300 kA預焙電解槽漏槽原因及預防措施

張衛新，王躍琪，李明照

（1.山西華圣鋁業有限公司，山西永濟 044501；2.國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇蘇州 215011；3.太原理工大學材料科學與工程學院，山西太原 030024）

300 kA預焙電解槽漏槽原因及預防措施

張衛新1，3，王躍琪2，李明照3

（1.山西華圣鋁業有限公司，山西永濟 044501；2.國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇蘇州 215011；3.太原理工大學材料科學與工程學院，山西太原 030024）

詳細介紹了某電解鋁廠300 kA大型預焙電解槽由于水平電流增大、爐底沉淀增多、爐幫消失導致的漏槽現象，分析了漏槽的原因，有水平電流、爐底沉淀、爐幫破壞，并針對原因提出預防電解槽漏槽的措施。

電解槽 漏槽 沉淀 爐幫破損 水平電流

漏槽是指電解槽在運行期間因側部爐幫遭到破壞后電解質、鋁液熔化槽殼后漏出或因電解槽爐底出現破損鋁液熔化陰極鋼棒后漏出的生產事故。前者被稱為側部漏槽，后者為底部漏槽。2014年，山西華圣鋁業有限公司（全文簡稱華圣鋁業）出現多起漏槽事故。

1 電解槽漏槽狀況

2014年，華圣鋁業一車間發生的兩次漏槽都是由散熱孔處鋁液電解質外漏造成的。電解系列通電后，恢復較慢，效應頻繁，漏槽事故直接造成一定的經濟損失。

觀察電解槽側部爐幫破損的位置以及破損前爐幫的情況，如圖1所示。

破損發生在散熱孔處，距槽延板下方約10 cm伸腿上部側部炭塊消失的位置，外部槽殼鐵皮嚴重破損，熔化處有直徑大約29 cm的洞，破損前散熱孔溫度較高，達到450℃（見圖1-1）。

漏槽的電解槽存在嚴重的側部上抬的現象，上抬高度15 cm左右，有的直接消失掉落（見圖1-2）。

針對散熱孔溫度較高的位置，剖開側部，發現有大堆的鋁疙瘩，而且直接接觸到槽殼鐵皮（見圖1-3、圖1-4）。

漏槽前期，電解槽電壓擺較大，如圖2所示，散熱孔有多處超出400℃，并出現脫極現象。

漏槽是一起重大的生產事故，漏出的高溫電解質和鋁水如果沖向槽周和爐底，致使沖壞陰極母線，電路短接，強電流致使的金屬燃燒、電解槽放炮、爆炸以及系列電流停電等事故，嚴重時會造成整個電解生產系列陷入癱瘓狀態，甚至造成人員傷亡，并可能由此造成二次事故的發生。

圖1 電解槽爐幫實圖

圖2 電解槽電壓

2 電解槽漏槽原因分析

2.1 水平電流

在電解槽的正常運行當中，電流通過陽極炭塊、電解質、鋁液，由陰極鋼棒導出。在實際生產當中，由于爐底沉淀的產生，電解槽中的電流并非理想垂直狀態，總會產生水平分量。

由于電解槽周圍存在垂直方向的磁場，水平電流切割磁場，產生力的作用；如果水平分量較大，將導致鋁液發生劇烈波動。鋁液鏡面不穩定，極距發生變化，電流通過每組陽極電流大小不同，極容易出現脫極現象。與現場統計吻合，漏槽位置往往發生在脫極或者新換極位置處。水平電流增加，也將導致電解質與鋁液發生混合，氧化鋁無法正常溶解，并且生成爐底沉淀，阻礙電流在垂直方向通過爐底，可造成破損爐幫發紅、短路，形成漏槽事故。

2.2 爐底沉淀

在電解槽作業過程中，在加工間隔不合適、人為補加氧化鋁料過多或者封堵塌殼冒火方式不正確的情況下，都容易產生爐底沉淀，如圖3所示。氧化鋁在電解質中溶解，遵守動力學傳輸原理。將冷的氧化鋁加入電解質當中，細散顆粒的外層會形成薄層凝固電解質，如果氧化鋁經過預熱未達到足夠的溫度使其溶解，氧化鋁就會連同電解質結殼一同沉入爐底，形成沉淀[1]。同時，氧化鋁在緩慢的下降過程中，一方面吸熱，溫度達到電解質溫度，一方面溶解到電解質中，吸收熱量，可見氧化鋁的溶解過程是一個強烈的吸熱過程。根據計算，溶解1%的氧化鋁，電解質的溫度會下降14℃，如果所需的熱全部由電解質提供，大約有一半的熱量提供給加熱，另一半提供溶解所需的熱量。溶解的電解質會造成周圍的溫度降低，進而降低電解質的溶解能力，容易形成沉淀。

圖3 電解槽內示意圖

通過在生產中觀察發現，沉淀的產生與槽況的穩定性息息相關。如圖4所示，圖4-1為電流通過的理想情況；產生沉淀后，如圖4-2所示，電流不能垂直通過陰極炭塊，產生水平方向的電流[2]。

沉淀過多，會造成槽底反熱，產生熱槽，溶解周圍爐幫，使其變薄，電解質水平同時升高，容易出現上極面浸泡鋼爪現象。這種現象主要發生在低殘極，不僅造成原鋁質量鐵含量升高，還會增加電解工調整電解質水平的勞動量。爐幫中存在大量氧化鋁，爐幫融化后，會促使電解質中的氧化鋁濃度升高，槽電阻發生改變，電壓上升，干擾微機誤判下料。爐幫變薄，存在水平電流發生短路的風險，如圖4-3所示。沉淀過多，容易產生電壓擺，這時需要調高鋁水平，以穩定槽況。如果側部爐幫破損，將是造成漏槽的隱患。

圖4 沉淀影響電流示意圖

2.3 爐幫破壞

爐幫破損、側部炭塊掉落或者是側部上抬，主要原因歸結為人為操作破壞和焙燒啟動時鈉滲入。

在換極操作過程中，在進行天車換極前的開邊處理時，如果操作不當，側部爐幫就會被打掉。側部上抬歸結為由于內襯發生斷裂后電解質進入裂縫發生膨脹而產生的。在焙燒啟動期間，鈉滲入陰極及周圍爐幫，如果電壓降低較快，可導致爐幫斷裂。

鈉滲透形成的層間化合物CnNam將從微觀結構降低炭素內襯中骨料顆粒和黏結相的強度，破壞其結構完整性。在電解運行過程中這種受到破壞的炭素內襯將更容易在其他因素作用下破損失效。當在焙燒溫度不夠（溫度過低或溫度梯度過大）的情況下啟動電解槽，容易發生鈉的非均勻滲透并產生局部應力，從而引起炭塊剝落。因為在冷卻過程中，鈉滲透層的變形基本不可逆，而非滲透層的炭塊的熱膨脹因具有可逆性而發生收縮，如果在滲透前沿區域產生較大的局部應力，當該應力超過材料強度時就會產生裂紋，導致炭塊整體剝落[3]。

在啟動期間以及日常維護當中，當側部加工時或在發生熱行程的電解槽上，爐幫比較容易消失[4]。爐幫消失后，容易使鋁液進入內襯位置，鏈接槽殼形成短路，造成散熱孔發紅或擊穿。從生產當中可以了解到，散熱孔溫度較高（一般在400℃以上），剖開側部內襯，總能發現有固體鋁片存在。

爐幫破損造成鋁液中鐵含量上升，含量高達0.3 kg/t，直接影響鋁液的銷售，并增加配鋁的困難。

3 預防電解槽漏槽的措施

3.1 降低爐底沉淀

3.1.1 禁止直接用氧化鋁封堵塌殼冒火

直接用氧化鋁封堵塌殼冒火是爐底產生沉淀的主要原因之一，所以應減少塌殼產生。當電解質水平沒有得到及時調整，使得電解質水平過高時容易產生塌殼，為減少因氧化鋁加入產生的沉淀，要注意以下幾點：

1）每周，車間對電解工進行一次培訓，從思想意識上了解直接封堵帶來的危害。

2）車間每周測量各工區兩個水平（電解質水平和鋁水平），及時調整，提高電解質水平合格率，使電解質水平保持在18～21 cm。

3）認真交接班，當班問題當班處理。

4）將低殘極、中縫的氧化鋁積料及時取出，防止其再次進入槽中。

5）合理封堵塌殼冒火，先將殼面打塌，從新生成堅硬的殼面后，用電解質料封堵。

3.1.2 控制手動加料次數

當發生陽極效應時，減少電解工人為加料次數，可避免因增加氧化鋁濃度、干擾微機自動調節而產生爐底沉淀。

首先，建立手動加料臺賬，細化日常加料次數，了解各工區加料數據變化；然后，工區長每天通過了解下料次數，調整電解槽加工間隔，早晚調整一次。

3.2 維護爐幫的完整性

3.2.1 規范天車開邊操作

統一天車工與電解工交流手勢，在每次換極操作時，大組長應在旁邊進行手勢指揮。開邊要求打入20 cm，間距10 cm，呈現U型方式開邊，避免打到爐幫。

3.2.2 控制槽溫

將電壓保持在3.85 V左右，將槽溫控制在920～940℃之間，防止有大的波動，要注意以下幾點：

1）每周，測量槽溫兩次，調整電壓，提高合格率。

2）維護電解槽密封性。及時關閉爐門，整齊擺放槽蓋板，在U型口增加密封布，用保溫布覆蓋電解槽AB面。

3）規范換極槽作，點擊換極按鈕，增加附加電壓。將換極時間控制在40以內，10 min完成收邊任務，及時用槽蓋板蓋住電解槽并用密封布包裹。

3.3 減少水平電流

3.3.1 電解質成分和水平的控制

電解質成分影響導電能力以及氧化鋁的溶解能力，電解質水平影響氧化鋁溶解量，可見電解質起到維持槽溫的重要作用。在管理中，控制電解質水平為18～21 cm、n(AlF3)∶n(NaF)在2.3～2.5之間、電壓在3.85 V左右，有利于溫度的穩定和氧化鋁的溶解能力。在控制中，注意以下幾點：

1）每周測一次電解質成分，如果存在不合格分子比，及時調整氟鹽量。

2）建立氟鹽臺賬，記錄每臺電解槽添加氟鹽次數以及添加周期，防止有電解槽漏加。

3）稱量每臺電解槽氟鹽下料量，實現精準下料，及時排除設備故障。

4）早晚測一次電解質水平，對于電解質水平不合理的，當班及時調整到位。

5）調整熱量平衡，根據電解質流動狀態，添加爐面保溫料，保持電解槽密封保溫。

3.3.2 鋁水平的控制

鋁水平可以減弱電壓波動，減弱磁場對鋁液的作用力，同時還能增加散熱，利于形成規整爐膛，減少爐幫的溶解。鋁水平過高，容易產生沉淀，致使電流分布不均勻，造成局部過熱，導致與其他部位存在較大熱應力，使內襯破損[6]。漏槽位置發生在人造伸腿上部，而這部分內襯材料往往容易斷裂腐蝕，鋁液容易滲入。人造伸腿的高度如圖5所示，實際測量為28 cm。

圖5 人造伸腿高度

車間每周測量兩次鋁水平，根據數據變動調整出鋁任務量，將出鋁控制在2.3 t，對于個別效率低的電解槽將出鋁量控制在2.1 t，將鋁水平保持在22～26 cm。

4 結論

1）通過對電解槽漏槽原因分析可知，爐底沉淀是增加水平電流的潛在原因，爐幫破壞是導致水平電流短路、熔化側部槽殼的直接原因。

2）防止漏槽事故的發生，主要通過槽體保溫、控制兩個水平來控制熱量平衡，并合理控制進入電解質中的氧化鋁濃度，可避免爐底沉淀的產生以及爐幫的破損。

[1]劉業翔，李劼.現代鋁電解[M].北京：冶金工業出版社，2008：217-219.

[2]王紹鵬，馬松堂.280 kA電解槽針振初探[J].輕金屬，2002（12）：31-34.

[3]任必軍，張建芬，王兆文，等.大型電解槽碳化硅側塊破損機理與爐幫形成的研究[C]//2007中國國際鋁冶金技術論壇，2007：576-583.

[4]李祥祺，胡金平，陳國強，等.大型預焙鋁電解槽側部破損的處理方法[J].中國有色冶金，2006（1）：11-12.

[5]黃繼勇，張虎，蘇寶峰.大型鋁電解槽側部破損原因分析及對策[J].有色冶金節能，2007，24（2）：24-26.

[6]劉建輝，艾自金.320 kA鋁電解槽早期破損原因及預防措施[J].有色金屬（冶煉部分），2012（8）：17-20.

（編輯：胡玉香）

Reasons for Leakage of 300 kA Prebaked Electrolytic Cell and Its Prevention Measures

ZHANG Weixin1，3,WANG Yueqi2,LI Mingzhao3
（1.Shanxi Huasheng Aluminium Co.,Ltd.,Yongji Shanxi 044501;2.Patent Examination Cooperation Jiangsu Canter of the Pantent office,SIPO,Suzhou Jiangsu;3.School of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Technology, Taiyuan Shanxi 030024）

This paper describes the leakage of an electrolytic aluminum factory’s 300 kA large prebaked cell,which is caused by the raise of its horizontal electric current,the increasing precipitation on the bottom,and the disappearance of the furnace wall.It analyses the reasons of leakage,including horizontal current,bottom sediment,damage of furnace wall,and puts forward the prevention measures for electrolytic leakage.

electrolytic cell,slot leakage,precipitation,damage of furnace wall,horizontal electric current

TF821

A

1672-1152（2016）06-0113-04

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.06.40

2016-11-03

張衛新（1987—），男，助理工程師，冶金工程在職碩士研究生，山西華圣鋁業有限公司技術員。