500 kA鋁電解槽陰極破損分析及對策

周 媛 余龍進 曾振雙

(廣西華磊新材料有限公司, 廣西 平果 531499)

0 前言

某電解鋁廠由于電磁場、熱平衡設計缺陷,電解槽早期破損嚴重,槽殼變形、陰極炭塊隆起等現象層出不窮,生產工藝指標受到很大影響,人員勞動強度大幅增加,系列風險無法得到有效控制,制約著企業的發展。為解決這一難題,技術團隊進行深入分析,并對其破損機理進行分析研究,采取一系列措施遏制電解槽早期破損趨勢,通過優化熱平衡設計和工藝技術參數,破解電解槽早期破損的難題。

1 陰極破損的機理

根據某電解鋁廠生產實際,電解槽早期破損可以分為槽殼變形、陰極炭塊破損、側壁破損等幾大類。

在陰極炭塊預熱過程中,熱機械力釋放產生應力,應力集中,如果這些應力能夠得到有效釋放,就能改善內襯的緊密程度,否則就會產生裂紋,導致電解槽早期破損。電解槽啟動后初始會經歷快速膨脹,這主要是由熱膨脹應力引起的。槽殼中的快速膨脹在一周內就會消失,但是內襯中的鈉膨脹和防滲層的化學作用會造成槽殼變形［1］。

鋁電解槽中的陰極鋼棒一般通過澆鑄鐵水、鋼棒糊扎固和粘結劑與陰極炭塊連接在一起。由于在焙燒溫度范圍內,陰極鋼棒的熱膨脹系數是陰極炭塊的4倍,在組裝件加熱時陰極鋼棒將產生嚴重的機械熱應力,這種應力將導致陰極鋼棒在焙燒預熱和電解槽早期操作時產生裂縫,可能會損壞陰極炭塊或大幅增加陰極壓降［1］。

任必軍等［2］的研究顯示,陰極炭塊破損主要是生成碳化鋁而形成沖蝕坑,吸收鈉和電解質產生的各種反應所致。陰極炭塊內襯破損的主要信號是炭塊的破裂或氟化物粗大晶體的長大,破裂的力主要由電解槽啟動初期滲透結晶膨脹,陰極炭塊和電解質反應發生鈉吸收產生。冷正旭等［3］的研究指出,由于碳化鋁導電性很差,在垂直的裂紋中形成時,會嚴重地影響陰極炭塊內的電流分布,導致電流分布不均勻,從而加速破損;鋁電解過程中,鈉和電解質的滲透所引起的膨脹力可導致陰極炭塊內產生裂紋,或使陰極炭塊內的微裂紋脹大,并引發陰極炭塊表面的腐蝕與破損。

電解槽側部散熱不良,鈉的滲透、物理機械的破壞都會導致側壁破損［4］。碳化硅側部的下部主要通過凝固的電解質來保護側部不受熔融狀態的電解質和鋁液的侵蝕。碳化硅側部破損主要是空氣氧化和金屬鋁與碳反應生成碳化鋁導致。其中,空氣氧化與日常操作、工作質量密切相關;而化學反應則主要與電解質過熱度、陽極效應系數、鋁水平高度密切相關。

為進一步分析電解槽破損機理,本文選擇了一臺試驗槽為例,分析了其陰極破損原因,并提出了優化方向,然后選擇另一臺試驗槽進行優化,分析優化后電解槽的陰極破損情況。

2 電解槽破損原因分析

試驗槽1為優化前的電解槽,槽齡1 068 d,原鋁鐵含量為0.078%,硅含量為0.032%,停槽前為正常生產槽,工藝技術條件見表1。

表1 試驗槽1工藝技術條件

試驗槽1停槽后經刨槽發現,陰極炭塊A、B面各有一條貫穿橫斷裂紋(圖1)。其中,A3～A20,B1～B17的裂紋較為明顯。以陰極炭塊表面到槽沿640 mm為基準,計算隆起情況,結果如圖2所示。由圖2可知,B面中部和A面中部隆起較明顯,最大位置為B面中部,隆起28 mm,負值代表沖蝕坑或剝落陰極坑。陰極炭塊表面A、B面距離側部1 m左右處各有一條貫穿橫斷裂紋。

圖1 試驗槽1陰極炭塊表面破損情況

圖2 試驗槽1陰極炭塊表面隆起情況

整體來說,出鋁端、煙道端及B面側部相對比較完整,A面碳化硅側部破損較多(圖3),破損嚴重的部位上部已經可見到槽殼。

圖3 試驗槽1側部碳化硅腐蝕情況

人工利用風鎬對側部內襯進行刨除,結果顯示,側部陰極鋼棒完好無損(圖4),防滲料基本未發生變化。

圖4 試驗槽1陰極鋼棒腐蝕情況

利用炭塊取樣機分別在陰極炭塊A、B面明顯裂紋B6、B11、B13、B24、A20、A25處鉆取了試樣(圖5)。由圖5可知,B13、A20、B24、A25、B11均出現貫穿到試樣底部的裂紋。

圖5 試驗槽1陰極炭塊取樣情況

從圖4可知,陰極鋼棒表面保持完整,沒有被鋁水侵蝕的現象,鋼棒也比較平整,無明顯隆起現象,但是陰極鋼棒表面存在凝固的鋁,呈銀白色,這表明雖然陰極鋼棒表面未熔化,但是已經有少量鋁水滲到陰極鋼棒表面。

吊起陰極炭塊后,發現陰極鋼棒存在部分熔化、陰極炭塊底部有大面積凝固鋁塊、陰極炭塊滲鋁、炭間縫有殘鋁、防滲料與陰極炭塊燒結在一起等現象。

B8、B10、B23、B24、B26陰極鋼棒底部部分熔化(圖6),說明生產過程中有鋁液滲入鋼棒底部造成熔化。

圖6 試驗槽1陰極鋼棒熔化情況

B27、B28和A25陰極鋼棒底部出現存在大片鋁塊而沒有熔化的現象(圖7),原因可能是生產過程中已經發生滲鋁,但是滲鋁量比較微小,滲到陰極鋼棒底部就凝固,所以沒有造成鋼棒的熔化;或者是停槽后溫度急劇變化,陰極炭塊產生裂縫造成鋁液滲漏,鋁液滲漏到底部時因溫度下降而凝固。

圖7 試驗槽1保溫層滲透情況

綜上所述,解剖結果顯示:

1)試驗槽1雖然在停槽前為正常槽,原鋁的鐵、硅含量也基本在正常范圍內,但刨掉電解質后發現試驗槽1陰極炭塊A、B面各有一條通長裂紋。

2)該槽陰極炭塊中部表面有28 mm輕微隆起。多處陰極炭塊裂紋通道滲鋁已到達陰極鋼棒表面。

3)出鋁端、煙道端及B面側部碳化硅相對比較完整,但A面側部碳化硅有多處變薄,部分已經可見到槽殼。

4)陰極炭塊底部部分熔化。陰極炭塊底部出現大面積凝固鋁塊、炭塊滲鋁、炭塊間縫有殘鋁、防滲料與炭塊燒結在一起等現象,一些陰極鋼棒底部也有鋁塊,說明生產過程中已經有鋁液滲入鋼棒底部造成部分熔化。

3 主要優化措施

3.1 陰極炭塊早期破損的主要原因

某廠500 kA電解槽原磁流體穩定性設計存在一定的缺陷,水平電流較大,垂直磁場較高,鋁液和電解質的流速較快,同時交界面變形量較大,抗干擾能力較差,導致500 kA電解槽磁流體穩定性存在較大問題。

試驗槽1側塊采用普通炭塊,并背貼15 mm陶瓷纖維板的保溫層,側塊下部為一層平砌的耐火磚、一層保溫磚和20 mm的陶瓷纖維板。槽底防滲保溫層厚度為393 mm,分別為5 mm的陶瓷纖維板和15 mm的耐高溫隔熱板,兩層高強保溫磚,導致保溫設計過強。同時沒有考慮到保溫材料性能衰退的客觀情況,底部900 ℃等溫線位于電解槽防滲層內部,但800 ℃等溫線已經下沉到防滲層以下,進入隔熱保溫磚層中,由于保溫材料在高溫鈉蒸汽的作用下,保溫性能失效,電解槽實際爐幫最薄位置為10.6 cm,電解槽長側熔體區平均溫度在306 ℃左右,不利于保溫磚的保護,導致各部分散熱比例不平衡,同時電解槽爐膛情況不理想,并且槽底等溫線分布不合理。

3.2 主要優化方向

3.2.1 陰極結構優化升級

采用國內成熟可靠的新式澆鑄復合陰極技術優化陰極組結構,使用磷生鐵澆鑄替換傳統的鋼棒糊扎固連接,同時優化鋼棒截面,降低鋁液中水平電流和爐底壓降,提高電解槽磁流體穩定性［5］,從而降低電解槽壓降,達到節能降耗的目的。

3.2.2 熱平衡內襯優化設計

在電流強度500 kA時,計算得到槽平均電壓3.95 V,極距4.0 cm,其中陽極電壓0.351 V,電解質壓降1.237V ,陰極壓降0.252 V,電解質溫度為959.2 ℃,過熱度9.2 ℃。

底部800 ℃和900 ℃等溫線位于電解槽防滲層內部,等溫線底部水平,側部豎直,分布合理(圖8)。

圖8 500 kA電流優化槽溫度分布云圖

計算結果顯示優化后的內襯形式在電流500 kA、平均電壓3.95 V條件下運行時,槽上口爐幫最薄處13.8 cm,伸腿長度3.0 cm,爐膛情況良好(圖9)。

圖9 500 kA電流優化槽爐幫形狀

圖10 搖籃槽殼等效應力云圖

3.2.3 電解槽工藝條件窗口

根據電解槽熱平衡的計算條件和設計,生產運行工藝條件窗口見表2。

表2 電解槽工藝條件窗口

3.2.4 槽殼補強優化

電解槽受力顯示,搖籃槽殼的槽底筋板受力偏大,達341.9 MPa,非常接近設計所使用材料Q345A的屈服強度345 MPa(圖13)。

經過分析和計算,在電解槽的斜側壁板與槽底板焊縫位置下方焊接補強板,減小電解槽應力集中情況,同時在電解槽側壁板上增加散熱片,優化電解槽散熱比例。

4 試驗槽2優化后陰極破損情況分析

4.1 試驗槽2工藝技術情況

試驗槽2按照上述措施進行優化,停槽時槽齡972 d,原鋁鐵含量為0.082%,硅含量為0.034%。試驗槽2的工藝技術條件見表3。

表3 試驗槽2工藝技術條件

4.2 試驗槽2陰極破損情況

試驗槽2由于限電導致停槽,停槽時A、B兩面陰極炭塊最大變形量為30 mm(圖11),在規程的允許范圍內。刨開上層陰極炭塊后發現A28～A30、B28～B30鋼棒頭部分被熔化;刨開陰極鋼棒底部,發現A1、A29陰極鋼棒部分被熔化。

圖11 試驗槽2陰極表面隆起情況

試驗槽2陰極炭塊表面整體相對平整,沒有明顯隆起現象。局部A6～A8、A11～A13等處陰極炭塊表面有細小的橫向裂紋,A6、A7、A8陰極炭塊上有鋁塊(圖12)。

圖12 試驗槽2局部陰極破損情況

側部氮化硅結合碳化硅塊保存比較完完整,異型炭塊有冷裂及細微膨脹現象(圖13)。

圖13 試驗槽2側部碳化硅腐蝕情況

從上述解剖結果對比來看,優化后的試驗槽2碳化側部硅保持完好,基本沒有破損,陰極表面雖有細小的裂紋,但基本杜絕了陰極炭塊橫斷的現象發生。

5 結論

1)500 kA電解槽破損的主要原因是設計不合理導致熱應力集中,造成陰極橫斷形成早期破損。在高鋁水平條件下,碳化硅側部由于金屬鋁與碳反應生成碳化鋁腐蝕較為嚴重。

2)通過調整槽內襯、熱平衡和工藝技術,加強了電解槽的散熱性能,在不改變母線配置的情況下,解決了電解槽早期破損的問題。通過降低鋁水平高度,使得鋁液和側部碳化硅的腐蝕減少,碳化硅側部破損的情況得到改善。

3)通過技術條件的優化,實現了電解槽在純凈電解質體系下低鋁水平穩定運行,打破了不同電解質體系對應不同鋁水平的傳統理念。