600KA鋁電槽GS-5陰極磷生鐵澆鑄與應用

邱傳武

（廣西百礦鋁業(yè)有限公司，廣西 百色 533000）

鋁電解槽陰極鋼棒與陰極炭塊的粘接當前有扎糊與磷生鐵澆鑄兩種方式。相對于扎糊方式，磷生鐵澆鑄方式存在壓降低、壓降穩(wěn)定維持時間長等優(yōu)點[1]。目前，國內(nèi)外多家鋁電解企業(yè)采用陰極磷生鐵澆鑄，包括400KA系列、500KA系列、600KA系列。個別400KA廠家的磷生鐵陰極澆鑄槽已經(jīng)實現(xiàn)超3300天壽命。對于600KA大型槽，因發(fā)熱大，陰極散熱要求高，采用磷生鐵澆鑄利于散熱和保證槽壽命。

但應用磷生鐵澆鑄方式也存在諸多不利因素，如前期投入成本高，磷生鐵陰極澆注成品率不高，在實際投用中，沒有應用經(jīng)驗，應用技術不成熟，電解槽有早期破損情況。個別企業(yè)在使用發(fā)現(xiàn)破損后，就不再使用[2]。這些因素導致目前國內(nèi)陰極磷生鐵沒有大面積推廣。

針對陰極磷生鐵澆鑄出現(xiàn)的問題，就600KAGS-5半石墨大陰極澆鑄實例提出解決思路。并就其投入到生產(chǎn)中出現(xiàn)的特別項作小結(jié)。

1 陰極澆鑄裂紋

陰極澆鑄出現(xiàn)裂紋是目前最為關注的問題。全石墨化陰極在澆鑄中很少出現(xiàn)裂紋，但隨著陰極炭塊增大，非全石墨化陰極澆鑄中極易出現(xiàn)裂紋。600KA槽陰極為大陰極，澆鑄加熱中，其內(nèi)外溫差，應力影響相對于中小炭塊更大。在理論上，GS-5大陰極磷生鐵澆鑄，出現(xiàn)澆鑄裂紋的機率應增加。有文獻在理論上對產(chǎn)生的澆鑄裂紋進行了比較明確的論述，應力最集中在陰極開槽的拐角處（燕尾槽裂紋）；隨著陰極炭塊和鋼棒預熱溫度的逐漸升高，炭塊應力的變化和鋼棒應力的變化趨勢始終保持一致，應力變化逐漸減緩且應力值減小，炭塊的開裂幾率隨之降低[3]。于此，采取如下措施：

（1）采用方鋼通電發(fā)熱設備進行陰極炭塊預熱。實際生產(chǎn)操作中，采用方鋼通電加熱方式，炭塊拐角處溫度較其他方式更高更均勻，澆鑄和冷卻過程中沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。陰極槽內(nèi)檢測的溫度參數(shù)見下表。

（2）升溫曲線定制為：前期快速升溫，后期間歇式升溫。升溫方式使陰極炭塊在更短時間內(nèi)，使炭塊溫度提升到高溫而不氧化，并使陰極炭塊內(nèi)外溫度盡可能均勻。把陰極炭塊溫度提升580°左右，減少澆鑄溫度與碳塊溫度差，有利于減少澆鑄裂紋。實際操作中，于此升溫曲線進行加熱，澆鑄后少量裂紋主要發(fā)生在澆鑄點、陰極開槽面中部上沿，且一般呈外大內(nèi)小。運行一年多來，沒有發(fā)現(xiàn)此裂紋對槽壽和陰極壓降產(chǎn)生影響。升溫曲線如下：

圖1 陰極炭塊升溫曲線

由線自上而下依次為：鋼棒溫度、炭塊槽內(nèi)溫度、炭塊側(cè)部溫度，炭塊底部溫度。

2 關于通電分流的問題

因鋼熱膨脹系數(shù)是炭的4倍至5倍，且陰極方鋼采用方形，方鋼側(cè)向膨脹相對較大，故通電的電流選取50%的量進行分流，不采用二級分流。在實際操作過程中，沖擊電壓控制在3.8伏以下，啟動后檢測的陰極壓降參數(shù)無異常。

3 爐底壓降

（1）入槽前冷態(tài)陰極炭塊電阻與啟動后陰極壓降關系：

表1 爐底壓降與炭塊電阻值

從數(shù)據(jù)可以看出，澆鑄后的冷態(tài)電阻壓降不成線性比例關系。選取冷態(tài)電阻值超高的陰極統(tǒng)一放入其中幾臺槽（3140#3640#），啟動運行后，爐底壓降值與其他正常槽無異常。單一以冷態(tài)電阻來決定陰極澆鑄質(zhì)量存在局限性。

（2）入槽后爐底壓降與設定電壓、槽溫關系圖表：

圖表說明：在啟動后期管理中，當槽溫為980°至985°區(qū)間，20天內(nèi)槽電壓從4伏壓至3.95伏時，爐底壓降有明顯上升，而在前期爐底壓降無明顯變化。說明，爐膛收結(jié)是影響爐底壓降變化的主要原因。在槽溫為960°至970°區(qū)間，當爐膛尚未收結(jié)時，爐底壓降為240mv至260mv之間。爐底壓降略有偏高，初步認為有如下原因：

（1）因600KA陽極電流密度大，陰極電流密度相應增加，故陰極壓降值偏大。

（2）外端絕緣區(qū)及內(nèi)端澆鑄墊放石棉繩，造成接觸電阻增加。

圖2 入槽后爐底壓降與設定電壓、槽溫關系圖

4 陰極炭塊水平電流的問題

陰極為磷生鐵陰極澆鑄，采取外端絕緣的方式，按設計模擬，可以抑制40%的水平電流，但仍存在固有的水平電流。水平電流對槽電壓穩(wěn)定性有影響。為驗證其產(chǎn)生的水平電流對槽電壓穩(wěn)定性的影響，我們選取啟動后高溫槽進行概定。啟動后高溫建膛期電解槽，爐膛潔凈、電解質(zhì)高溫高分子比，對炭陽極濕潤性好，可以排除爐膛因素、氣泡因素[4，5]對電壓穩(wěn)定性的影響，最大限度體現(xiàn)水平電流與磁場對穩(wěn)定性的影響。有代表性的數(shù)據(jù)如下。

表2 陰極炭塊設計模擬的水平電流各項數(shù)據(jù)

從運行實例看，在高溫高分子比，垂直磁場分量為3GS（設計參數(shù)），槽電壓3.928，實測極距為4cm條件下，電解槽運行噪聲可以長期穩(wěn)定保持在13.5，說明外端絕緣抑制水平滿足生產(chǎn)要求。

5 總結(jié)

①采用方鋼通電發(fā)熱預熱陰極炭塊方式，可以很好解決陰有炭塊槽拐角處裂紋的問題；②半石墨陰極大炭塊在相對高溫下，可以大幅降低陰極炭塊裂紋機率；采用前期快速升溫、后期間歇性升溫的升溫曲線，有利于快速均勻提升炭塊溫度，解決半石墨大陰容易出現(xiàn)裂紋的問題，并降低能耗；③陰極澆鑄后在冷態(tài)下檢測的電阻值與啟動后爐爐底壓降不成線性比例關系；④半石墨陰極進行絕緣處理后，爐底壓降有一定的上升，其抑制水平電流基本滿足大型槽生產(chǎn)要求。