浅析影响精铝电解槽寿命的因素

孙晓奎

摘要:通过对影响铝电解槽寿命的因素进行分析,提出电解槽设计、安装及选型、选材时应注意的问题,从而能有效地延长电解槽的寿命,并取得最佳经济效益。

关键词:精铝电解槽;三层液电解法;干法启动

中图分类号:TF806 文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)29-0250-02

一、概述

三层电解法是美国铝业公司工程师虎普斯发明的,并取得了专利,离霍尔-埃鲁铝电解诞生仅相差5年。30年后即1932年法国科学家加德对此法作为改进,使其具有实用性。1935年瑞士约翰逊铝业公司开始用三层电解法生产高纯铝,开商业提取高纯铝的先河。从此高纯铝在一些重要部门获得了应用。

三层液电解法生产的设备主要是电解槽,要想保证精铝槽有较长的使用寿命,必须保证电解槽的长期稳定性的运行。电解生产实践证明电解槽的稳定性是获得良好生产指标的根本保证。从设计理论来看,要解决电解槽的稳定性问题必须要解决如下三个主要问题。一是磁流体稳定性问题,以保证电解槽在高强度电流作用下平稳生产;二是热平衡问题,以解决电解槽既要保温又要散热的矛盾,使电解槽能够长期在稳定条件下高效运行;三是电解槽壳的应力变形问题,要求槽壳有足够的刚度,以抵御由于阳极炭块热膨胀和渗钠所产生的强大外推力,确保电解槽具有良好形状。要解决好上述三个问题,电解槽及其内衬必须有较好的选型和选材,本文结合生产实际简要阐述电解槽结构的合理设计方法,能较好地延长电解槽的使用寿命,创造最佳的经济效益。

二、影响槽寿命的因素

影响槽寿命的因素较多,但总的可以归纳为以下方面,如图1所示:

从右图看,优质内衬,尤其是优质阳极是提高槽寿命的先决条件,阳极炭块优良的指标受到了精铝工业的青睐。内衬砌体外的钢壳,俗称槽壳,不仅是盛装内衬砌体的容器,而且还承担着克服内衬材料的高温下产生的热应力和化学应力,要想其内衬不发生较大变形和断裂,槽壳在熔池部位的周边必须具有较大的刚度和强度。还有运行对电解槽寿命的影响也不可忽视。

(一)槽壳结构、材料对电解槽的寿命的影响

合理地选择槽壳结构、材料对电解槽的寿命有很大影响。大容量电解槽采用了刚性极大的摇篮式槽壳,如图2所示:

摇篮支架具有较大的刚度和强度,壳体起容器作用。摇篮支架小面最外侧的两组与壳体焊成一体,其余均为用螺栓连接的可拆卸支架。电解槽槽壳强度与槽内衬寿命的长短有直接的关系,80kA电解槽采用强度大,技术成熟的船形摇篮槽壳,摇篮架与槽体之间以钢垫板隔开,槽底与摇篮架设有石棉板,使摇篮架在低于200℃下工作。壳体内上口周边焊有槽沿板,可保护侧部内衬在换极出铝作业时不受机械损伤,并可有效地阻止侧部内衬材料上涨。根据电解槽的热平衡计算,确定电解槽的内衬的材质和厚度,电解槽内衬,从下到上依次为三层65mm保温砖,两层65mm厚耐火砖,在其上安装阴极炭块组。内衬材料的性能与设计选材对电解槽寿命降低的影响,主要有以下原因:

1.热冲击阳极炭块的破裂或裂缝是电解槽内衬早期破损的主要原因。

2.扎缝底糊的裂缝由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,致使合金液渗漏。

3.钠的膨胀、炭块以及炭块自身膨胀引起炭块破裂或抬起。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阳极炭块,以减小膨胀的影响。

4.阳极炭块与钢棒的接触处,主要是燕尾槽到阴极表面的垂直距离,这是电解槽早期破损的原因之一。这主要是由内衬材料引起的。

5.侧部的烧损及石墨料室对于精铝槽来讲,侧部的烧损也是影响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要是侧部保温过强,生成的炭化铝或侧部结壳融化使侧部烧损。阴极钢棒与槽壳间孔没有封好,空气从阴极棒孔进入侧部炭块的后面。

6.大型精铝电解槽阳极炭块的磨损也是非常严重的,主要是由于生成炭化铝和自然磨损两者共同作用的结果,其中阳极炭块石墨含量越高,其磨损越严重。

除上述原因外,石墨料室也是影响精铝槽的寿命的一个重要因素,因此,平常要加强对料室的维护。

综上所述,槽壳结构、材料对电解槽的寿命的影响是非常巨大的,所以要严格要求。在砌筑电解槽时阳极炭块组四周用底糊扎实。保温砖和耐火砖的铺设要平整严密、整齐。层间与行间要错缝排列,严禁对缝,砖缝≤1mm,表面平整度±2mm,砖用锯切加工,四周用镁砂填充。这样才能保证电解槽长期平稳的运行。

(二)铝母线连接对电解槽寿命的影响

合理选择阳极母线能较好地保证电解槽稳定生产,即稳定性分析。进行磁流体稳定性分析的基本方法和步骤:首先必须计算磁感应强度,然后用磁流体稳定性分析母线配置是否合理。

1.80kA精铝槽磁感应强度计算方法熔体中磁感应强度的分布是进行磁流体稳定性分析的基础数据之一,因此它获取方法和准确性可靠性就显得十分重要。80kA精铝电解槽磁感应强度数据的获取采用了麦克斯韦方程组方法。多年的研究结果表明:这种方式计算的磁感应强度与实际测量值最为相近。当然,还有其他的方式可以获得磁感应强度数据,但其准确性和实际值相差较大。利用麦克斯韦方程组求解包含槽周母线、内部电流、槽壳以及槽周围空气等在内的三维模型,并借助ANSYS计算软件来获得磁感应强度分布数据。

2.80kA精铝电解槽的磁流体稳定性分析方法及验证。现代电解槽设计理论要求铝液的流速越小越好;铝液和电解质界面以及电解质与合金界面越稳定越好;熔体的流动呈轴对称,至少应在长轴对称,以免造成不规整的炉帮和表面结壳。80kA电解槽的磁流体稳定性分析采用磁流体模型进行数值仿真。该方法可以分析熔体流动状态,如流速大小、流动方向、界面变形和界面波动等。在电解槽中,由电磁力引起的熔体流动可用Navier-Stokes方程描述。按照电解槽的几何形状以三维暂态方式不但可以求解出熔体的流动状态和界面变形,而且可以分析各种干扰因素如换极、出铝、加铝及融电解质界面的扰动,考察界面的稳定性。采用这种方法进行流体分析十分复杂。更通常的方法是将三维稳定方程简化成二维方程,即去掉暂态项,把问题简化为稳态的;然后根据熔体几何形状的特征,把问题简化成平面的,以着重分析熔体的水平流动和界面静态变形。

(三)电解槽热平衡的确定

因为在电解槽运行周期内保持热平衡所遵循的一个主要原则是:输入能量-为生产铝所需的化学能-向四周的热损失=0,如果此项大于0,说明电解槽过热,很难形成良好的表面结壳及炉帮,侧部内衬材料破坏严重,小于0,说明热损失过量,表面铝及槽帮结壳,影响生产。电解槽内衬的设计关系到电解槽生产指标和槽寿命。一般认为,良好的内衬设计应能满足电解槽热平衡的特殊要求,三层分界明显,以保证槽内形成规整的炉帮。槽侧下部和底部需要良好的保温,节省能量,防止过长的伸腿。另外需要使用先进的计算手段对电解槽在生产状况下热平衡情况进行模拟分析评价,并指导内衬设计。良好内衬砌体的结构和尺寸是根据生产工艺要求和现有材料的性能,通过热解析模型计算确定的。由于采用了船形槽壳,80kA槽内衬的设计充分吸收了新疆众和精铝厂电解槽的成功经验,同时又吸收了中南大学专家的技术成果。

(四)焙烧和启动对电解槽寿命的影响

电解槽寿命其实就是电解槽内衬的寿命,保证电解槽炭素内衬没有缺陷,是延长电解槽寿命的关键,但是要保证炭素内衬没有缺陷是非常困难的。相关资料和生产实践表明电解槽炭素内衬的缺陷大多是在电解槽焙烧启动和运行初期形成的。这些缺陷的存在和发展,如裂纹的进一步扩展,各种孔洞的加深等,很容易形成一个渗漏通道,使高温合金液和电解质渗漏至槽底,侵蚀保温层,造成槽底上抬,或侵蚀阳极钢棒,造成漏炉或其他事故,最终导致电解槽被迫停槽大修。当电解槽内衬材料选定后,电解槽的焙烧质量是影响电解槽寿命的关键因素。实验表明,使用大致相同的槽内衬而槽寿命不同的原因,电解槽焙烧的不均匀性可能是一个主要因素。电解槽焙烧良好的标准是:以足能避免阳极材料产生热应力的低速度把炭素材料加热到电解槽的操作温度;使阳极表面加热的温度梯度最小,以避免在表面上产生热应力;保证全部生糊区的沥青的热解速度,以使焙烧糊具有最佳特性。我厂80kA精铝槽用烘干法焙烧法一方面使电解槽内衬的温度由常温逐步提高到启动温度,很好地避免了对内衬的热冲击,另一方面对内衬糊料黏结剂进行焦化使整个内衬成为一个整体,还有就是排除内衬中的水分。所以电解槽焙烧制度的制订应与黏结剂性能与温度的变化关系相符合,即电解槽的焙烧也应遵循“两头快,中间慢”的原则,对焙烧时间的研究国内和国外是有不同的结果,国内研究认为焙烧时间应6～8天为宜。主要是因为当电解槽焙烧至250℃左右时,炭素内衬是处于软化阶段,此阶段主要是扣除内衬中的水分阶段,升温速度应当加快,否则软化时间过长易造成炭素内衬的变形,在250℃~400℃是挥发元素大量排出阶段,此阶段升温速度应当缓慢,要保证挥发元素的顺利排出,否则沥青的分解速度加快,挥发元素急剧排出使内衬产生焙烧裂纹,进而导致结构疏松、内衬强度降低,对延长槽寿命不利。过快和过慢都对内衬填缝糊的性能有不良影响。过快(<6天)会使糊料的裂纹增多,强度下降;过慢(>9天)会使边部大缝里的糊处在250℃~400℃的时间过长,蒸馏掉大量沥青组分,使沥青的黏结性能下降,同样也会使糊的孔隙度增大、强度下降,对电解槽寿命产生不利影响。无论是热法焙烧还是烘干法焙烧,都不能对电解槽侧部内衬材料进行很好的焙烧,所以对电解槽侧部的焙烧实际是在启动时进行,因此启动对电解槽寿命也有一定的影响。目前较通用的启动方法为湿法启动和干法启动。

(五)生产管理

当前面的各种条件确定后,槽寿命的长短直接由正常生产时的管理所决定,如果管理到位,对内衬在焙烧启动时所产生的某些缺陷起到弥补作用,可延长槽寿命,相反有可能会使内衬缺陷扩展,对槽寿命不利。正常生产时的管理一方面应建立规整的炉膛,规整的炉帮可以保护电解槽内衬不受高温电解质的腐蚀,还可以提高电流效率。另一方面要保护好石墨料室,石墨料室是精铝槽操作最频繁和最易坏的部分,在一定程度上也可以说石墨料室的寿命决定了电解槽的寿命。

三、结语

随着科学技术的发展,延长精铝电解槽寿命的方法很多,结合精铝生产的实际情况,通过试验和实践得出的结论,从影响电解槽寿命的因素着手,认真分析了各因素在设计、安装及维护过程中应注意的问题及最优选择,尽可能保持电解槽稳定性,使电解槽有较长的寿命。

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