淺議鋁電解槽內襯修理

裴作明，張劍戟，宋道輝，杜耀青

（萬基控股集團有限公司，河南 洛陽 471832）

近年來，隨著國民經濟高速發展，中國電解鋁工業發展迅猛，鋁產能與產量不斷地增長，電解鋁技術快速發展。我國電解鋁技術從80年代到本世紀初，經歷了多次“飛躍”，引進中間下料預焙槽技術，實現國內電解槽技術逐步由自焙槽向預焙槽轉化，預焙陽極電解槽直流電流從160 kA提高到300 kA、350 kA乃至400 kA，半石墨陰極到全石墨陰極，電流效率、直流電耗、電解槽壽命等得到了大幅的提高。目前國內對提高電效，增加電解槽壽命都有相關研究，文章僅討論石墨化陰極電解槽內襯修理辦法。

1 石墨化電解槽常見的破損現象

1.1 陰極炭塊表面出現凹坑。

在靠近伸腿位置由于磁場作用帶動鋁液流動，尤其在立柱母線附近凹坑現象尤為突出，可能立柱附近疊加磁場，鋁液在此產生渦流加劇所致。

1.2 側部炭塊破損

側部炭塊材質在19世紀為半石墨質炭塊，這類材料致命的問題是抗氧化性差、抗沖刷性能差、抗化學侵蝕性能差。進入21世紀，氮化硅結合碳化硅被廣泛應用于鋁電解槽，這類材料克服了半石墨質炭塊的缺點，具有優異的高溫力學性能和化學性能，不易被氧化，不與冰晶石溶液反映等特點，導熱性好，在電解槽內部極易形成爐幫，電阻率高，減少水平電流。但在2017年大修期間發現部分電解槽內襯四周保護伸腿的爐幫消失殆凈，側部炭塊中部出現凹槽狀破損，同時觀察到陰極炭塊表面覆蓋一層約50 mm厚質地堅硬的沉淀物，后經分析為電解槽的電解質體系中Li、K含量較高所致，電解質中Li、k總量8%~10%，如此高的Li、K含量會大幅降低槽溫及氧化鋁溶解性，造成爐底沉淀。加之中原地區氧化鋁多為粉狀或中間狀，不利于氧化鋁溶解和擴散，加重了爐底沉淀的形成。

1.3 隨著電解槽大型化

一些新型材料逐漸應用在電解槽上，防滲料就是其中之一。防滲料位于陰極炭塊下方保溫層上方，其作用防止Na和NaF的蒸汽滲入保溫層中，導致熱導率增加，從而使電解槽熱效率降低，因為電解槽中陰極炭塊中縫是內襯中的薄弱點，Na和NaF的蒸汽沿中縫滲入防滲料中，與其中的氧化物發生反應，生成玻璃體，隨著槽齡的增加，玻璃體數量不斷上升，體積不斷增大，由于炭塊壓在干式防滲料上面，這種化合物形成的膨脹力首先是向下的，擠壓著槽子的保溫層。當這種向下的膨脹力無法再繼續往下的時候，就會將壓在其上面的炭塊撐破。從刨槽圖片上可以清晰看到這種變化，防滲料厚度設計為390 mm，現為420~430 mm，保溫層設計為兩層保溫磚＋一層絕熱板＋一層石棉板，厚度205 mm，現在只有190 mm左右，顯示陰極鋼棒變形情況。

2 修理方法的判斷依據

目前半石墨炭塊陰極內襯壽命在3~4年，石墨化陰極內襯壽命在10年左右，截至到2017年底，萬基鋁業兩條石墨化陰極電解鋁生產線，2006年投產的300 kA還有30%仍在運行，2009年投產的400kA還有50%仍在運行。對于內襯破損的電解槽，是把內襯全部拆除還是進行局部更換，需要結合電解槽運行狀況、槽齡、陰極損壞狀況進行綜合分析。

2.1 修理方案的選擇

大修方案，按照項目建設初期設計單位提供的《筑爐規程》，電解鋁企業可自行準備材料，只要嚴格施工質量把控，均可以較好的完成電解槽大修工作。

2.2 中修槽施工方案

（1）內襯拆除。采用保護陰極炭塊的拆除辦法。拆除側部壓板，用風鎬拆除周圍糊至側部炭塊下部耐火磚（散熱槽型）或澆注料（保溫槽型）。拆除側部炭塊、周圍糊拆除直至露出陰極炭塊端部，清除周圍糊中夾雜的滲鋁等雜物。清理陰極炭塊上表面距端部50mm，上表面露出炭塊本色。

（2）砌側塊施工要求。側角部塊在槽四周耐火磚或澆注料上直接砌筑，沿槽殼四周緊貼槽殼。如耐火磚或澆注料有破損現象，可以用搗打料或重質澆注料修補找平。

3 焙燒方案的選擇

目前，工業電解鋁有3種啟動方法，分別為：鋁液預熱法、焦粒焙燒法和燃料加熱法，其中鋁液預熱法因對陰極炭塊熱沖擊強烈，易引起陰極早期破損而逐漸淘汰。大修槽焙燒啟動與新建槽相似，但對于中修后的電解槽由于陰極表面被鋁液和電解質的沉淀所覆蓋，為保護陰極表面不被損傷，清理工作極為困難。啟動時，難以保證較小的均勻的電阻，如采用焦粒焙燒啟動，對陽極炭塊抗氧化性能帶來極大的挑戰，可能在焙燒初期因電阻高導致陽極早期破損，從而埋下事故隱患。因此中修后的電解槽建議采用燃料加熱法焙燒啟動。

4 結語

鋁電解槽內襯工程是一項復雜的系統過程，從方案選擇，材料選購、施工工藝到焙燒啟動，每一環節，都必須嚴格把控。由于初期投資高，近幾年來，國內對全石墨陰極內襯研究有些緩慢，近幾年來沒有新的內襯材料應用在生產中，比如內襯材料壽命不匹配現象，常用的干式防滲料設計壽命只有6年，遠遠滿足不了全石墨陰極電解槽的需要；角部伸腿肥大現象，氮化硅結合碳化硅側部炭塊導熱性好，極易形成爐幫，但在角部也易導致伸腿肥大，影響電解槽生產。這就對從事鋁電解研究的技術人員和電解鋁生產的企業提出新的課題。