拱起，使得阴极钢棒向上弯曲，必然推动侧部碳块上移。2 7 小结本章通过对国内铝行业电解槽破损的综合分析得到如- t - 结论：电解槽破损主要是阴极内衬和槽体破损，阴极内衬破损是引起槽体相应破损的主要原因，阴极破损主要有以下几种情况：一1 、阴极碳块在高温状态下发生变形，碳块膨胀隆起、裂开或冲蚀坑穴j 一碳块之间的碳糊接缝发生裂纹，在碳块和接缝中浸渍着碳化铝、电解质和铝2 、在碳块和阴极钢棒的交界面上有凝固的电解质，阴极钢棒发生不同的炭化作用，部分钢棒被铝液熔化侵蚀，生成铝一铁合金。3 、通常在碳块下面沉积着铝和电解质，有灰白色沉淀物，耐火砖已局部变质，砖缝己基本消失。有时出现沉积物和耐火砖熔铸在一起的较大结块。4 、侧部碳块受到侵蚀，体积膨胀，其中渗透着铝和电解质，引起槽壳变形，侧壁向外鼓出，上部较大，四角上抬，壳底有时呈船形。堡主兰垡堡塞蔓三童里塑塑堑些皇堡塑堕望盟从上述现象可看出，引起阴极槽体破损的主要原因，是处于高温状态下的阴极内衬由于受到钠离子、电解质和铝液的侵蚀和渗透作用，使其发生变化的结果。堡主兰垡笙茎蔓三童皇竖焦銮垄型望塑塑堑盟堡兰! l第三章电解槽变形、测试数据统计及分析本章以中铝股份青海分公司的1 6 0 k a 电解槽为研究对象，对其进行了变形测试与分析。根据对中铝股份青海分公司2 0 0 1 年1 月至1 0 月4 6 台破损槽测试的结果进行了统计分析，本文得出了电解槽的破损与变形的内在规律。3 1 中铝股份青海分公司16 0 k a 电解槽制作主要技术标准3 11 槽壳槽腔的主要尺寸1 6 0 k a 电解槽槽腔尺寸如图3 1 ，其主要尺寸：长9 8 0 0 - t - 5宽4 3 5 0 1 0图3 - 1 槽腔主要尺寸3 1 2 摇篮架的主要尺寸图3 - 2 摇篮架主要尺寸堡主兰垡笙茎丝三童皇堑堕銮垄：型这塑塑丝生垦坌i l3 13 槽边部主要尺寸丁一 !。；i兰娶l口、ij ；：!ll ：；l i!图3 3 槽边部主要尺寸3 1 4 槽头部主要尺寸图3 4 槽头部主要尺寸硕士学位论文第三章电解槽变形、测试数据统计及分析3 2 破损槽测试结果统计铝电解中有电场、热场、磁场即三场，就研究电解槽结构而言，最主要的是热场。在铝电解生产中，电解槽中心处温度均在1 0 0 0 一1 0 5 0 之间，通过热传递，在电解槽槽底部( 外部) 温度在2 0 0 左右。电解槽侧部( 外部) 温度在1 5 0 左右。虽然温度下降较快，但也使阴极碳块及筑炉材料产生热膨胀，使槽体中筑炉部分( 即耐火材料、阴极碳块) 有一个整体往外伸展的趋势。当电解槽侧部逐步外伸消除完槽壳与摇篮架的间隙后，就开始对摇篮架产生外张力，此力过大后就会引起摇篮架变形，直至根部撕裂。青海分公司自1 9 8 7 年1 2 月投产，历经十几年，电解槽寿命从当初2 0 0多天到目前的1 2 0 0 多天。期间各方人员进行了反复的、艰苦的探索和实践，特别是近几年来，对电解槽大修刨炉后的槽腔有关尺寸变形都进行了测量和记录。以下是2 0 0 1 年1 月至1 0 月间所进行的4 6 台大修槽有关尺寸测试记录：硕士学位论文第三章电解槽变形、测试数据统计及分析o蛔i删薰c o嫠锹箍日_世靶。一oj 口；-咖|q1 了屑凿uo制日嚣乜：暮囡臼：u：鋈窭舞叮皿 皿r n田皿e l i叮町皿叮田叮皿叮血田叮血皿叮田田可甘卜。刊o卜心w - 4nhc d卜ht or j卜n o划口h日 四一一h四n四“一n一一口口 四“n“。咬o西o )口 口c o口叹回 口 四 口 一 -卜口 凹 日柩c oo 、西o o卜卜卜卜卜卜卜心嘧卅o夏靶n寸硕士学位论文第三章电解槽变形、测试数据统计及分析o bn, - 4j 口咖l，( o滕漤制箍e 世靶，_二蛔；c h咖o一勺聪漤uo锹一黯函= = ：垦f r 1u：u叫：j一一| | | 篓暴i t in tn l r nn - r皿叮r r r田皿叮i t i町叮田叮皿叮r r r田叮r n田叫心oo“一一n们一o nnn卜n叫西h一nn叮町叮, - q一一口n一h一h n叮n町四叮d口叮 四町。町四町卜口 町口 口 口町口呷可n一菘o o一一一。o心甘一hd n磊器靶一9堡主堂焦笙壅笙三至皇坚堡銮墅：型姿墼堡堑盐星坌堑一一 - 一i i i i i i ii固口函- 宁啤i：u函一o黜。一ui ii l i i iiln、rc oo呱删蟊龄制希世靶嘲器鞍希避；最颦删一话龄制箍暮n嫩丙嚣k铘盔蓼呶啦饕硕士学位论文第三章电解槽变形、测试数据统计及分析3 3 槽壳变形描述根据上述三张表格，取表中9 月4 日2 1 0 。槽、8 月1 4 日2 5 2 槽、9 月3 日3 1 。槽、9 月5 日1 4 0 4 槽、9 月7 日1 6 l4 槽、9 月1 0 日4 4 4 槽、9 月1 2 日1 0 3 。槽、8 月1 9 日6 3 槽、8 月7 日2 0 l4 槽、7 月2 5 目2 0 8 4 槽，分别对长度方向的值做均值处理和宽度方向的值做均值处理，做出了长度方向变形量( 图3 5 ) 和宽度方向变形量( 图3 6 )长度方向，圈：_ 卜5 长度方向变形量= 一3 5 0 宽度方向宽度方向n nl 己5 一j t ) o 一7 5一。，一、【、图3 6 宽度方向变形量度方向n硕士学位论文第三章电解槽变形、测试数据统计及分析根据长度方向变形量和宽度方向变形量可做出变形后的电解槽槽腔尺寸( 图3 7 ) 如下：43 5 0 ：? 。、：三：一一图3 7 变形后电解槽槽腔尺寸3 4 小结从统计表中可看出每一台大修电解槽的槽腔尺寸都发生了不同程度的变化，通过对其中1 0 台破损槽做均值处理后做出的变形后电解槽槽腔尺寸，可得出原设计的电解槽经过长时间的热辐射产生了蠕变( 尤其是宽度方向) 形成了朔性变形，因此有必要对其结构进行改造。硕士学位论文第四章电解槽槽壳受力分析及变_ 形与应力计算第四章电解槽槽壳受力分析及变形与应力计算铝电解槽槽壳是铝电解槽体重要组成部分，它与槽内衬构成阴极结构，它本身承受着电解槽整体的荷载，担负着巨大的内衬膨胀力，水平力使槽壳四边外曲挠，垂直力则使槽底和底部碳块向下或向上突起。电解槽槽壳结构、强度与电解槽寿命、操作技术与生产成本密切相关。虽然阴极寿命主要取决于槽内衬，但是如果没有一个足够强度的槽壳来约束内衬的急剧变形和为内衬的侧部散热，底部保温创造必要的条件，则内衬的寿命是不会太长的。因此设计槽壳的要求是：有足够的强度，用钢量省，便于制造和维修”1 。41 槽壳结构应力近代大型预焙槽的槽壳，均采用摇篮式结构，这是一个复杂的空间钢结构，由矩形槽壳和一系列托架( 摇篮架) 组成，其短边主要依靠方格状加筋承受载荷，而长边主要依靠托架承载。4 1 1 荷重电解槽内衬由碳素材料与耐热保温材料构成，槽壳承受的载荷有槽壳( 含托架) 自重，内衬重、槽内铝液、电解质重，阳极及上部金属结构重。4 1 2 内衬的膨胀力当电解槽温度变化时，全部阴极结构材料都要发生尺寸改变，即膨胀或收缩。由于电解生产时液态电解质渗透，引起内衬体积膨胀。钠渗透到碳块里，引起一种等温膨胀，远大于由室温升至9 5 0 。c 时的热膨胀。贵州铝厂生产的b s cl 阴极碳块电解膨胀率l 1 2 ，r a i l - 半石墨质或半石墨化碳块电解膨胀率0 4 ，而石墨化碳块在同样的电解温度下膨胀率约为0 2 5 ”。在电解槽焙烧阶段，一般常用的无烟煤基碳块，对1 6 0 k a 电解槽阴极碳块将伸长3 c m ，当焙烧到操作温度时，一有煤沥青粘结剂的碳块间糊及边部糊将保持独有的塑性，膨胀一直进行到5 0 0 。c 左右，而后收缩。这种特性，有助于碳块膨胀的缓冲，况且内村中尚有许多缝隙( 如砖缝) ，有助于减轻对槽壳的水平作用力。电解槽从开始启动到正常生产阶段，由于有钠的析出，碳块吸收钠后急剧膨胀，造成对槽壳的水平推力急剧增加。特别是在启动后第l 、2 昼夜槽壳变形速度超过焙烧阶段的数倍。当电解槽转入正常生产后，在侧部形成炉帮，保护t n 部碳块。在底部由于碳块吸收钠后生成碳一钠之不完全混合物。由碳块孔度毛细管作用电解质渗透，过程是连续、缓慢、日积月累地直到内衬破损为止。所以槽壳的变形是贯穿整个槽寿命过程中。硕士学位论文第四章电解槽槽壳受力分析及变形与应力计算国外一些学者研究槽壳侧壁承受内衬吸收电解质后产生的膨胀力“”，长边0 3 5 1 2 5 m p a ，短边0 5 - - 2 5 m p a ( 见图4 - 1 ) ，在电解生产状态下，内衬的膨胀力在多种情况下，长边承受水平推力为短边的1 2 。因此国际一般设计电解槽槽壳长边水平压力最初估算为0 5 m p a ，短边为1 o m p a 。在计算时，力的作用点假设在底部碳块高度的中部。在电解铝生产过程中，液态电解质不断向阴极碳块渗透，以1 6 0 k a 电解槽为例，电一一嫠。了警l 一一，。8 、呵，盯i时同d图4 1 焙烧和启动后槽壳变形曲线解槽内衬寿命4 年，内衬将渗透电解质8 1 0 t 。当碳块内的熔融盐类透至熔体的凝固等温线时，生成凝固物或结晶，或生成某种化合物( 如a l 。c 。) ，这些都可以使碳块继续膨胀，因而继续对槽壳施加压力。过程是连续、缓慢、日积月累地直到内衬破损为止。所以槽壳变形贯穿整个槽寿命，见表4 - 1 。表4 - 1 铝电解槽槽壳平均弯曲增长速度硕士学位论文第四章电解槽槽壳受力分析及变形与应力计算4 2 槽壳本身的热应力槽壳当从常温被加热到内衬达3 0 0 。c 时，如果槽壳采用型钢结构，由于其内外侧的温度差( 接近2 0 0 。c ) ，将使槽壳向内侧弯曲，同时产生2 3 - - 2 5 m p a的热应力“1 。42 1 内衬对槽壳旌加的压力电解槽内衬由碳素材料和耐热保温材料组成。这些材料当遇到热和电解质时，都要产生一系列的物理化学变化。特别是以无烟煤为主要材料的底部碳块，对槽壳受力扮演主要角色。内衬施加于槽壳的力，有水平和垂直两部分。水平力使槽壳的四边向外挠曲，垂直力则使槽底和底部碳块向下向上突起。4 2 2 水平力水平力来源于碳块本身的热膨胀及吸收钠后的体积膨胀。此作用力在内衬寿命的周期内可分为前期和后期。前期又分为焙烧期和电解开始阶段。在焙烧结段，因为碳块的热膨胀系数，在2 0 1 0 0 0 范围内为( 2 0 2 3 )x1 0 6 。当温度由常温升至9 5 0 。c 时，碳块受热后逐渐伸长，对1 6 0 k a 电解槽来说，其阴极碳块将伸长5 0 一8 0 唧“，此能量如得不到及时释放，将在槽壳内产生很大应力。在电解开始阶段，由于有钠的析出，碳块吸收后急剧膨胀，因此对槽壳的压力急剧增加。前苏联学者测定的工业电解槽在焙烧和电解开始阶段的变形见图4 1图4 - 1 表明，在焙烧阶段槽壳变形比较缓慢，是温度的函数。但是当电解开始后，其变形速度急剧增加，特别是启动后第一昼夜，其速度超过焙烧阶段的l o 倍，其后虽有所缓慢，但也大大超过焙烧阶段的速度，因为温度的提高和钠的嵌入是从碳块的顶部开始的，这就形成了垂直膨胀梯度。如果受到槽壳的约束碳块将从中部隆起：当电解槽转入正常生产后，在侧部形成炉帮，保护了侧部碳块。在底部由于底块吸收钠后生成碳一钠的不完全混合物，使电解质更容易与其湿润，借助碳块孔度的毛细管作用电解质侵入。当碳块内的熔融盐类透至熔体的凝固等温线时，则某些成分将产生凝固或结晶；或者与吸收的钠，也或者与渗入的铝直接反应生成碳化铝。这些都可以促使碳块继续膨胀，因而继续对槽壳施加压力。这一过程是连续、缓慢、日积月累地直到内衬的破损为止，所以槽壳的变形是贯穿整个槽寿命。表4 2 列出前苏联学者测出的工业电解槽槽壳在槽寿命周期内的平均弯曲增长速度。从表4 2 可以看出，到后期变形速度逐渐减慢，但是并没有停止。表4 - 2 铝电解槽槽壳平均弯曲增长速度电解槽工作周期平均弯曲速度m m h 1+ 焙烧期0 0 1 2 5电解开始后6 0 ho 1 3 0 0电解开始后4 h0 0 9 5 0工作6 个月0 0 0 3 5工作满l a0 0 0 2 5工作2 a0 0 0 2 0工作3 ao 0 0 1 04 2 3 垂直力垂直力主要作用于槽底和底块之间。上面曾谈到，在焙烧和电解开始阶段，底部碳块由于温度和吸收钠后产生的垂直膨胀梯度，使底块中部隆起。根据挪威学者的计算长2 8 0 0 m m ，高4 5 0 m m 的碳块，其上拱挠度可达3 3 m m ，因此使底块和耐火砖之间形成空隙。电解槽投入生产后，由于碳块孔度形成的毛细管作用，逐渐有电解质渗透下来，与底部耐火砖起化学变化，生成所谓“灰白层”，其体积产生膨胀。另外，由于“灰白层”的形成，破坏了电解槽的底部保温性能，使等温线上移。后来侵入的电解质的某些组分逐渐凝固和结晶。在灰白层和碳块之间形成玻璃状和化合物，此化合物日积月累，便将底部碳块拱起。有人把这一现象称之为? 冰冻隆起”。其结晶力相当大，甚至可把建筑物抬起来。由于阴极钢棒的向上弯曲，必然推动侧部碳块上移。此时如果槽沿板与槽h 、一m y壳联结得比较牢固( 见图1 2 ) ，则侧部斤阿碳块上移后，将对槽沿板支架2 施以压| ；：f力，无疑对槽壳增加一的力矩( 见图2 。：l ；4 - 2 ) ，更增加了槽壳的外挠度。一o 一。一一一一一j由于