鋁電解槽內襯創新維修與實踐

李元山

（酒鋼集團甘肅東興鋁業有限公司，甘肅 嘉峪關 735100）

鋁電解槽內襯破損、槽壽命短是多種因素綜合作用的結果。內襯設計、砌筑材料品質、施工質量、焙燒啟動過程及后期生產操作管理都是影響槽壽命的關鍵因素。鋁電解槽陰極內襯大修，不僅要消耗大批人、物資源，而且在維修期間造成的經濟損失也巨大。同時，內襯清理中產生的固廢也會對環境造成污染。該論文結合內襯創新維修實踐，總結出了局部更換陰極炭塊及修補相關技術措施。

1 創新維修槽的特性

維修槽的清理和修復過程不可控、變化大，與施工的精細化有關；同時組織鑒定環節易受人為因素干擾。但由于維修周期短、費用低、見效快，能有效延長槽內襯使用壽命而獲取最大經濟效益且減少固（危）廢產生的數量，被電解鋁企業所采用。

（1）維修槽陰極內襯整體狀況較差。炭塊縱向裂紋的產生比較普遍，有炭塊內部形成的剪切裂紋、糊搗體收縮在周邊產生的垂直裂紋、陰極鋼棒彎曲變形產生的應力引起的破損裂紋、機械性損傷裂紋和自然收縮裂紋等。

（2）炭間縫發生滲漏的幾率很小。炭間縫通常由七-八層內襯糊搗固構成。最上兩層搗固時分別填約115mm糊料，壓縮深度為70mm,壓縮比1.60∶1,如果炭間縫邊緣夾鋁深度大于120mm時。表明鋁液已滲透到第二層以下或更深，剔除時如持續向下延伸，很大程度上說明鋁水已通過縫隙滲到了防滲層。

（3）維修槽的清理過程至關重要，材料性能及砌筑規范嚴格按優化方案精細操作，保護性剔除。修補槽如果清理不到位，造成修補過程存有隱患或砌筑、搗固環節銜接不好，可能會引發質量缺陷事故，嚴重時可能因誤操作將修補槽清理成大修槽，造成維修方案失敗，導致維修成本增加。

2 維修槽鑒定依據

（1）維修槽原鋁理化指標：

電解槽運行時，原鋁品質化驗Fe含量達到正常值≤0.10%。表明陰極內襯沒有破損，未發生滲漏熔化鋼棒的跡象。停槽前，Fe含量有上升趨勢，窗口陰極鋼棒溫度在260℃～300℃左右或槽底鋼板溫度超過230℃左右（修補槽內襯保溫性能相對較差，槽底鋼板溫度較大修槽高（20℃～60℃）。如出現以上情況，可初步判定陰極炭塊已破裂，電解質或鋁液已滲入內襯，開始腐蝕并熔化鋼棒。在防滲層堆積一定量后向陰極窗口蔓延，甚至從窗口鋼棒周圍縫隙流出或穿透防滲層向保溫層滲透到槽底。這類型槽通常在鋁水滲入后爐底會隆起，沉淀增多，導電性能降低，槽內水平電流分布不均，電壓擺動異常，嚴重時滾鋁，影響系列安全，應按大修標準進行維修。

原鋁品質化驗Si含量正常值≤0.025%。初步表明側部Si3N4+SiC復合塊沒有破損,侵蝕不明顯。反之，大于正常值且有上升趨勢，說明側部Si3N4+SiC復合塊已遭到電解質溶液侵蝕沖刷脫落。這種情況可通過槽殼散熱板周圍出現發紅現象得到印證;側部Si3N4+SiC復合塊經過焙燒運行數年，外觀雖完整，但與其結合部分（碳素）已遭腐蝕沖刷脫落且整體厚度縮小，失去了對爐幫的保護性能。修補期間，清理過程也無法避免機械性接觸造成損傷斷裂。侵蝕嚴重、斷裂位置經常出現在鋁液與電解質的界面區域，若進行局部更換，很難預防相鄰側部Si3N4+SiC復合塊不出現斷裂。因此不建議個別更換側部復合塊。

（2）修補槽陰極內襯狀況：

修補槽內襯導電性能良好，電流效率高，爐膛較完整是具備優化修補條件的最基本要素。

爐底清理發現：炭間縫夾鋁比較常見，鋁片厚約1mm～2mm，深度一般在80mm～110mm之間。這個結果與前期使用中溫糊時在炭間縫或周邊縫邊緣噴涂煤焦油有關。由于中溫糊軟化點高，一般在90℃～140℃之間，施工中散熱快，溫度不易控制，易發生“干糊”現象。搗固時粘結劑和細粉骨料集中在表面層。焙燒時此表面層的收縮性與下層搗固糊層之間產生了分層，導致糊料的粘接性能與密封功能降低從而引起鋁液滲漏，形成夾鋁現象的產生。

陰極炭塊縱向產生的非自然收縮裂紋，系綜合性開裂紋，一般在炭塊端部燕尾槽周圍向外邊緣擴散，部分裂縫在炭塊頂部或通過頂部止于炭間縫，這種裂紋縫隙較大，一般在2mm～3mm之間，紋理清晰無規律，部分縫隙深可見陰極鋼棒；若縱向裂縫在炭塊燕尾槽上方，長度不大于破損炭塊寬二分之一，即370mm，要作為修補槽時，應做好記錄，啟動時要重點防護；若裂縫貫通整個炭塊或2/3段有裂紋交叉，將炭塊裂分為大小不等塊狀，該槽要按大修理維修。受自然冷卻收縮形成的縱向裂紋縫隙相對較小，紋路走向舒展，與其它裂紋交匯后不再擴散。只有在受到機械清理時有裂縫延長或縫隙加大的可能，這種縫隙對修補槽構不成威脅，焙燒啟動后，隨槽溫升高，縫隙愈合。

陰極炭塊橫向裂紋的產生大部分來自于鈉滲透形成的侵蝕裂紋，分布在炭塊中部。如果在侵蝕裂紋或自然收縮裂紋的區域爐底沒有隆起或隆起較小。啟動后，侵蝕裂紋會在爐底電解質混合物及沉淀生成時自行填充愈合。當然，對于侵蝕裂紋較大且橫跨于多塊陰極底塊并與其它出現裂紋交叉時，另當別論。

糊搗體收縮裂紋的產生：最初加熱時體積呈現膨脹趨勢，當溫度在200℃～500℃時開始固化，這時粘接劑中各組分的裂解和聚合反應使碳糊逐漸半焦化，體積呈收縮趨勢。糊搗體的收縮率除了取決于其組成外與搗實密度及升溫速度有關[1]。目前國內內襯糊收縮率（20℃～950℃）在0.15%～0.20%之間，國外一般不大于0.25%。

（3）修補槽的優化修復過程應遵循：清理—鑒定—修補。Si3N4+SiC砌筑是很關鍵的工序之一。局部更換側磚的難點在于剔除破損過程及安裝最后一塊側磚（合門磚），剔除過程或安裝時如果掌控不好，會將相鄰側磚橫向擠裂。因此，選擇恰當的切入口是完成優化的第一步。首先在側磚中部開始剝離侵蝕或破損側磚，最后一塊借助工具水平移出。清理干凈側面粘附的燒結物后待砌，合門磚選擇在距離角部較近的一端進行，這有利于與角部碳素組合完成安裝，確保側磚能緊貼槽殼砌筑。

（4）炭塊周邊防滲漕（水線漕）內炭糊已燒結，其防滲漏功能減弱。清理時用角磨機在漕線內以不小于135度角向內切割2-3mm。完畢，用電動鋼刷或手持鋼刷將炭塊周圍粘附物打磨干凈；炭塊邊緣容易分層或破損。因此不能在炭塊邊緣清理，必要時可采用切割、打磨等手段，避免損傷炭塊，誘發炭塊破損加劇。如清理不到位或不徹底，與糊料接觸面粘接受阻，修補質量會大打折扣。

（5）炭間縫內所夾鋁片危害較大，是承載電流及傳遞熱量的導體，向下滲透能力強。清理時，為保護炭間縫下層糊搗體不受損傷，不允許風鎬垂直發力。可沿炭間縫一端以不大于45度角，以40mm～60mm深度分兩次完成，清理深度不大于130mm。修補時要盡可能與腐蝕坑或周邊縫交替搗固。

（6）修補槽炭塊邊緣破損及糊搗體分層相對較多，是修補重點區域。炭塊邊緣壓接要適中，壓邊時一般不超過5-10mm。破損地方要用壓邊錘與周邊縫交替搗實。由于搗實后的糊料層與炭塊接觸面系物理性粘接且炭塊前期已經過焙燒，因而無法形成整體。如果壓邊過大，電解質很容易滲透進去，將壓邊糊抬起，并逐步向內延伸，最后造成開裂脫落，俗稱“漂槽”。

3 創新修補措施

研究發現，陰極內襯破損形態各異，嚴重程度也不盡相同。槽內如果出現個別炭塊破損就按大修理處置，實在可惜，也過于草率。如果要采取局部更換炭塊，缺點在于相鄰炭塊在清理時能否保持完好或其它炭塊內部有無缺陷不可預知，也存在一定風險。筆者通過嘗試對兩臺槽實施邊部各更換炭塊的維修方案取得了一定成效。在此基礎上實施中部更換半塊炭塊的方案也取得了成功。在拓寬維修思路與改進維修方案上面有了較大突破。

4 局部更換炭塊槽啟動后運行效果分析

從下表可以看出：通過優化內襯修補，局部更換破損炭塊后，經過8個月，12個月、16個月的生產實踐，原大修槽、更換炭塊槽及修補槽隨著槽齡增加爐底壓降較16個月前上升了26-40mv，槽底鋼板溫度、陰極鋼棒溫度均上升高了100℃～195℃、35℃～53℃，當前電流效率及部分指標與相鄰生產槽變化并不明顯。

5 經濟效益分析

電解槽局部維修對延長電解槽整體壽命、加快恢復生產且對企業挖潛降耗、創造效益至關重要。建議企業對槽殼長側單邊縱向變形尺寸小于70mm、槽殼長側與端頭焊縫沒有開裂及長側與斜側板在對接縫處無開裂跡象；內襯爐膛平整、爐膛拱起不大于100mm，陰極炭塊橫向裂紋長度不大于三塊。運行期間理化指標Fe含量正常值≤0.10；Si含量正常值≤0.025，且沒有發生過漏停事故或陰極扁鋼沒有熔化、燒損跡象的電解槽進行局部維修。下面對某企業500KA單臺電解槽局部維修與大修費用差異做一對比。

表1 局部更換炭塊槽啟動后運行效果分析

5.1 對槽周側部復合塊更換

對槽周側部復合塊更換施工費及材料費約20萬元/臺,整體內襯大修材料費與施工費約120萬元/臺（半石墨質）。每臺約節約100萬元。對于20萬元的材料及施工費。每噸鋁按500元利潤計約4個月即可收回成本。

5.2 局部更換陰極炭塊

結合5.1所述，對于個別槽由于有一至兩塊陰極炭塊破損，徹底大修（造價較高且維修周期較長，難以短時間恢復生產）有點可惜，可進行優化內襯修補，局部更換破損炭塊的方式進行維修。局部更換陰極炭塊結合槽周側部復合塊更換維修單臺單塊費用約23萬元，整體內襯大修材料費與施工費約120萬元/臺。每臺節約97萬元。（運行時間及指標見上表）。

5.3 減少固 （危）廢產生量，減少處理費用

局部維修約產生固（危）廢約13噸/臺，大修約產生123噸/臺（不包括陰極鋼棒、由于鈉侵蝕，內襯容重增加），單臺增加110噸。每噸固（危）廢處理費用約0.50萬元，單臺槽約55萬元。可見局部維修對電解鋁企業的生產、經營至關重要。

6 結語與建議

實現延長修補槽使用周期的每項措施都是重要的。每個環節的改進措施和質量控制對延長槽壽命都是有益的：鋁電解槽可通過優化結構來完成高質量修補，也可以通過更換局部底塊來提高槽內襯的最大利用率，達到實現延長槽壽命的目的。