300KA 大型預焙鋁電解槽焙燒啟動后快速形成規整爐幫研究

楊仲生

（中鋁山西新材料有限公司，山西 運城 043304）

在鋁電解的啟動后期及正常生產期間，爐幫是電解槽的重要構成部分。根據爐幫形成的機理和生產實踐，由于電解槽槽型設計、陰極炭塊炭糊防滲料等原材質量及筑爐工藝、焙燒方法、工藝技術等條件有所不同，形成的爐幫也有所差異，特別薄的爐幫可能出現鋼窗局部發紅現象，嚴重時會出現側部漏爐異常事件。

1 電解槽爐幫的定義及作用

1.1 電解槽爐幫的定義

鋁電解槽爐幫是電解質熔體根據分子比下降過程中結晶形成的高分子比結殼層。根據我廠實際情況，我廠使用的側部碳塊是石墨化氮化硅復合塊；電解質熔體形成的結殼層，其主要成分是單斜晶體的冰晶石、α-Al2o3以及少量冰晶石-氧化鋁共晶組成，其化學組成隨電解鋁所使用的氧化鋁和電解槽的運行溫度有很大的變化，一般它至少含30%（質量）的電解質，其余為氧化鋁。其正常生產的電解槽爐幫要求厚、硬、勻，底部伸腿要求對稱如圖1，整體要求爐膛規整，伸腿位于陽極邊緣正投影下。

圖1 電解槽正常爐幫與不正常爐幫示意圖

1.2 電解槽爐幫的作用

形成規整的爐幫對鋁電解槽啟動后期及正常生產期起著非常重要的作用：①減少電解槽的熱量損失，阻止電流從側部通過；②保護電解槽的側部氮化硅磚；③把陰極原鋁液擠到槽中央部位，使鋁液鏡面收縮，利于提高電流效率和降低磁場波動；④防止側部漏電，讓電流均勻地通過陰極表面，使電解槽穩定運行；⑤覆蓋陰極炭塊與側部炭塊之間的扎固縫，杜絕鋁液或電解質從扎固縫之間滲入造成電解槽破損，延長槽壽命。

2 電解槽焙燒啟動過程

在鋁電解生產過程中，大型鋁電解槽一般采取鋁液焙燒法、焦粒焙燒法、燃氣焙燒法三種方法，結合我廠生產實際，我廠一直采用焦粒焙燒啟動法。焦粒焙燒法是在陰陽極之間鋪上一層焦粒與石墨按3：2 配比的煅后焦，電解槽通電后，焦粒層作為電阻體，在陰陽極之間產生焦耳熱，同時陰極和陽極本身的電阻也產生熱量，進行焙燒電解槽。按照我廠生產實踐，其焙燒時間為54h。

2.1 電解槽焙燒過程

2.1.1 電解槽焙燒的目的

（1）把電解槽內陰極碳塊之間、陰極碳塊與側部內襯之間的冷搗固糊慢慢燒結成一個整體，并把槽內襯材料中的水分蒸發出來。

（2）焙燒過程中電解槽內襯材料不斷升高至一定溫度，避免啟動時灌入槽內的熔融電解質凝固。

（3）使電解槽平穩地過渡到電解槽生產狀態的過程。

（4）當電解質或原鋁液灌入電解槽時，減少電解槽受到熱的沖擊。

2.1.2 電解槽裝爐

表1 我廠某槽裝爐物料用量表

其中裝爐物料中加氟化鈣，因其有礦化劑的作用，在電解質中添加氟化鈣，析出的固體電解質熔點高，對后一階段形成的規整爐幫在實際生產中不易被熔化。

裝爐質量的好壞決定著電解槽焙燒溫度的均勻性及沖擊電壓的高低。在裝爐過程中必須嚴格控制鋪設焦粒的質量，保證每塊陽極底下的焦粒量均勻，產生的電阻均衡，才能確保陰極升溫均勻，但是由于隨著溫度的升高及焦粒層體積密度的變化，焦粒層的電阻也會發生變化，從而導致陽極電流分布不再均勻，因此加強焦粒鋪設至關重要。另外，軟連接及分流器的安裝，要求：壓接面清擦干凈、螺桿和弓形卡具壓緊到位，接觸面無透光現象、無繃直現象，軟連接有一定的彎曲度，分流器用料塊等撐開，有利于通電后散熱。

2.1.3 電解槽通電

我廠采用電解槽通電方式是用賽爾開關通電，我廠某槽通電后的沖擊電壓和峰值電壓如表2。

表2 我廠某槽通電后的沖擊電壓和峰值電壓

2.1.4 分流器拆除

從焙燒實踐來看，隨著焙燒時間的推移，電解槽溫度逐步升高，槽電阻逐漸降低，分流器的分流率逐步減小，所以為合理控制電解槽升溫速度，在焙燒過程中必須嚴格要求分流器的拆除順序及拆除時間。一般要根據拆除時電壓值及拆除前后電壓上升值決定拆除時間和順序。根據我廠某槽焙燒實踐，通電時間大于等于6 小時，且槽電壓低于3.0V 時，拆除立柱3 分流器，拆前電壓：2.72V 拆后電壓:2.82V；距第一次拆除時間大于等于3 小時，且槽電壓低于3.0V 時，拆除立柱1、5 的分流器；3 小時后且槽壓低于3.0V 時拆除2、4 分流器，拆除立柱1、5 的分流器及2、4 分流器前后電壓如表3。

表3 拆除立柱1、5 及2、4 的分流器前后電壓變化

在電解槽焙燒的54h 中，在大面及陽極上部有化開的地方，及時用冰晶石補充，不得出現明火；巡視軟連接，防止有熔斷現象；禁止上抬陽極；拆完注意不能在立柱與槽殼、風格板之間形成搭接，各接觸處用絕緣材料隔開，溫度降至常溫后再吊出；工區長匯總數據，制作升溫曲線如圖2。

2.2 電解槽啟動過程

圖2 焙燒時電解槽溫度升溫曲線圖

2.2.1 電解槽啟動前的準備

①復緊卡具：在確定啟動前2～6h 復緊卡具，天車復緊完后再使用扳手人工復緊一次；②畫線：啟動前把原線擦去，重新在導桿兩端畫線；③拆軟連接：啟動前1—4h 拆除軟連接，拆前確認卡具必須復緊，拆后1 小時內收到庫房；④取出測溫管、石棉氈：確認具備通電條件后，取出可能影響鋁液質量的測溫管、石棉氈等裝爐材料，及時拉運到指定地點。

2.2.2 電解槽啟動

我廠300KA 鋁電解槽都采用濕法無效應啟動，啟動時邊抬電壓邊灌入10～12T 液體電解質如圖3，灌電解質拉起后測量陽極電流分布，啟動電壓一般保持在6V 左右，剩余1.5 噸純堿逐步加完。啟動完畢保證裝爐物料全部融化，四周化開后從四周打撈炭渣，最少撈15 箱，炭渣打撈完畢，開始氧化鋁下料，啟動正式結束。我廠某槽啟動前后電壓及電解質水平情況如表4。

表4 我廠某槽啟動前后電壓及電解質水平情況

2.2.3 電解槽灌鋁

我廠對新啟動槽第一次灌鋁的時間要求不宜過早，一般在24～32h以后，其用意在于：讓陰極中的細小裂縫先被冰晶石填充滿，讓內襯中的底糊繼續焙燒好并且體積膨脹，而不讓鋁液先進去。根據我廠生產實踐，我廠某槽第一次灌鋁和第二次灌鋁的情況如下：第一次灌鋁：灌鋁前電解質高度：30cm。時間：4月12日21：00，灌鋁量：9000kg，灌前電壓：5.95 V灌后電壓：5.40 V；第二次灌鋁：灌鋁前電解質高度：28cm。時間：4月13日4：00，灌鋁量：9000kg，灌前電壓：5.4 V 灌后電壓：4.85 V；灌鋁30 分鐘后兩水平，電解質水平：27 cm鋁水平：22cm。

電解槽由安裝內襯后的冷態，過渡到具備正常生產技術條件（含爐幫、爐膛在內），并具有一定自調能力，達到一定效率的在產鋁電解槽，都要經歷焙燒、啟動這一過程，而這一過程對形成爐幫是至關重要的一個階段。其高質量的電解槽焙燒是：從通電后到焙燒結束整個過程為緩慢的升溫過程，使槽內襯中的水分和氣體緩慢排出，當電解槽內襯中的水分完全排除和搗固糊的焙燒溫度得到540℃～610℃后，可加速焙燒升溫速率，從升溫曲線圖2 可以看出。

3 啟動后期管理

鋁電解槽的啟動后期是從灌鋁后啟動結束到正常生產之間的一個調整階段，大約延續1 個月，其目的是快速形成高溫堅固的爐幫、形成規整的爐膛。在此期間，電解槽的各項工藝技術參數控制要嚴格按照標準執行，通過技術參數的逐漸調整，最終達到熱量與物料平衡。據資料報道，電解質侵蝕側部炭塊的速度使炭塊每天約腐蝕掉1mm，啟動到60 天左右時側部炭塊剩下的厚度只有原來的1/3～1/2，所以電解槽啟動后期的管理的關鍵是調整各項技術參數。盡快地形成高分子比高溫爐幫，以保護側部炭塊、人造伸腿受不利因素的侵蝕，從而提高槽況穩定性及電解槽壽命。

3.1 槽電壓及槽溫的管理

電解槽在啟動后，電壓和溫度的控制原則是逐步降低的，由于啟動初期爐幫還未完全形成，電解槽內襯仍處于吸熱狀態，電解槽需要輸入更多的熱量，一般情況下電壓在1 個月后逐步降至正常，溫度在3 個月后降至正常。根據我廠生產實踐，灌鋁后第1 天開始我廠某槽電壓及槽溫管理如表5。

表5 我廠某槽啟動后電壓及槽溫管理

3.2 分子比的管理

由于啟動初期槽內襯大量吸收氟化鈉，使電解質的分子比逐步降低，所以一般需要添加碳酸鈉提高分子比，使得在電解槽側部形成高分子比堅固的爐幫。如果啟動初期分子比較低則形成的爐幫熱穩定性較差，一旦生產中發生效應就會被融化。根據我廠生產實踐，灌鋁后第1 天開始我廠某槽分子比管理如表6。

表6 我廠某槽分子比管理

3.3 兩水平的管理

在啟動后期中要逐漸提高槽內鋁水平，嚴格按出鋁制度出鋁，如果鋁水平低于預定的目標則不必出鋁。隨著鋁水平的逐漸提高，在電解槽爐膛內壁上逐漸形成結殼，它是熱和電的絕緣體，起著保護作用。槽內的鋁液是一個良好的熱緩沖體，在偶爾發生的長時間陽極效應時，它可以防止結殼的熔化，從而避免液體電解質的組成和溫度急劇的改變，以及由此而來的生產失常。鋁液水平不穩定，忽高忽低，特別是槽內加一些廢鋁等，造成鋁水平過高和電解質不干凈，會對伸腿和爐幫的生長不利，最后造成爐膛畸形。

爐幫的形成需要大量的液態電解質冷凝析出，電解槽生產時也需要槽內有足夠高度和足夠量的液態電解質，為了保證這兩方面的需求，這就要求啟動灌鋁后槽內電解質水平必須保持在比平時較高的水平，一個月內分階段逐步調整，啟動第二個月起，電解質水平保持正常。根據我廠生產實踐，灌鋁后第1 天開始我廠某槽兩水平管理如表7。

表7 我廠某槽兩水平管理

3.4 陽極電流分布的管理

在啟動后期管理中，陽極電流分布曾一度被忽視，而換極質量的好壞，直接影響到陽極電流分布的均勻與否，對爐幫的形成及爐膛內型的建立影響極大。應嚴把換極質量關，確保陽極電流分布合格率。

4 結語

（1）電解槽要想實現長周期、安全、平穩、高效的狀態，首先必須快速建立規整、堅固、高溫、高分子的爐幫，否則可能出現電解槽早期破損現象。

（2）預焙鋁電解槽爐幫形成的關鍵是加強電解槽的啟動后期管理，保證其形成階段保持足夠高的分子比。

（3）預焙鋁電解生產過程中，側部爐幫的正常保持是生產中的一個難題，電解槽熱平衡、技術參數、電解槽啟動管理控制不合理等都會影響側部爐幫的建立及正常保持，所以加強技術參數的管理，保持合理的熱平衡和物料平衡，確保建立的爐幫不被熔化掉。