孫曉奎

摘要:通過對影響鋁電解槽壽命的因素進行分析,提出電解槽設(shè)計、安裝及選型、選材時應(yīng)注意的問題,從而能有效地延長電解槽的壽命,并取得最佳經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞:精鋁電解槽;三層液電解法;干法啟動

中圖分類號:TF806 文獻標識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)29-0250-02

一、概述

三層電解法是美國鋁業(yè)公司工程師虎普斯發(fā)明的,并取得了專利,離霍爾-埃魯鋁電解誕生僅相差5年。30年后即1932年法國科學(xué)家加德對此法作為改進,使其具有實用性。1935年瑞士約翰遜鋁業(yè)公司開始用三層電解法生產(chǎn)高純鋁,開商業(yè)提取高純鋁的先河。從此高純鋁在一些重要部門獲得了應(yīng)用。

三層液電解法生產(chǎn)的設(shè)備主要是電解槽,要想保證精鋁槽有較長的使用壽命,必須保證電解槽的長期穩(wěn)定性的運行。電解生產(chǎn)實踐證明電解槽的穩(wěn)定性是獲得良好生產(chǎn)指標的根本保證。從設(shè)計理論來看,要解決電解槽的穩(wěn)定性問題必須要解決如下三個主要問題。一是磁流體穩(wěn)定性問題,以保證電解槽在高強度電流作用下平穩(wěn)生產(chǎn);二是熱平衡問題,以解決電解槽既要保溫又要散熱的矛盾,使電解槽能夠長期在穩(wěn)定條件下高效運行;三是電解槽殼的應(yīng)力變形問題,要求槽殼有足夠的剛度,以抵御由于陽極炭塊熱膨脹和滲鈉所產(chǎn)生的強大外推力,確保電解槽具有良好形狀。要解決好上述三個問題,電解槽及其內(nèi)襯必須有較好的選型和選材,本文結(jié)合生產(chǎn)實際簡要闡述電解槽結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計方法,能較好地延長電解槽的使用壽命,創(chuàng)造最佳的經(jīng)濟效益。

二、影響槽壽命的因素

影響槽壽命的因素較多,但總的可以歸納為以下方面,如圖1所示:

從右圖看,優(yōu)質(zhì)內(nèi)襯,尤其是優(yōu)質(zhì)陽極是提高槽壽命的先決條件,陽極炭塊優(yōu)良的指標受到了精鋁工業(yè)的青睞。內(nèi)襯砌體外的鋼殼,俗稱槽殼,不僅是盛裝內(nèi)襯砌體的容器,而且還承擔(dān)著克服內(nèi)襯材料的高溫下產(chǎn)生的熱應(yīng)力和化學(xué)應(yīng)力,要想其內(nèi)襯不發(fā)生較大變形和斷裂,槽殼在熔池部位的周邊必須具有較大的剛度和強度。還有運行對電解槽壽命的影響也不可忽視。

(一)槽殼結(jié)構(gòu)、材料對電解槽的壽命的影響

合理地選擇槽殼結(jié)構(gòu)、材料對電解槽的壽命有很大影響。大容量電解槽采用了剛性極大的搖籃式槽殼,如圖2所示:

搖籃支架具有較大的剛度和強度,殼體起容器作用。搖籃支架小面最外側(cè)的兩組與殼體焊成一體,其余均為用螺栓連接的可拆卸支架。電解槽槽殼強度與槽內(nèi)襯壽命的長短有直接的關(guān)系,80kA電解槽采用強度大,技術(shù)成熟的船形搖籃槽殼,搖籃架與槽體之間以鋼墊板隔開,槽底與搖籃架設(shè)有石棉板,使搖籃架在低于200℃下工作。殼體內(nèi)上口周邊焊有槽沿板,可保護側(cè)部內(nèi)襯在換極出鋁作業(yè)時不受機械損傷,并可有效地阻止側(cè)部內(nèi)襯材料上漲。根據(jù)電解槽的熱平衡計算,確定電解槽的內(nèi)襯的材質(zhì)和厚度,電解槽內(nèi)襯,從下到上依次為三層65mm保溫磚,兩層65mm厚耐火磚,在其上安裝陰極炭塊組。內(nèi)襯材料的性能與設(shè)計選材對電解槽壽命降低的影響,主要有以下原因:

1.熱沖擊陽極炭塊的破裂或裂縫是電解槽內(nèi)襯早期破損的主要原因。

2.扎縫底糊的裂縫由于糊料粒度配比不當(dāng)和及糊溫度不當(dāng),必然引起底糊與炭塊間產(chǎn)生裂隙,致使合金液滲漏。

3.鈉的膨脹、炭塊以及炭塊自身膨脹引起炭塊破裂或抬起。所以,槽殼的設(shè)計要有足夠的強度,并選用對鈉的膨脹影響最小的陽極炭塊,以減小膨脹的影響。

4.陽極炭塊與鋼棒的接觸處,主要是燕尾槽到陰極表面的垂直距離,這是電解槽早期破損的原因之一。這主要是由內(nèi)襯材料引起的。

5.側(cè)部的燒損及石墨料室對于精鋁槽來講,側(cè)部的燒損也是影響其壽命的一個主要原因。一般情況下,側(cè)部由于氧化而引起的燒損主要是側(cè)部保溫過強,生成的炭化鋁或側(cè)部結(jié)殼融化使側(cè)部燒損。陰極鋼棒與槽殼間孔沒有封好,空氣從陰極棒孔進入側(cè)部炭塊的后面。

6.大型精鋁電解槽陽極炭塊的磨損也是非常嚴重的,主要是由于生成炭化鋁和自然磨損兩者共同作用的結(jié)果,其中陽極炭塊石墨含量越高,其磨損越嚴重。

除上述原因外,石墨料室也是影響精鋁槽的壽命的一個重要因素,因此,平常要加強對料室的維護。

綜上所述,槽殼結(jié)構(gòu)、材料對電解槽的壽命的影響是非常巨大的,所以要嚴格要求。在砌筑電解槽時陽極炭塊組四周用底糊扎實。保溫磚和耐火磚的鋪設(shè)要平整嚴密、整齊。層間與行間要錯縫排列,嚴禁對縫,磚縫≤1mm,表面平整度±2mm,磚用鋸切加工,四周用鎂砂填充。這樣才能保證電解槽長期平穩(wěn)的運行。

(二)鋁母線連接對電解槽壽命的影響

合理選擇陽極母線能較好地保證電解槽穩(wěn)定生產(chǎn),即穩(wěn)定性分析。進行磁流體穩(wěn)定性分析的基本方法和步驟:首先必須計算磁感應(yīng)強度,然后用磁流體穩(wěn)定性分析母線配置是否合理。

1.80kA精鋁槽磁感應(yīng)強度計算方法熔體中磁感應(yīng)強度的分布是進行磁流體穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一,因此它獲取方法和準確性可靠性就顯得十分重要。80kA精鋁電解槽磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)的獲取采用了麥克斯韋方程組方法。多年的研究結(jié)果表明:這種方式計算的磁感應(yīng)強度與實際測量值最為相近。當(dāng)然,還有其他的方式可以獲得磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù),但其準確性和實際值相差較大。利用麥克斯韋方程組求解包含槽周母線、內(nèi)部電流、槽殼以及槽周圍空氣等在內(nèi)的三維模型,并借助ANSYS計算軟件來獲得磁感應(yīng)強度分布數(shù)據(jù)。

2.80kA精鋁電解槽的磁流體穩(wěn)定性分析方法及驗證?，F(xiàn)代電解槽設(shè)計理論要求鋁液的流速越小越好;鋁液和電解質(zhì)界面以及電解質(zhì)與合金界面越穩(wěn)定越好;熔體的流動呈軸對稱,至少應(yīng)在長軸對稱,以免造成不規(guī)整的爐幫和表面結(jié)殼。80kA電解槽的磁流體穩(wěn)定性分析采用磁流體模型進行數(shù)值仿真。該方法可以分析熔體流動狀態(tài),如流速大小、流動方向、界面變形和界面波動等。在電解槽中,由電磁力引起的熔體流動可用Navier-Stokes方程描述。按照電解槽的幾何形狀以三維暫態(tài)方式不但可以求解出熔體的流動狀態(tài)和界面變形,而且可以分析各種干擾因素如換極、出鋁、加鋁及融電解質(zhì)界面的擾動,考察界面的穩(wěn)定性。采用這種方法進行流體分析十分復(fù)雜。更通常的方法是將三維穩(wěn)定方程簡化成二維方程,即去掉暫態(tài)項,把問題簡化為穩(wěn)態(tài)的;然后根據(jù)熔體幾何形狀的特征,把問題簡化成平面的,以著重分析熔體的水平流動和界面靜態(tài)變形。

(三)電解槽熱平衡的確定

因為在電解槽運行周期內(nèi)保持熱平衡所遵循的一個主要原則是:輸入能量-為生產(chǎn)鋁所需的化學(xué)能-向四周的熱損失=0,如果此項大于0,說明電解槽過熱,很難形成良好的表面結(jié)殼及爐幫,側(cè)部內(nèi)襯材料破壞嚴重,小于0,說明熱損失過量,表面鋁及槽幫結(jié)殼,影響生產(chǎn)。電解槽內(nèi)襯的設(shè)計關(guān)系到電解槽生產(chǎn)指標和槽壽命。一般認為,良好的內(nèi)襯設(shè)計應(yīng)能滿足電解槽熱平衡的特殊要求,三層分界明顯,以保證槽內(nèi)形成規(guī)整的爐幫。槽側(cè)下部和底部需要良好的保溫,節(jié)省能量,防止過長的伸腿。另外需要使用先進的計算手段對電解槽在生產(chǎn)狀況下熱平衡情況進行模擬分析評價,并指導(dǎo)內(nèi)襯設(shè)計。良好內(nèi)襯砌體的結(jié)構(gòu)和尺寸是根據(jù)生產(chǎn)工藝要求和現(xiàn)有材料的性能,通過熱解析模型計算確定的。由于采用了船形槽殼,80kA槽內(nèi)襯的設(shè)計充分吸收了新疆眾和精鋁廠電解槽的成功經(jīng)驗,同時又吸收了中南大學(xué)專家的技術(shù)成果。

(四)焙燒和啟動對電解槽壽命的影響

電解槽壽命其實就是電解槽內(nèi)襯的壽命,保證電解槽炭素內(nèi)襯沒有缺陷,是延長電解槽壽命的關(guān)鍵,但是要保證炭素內(nèi)襯沒有缺陷是非常困難的。相關(guān)資料和生產(chǎn)實踐表明電解槽炭素內(nèi)襯的缺陷大多是在電解槽焙燒啟動和運行初期形成的。這些缺陷的存在和發(fā)展,如裂紋的進一步擴展,各種孔洞的加深等,很容易形成一個滲漏通道,使高溫合金液和電解質(zhì)滲漏至槽底,侵蝕保溫層,造成槽底上抬,或侵蝕陽極鋼棒,造成漏爐或其他事故,最終導(dǎo)致電解槽被迫停槽大修。當(dāng)電解槽內(nèi)襯材料選定后,電解槽的焙燒質(zhì)量是影響電解槽壽命的關(guān)鍵因素。實驗表明,使用大致相同的槽內(nèi)襯而槽壽命不同的原因,電解槽焙燒的不均勻性可能是一個主要因素。電解槽焙燒良好的標準是:以足能避免陽極材料產(chǎn)生熱應(yīng)力的低速度把炭素材料加熱到電解槽的操作溫度;使陽極表面加熱的溫度梯度最小,以避免在表面上產(chǎn)生熱應(yīng)力;保證全部生糊區(qū)的瀝青的熱解速度,以使焙燒糊具有最佳特性。我廠80kA精鋁槽用烘干法焙燒法一方面使電解槽內(nèi)襯的溫度由常溫逐步提高到啟動溫度,很好地避免了對內(nèi)襯的熱沖擊,另一方面對內(nèi)襯糊料黏結(jié)劑進行焦化使整個內(nèi)襯成為一個整體,還有就是排除內(nèi)襯中的水分。所以電解槽焙燒制度的制訂應(yīng)與黏結(jié)劑性能與溫度的變化關(guān)系相符合,即電解槽的焙燒也應(yīng)遵循“兩頭快,中間慢”的原則,對焙燒時間的研究國內(nèi)和國外是有不同的結(jié)果,國內(nèi)研究認為焙燒時間應(yīng)6～8天為宜。主要是因為當(dāng)電解槽焙燒至250℃左右時,炭素內(nèi)襯是處于軟化階段,此階段主要是扣除內(nèi)襯中的水分階段,升溫速度應(yīng)當(dāng)加快,否則軟化時間過長易造成炭素內(nèi)襯的變形,在250℃~400℃是揮發(fā)元素大量排出階段,此階段升溫速度應(yīng)當(dāng)緩慢,要保證揮發(fā)元素的順利排出,否則瀝青的分解速度加快,揮發(fā)元素急劇排出使內(nèi)襯產(chǎn)生焙燒裂紋,進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松、內(nèi)襯強度降低,對延長槽壽命不利。過快和過慢都對內(nèi)襯填縫糊的性能有不良影響。過快(<6天)會使糊料的裂紋增多,強度下降;過慢(>9天)會使邊部大縫里的糊處在250℃~400℃的時間過長,蒸餾掉大量瀝青組分,使瀝青的黏結(jié)性能下降,同樣也會使糊的孔隙度增大、強度下降,對電解槽壽命產(chǎn)生不利影響。無論是熱法焙燒還是烘干法焙燒,都不能對電解槽側(cè)部內(nèi)襯材料進行很好的焙燒,所以對電解槽側(cè)部的焙燒實際是在啟動時進行,因此啟動對電解槽壽命也有一定的影響。目前較通用的啟動方法為濕法啟動和干法啟動。

(五)生產(chǎn)管理

當(dāng)前面的各種條件確定后,槽壽命的長短直接由正常生產(chǎn)時的管理所決定,如果管理到位,對內(nèi)襯在焙燒啟動時所產(chǎn)生的某些缺陷起到彌補作用,可延長槽壽命,相反有可能會使內(nèi)襯缺陷擴展,對槽壽命不利。正常生產(chǎn)時的管理一方面應(yīng)建立規(guī)整的爐膛,規(guī)整的爐幫可以保護電解槽內(nèi)襯不受高溫電解質(zhì)的腐蝕,還可以提高電流效率。另一方面要保護好石墨料室,石墨料室是精鋁槽操作最頻繁和最易壞的部分,在一定程度上也可以說石墨料室的壽命決定了電解槽的壽命。

三、結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,延長精鋁電解槽壽命的方法很多,結(jié)合精鋁生產(chǎn)的實際情況,通過試驗和實踐得出的結(jié)論,從影響電解槽壽命的因素著手,認真分析了各因素在設(shè)計、安裝及維護過程中應(yīng)注意的問題及最優(yōu)選擇,盡可能保持電解槽穩(wěn)定性,使電解槽有較長的壽命。

參考文獻

[1]邱竹賢.鋁電解[M].冶金工業(yè)出版社,1982.

[2]霍慶發(fā).電解鋁工業(yè)技術(shù)與設(shè)備[M].遼海出版社,2002.

[3]Hale,W.R.,J.Metals,41(11),1989.

[4]程然.鋁電解槽的設(shè)計和焙燒啟動對槽壽命的影響[A].第四屆鋁電解專業(yè)委員會2001年年會暨學(xué)術(shù)交流會論文集[C].2001.

[5]沈澤方.鋁電解[M].全國有色輕金屬冶煉統(tǒng)計信息學(xué)會,2003,(2).

[6]顏非亞,程然.鋁精煉法[J].貴陽鋁鎂設(shè)計研究院,2003,(6).

[7]楊光輝.精鋁及鋁精煉[M].山西冶金出版社,2005,(2).