铝电解槽内衬施工与破损的相关问题探讨

李元山, 徐兴超

(酒钢集团 甘肃东兴铝业有限公司,甘肃 嘉峪关 735100)

电解槽是电解铝行业生产的核心设备,其内衬的材料选择,施工工艺与质量,焙烧启动和早期生产管理中电解质温度不合理是影响电解槽寿命和技术指标的重要因素[1]。在铝厂的实际生产过程中,高温电解质及铝液从侧部、钢棒窗口、端部渗漏严重时击穿槽壳载体，是导致电解槽破损或停槽的重要因素[2]。因此,通过必要的施工工艺技术的优化来延长铝电解槽使用周期对铝电解生产来说非常重要。本文对实际生产中由于施工工艺导致电解槽内衬破损因素进行分析和探讨,总结出了内衬施工工艺改进等相关技术措施。

1 电解槽破损事例分析

停槽电解槽解剖分析发现:生产运行过程中铝液通过从侧部复合块缝隙中渗入周边,同时从糊料接缝中渗入;阴极炭块组在周边浇注体周围开裂缝较多(见图1);阴极炭块组中部易横向断裂,断裂截面上碳化铝侵蚀严重且燕尾槽底部有铝渗入;阴极扁钢存在变形弯曲的现象(见图2)。

图1 浇注体周围形成的破损裂纹

图2 阴极钢棒变形示意

通过对现场上述事例进行分析,可能的原因如下:

(1)捣固糊的分层破损现象较普遍,捣固后的糊料在焙烧中或启动后期易开裂破损。如果糊料出现“湿糊”现象(粘结剂过多),在捣固时会出现粘结剂和细粉骨料集中在表面层,焙烧时此表面层的收缩性不同于其它层,因而在糊层之间产生裂纹;如果糊料出现“干糊”(粘接剂过少)现象时,糊料中焦粒在捣固中被压碎,表面层上的细粒骨料增多,骨料表面积增大,捣固层之间的粘结受到影响,形成糊料层与层之间的薄弱层。在电解生产过程中容易出现裂缝、解体或形成渗漏通道。

(2)施工过程中,捣固人员由于捣固次数未达标从而造成糊料压缩比过低,出现“欠捣”现象,从而导致后期启动过程中出现飘糊,造成铝液渗透后冲刷糊料本体出现分层的现象;另一种是由于捣固人员施工次数过多,从而造成捣固压缩比过大,出现“过捣”现象,糊料出现翻浆,从而导致糊料的层与层之间连接分层,造成后期启动或生产过程中铝液渗入，出现分层。

(3)槽周边侧部采用复合块(碳化硅与炭素材料复合体)砌筑,角部炭块为炭素材料,砌筑时与相邻侧部复合块产生的立缝与炭间缝形成隐蔽垂直接缝(见图3)。由此清晰可见，该区间在槽内边角处遭受电解质及铝液长时间侵蚀冲刷较其它位置相对严重,因而易发生电解质与铝液渗漏。统计显示,钢棒窗口漏炉容易产生在如图3的垂直接缝位置,如进出电侧第二根、第四十七根处钢棒的侧部，发生渗漏的比例占渗漏槽37%。这说明,垂直隐蔽缝隙可能是该问题的直接原因。同时漏炉时常常将电解槽阴极软带冲断,槽周阴极母线损伤,从而造成电解槽导电不均匀造成过早停槽。

图3 侧部立缝与炭间缝形成垂直通缝示意

(4)电解槽在运行期间，槽壳两端头及侧部窗口位置渗漏较为频繁。内衬清理中发现周边缝与炭间缝结合处有铝渗入现象。具体表现在:传统的扎固方式需在槽内两端头扎固糊料层之间每层预留接茬;需要安装模具封堵炭间缝进行扎固,需要在与糊料接触的表面喷涂煤焦油;由于煤焦油粘接特性与糊料本体所采用的粘结剂有一定的差异,因此该工艺的实施,存在电解质及铝液渗漏的风险，对内衬组织结构、炉膛整体完好性及电解槽寿命均存在不同程度隐患。

(5)阴极炭块与浇注料液体粘连后,阴极炭块接触面会吸收浇注体内未蒸发的水分,电解槽焙烧时此部分水分逸出,易于渗入阴极炭块内部。焙烧启动过程中,随着此部分水气的排除,可能会产生电解质或铝水的渗漏通道,造成侧部早期破损,严重时停槽。

(6)阴极炭块周边浇注料施工环节,由于施工单位使用水温度未精细控制在4～27℃,同时施工用水存在杂质,造成施工质量缺陷。另外由于施工过程中用水量控制不均衡,用水过少,造成施工性大打折扣。用水过少,会出现浇注料分层,用水过多造成浇筑料离析。从而导致浇注料强度不能满足设计要求,电解槽启动和生产过程可能会导致渗漏。

2 内衬施工工艺优化分析

(1)砌筑材料的理化指标设计对改善内衬水平电流的分布、导热性能及热膨胀应力至关重要。氮化硅结合碳化硅在300～1000℃时热膨胀系数及导热率低于炭素材料,抗冲刷性能优于炭素材料。因此,在角部选用氮化硅材料沿槽壳一角边缘中心点将角部侧块定位后,将角块复合块按电解槽长侧方向靠紧砌稳。然后沿小面方向顺序砌筑,这种砌筑方法可优化内衬砌筑质量,特别是有助于减少隐蔽垂直缝隙。

此外,在施工现场采用侧砖和异型块粘接较整体侧部粘接复合砖有利于提高砌筑质量,将砌筑过程产生的累计误差延伸到末端,解决了整体粘接复合块在砌筑过程中,受到碳氮化硅粘接碳化硅与炭素材料异型块部分相互牵制影响而产生接缝过大可能导致渗漏的隐患。

同时角部选用氮化硅粘接碳化硅材质能有效提高角部抗腐蚀冲刷的能力与保温性能。与传统采用炭素材料异型块相比,有利于解决电解槽角部容易发凉导致结壳及堆积沉淀,从而影响角部阳极工作等问题。

(2)冷捣糊施工温度变化相对较小,可有效利用这一特性,采用无接茬循环捣固方式,有效压缩了施工周期时间。由原来接缝扎固近5个小时的时间压缩至2个小时,同时通过无接茬循环扎固,不再二次吹风,节约了资源,有效预防粉尘污染,大幅提高了施工质量,改善了施工环境,提高捣固质量,预防后期糊捣体在焙烧启动过程中出现的分层破裂,减少渗漏事故及伸腿脱落事故的发生。

(3)通过优化内衬结构,将周围糊打到底,以吸收炭块因钠膨胀产生的应力,同时能够缓冲后期焙烧过程中阴极炭块热膨胀产生的应力释放,防止浇注料直接和炭块接触诱发破损裂纹的产生,对延缓内衬破损,保护炉膛整体完整性得到一定改善。

(4)改进捣固工艺,将炭间缝与周边缝整体捣打,消除了因先捣固阴极炭块中缝后捣固阴极炭块周边预留磨具固定的接口产生的垂直通缝。为预防在接茬处发生渗漏起到了良好的实用效果。

(5)施工捣固控制,对比密度表格(见图4)看捣实密度是否在合格的范围内,对扎固质量来说至关重要。捣固密度与温度密不可分,合理控制温度和捣固次数成为关键因素,见图4。

图4 针密度表格图

(6)增加阴极钢窗口再密封的工序。不仅能防止危害生态环境的氟化物通过窗口排除,还能有效预防外界空气通过未封闭的外侧钢窗口进入电解槽阴极内衬,从而造成阴极炭块和侧部复合块加速氧化现象发生,缩短阴极炭块服役寿命。

(7)增加电解槽周边侧部复合块与背缝氧化铝填充施工工序,确保侧部复合块与槽壳紧密接触,阻断电解质或铝液的渗漏通道的形成,有效形成一道物理保护层,确保电解槽后期启动平稳。

3 小 结

通过对电解槽内衬在实际生产过程中出现渗漏等问题进行了分析。通过分析可以看出,品质优良的内衬材料,严格按照规程的筑炉施工是延长电解槽寿命的重要因素。通过对施工工艺和材料的环节的不断改进，有助于进一步延长槽寿命和提高电解系列技术经济指标。