鋁電解槽槽殼變形的原因分析與校正

白衛國，高寶堂，潘衛平，曹永峰

（1.中國鋁業鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041；2.包頭鋁業有限公司，內蒙古 包頭 014000）

鋁電解槽在連續生產一定時間后可能出現槽殼向外鼓出變形，搖籃架開焊斷裂以及電解槽出鋁和煙道兩端上翹等變形現象，嚴重破壞電解槽爐膛內型，給電解槽指標帶來不利影響，并且這種狀況在電解槽運行中很難修復，一直持續到停槽大修。

大修施工中我們檢查發現，槽壽命越長槽殼的變形量越大，電解槽在不同運行階段及不同位置發生槽殼變形的原因剖析非常重要。本文全面分析了電解槽在每個運行階段的變形原因，以及應采取的預防措施，保障電解槽規整穩定的爐膛內型，獲得良好的運行指標。同時在槽大修方面給出了槽殼校正評判標準及槽殼校正方法，可以為電解槽槽殼校正提供借鑒和參考。

1 槽殼變形原因分析

1.1 設計原因引起的變形

隨著鋁電解工業的發展，電解槽在設計上不斷進步，前期設計上的不足在后續的應用中慢慢顯現出來。例如：早期設計的雙圍板電解槽（160kA槽型、200kA槽型），熔體區鋼窗口沒有安裝散熱片，空氣流動效果差，形成的爐幫薄厚不均，側壁鋼窗口溫度相差較大，溫度梯度產生的應力引起電解槽長側板外鼓變形；電解槽槽殼不僅是盛內襯的容器，而且還起著支承電解槽重量，克服內襯材料在高溫下產生的熱應力和化學應力迫使槽殼變形的作用，所以槽殼必須具有較大的剛度和強度，而在某企業240kA系列電解槽長側板采用12mm厚的鋼板（通常設計鋼板厚度的16mm），由于鋼板的厚度變薄強度降低，對電解槽應力釋放時的束縛力變差，造成槽殼嚴重變形；在某企業，設計中為了節省材料減低成本，將第二組搖籃架與倒數第二組搖籃架剔除，結果電解槽在該位置對應的長側板出現局部的“S”彎，嚴重影響電解槽的安全運行。

圖1 電解槽槽殼s彎變形圖

有的企業400kA系列電解槽，設計中沒有外沿板，取而代之的是風格板，雖然增加空氣對流，更易形成結實的爐幫，但沒有外沿板就沒有鋼梁緊箍作用，長側板外鼓現象嚴重，有的企業電解槽雖然有外沿板，但沿板上增開多處散熱孔，改孔與外沿板相距緊12cm，外沿板難以抵抗電解槽應力的釋放，出現外沿板撕裂，類似變形槽占全系列的10%。

圖2 風格板代替外沿板的槽殼變形圖

圖3 撕裂的多孔外沿板示意圖

1.2 焙燒階段熱膨脹作用造成的變形

電解槽焙燒階段由于陰極炭塊的熱膨脹，槽殼上部受力大于槽殼下部，從而形成槽殼中間呈弧形上拱變形，隨著工作電壓、電解溫度、鋁量等工藝技術條件逐步穩定匹配后，該變形都會逐步恢復。

1.3 正常運行階段槽內襯膨脹擠壓造成的變形

圖4 電解質浸入人造伸腿產生膨脹

資料表明[1]：電解槽啟動初期新鮮的炭素陰極以及微細的縫隙中，鈉元素析出后生成嵌入式碳鈉化合物C64Na和C12Na，在溫度變化時，這種化合物將產生體積膨脹應力，在應力釋放的過程中導致槽殼變形。電解槽的正常生產階段，鈉滲透的影響逐步減弱，更多的影響來自鋁和電解質的滲透，滲透的鋁和電解質到達防滲層形成凝固結晶體，隨著結晶體的不斷積累產生的體積膨脹應力導致槽殼的變形；另外，當電解槽工藝技術條件波動時，電解槽熱平衡波動加劇，熱平衡破后產生溫度梯度熱膨脹應力，該應力釋放的過程中引起槽殼的變形。所以，電解槽槽內襯的體積膨脹變應力和工藝技術條件波動時的熱膨脹應力是造成槽殼變形的主要因素。因此，生產中提高電解槽工藝技術條件穩定性是緩解槽殼變形的重要舉措。

圖5 槽內襯材料膨脹引起槽殼變形

1.4 電解槽停槽冷卻期間的彈性變形

電解槽在停槽冷卻至常溫期間，槽內襯各部下降速度不等，槽殼上口冷卻收縮較快，在電解槽上部結構吊離后，會發現電解槽出鋁和煙道兩端產生彈性變形導致上翹。大修槽在槽內襯清理階段，為使電解槽內襯材料快速降溫，同時降低清理難度，近幾年很多企業采用濕法挖掘機刨爐，就是向槽內注入一定量水，注水后的內襯材料產生體積膨脹，使得電解槽長側板向外擴展變形，值得注意的是需要嚴格控制注水量，減緩電解槽槽殼變形。

綜合上述，電解槽變形原因主要為溫差梯度作用產生的應力和槽內襯體積膨脹產生的應力，表現為正常生產時的槽殼長側板外鼓變形。另外，電解槽在大修內襯清理結束后也會有槽殼的彈性變形，表現為出鋁和煙道兩端槽殼向上翹引起的變形。當槽殼的變形超出一定范圍時需要校正，下面重點談槽殼的校正。

2 槽殼的校正評判標準

電解槽槽殼變形主要有長側板變形和兩端上翹。對于電解槽兩端上翹的彈性變形主要采取預防措施緩解上翹的變形。對于電解槽外長側板的變形量在超出標準范圍時需要校正，行業標準為槽殼長側板雙面變形量≤50mm。具體做法是以電解槽制作的永久標志為基準，畫出電解槽水平線，然后測量電解槽槽殼雙面長側板的距離、槽殼底板與槽底立柱頂端之間的距離，記錄各點數據，對照原設計尺寸，如果槽殼長側板雙面變形量＞50mm，即判定需要校正；如果槽殼長側板雙面變形量≤50mm，處于控制范圍內，無需校正。

圖6 制定的水平線和基準線

圖7 槽殼雙面長側板變形量的測量

3 電解槽槽殼校正工藝

3.1 電解槽兩端上翹的校正工藝

對于電解槽出鋁和煙道兩端上翹的彈性變形的校正[2]，可使用預制的L型壓鐵放置在電解槽四角，也可在槽殼底部放置配重塊，達到與上部結構同等配重的效果，這樣可預防因槽內襯物料清理后的彈性變形；

圖8 四角的L型壓鐵及槽底配重塊

對于兩端上翹嚴重的電解槽，建議采用先安裝上部結構再扎固陰極糊料的辦法，可避免因上部結構回吊，兩端彈性歸位而出現陰極中縫裂紋，為后續電解槽焙燒啟動留下隱患。

3.2 電解槽長側板變形的校正工藝

長側板變形的修復工藝：確定位置→安裝手動倒鏈→火焰消除應力→拉拽手動倒鏈→搖籃架焊縫檢查與修復→側長板與搖籃架間隙補墊→緊固工具拆除；對于“S”彎的局部修復，應先在側長板上找到拉伸位置，焊接胎具，接下來的步驟同上。具體校正過程如下：

槽殼長側板縱向變形校正時應在槽殼兩側對稱分布的搖籃架上水平方向設置多個手拉倒鏈，一端固定在A面長側板上沿，一端固定在B面對稱位置的鋼窗口（或長側板上沿），然后通過600℃～800℃火焰加熱校正[3]，邊加熱邊拉拽手拉倒鏈，拉拽的同時，注意觀測搖籃架開裂縫的復位情況，如發現開裂的焊肉阻礙搖籃架開裂口復合時，應及時割除。

4 校正過程中的注意事項

圖9 電解槽長側板變形修復時的倒鏈對拉示意圖

①校正過程中，應隨時對校正數據進行測量，應盡量將變形量校正到圖紙給出的標準尺寸上，主要考慮到最后卸掉導鏈后出現的變形回彈，避免卸掉導鏈后變形量重新超限造成返工。②校正時要注意門型立柱四角對角線尺寸偏差，避免影響上部結構回裝。③當長側板水平變形逐漸趨近基準位置時，對開裂的搖籃架以及槽殼與搖籃架縫隙進行加固，為了進一步增加剛性提高強度，用火焰加熱搖籃架開焊處再重新焊接。④對“s”彎的修復，胎具[4]制作時用消除中心的殘余應力，避免出現局部硬彎。⑤對于沒有槽沿板的電解槽，應在長側板校正后重新焊接外沿板，以增強鋼梁的緊箍束縛力，防止再次變形。⑥經過試驗火焰加熱溫度，750℃～800℃溫度更適合應力消除及倒鏈拉伸鋼板。

表1 電解槽兩端上翹校正情況（單位：mm）

表2 400kA電解槽長側板校正情況（單位：mm）

5 電解槽槽殼修復效果

通過不同槽型多臺槽槽殼校正，實際測量校正前后數據，比對設計尺寸，結果表明修復后的電解槽槽殼能夠滿足設計要求。500kA槽出鋁和煙道兩端上翹平均校正變形量為19.3mm，400kA槽平均校正變形量為10.8mm，320kA槽平均校正變形量為6mm。三個系列電解槽兩端平均校正量為12mm，校正后上翹平均值為23mm，筑爐負重后可以實現兩端歸位。可以看出，電解槽四個角部放置防變形裝置、槽底板增加配重、電解槽先安裝上部結構再扎固等辦法，能夠有效解決兩端上翹問題。

圖10 校正后槽殼的測量驗收

表3 240kA電解槽長側板校正情況（單位：mm）

通過實測校正前后數據變化，400kA槽A-B面長側板之間的距離的校正量為47mm。校正后A-B面長側板之間的距離為4114mm，設計標準為4110mm，符合修復校正標準。

通過實測校正前后數據變化，400kA槽A-B面長側板之間的距離的校正量為62mm。校正后A-B面長側板之間的距離為4123mm，設計標準為4130mm，符合修復校正標準。

6 結語

鋁電解槽在連續生產一定時間后可能出現槽殼向外鼓出變形，搖籃架開焊斷裂以及電解槽出鋁和煙道兩端上翹等變形現象，造成變形的原因是多方面的，主要原因為溫差梯度作用產生的應力和槽內襯體積膨脹產生的應力。文中從設計、焙燒啟動、正常運行階段以及槽大修內襯清理階段分析了槽殼變形的原因。在設計上根據電解槽運行中變形情況不斷改進減少槽殼變形；在電解槽正常運行階段受溫度梯度應力和內襯材料體積膨脹應力共同作用下，槽殼發生變形；大修階段出鋁和煙道兩端上翹變形及槽殼長側板外鼓變形。槽殼兩端上翹的問題可通過壓鐵或槽底配重解決。長側板變形的預防主要是提高電解槽工藝技術條件的穩定性，避免熱平衡的破壞對槽殼的影響。長側板變形的修復主要通過機械對拉火焰加熱消除內應力達到校正的目的。

對多臺大修槽槽殼的校正修復表明：兩端上翹變形平均校正量為12mm，校正后上翹平均值為23mm，筑爐負重后可以實現兩端歸位；A-B面長側板間距離平均校正量為55mm，校正后變形量平均值為6mm。可以看出，電解槽槽殼校正后均符合校正標準，達到了設計要求，為后續電解槽大修及穩定運行打下堅實的基礎。