《400KA电解槽破损机理研究及维护研究》5800字（论文）

400KA电解槽破损机理研究及维护研究目录TOC\o"1-2"\h\u15936引言 1216951、现状分析 270441.1停槽后阴极状况 2117401.2化验分析 6293232、破损原因分析 7251602.1热应力影响 717652.2钠的渗透使阴极膨胀和裂缝增大变深 8302122.3铝液冲蚀 9103582.4铝液渗透导致阴极钢棒熔化 934933、维护措施 10134953.1阴极炭块材料的优化 1059063.2优化筑炉方案 1058893.3优化焙烧启动方法 10228183.4控制正常生产平稳运行 11266634、结语 1210573参考文献 12摘要：本论文以某电厂400KA铝电解为研究对象，对其停槽后阴极表面和截面进行了观测，说明铝电解槽阴极破损主要表现，以及与破损部位生成化合物成分化验分析数据相结合，对电解槽断裂的原因进行了分析。提出防止铝电解槽过早断裂的一些措施及改进办法，本实用新型有效减少400KA电解槽的早期破损，延长电解槽寿命。关键词：400KA电解槽：阴极破损：维护措施引言电解槽在铝电解生产中起着主要的作用，它的寿命对吨铝分摊成本有直接的影响。电解槽寿命设计值通常在7~八年内，但由于筑炉材料质量、筑炉质量、焙烧启动等原因、工艺参数的控制及其它因素的作用，电解槽的寿命差别很大，长寿命电解槽寿命可达十年以上，短的三至五年，甚至在槽龄一年前后就会发生早期破损。电解槽的寿命没有达到设计值，将提高吨铝的生产成本，影响了企业效益。让电解槽长命百岁，这是铝行业一项长期的研究课题，更是电解铝企业孜孜以求的奋斗目标。在铝电解技术不断进步与发展的今天，电解槽会逐步大型化，400kA电解槽的工艺逐步走向成熟，会是主流的槽型。本论文以电解铝企业400kA电解槽阴极破损问题为背景，对成因，并以此为依据，提出防止电解槽断裂的措施，对防止电解槽阴极破损，增加槽寿命，具有一定的参考与借鉴。1、现状分析某公司电解铝生产一年来，由于种种因素造成停槽28次，其中因阴极破损造成原铝质量下降停槽者24例，通电起动过程中由于阴极问题，停了三台槽，一台槽二次启动。这部分槽在停槽以后，阴极表面有大量的纵，横向裂缝，除个别槽口破损位置明显较重，破损部位多为裂缝的形式。这类破损问题给电解生产的操作和检修工作带来了很大的困难。通过近6个月的时间，对这部分电解槽的运行数据进行了统计，并进行了实际的运行分析，对破损隐患槽的检修和管理，制订了系列措施，并付诸实施，有效地遏制破损槽的进一步劣化。为以后同类400KA电解槽进行破损槽生产控制和破损槽控制检修提供了依据，延长了槽的使用寿命，提供了借鉴。1.1停槽后阴极状况停槽时，对阴极表面的材料进行清洗，能直观地观察到阴极表面有不规则纵向和横向裂纹出现：刨槽后，在阴极钢棒上可以观测到不同的熔化程度，并且存在夹层化合物的生成。1.1.1阴极表面存在裂纹从某公司停槽清炉阴极表面看，均存在与图1槽相似问题，也就是阴极表面在出铝端至烟道端沿着中线的左，右两侧各30~50cm处表现出若干不规则的纵向裂缝，并有少量的横向裂纹。表明电解槽阴极内村虽没有直接参与电解槽的反应消耗，但是温度较高、在强腐蚀，强物理条件下，往往会由于种种原因而受到影响，逐渐造成破损。图1停槽清炉后阴极表面1.1.2阴极炭块裂缝深且分散由图2刨炉时阴极炭块产生裂缝的尺寸和深度可知，可见，破损点的分布是零散的，有一部分深度已伸入阴极钢棒内。表明破损程度重、分散广，对破损点进行维修和修复比较困难。图2阴极纵向裂缝1.1.3阴极横向破损由图3可知，横向破损的部位大部分位于阴极钢棒的正上方，且破损缝隙较深，已到达钢棒的位置。表明破损点偏向电流比较集中的地方，阴极钢棒作为电流的直接传导介质，电流的方向为由下而上，阴极钢棒的正上方电流比较集中，且偏差较大。图3横向裂纹1.1.4阴极钢棒熔化由图4可知，由于部分部位断裂，大量铝液或者电解质渗入阴极炭块和阴极钢棒，造成阴极钢棒融化。而且，熔化后的化合物绝大部分泄漏到阴极钢棒下面，防渗料间形成了厚厚的沉积物（见图6），使阴极钢棒上的铁块熔化，仅有少量随着铝液或者电解质回流至电解槽的铝液，所以即便是断裂严重（阴极钢棒熔化）的凹槽，体现在电解槽的原铝质量方面，它的具体变化数值亦比较微小。电解生产中，对原铝质量重视的程度，是建立在0.01%变化值的基础上。因此，在电解的实际制作中，依据原铝的Fe,Si上升的幅度来判定破损程度，通过对阴极钢棒的温度，槽侧壁的温度进行定时检测，对防止漏炉的发生进行监测。图4阴极钢棒熔化、剥层1.1.5阴极炭块底部与阴极防渗料之间存在夹层化合物图5为某企业400KA电解槽的槽内衬结构图，设计图表明，阴极钢棒下面有防渗料，不含夹层化合物。图6为停槽以后阴极炭块和防渗料截面图。由图6比较图5设计图可见，破损槽阴极钢棒和防渗料中渗漏物料较多。综合图2，图3，图4可知，渗漏物质为铝液向阴极下层和阴极钢棒之间的渗漏、阴极炭块与防渗料之间进行物理化学反应，经长期堆积而成。渗漏点和渗漏量均较大，持续时间越长，堆积物厚度越大。图5槽内衬结构图6清炉时阴极到防渗料间的实物图1.2化验分析1.2.1阴极起层间的黄色粉状物黄色粉末物质广泛存在于停槽阴极炭块上，既有阴极裂缝，阴极炭块和钢棒以及阴极起层夹层内也有（见图3）。称黄色粉末入烘箱中，算出水分，然后对黄色粉末进行制样，压片，送入荧光仪XRF-1800分析，分析数据如表1所示。表1阴极炭块间的黄色粉状物化学成分%Al2O3FNa2OK20CaOFeSiTiH2O53.0320.1511.980.858O.8190.6960.1810.10512.06分析数据的主要组分为氧化铝，氟，氧化钠和水，其中钠和氟的比例为32%。因荧光仪XRF-1800的分析无法对该化合物的炭含量进行分析，根据电解槽中的物质成分（上有电解质，下有铝液），渗入阴极缝隙中的材料以电解质为主，铝次之。根据表1分析资料，停槽时，铝离子以氧化铝的形态存在。如图3所示，裂纹中不存在（或只有少量）金属铝，渗入阴极缝隙中的金属铝和炭发生化学反应，制得碳化铝，该部分碳化铝与停槽时空气中水分发生化学反应，产生氧化铝，甲烷。化学反应产生的化合物氧化铝或者碳化铝，它们的体积都有增大的过程，所以，随电解生产槽龄的增长，裂缝间隙变大、破损加重。1.2.2阴极钢棒底部灰色化合物阴极钢棒的底端有灰色化合物，称灰色化合物，置于烘箱中，算出水分，然后对灰色合金物质进行制样，压片，送入荧光仪XRF-1800分析，分析数据如表2所示。由分析资料可知，它的主要组成为铝和铁合金。表2阴极钢棒底部灰色化合物%AlFNa2OK2OCaOFeSiMnH2O42.8210.615.6440.1160.26125.602.600.10812.061.2.3阴极钢棒与阴极炭块裂缝处白色晶体物质化验分析对阴极钢棒及阴极炭块及裂缝处白色晶体物质进行了分析（见图7），称白色晶体物质，置于烘箱中，算出其中的水分，然后对白色晶体物质进行制样，压片，送入荧光仪XRF-1800分析，资料分析（见表3）。图7阴极炭块间的白色晶体表3阴极炭块与钢棒处的白色晶体物质化学成分%Al2O3FNa2OK2OCaOFeSiTiH2O15.3732.8332.390.4870.4073.272.550.0312.06这种晶体的成分与冰晶石相似，主要成分是氟离子和钠离子以及铝离子。2、破损原因分析2.1热应力影响2.1.1阴极炭块受热膨胀系数与阴极钢棒线性膨胀系数差异阴极炭块在20°C~2000°C范围内的线膨胀系数约为4.5~5.5×106/°C周。阴极钢棒线性膨胀系数见表4，它随着电解槽上电时焙烧温度的升高而逐渐增大，电解槽焙烧升温时，阴极钢棒和阴极炭块的膨胀呈线性差异，随差异比例的增大，当超过阴极炭块和钢棒的极限耐受范围时，产生形变，造成裂纹的出现。表4平均线性膨胀系数10-6/℃温度050100150200300400400600750碳素钢10.7611.1211.5311.8812.2512.913.1413.5814.2215.022.1.2阴极内衬与槽壳之间的应力就电解槽设计而言，电解槽由筑炉而成，阴极内衬于整体槽壳中，所以当焙烧开始温度升高的时候，不可避免地存在阴极炭块与槽内衬，槽壳间的相互作用力。阴极炭块以及阴极周围的炭块与扎固料一起，于电解槽内焙烧开始时，由于热膨胀而在电解槽周围形成的应力和槽壳本体对内部的反作用力是相向而行的，致使阴极炭块在挤压下发生变形，当阴极炭块经不起这么大的应力与形变时，由此导致阴极开裂。阴极炭块受到热膨胀对槽壳所产生的作用力超过槽壳承受力后，那么槽壳就会发生破裂（见图8）。在电解生产中，铝液将沿着阴极裂缝进入阴极钢棒内，铝液和阴极炭块以及阴极钢棒发生反应，形成铝铁合金（图6）。其原因是内衬中应力主要来源于内衬热膨胀及钠渗透产生膨胀，不同物质热膨胀、钠的膨胀性能有较大差异。所以内衬的应力设计同电解槽的热平衡设计以及所用内衬材料密切相关。本文所称内衬材料，主要指阴极炭块，炭缝糊等、侧块与槽壳的材料选择及结构部件。图8电解槽槽壳受力断裂2.2钠的渗透使阴极膨胀和裂缝增大变深见图2，图3，图4，在阴极炭块现存的缝隙之间，出现了少量黄色粉末渗透物，它的物质的主要成分为铝，氟和钠（见表1）。这些材料在阴极裂缝内聚集和扩展，造成裂缝的扩大，构成高温铝液的渗透通道。铝液在接触阴极钢棒时，迅速产生铝铁合金熔体，通过阴极钢棒固化在阴极钢棒和防渗料之间（见图6、图7）。并且这些铝铁合金熔体体积比原材料有了很大的增加，造成阴极裂缝的进一步扩大和加深。2.3铝液冲蚀目前，清炉后在阴极表面形成的冲蚀坑还很少，由图9可知，这类冲蚀坑大多是由于阴极出现裂纹后，铝液的渗入冲刷而成。根据现场清炉情况，大多数相似坑底阴极炭块间隙中都夹着铝及少量电解质。图9阴极冲蚀坑2.4铝液渗透导致阴极钢棒熔化阴极炭块缝隙由于钠、铝渗透而与阴极反应形成碳化铝（黄色粉状物）。有些阴极钢棒由于熔化而发生形变。图10清炉出的阴极钢棒由图10可知，破损槽阴极钢棒被腐蚀得更多，局部更为严重，表5对停槽钢棒的重量进行了统计观察，除了1241槽阴极钢棒的熔化量为1.62吨以外，剩下的槽口都超过4.5吨。表明破损槽阴极破损点数量多，阴极钢棒熔化量大，与图1表现一致。表5阴极钢棒被熔化重量t电解槽号停槽后清理钢棒重量新槽钢棒重量被熔化重量124143.8845.51.62161839.7845.55.72163240.6245.54.88174540.3845.55.123、维护措施由上述停槽刨炉时阴极呈现的特性及渗漏物化验资料分析，阴极及扎固料的材料质量差、焙烧时的热冲击过大、设计形式不尽合理、生产运行中技术参数失配等原因导致阴极出现裂纹，铝液通过裂缝渗入阴极内部熔化钢棒，造成电解槽断裂。综合上述原因，生产时需从内衬设计，选材，筑炉，焙烧开始等方面进行、正常运转等方面进行控制与优化，以尽量减小破损槽。具体包括以下几个方面四个方面：3.1阴极炭块材料的优化选用为减少焙烧开始早期由于阴极炭块受热膨胀不均的现象。从当前我国一些电解铝企业应用全石墨化阴极的情况来看，全石墨化阴极导热平衡，具有热膨胀系数低、导电率高等特点，电解槽通电焙烧和开始投产之初，电解槽的早期断裂较少，阴极压下降的优点。采用完全石墨化的阴极，可以延长槽寿命，减小阴极压降，增强电流效率。所以采用全石墨化阴极可补偿焙烧启动过程中因导电导热不均匀的缺陷、热膨胀系数高等原因导致电解槽断裂的缺点。3.2优化筑炉方案目前，我国一些铝电解企业所用筑炉方式是侧部碳化硅材料筑炉，它具有优异的导热性能，通电焙烧开始时，电解槽槽壳的温度高于侧部普通炭块的槽（侧部碳化硅槽在启动和生产初期电解槽侧壁温度在400°C以上，部分槽甚至侧壁发红；普通炭块通常在400°C以下）。这些公司现在平均槽龄已达2800多天六。采用碳化硅侧部炭块，焙烧开始时，电解槽槽壳的温度较高，然后槽壳扩张更大，对于阴极炭块，挤压力也相应减小。本实用新型有助于减少电解槽阴极在断电焙烧过程中，阴极和槽壳因应力挤压而造成的断裂。在一家电解企业里，使用碳化硅侧部炭块后，新开32台槽，无1个破损槽。3.3优化焙烧启动方法减少电解槽通电焙烧过程中焙烧温度对阴极炭块和阴极钢棒产生热冲击，采用下列焙烧启动方法，可以有效地减轻热冲击程度：（1）采用燃气焙烧方法。现行采用的焦粒焙烧方法，焙烧升温速率失控，对于电解槽的早期破损有很大的影响。基于燃气焙烧所具有的优越性，升温均衡可控。因此，采用燃气焙烧为最佳方案。（2）对现有焦粒焙烧过程分流技术进行了优化，控制阴极炭块内部温度梯度，尽量平衡阴极炭块温度梯度。（3）保证焦粒铺放厚度均匀，使得阳极底掌和铺炉料完全接触。焙烧时控制阴极表面温度分布偏差不得超过10%，阳极电流分布与阴极电流分布偏差值应控制在10%以内。（4）电解槽的起动是通过无效应作业进行的。效应起动槽的槽温最高可达1000°C以上，发生效应前，后槽温温差值越大，阴极炭块热冲击越严重，很容易造成阴极断裂的早期断裂。使用无效应的启动作业，减小了由于效应引起的阴极整体及阴极钢棒热振，利于降低早期破损机率和提高槽寿命。3.4控制正常生产平稳运行大部分隐患槽存在隐患点，并在纵向上，对炉底阴极的修复造成了极大的难度。在现有的生产情况下，对于隐患槽发生原铝质量滑坡的情况，应适当增加在产铝量，结合槽况的稳定性，适当增大分子比，然后基于阴极压降的上升速度，增加设定电压为隐患槽的主要控制措施。在换阳极时做摸炉底的作业，找出明显的破损予以修复，能够有效地控制原铝质量的下降趋势。对于阴极钢棒的温度、炉底钢板的温度、对槽侧壁的温度实施常态化的跟踪监控，依据测量数据中的异常点进行相应的提阳极、摸炉底和破损点的修复。正常槽顺利控制时，是防止隐患槽出现的首要方法。从某厂四区新槽后未发生破损槽情况，采用合理在产铝量及技术条件，可有效地预防与控制隐患槽。从目前某公司隐患槽运行状况看与2018年年底隐患槽对比，除1241槽和1618槽停槽外，原铝Fe含量多数已经控制在0.10%以下，其中1537、1539、1617、1638槽恢复到正常范围。表62018年12月27日与2020年4月8日隐患槽原铝质量统计序号槽号2018年12月27日Fe%2020年4月8日Fe%差值112410.19停槽215370.160.071-8.9315390.130.066-6.4416170.180.07NaN516180.25停槽616220.180.094-8.6716300.150.097-5.3816330.240.11NaN916380.160.072-8.81016460.240