浅论铝电解槽破损修复技术的应用与发展

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　　摘 要 本文论述了铝电解槽破损修复技术的应用与发展，为铝电解槽破损修复技术的应用走可持续发展道路提供了一定的见解。
　　关键词 铝电解槽破损 修复技术 应用与发展
　　一、引言
　　铝电解槽是电解铝生产的重要设备。其运行状态良好程度，寿命长短，直接关系到电解铝生产的质量和产量，同时也对电解铝生产的成本有很大影响。铝电解槽经多年使用，运行周期较长，电解槽槽壳变形、破损严重，需进行大修理。改进电解槽大修理工艺，提高电解槽大修理质量和大修理效率，降低维修成本，是生产中一项重要的设备管理、维护工作。铝电解槽的破损及维修是一项重要的工作。其只有了解电解槽破损的原因之后，才能对其实行维修处理，保障铝电解槽的可靠性，以满足电解铝的实践过程。由于铝电解槽发生破损后容易影响生产的效果，因此其只有做好维修的工作，恢复铝电解槽的基本结构，才能完善铝电解槽的具体应用。
　　二、对铝电解槽破损修复技术的应用现状的分析与认识
　　（一）电解槽破损鉴定
　　在停电过程中，需要对电解槽的破损进行鉴定。电解槽的破损主要是由于槽侧部的炭块过度损耗或人为因素造成破坏未及时处理造成的。其主要的破损形式有以下两种：一是侧部伸腿的过度损耗导致电解质与铝液从阴极钢棒处渗漏。二是侧部炉帮发红导致侧部击穿渗漏电解质。
　　引起这种现象的原因主要有空气对侧部炭块的氧化和炉帮的形成不良，使高温和强腐蚀的电解质溶液直接对侧部炭块的冲刷和侵蚀。
　　1.小修。一是阴极炭块在电、热、磁等共同作用下会时常出现碳内衬中的热膨胀、钠膨胀，阴极断裂、冲蚀、剥层，以及碳内衬下部各渗透物渐渐填充的现象等，这些都造成了槽底炭块的隆起。如果隆起在50mm以下，凹坑在80mm以下时可定位小修。二是侧部内衬两小面仍可见炭块的轮廓，大面伸腿以上受到不同程度破损和侵蚀，但如若侧部炭块破损不至于见到钢板则不需更换。经过干刨伸腿的局部都有横向裂纹，但整体形状规整。按照我公司的122台小修启动后发现钢棒发红、漏铝比值是2.46%。三是对槽内没脱落的阴流块要严格检查，因为它和电解槽的使用寿命有一定的联系。
　　2.中修。更换1～14块破损严重的阴极炭块，若一块阴极炭块破损50%以上、低于其他阴极炭块表面120mm以上的话，则给予更换。
　　3.大修。阴极炭块拱起90mm以上、炉底钢板温度异常、表面破损严重裂纹较多。
　　（二）铝电解槽常见破损形式及原因
　　通常所说的电解槽破损是指其阴极内衬的破损。铝电解槽的阴极内衬使用期不到1年，称为早期破损。槽内铝液中的铁含量连续增加，一般情况下，是槽底部阴极钢棒受铝液侵蚀熔化所致。这往往是阴极炭块破损的征兆。当铝液中的铁含量连续超过1%时，表示阴极炭块已发生严重破损。电解槽阴极内衬破损可归纳为如下几种形式：
　　1.阴极炭块及保温绝热结构的变异。阴极内衬的变异主要有：阴极炭块发生变形——膨胀、隆起、裂開或有冲蚀坑穴，炭块之间的炭糊接缝发生裂纹。其中浸渍着碳化铝、电解质和铝，炭块中的钢棒弯曲变形，一部分被铝熔解侵蚀，形成亮晶晶的铝铁合金，炭块下面的耐火砖层局部变质，向上隆起，呈凸棱镜状，侧部炭块受到侵蚀，其中渗透着铝和电解质，体积膨胀，槽壳变形，侧壁向外鼓出，四角上抬，底部呈船形。
　　2.钠的渗透。在一定的NaF/A1F3分子比和温度下，铝中的钠含量应为平衡值。但是实际的钠含量恒低于平衡值。其主要原因是钠向炭阴极渗透扩散引起的。钠往阴极炭块中渗透之后，形成炭钠化合物，炭的晶格体积膨胀，使晶格变得酥松，这是造成炭阴极破损的一个重要原因。一般认为，钠的侵蚀作用在较低温度下尤其严重，因为炭钠化合物在高温下部分分解，一般在温度400～1，000℃，钠对炭的破坏作用随温度升高而减弱。
　　故对于电解槽槽底的焙烧而言，焙烧温度达到900～950℃之后再启动为宜。
　　3.电解质的渗透。电解质的渗透量与阴极炭块的材质有很大关系。渗透量增大的顺序与炭活性增大的顺序一致。在无烟煤基阴极（未经高温焙烧的）中渗透量最多，其次是油焦和沥青基（未经高温焙烧的），在石墨阴极中最少。而且，孔度大的材料渗透量多，孔度小的渗透量小。
　　（三）阴极内衬破损的检查与维修
　　破损部位的检查：
　　第一，用铁钎探查槽底把直铁钎的尖端前部弯成长约10cm的直角钩，然后把钩尖伸入阴极下面，按照底块和底缝排列的纵横顺序逐块逐缝依次探钩，把有坑和有缝的部位记录下来，并估计出破损部位的长度和深度。另外，也可观察钩尖的情况。在破损部位，由于铝水和阴极钢棒的接触，电阻很小，通电较多，沉淀较少，温度较高，因此，钩尖插入这里拔出后，钩尖会有冒白烟现象。
　　第二，测量阴极电流分布和阴极钢棒的温度为了进一步证实该槽是否破损，可根据槽内初检的情况，再测量一下阴极电流分布和阴极钢棒温度。一般情况下，熔化的阴极钢棒的电流分布和温度都比正常的高。
　　（四）破损部位的填补方法
　　确定破损部位以后，应及时进行填补。填补材料常用镁砂、镁砖块、氟化钙和氧化铝沉淀。这些材料中的金属元素电位顺序都在铝以上，即使熔入电解质中，也不会在阴极上析出，不会影响电解的正常进行和原铝质量。同时，这些材料密度较大，易沉在槽底，熔化或半熔化后，能以勃稠状态充填于破损的深处或覆盖在槽底，阻止铝液的渗漏，减少阴极钢棒被铝液进一步侵蚀，从而延长电解槽的寿命。
　　三、依靠技术进步，促进铝电解槽破损修复技术应用的可持续发展
　　（一）电解槽破损的修补方法
　　针对上述电解槽侧部破损的情形，国内同行业最初采取的是风管冷却，多功能机组进行砸补，以及这两种方式的结合和加大巡视力度等措施。尽管投入了大量的人力和物力，但是效果差强人意，不能自效地解决问题。为此，笔者针对传统方法的不足，同时结合自己多年检修大型电测曹的实际经验，依据生产实践，总结出以下方法： 　　第一，若侧部的炭块破损较小，如表层剥落、侧部钢板微红或者暗红，我们可以采取扎边操作的方法。具体是用风镐把破损的残留侧炭和氧化铝料块沿着槽钢壳刨出，深度约为50cm～60cm，宽度约15cm，长度视侧部炭块破损多少而定，一般不超过60cm。再用炭糊补充刨出的坑内，并用捣固机层层扎固，确保炭糊与侧部炭块紧密结合，扎固到与原来侧炭的相仿高度即可。若侧部的炭块破损较为严重时，先在槽沿板上用粉笔划好欲修补的侧部炭块的长度，用铝液和干燥的镁砂与氟化钙混合成厚约10cm的相应大小的饼状材料。然后在导杆处加纸断电，将相关的炉底沉淀清理干净，再用漏铲，钎子等工具把补炉材料准确送至破损处并压住，将修补炭块与四周的炭块烧结成一体。
　　第二，对阴极炭块凹坑为110mm ～150mm修复可采用表面打花、钻孔以及扎糊料进行修补。
　　第三，在中修时取出破损严重的阴极炭块，不能用液压千斤顶及天车等大型设备进行拆除，只能用人工用风镐打碎取出。
　　第四，碳块重塑法修补。对电解槽阴极电流的分布、阴极钢棒温度、散热孔温度等全面分析，在换极过程中对炉帮、伸腿部位进行测量，确定电测曹损坏区域，对于发生严重浸蚀、散热孔发红的区域采取以下固定流程进行修补。一是确定电解槽损坏部位。通过综合技术分析对电测槽的损坏部位进行确定，包括损坏面积、损坏程度等。调整维修技术条件，并准备好维修过程中各种工器具、材料。二是操作人员需提前四小时用多功能操作机械将需要修补的地方砸实，在两个方向留下一定宽度，同时将修补部位散热孔用风冷却，在修补的过程中电解质不得超过过十八毫升。剩余的电解质必须及时排出。三是确认修补后，清除砸实区域上部结壳决，去除对应部位的杂质。四是将损坏部位的残余杂质用风镐挖出。在清理的过程中，如果发现有铝液泄露，必须将泄露的铝液清理干净，堵住泄露源头。根据损坏程度，刨挖的宽度一般为二到四块侧块宽，底部挖到耐火砖部位，用风管吹干净挖掘处。五是在槽壳上及耐火砖上涂上焦油.添加热捣糊将底部抚平，安放侧部碳块，同时用镁砖支持，在修补区域的两端头，用钢板固定，添加热捣糊将侧部碳块空隙捣实。六是焙烧二十到四十小时，拆除钢板，沿侧部碳块边缘铺部分氧化钙，焊好钢带。继续风冷。七是对阴极炭块裂缝的修补则需先将裂缝刨成内八型，如果钢棒融化部位能用镁砖制成料状与糊料扎固第一层，其他层数则按照扎缝的工艺来施工。八是对于没见到钢板破损的侧部碳块应采用碳化硅水泥和水及成浆进行三次修补，硬化后和侧部块的硬度相似，以降低成本。
　　（二）防止和减少槽壳破损的改进措施
　　1.采用新槽形，提高槽壳钢结构的强度。根据设计院设计论证和电解铝厂实际使用表明，采用船形结构的槽壳（如图1所示）比原电解槽的槽壳抗变形强度好，易于分散热量，不易破损，运行周期长。某公司对旧槽壳报废后，更新的电解槽槽壳也已改用船形槽壳。其在电解现场使用效果很好。
　　2.保证原辅材料和大修质量合格。管理部门要严格旧槽壳的报废标准，加强大修槽的焊接及槽膛的耐火砖砌筑质量检查，提高槽壳大修后就位的准确率，阴极炭块和扎固糊料等的原料进货质量检查等基础环节上要严格，以避免因槽壳变形或漏炉而造成的早期破损、停槽大修。
　　3.加强电解的日常操作维护。在日常的操作和维护上，要从提高换极质量到保温料的添加，从炉底处理到大面整形，都精细操作，严格根据槽运行情况设定合理的目标电压、保持合理的槽温，控制好合理的氧化铝浓度、分子比，设定理想的加料间隔，保持匹配的電解质水平和铝水平，密切关注电解槽运行状态，使各项技术条件相互匹配，为延长槽壳的运行周期奠定基础。
　　（三）铝电解槽操作规范
　　分析铝电解槽破损后维修时的操作规范，诸如：
　　第一，铝电解槽工作中发现有破损时，先将铝电解槽停运、冷却一周的时间，提出阳极结构后执行槽体拆卸，所有的拆卸工作必须由专业的人员操作。
　　第二，维修现场要树立起安全警示牌，提醒工作人员注意安全，所有的维修工具都要摆放整齐，以免有不规范的操作，现场执行拆卸工作时也要保证安全工作。
　　第三，维修中处理铝电解槽的上下槽体时，需要采用梯子类型的辅助设施，维修人员上下过程中不能直接接触槽体，预防安全事故。
　　第四，铝电解槽弯料管、烟道管、扣压管拆卸维修时，需确保铝电解槽处于安全的环境中，禁止维修现场发生漏电事故，保护维修人员的安全等。
　　四、结语
　　铝电解槽使用中为了降低破损的发生概率，就要落实操作规范，通过规范的操作延长铝电解槽的寿命，同时也能减少破损维修时的工作量，避免影响铝电解槽的具体应用，由此才能为铝电解槽的应用提供优质的环境。只有对电解槽的破损原因有了充分的了解才能较为准确的判断电解槽的修复性质。在停电过程中对电解槽进行修复能有效地节约生产成本，对修槽过程中的问题进行及时解决。
　　（作者单位为包头铝业有限公司）
　　参考文献
　　[1] 高文义.大型预焙铝电解槽局部破损小修的生产实践[J].轻金属，2008（06）：9-11.
　　[2] 李祥祺.大型预焙铝电解槽侧部破损的处理方法[J].轻金属，2006（04）：11-12+47.
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