組裝與澆鑄質(zhì)量引起陽極碎裂脫極事故的分析

吉延新,魏新偉

(山東晨陽新型碳材料股份有限公司,山東 濟(jì)寧 272027)

鋁電解生產(chǎn)中陽極炭塊碎裂脫極事故會(huì)給正常的生產(chǎn)帶來很大的負(fù)面影響,如導(dǎo)致電解槽運(yùn)行紊亂,電流效率下降,陽極毛耗增加,原鋁品位下降,工人勞動(dòng)強(qiáng)度增加,工作環(huán)境惡化,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起陽極連鎖脫極,以及導(dǎo)致停槽。引起陽極碎裂脫極的原因有很多,如陽極本身的質(zhì)量缺陷,陽極組裝澆鑄質(zhì)量控制不到位,電解過程中管理不當(dāng)引起的偏流等。本文依據(jù)多年來對陽極質(zhì)量事故的處理經(jīng)驗(yàn),重點(diǎn)分析陽極組裝澆鑄工藝控制對陽極碎裂脫極的影響。

1 原因分析

鋁電解生產(chǎn)中的陽極炭塊澆鑄組裝工序是將陽極導(dǎo)桿、鋼爪和預(yù)焙陽極炭塊通過焊接和磷生鐵澆鑄使其組合成為一體的工藝過程。該工序?qū)﹃枠O在電解槽中持續(xù)穩(wěn)定參與電化學(xué)反應(yīng)起到重要的橋梁和紐帶作用,而且由于該工序控制點(diǎn)多,對細(xì)節(jié)要求嚴(yán)格,所以該工序質(zhì)量控制不到位極易導(dǎo)致陽極在電解過程中出現(xiàn)碎裂脫極事故。下面我們就從鋁導(dǎo)桿、鋼爪、磷鐵配比、炭碗清理等方面,詳細(xì)分析陽極碎裂脫極的原因。

1.1 陽極導(dǎo)桿與鋼爪焊接不到位

陽極導(dǎo)桿是鋁電解生產(chǎn)中重要的易損部件,其由鋁導(dǎo)桿、爆炸焊連接塊和鋼爪等通過焊接組成(如圖2),其在鋁電解生產(chǎn)中起到導(dǎo)通電流和連接固定陽極炭塊的橋梁作用。陽極導(dǎo)桿在電解生產(chǎn)中是循環(huán)使用的,把從電解槽中取出的殘極組,經(jīng)過清理殘極、壓脫磷鐵環(huán)、導(dǎo)桿校直和爪頭砂洗、涂抹石墨這些工序后,可用于再次澆鑄新的陽極炭塊。

圖1 陽極炭塊組裝澆鑄工藝流程圖

圖2 陽極導(dǎo)桿組

在實(shí)際生產(chǎn)中如果出現(xiàn)鋁-鋁焊接不到位,焊接不牢,上槽使用后在強(qiáng)大電流的作用下出現(xiàn)開焊,使導(dǎo)桿與鋼爪分離,導(dǎo)致鋼爪及陽極掉入電解槽中。

圖3 爆炸焊開焊的鋼爪

圖4 爆炸焊開焊的導(dǎo)桿

1.2 鋼爪變形

鋼爪一般是由ZG25材質(zhì)的鑄鋼加工而成,如果其中C、Si雜質(zhì)元素含量過高,易導(dǎo)致鋼爪韌性降低,加劇鋼爪變形及氧化掉皮的可能,增加脫極化爪的風(fēng)險(xiǎn);

鋼爪在電解槽中長時(shí)間處于高溫環(huán)境下,導(dǎo)致其變形比例較高,其主要類型有爪頭燒損、爪頭內(nèi)彎、爪頭變細(xì)等。電解中隨著鋼爪循環(huán)使用,鋼爪受到侵蝕燒損及侵蝕氧化的影響,其直徑逐漸變小,對陽極的抓附力減弱,易導(dǎo)致脫極。一般鋼爪頭燒損厚度小于5 mm的不影響再次使用;燒損厚度介于5 mm到20 mm之間時(shí),可采用補(bǔ)焊修復(fù)后再次使用;燒損大于20 mm時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇采取補(bǔ)焊或更換。

鋼爪校正時(shí)不到位,爪頭內(nèi)彎弧度較大導(dǎo)致與炭碗偏心較大,當(dāng)鋼爪與炭碗壁的間距小于10 mm時(shí),磷生鐵水就很難通過并形成斷層,從而降低鐵-炭連接強(qiáng)度,增大鐵-炭接觸電阻,易造成脫極;同一鋼爪中的四個(gè)爪頭出現(xiàn)高低不平,出現(xiàn)鋼爪未坐實(shí),插入炭碗內(nèi)的深度不夠或傾斜組裝等異常情況,導(dǎo)致各爪頭導(dǎo)電不均勻,造成脫極。

圖5 鋼爪變形類型圖

圖6 受侵蝕變細(xì)的鋼爪

使用過的鋼爪表面都會(huì)附著有一層Fe-C氧化物,該氧化物質(zhì)地堅(jiān)硬,導(dǎo)電性較差,再次使用前應(yīng)徹底清除掉,如清理不徹底或未清除,則會(huì)增大鐵-鋼之間接觸電阻,易導(dǎo)致陽極炭塊因過熱脫極。

1.3 澆鑄質(zhì)量差

為了使磷鐵環(huán)易于從鋼爪上剝離,循環(huán)使用的鋼爪在清理和校正后要涂抹石墨,涂石墨的鋼爪要經(jīng)過烘干出來再送到磷生鐵澆鑄站澆鑄。如鋼爪涂石墨漿后未完全烘干,倒入的高溫鐵水會(huì)引起鋼爪上殘留的石墨粉稀釋劑燃燒,燃燒產(chǎn)生的氣體使爪頭與炭碗之間形成空穴,導(dǎo)致鐵-炭接觸電阻增大,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致脫極。

鐵水澆鑄不飽滿(圖7),垂直方向深度不夠,炭碗上臺(tái)未覆蓋磷鐵,磷鐵環(huán)與炭碗之間的垂直縮縫直接暴露在外,導(dǎo)致雜質(zhì)進(jìn)入到鐵炭之間的縫隙內(nèi),形成不導(dǎo)電層,增大了接觸電阻;鐵水澆鑄溫度未達(dá)到1350 ℃,造成鐵水流動(dòng)性較差,澆鑄時(shí)在炭碗與鋼爪間形成斷層(圖8),都易引起陽極鋼爪過熱,導(dǎo)致陽極脫極。

圖7 鐵水澆鑄不飽滿

圖8 鐵水澆鑄斷層

圖9 澆鑄合格的磷鐵

磷生鐵澆鑄前打渣不徹底,磷鐵中夾雜的炭粒或爐渣未完全撈凈,循環(huán)使用后形成夾渣。夾渣的出現(xiàn),增大了磷鐵電阻,易導(dǎo)致陽極脫極。

1.4 磷生鐵配比不合理

磷生鐵主要是用來連接鋼爪和炭塊,并起導(dǎo)電作用,要求壓降低、澆鑄溫度高、流動(dòng)性好、澆口飽滿平滑不產(chǎn)生裂紋、具有冷脆性易壓脫回收等性能。磷生鐵除鐵外主要含有 C、Si、P、Mn、S五大元素,而且這五大元素的配比是有嚴(yán)格要求的,如果出現(xiàn)配比不當(dāng),就會(huì)影響鋼爪與陽極的澆鑄質(zhì)量。磷生鐵主要成分要求見表1。

表1 磷生鐵主要元素含量

磷生鐵需要循環(huán)使用,導(dǎo)致在反復(fù)高溫熔化過程中C、Si、Mn元素不斷燒損,P、S兩種元素不斷富集。由于澆鑄中對磷生鐵各元素的含量是有嚴(yán)格要求的,如果不及時(shí)對磷生鐵各種元素含量進(jìn)行及時(shí)調(diào)整,肯定會(huì)對陽極的澆鑄質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

磷生鐵中碳含量偏低,導(dǎo)致石墨析出不足,鑄鐵冷卻后的收縮量變大,出現(xiàn)縮裂和縮縫, 縮裂造成磷鐵環(huán)與鋼爪抱緊力不夠,陽極易脫落。文獻(xiàn)表明,在400～960 ℃范圍內(nèi)磷生鐵和鋼爪的線膨脹系數(shù)為(1.55～1.60)×10-5/K,陽極線膨脹系數(shù)為(3.7～4.5)×10-6/K,磷生鐵與陽極的線膨脹系數(shù)相差3倍以上。因碳含量下降導(dǎo)致的縮縫,會(huì)使鐵炭接觸電阻增大,壓降升高,迫使電流向臨極或其它壓降較低的陽極集中,當(dāng)過大的電流集中到某一塊陽極上,會(huì)在縮縫處會(huì)產(chǎn)生大量的熱,導(dǎo)致鐵炭粘結(jié)力下降,嚴(yán)重時(shí)引起陽極炭塊脫落。這種因磷生鐵縮脹引起的陽極脫極事故,一般多發(fā)生在換級后十天左右,這種情形下脫落的陽極外形較完整,碎裂少(圖10)。

圖10 磷生鐵縮脹引起的脫極

硅含量偏低使磷生鐵收縮增大,鐵水流動(dòng)性能變差,澆鑄時(shí)易出現(xiàn)斷層,斷層處鐵炭之間發(fā)生斷路,鐵炭接觸強(qiáng)度降低、電阻增大,易出現(xiàn)陽極炭塊過熱脫極事故。

硫元素為有害元素,應(yīng)盡量減少其含量。其含量偏高使鐵水流動(dòng)性變差、鑄鐵的膨脹系數(shù)降低。

錳元素可增加磷生鐵的收縮,可與硫反應(yīng)形成浮渣,具有脫硫作用。其含量過低,引起磷生鐵膨脹率過大,導(dǎo)致炭碗周圍出現(xiàn)較大的擴(kuò)張應(yīng)力使陽極出現(xiàn)裂紋,甚至把炭碗脹破,導(dǎo)致陽極碎裂后脫極。這種因磷生鐵膨脹量過大引起的陽極脫極事故,一般多發(fā)生在換極前一周左右,這種情形下脫落的陽極在炭碗處都有發(fā)散性裂紋或直接部分碎裂掉入槽中(圖11、圖12)。

圖11 磷鐵脹裂后的殘極

圖12 磷鐵脹裂后殘極底面

1.5 陽極炭碗清理不凈

澆鑄前對炭碗清理不徹底,炭碗底部和側(cè)壁螺旋槽內(nèi)的炭渣未清理干凈,有灰塵或雜物;炭碗有水或受潮都會(huì)影響澆鑄質(zhì)量,使磷生鐵內(nèi)部不密實(shí)或有氣孔,導(dǎo)致強(qiáng)度和導(dǎo)電性較差,上槽后陽極易出現(xiàn)過熱碎裂脫極(如圖13)。

圖13 底部受潮陽極

2 預(yù)防及應(yīng)對措施

由于陽極碎裂脫極事故對電解槽的穩(wěn)定生產(chǎn)危害性極大,因此日常管理中應(yīng)堅(jiān)持事前預(yù)防為主,事后處理為輔的處理原則。針對陽極組裝澆鑄工序控制不嚴(yán)格導(dǎo)致的陽極碎裂脫極事故,可采取以下預(yù)防措施:

(1)導(dǎo)桿彎曲不得使用,需校直,鋼爪頭燒損超1/3,2個(gè)以上不得使用;應(yīng)對循環(huán)使用的鋼爪進(jìn)行砂洗,以除去表面氧化層。

(2)組裝前要將炭碗內(nèi)的填充料及其他雜質(zhì)吸干凈,受潮陽極不得組裝。

圖14 清理干凈的炭碗

(3)合理調(diào)整回爐鐵、新生鐵配比,磷生鐵成分要及時(shí)進(jìn)行檢測,依據(jù)檢測結(jié)果及時(shí)對磷生鐵成分進(jìn)行調(diào)整;增加硅鐵回配量,提高Si、C含量,防止磷生鐵環(huán)產(chǎn)生縮脹裂紋;使用磷鐵添加劑、脫硫劑等材料降低S含量,防止晶間聚集,降低鐵環(huán)熱裂現(xiàn)象和磷鐵環(huán)收縮率過大。

(4)組裝前爪頭刷石墨的高度不低于120 mm,并確保石墨完全烘干后再進(jìn)行澆鑄;澆鑄前對鋼爪進(jìn)行充分預(yù)熱至100～250 ℃,以降低澆鑄溫差; 鐵水澆鑄前添加打渣劑,提高打渣質(zhì)量。

(5)澆鑄時(shí)要保證炭塊底掌在一個(gè)水平面上,導(dǎo)桿保持垂直;鐵水出爐溫度不低于1400 ℃,澆鑄溫度不低于1300 ℃;炭碗內(nèi)的鐵水要飽滿,鐵水要高出炭碗上面5 mm左右。

3 案例分析

案例一:2007年東北某鋁廠電解二車間240 kA槽型,發(fā)現(xiàn)更換陽極時(shí)待換陽極出現(xiàn)裂紋,碎裂后脫極(圖15、圖16)。裂紋大多集中在鋼爪周圍,裂紋呈發(fā)散狀向四周延伸,而且不斷的向鋼爪底部擴(kuò)展,并且裂紋多發(fā)生在陽極使用后期(距換極周期還有2～3天時(shí)),嚴(yán)重的還出現(xiàn)了陽極掉入槽中的現(xiàn)象。裂紋多以炭碗為中心、裂紋多且細(xì),炭碗底部陽極碎裂,與之供貨的五家陽極都有這種現(xiàn)象發(fā)生,沒有發(fā)現(xiàn)某一家特別嚴(yán)重。

圖15 事故現(xiàn)場殘極1

圖16 事故現(xiàn)場殘極2

事后分析認(rèn)定:磷生鐵中Mn含量過低、S含量過高導(dǎo)致磷鐵熱膨脹系數(shù)大于炭陽極的熱膨脹系數(shù),使用到后期引起炭碗脹裂所致。

案例二:2010年河南某鋁廠,電解槽出現(xiàn)大面積的陽極脫落事故,最后導(dǎo)致多臺(tái)電解槽停槽大修(圖17)。

圖17 脫極電解槽

事后分析認(rèn)定:導(dǎo)桿與鋼爪連接的爆炸焊焊接質(zhì)量不牢,焊縫不均勻,有空隙和夾渣,導(dǎo)致部分導(dǎo)桿開焊,再加上現(xiàn)場電解工人對應(yīng)急狀況處理經(jīng)驗(yàn)不足,處理不及時(shí),最終導(dǎo)致多臺(tái)電解槽被迫停槽。

案例三:2018年山東某鋁廠電解車間發(fā)生多組陽極在使用7～11天后掉入電解槽中,脫極部位都集中在鋼爪炭碗的結(jié)合處,炭碗周圍無裂紋和其他損傷(圖18,圖19)。

圖18 脫落的陽極

圖19 脫落陽極的鋼爪

事后分析認(rèn)定:磷生鐵配比中C含量低或S含量偏高導(dǎo)致磷生鐵發(fā)生縮脹,或者澆鑄中炭碗清理不干凈等陽極組裝和澆鑄工序的原因引起。

4 結(jié) 論

綜上所述,陽極組裝澆鑄工藝控制不到位是引起陽極在電解槽中碎裂脫極的主要原因,為避免此類事故的發(fā)生,陽極組裝澆鑄工序應(yīng)做好以下工作:

(1)保證鋁導(dǎo)桿和鋼爪的外形質(zhì)量,及時(shí)進(jìn)行校直處理;焊縫要均勻、飽滿無空隙;

(2)加強(qiáng)對磷生鐵配比的檢測,使用脫硫劑減少硫含量;

(3)在石墨烘干和鋼爪預(yù)熱后再進(jìn)行澆鑄作業(yè),保證澆鑄質(zhì)量及澆鑄鐵水溫度;

(4)組裝前對炭碗進(jìn)行徹底清理,加強(qiáng)陽極庫房管理,避免陽極受潮。