組裝與澆鑄質(zhì)量引起陽極碎裂脫極事故的分析

2021-05-26 05:52:08吉延新魏新偉

輕金屬 2021年4期

吉延新,魏新偉

(山東晨陽新型碳材料股份有限公司,山東濟寧 272027)

鋁電解生產(chǎn)中陽極炭塊碎裂脫極事故會給正常的生產(chǎn)帶來很大的負面影響,如導致電解槽運行紊亂,電流效率下降,陽極毛耗增加,原鋁品位下降,工人勞動強度增加,工作環(huán)境惡化,嚴重時會引起陽極連鎖脫極,以及導致停槽。引起陽極碎裂脫極的原因有很多,如陽極本身的質(zhì)量缺陷,陽極組裝澆鑄質(zhì)量控制不到位,電解過程中管理不當引起的偏流等。本文依據(jù)多年來對陽極質(zhì)量事故的處理經(jīng)驗,重點分析陽極組裝澆鑄工藝控制對陽極碎裂脫極的影響。

1 原因分析

鋁電解生產(chǎn)中的陽極炭塊澆鑄組裝工序是將陽極導桿、鋼爪和預(yù)焙陽極炭塊通過焊接和磷生鐵澆鑄使其組合成為一體的工藝過程。該工序?qū)﹃枠O在電解槽中持續(xù)穩(wěn)定參與電化學反應(yīng)起到重要的橋梁和紐帶作用,而且由于該工序控制點多,對細節(jié)要求嚴格,所以該工序質(zhì)量控制不到位極易導致陽極在電解過程中出現(xiàn)碎裂脫極事故。下面我們就從鋁導桿、鋼爪、磷鐵配比、炭碗清理等方面,詳細分析陽極碎裂脫極的原因。

1.1 陽極導桿與鋼爪焊接不到位

陽極導桿是鋁電解生產(chǎn)中重要的易損部件,其由鋁導桿、爆炸焊連接塊和鋼爪等通過焊接組成(如圖2),其在鋁電解生產(chǎn)中起到導通電流和連接固定陽極炭塊的橋梁作用。陽極導桿在電解生產(chǎn)中是循環(huán)使用的,把從電解槽中取出的殘極組,經(jīng)過清理殘極、壓脫磷鐵環(huán)、導桿校直和爪頭砂洗、涂抹石墨這些工序后,可用于再次澆鑄新的陽極炭塊。

圖1 陽極炭塊組裝澆鑄工藝流程圖

圖2 陽極導桿組

在實際生產(chǎn)中如果出現(xiàn)鋁-鋁焊接不到位,焊接不牢,上槽使用后在強大電流的作用下出現(xiàn)開焊,使導桿與鋼爪分離,導致鋼爪及陽極掉入電解槽中。

圖3 爆炸焊開焊的鋼爪

圖4 爆炸焊開焊的導桿

1.2 鋼爪變形

鋼爪一般是由ZG25材質(zhì)的鑄鋼加工而成,如果其中C、Si雜質(zhì)元素含量過高,易導致鋼爪韌性降低,加劇鋼爪變形及氧化掉皮的可能,增加脫極化爪的風險;

鋼爪在電解槽中長時間處于高溫環(huán)境下,導致其變形比例較高,其主要類型有爪頭燒損、爪頭內(nèi)彎、爪頭變細等。電解中隨著鋼爪循環(huán)使用,鋼爪受到侵蝕燒損及侵蝕氧化的影響,其直徑逐漸變小,對陽極的抓附力減弱,易導致脫極。一般鋼爪頭燒損厚度小于5 mm的不影響再次使用;燒損厚度介于5 mm到20 mm之間時,可采用補焊修復后再次使用;燒損大于20 mm時,應(yīng)根據(jù)實際情況選擇采取補焊或更換。

鋼爪校正時不到位,爪頭內(nèi)彎弧度較大導致與炭碗偏心較大,當鋼爪與炭碗壁的間距小于10 mm時,磷生鐵水就很難通過并形成斷層,從而降低鐵-炭連接強度,增大鐵-炭接觸電阻,易造成脫極;同一鋼爪中的四個爪頭出現(xiàn)高低不平,出現(xiàn)鋼爪未坐實,插入炭碗內(nèi)的深度不夠或傾斜組裝等異常情況,導致各爪頭導電不均勻,造成脫極。

圖5 鋼爪變形類型圖

圖6 受侵蝕變細的鋼爪

使用過的鋼爪表面都會附著有一層Fe-C氧化物,該氧化物質(zhì)地堅硬,導電性較差,再次使用前應(yīng)徹底清除掉,如清理不徹底或未清除,則會增大鐵-鋼之間接觸電阻,易導致陽極炭塊因過熱脫極。

1.3 澆鑄質(zhì)量差

為了使磷鐵環(huán)易于從鋼爪上剝離,循環(huán)使用的鋼爪在清理和校正后要涂抹石墨,涂石墨的鋼爪要經(jīng)過烘干出來再送到磷生鐵澆鑄站澆鑄。如鋼爪涂石墨漿后未完全烘干,倒入的高溫鐵水會引起鋼爪上殘留的石墨粉稀釋劑燃燒,燃燒產(chǎn)生的氣體使爪頭與炭碗之間形成空穴,導致鐵-炭接觸電阻增大,嚴重時可能導致脫極。

鐵水澆鑄不飽滿(圖7),垂直方向深度不夠,炭碗上臺未覆蓋磷鐵,磷鐵環(huán)與炭碗之間的垂直縮縫直接暴露在外,導致雜質(zhì)進入到鐵炭之間的縫隙內(nèi),形成不導電層,增大了接觸電阻;鐵水澆鑄溫度未達到1350 ℃,造成鐵水流動性較差,澆鑄時在炭碗與鋼爪間形成斷層(圖8),都易引起陽極鋼爪過熱,導致陽極脫極。

圖7 鐵水澆鑄不飽滿

圖8 鐵水澆鑄斷層

圖9 澆鑄合格的磷鐵

磷生鐵澆鑄前打渣不徹底,磷鐵中夾雜的炭粒或爐渣未完全撈凈,循環(huán)使用后形成夾渣。夾渣的出現(xiàn),增大了磷鐵電阻,易導致陽極脫極。

1.4 磷生鐵配比不合理

磷生鐵主要是用來連接鋼爪和炭塊,并起導電作用,要求壓降低、澆鑄溫度高、流動性好、澆口飽滿平滑不產(chǎn)生裂紋、具有冷脆性易壓脫回收等性能。磷生鐵除鐵外主要含有 C、Si、P、Mn、S五大元素,而且這五大元素的配比是有嚴格要求的,如果出現(xiàn)配比不當,就會影響鋼爪與陽極的澆鑄質(zhì)量。磷生鐵主要成分要求見表1。

表1 磷生鐵主要元素含量

磷生鐵需要循環(huán)使用,導致在反復高溫熔化過程中C、Si、Mn元素不斷燒損,P、S兩種元素不斷富集。由于澆鑄中對磷生鐵各元素的含量是有嚴格要求的,如果不及時對磷生鐵各種元素含量進行及時調(diào)整,肯定會對陽極的澆鑄質(zhì)量產(chǎn)生負面影響。

磷生鐵中碳含量偏低,導致石墨析出不足,鑄鐵冷卻后的收縮量變大,出現(xiàn)縮裂和縮縫, 縮裂造成磷鐵環(huán)與鋼爪抱緊力不夠,陽極易脫落。文獻表明,在400～960 ℃范圍內(nèi)磷生鐵和鋼爪的線膨脹系數(shù)為(1.55～1.60)×10-5/K,陽極線膨脹系數(shù)為(3.7～4.5)×10-6/K,磷生鐵與陽極的線膨脹系數(shù)相差3倍以上。因碳含量下降導致的縮縫,會使鐵炭接觸電阻增大,壓降升高,迫使電流向臨極或其它壓降較低的陽極集中,當過大的電流集中到某一塊陽極上,會在縮縫處會產(chǎn)生大量的熱,導致鐵炭粘結(jié)力下降,嚴重時引起陽極炭塊脫落。這種因磷生鐵縮脹引起的陽極脫極事故,一般多發(fā)生在換級后十天左右,這種情形下脫落的陽極外形較完整,碎裂少(圖10)。

圖10 磷生鐵縮脹引起的脫極

硅含量偏低使磷生鐵收縮增大,鐵水流動性能變差,澆鑄時易出現(xiàn)斷層,斷層處鐵炭之間發(fā)生斷路,鐵炭接觸強度降低、電阻增大,易出現(xiàn)陽極炭塊過熱脫極事故。

硫元素為有害元素,應(yīng)盡量減少其含量。其含量偏高使鐵水流動性變差、鑄鐵的膨脹系數(shù)降低。

錳元素可增加磷生鐵的收縮,可與硫反應(yīng)形成浮渣,具有脫硫作用。其含量過低,引起磷生鐵膨脹率過大,導致炭碗周圍出現(xiàn)較大的擴張應(yīng)力使陽極出現(xiàn)裂紋,甚至把炭碗脹破,導致陽極碎裂后脫極。這種因磷生鐵膨脹量過大引起的陽極脫極事故,一般多發(fā)生在換極前一周左右,這種情形下脫落的陽極在炭碗處都有發(fā)散性裂紋或直接部分碎裂掉入槽中(圖11、圖12)。

圖11 磷鐵脹裂后的殘極

圖12 磷鐵脹裂后殘極底面

1.5 陽極炭碗清理不凈

澆鑄前對炭碗清理不徹底,炭碗底部和側(cè)壁螺旋槽內(nèi)的炭渣未清理干凈,有灰塵或雜物;炭碗有水或受潮都會影響澆鑄質(zhì)量,使磷生鐵內(nèi)部不密實或有氣孔,導致強度和導電性較差,上槽后陽極易出現(xiàn)過熱碎裂脫極(如圖13)。

圖13 底部受潮陽極

2 預(yù)防及應(yīng)對措施

由于陽極碎裂脫極事故對電解槽的穩(wěn)定生產(chǎn)危害性極大,因此日常管理中應(yīng)堅持事前預(yù)防為主,事后處理為輔的處理原則。針對陽極組裝澆鑄工序控制不嚴格導致的陽極碎裂脫極事故,可采取以下預(yù)防措施:

(1)導桿彎曲不得使用,需校直,鋼爪頭燒損超1/3,2個以上不得使用;應(yīng)對循環(huán)使用的鋼爪進行砂洗,以除去表面氧化層。

(2)組裝前要將炭碗內(nèi)的填充料及其他雜質(zhì)吸干凈,受潮陽極不得組裝。

圖14 清理干凈的炭碗

(3)合理調(diào)整回爐鐵、新生鐵配比,磷生鐵成分要及時進行檢測,依據(jù)檢測結(jié)果及時對磷生鐵成分進行調(diào)整;增加硅鐵回配量,提高Si、C含量,防止磷生鐵環(huán)產(chǎn)生縮脹裂紋;使用磷鐵添加劑、脫硫劑等材料降低S含量,防止晶間聚集,降低鐵環(huán)熱裂現(xiàn)象和磷鐵環(huán)收縮率過大。

(4)組裝前爪頭刷石墨的高度不低于120 mm,并確保石墨完全烘干后再進行澆鑄;澆鑄前對鋼爪進行充分預(yù)熱至100～250 ℃,以降低澆鑄溫差; 鐵水澆鑄前添加打渣劑,提高打渣質(zhì)量。

(5)澆鑄時要保證炭塊底掌在一個水平面上,導桿保持垂直;鐵水出爐溫度不低于1400 ℃,澆鑄溫度不低于1300 ℃;炭碗內(nèi)的鐵水要飽滿,鐵水要高出炭碗上面5 mm左右。

3 案例分析

案例一:2007年東北某鋁廠電解二車間240 kA槽型,發(fā)現(xiàn)更換陽極時待換陽極出現(xiàn)裂紋,碎裂后脫極(圖15、圖16)。裂紋大多集中在鋼爪周圍,裂紋呈發(fā)散狀向四周延伸,而且不斷的向鋼爪底部擴展,并且裂紋多發(fā)生在陽極使用后期(距換極周期還有2～3天時),嚴重的還出現(xiàn)了陽極掉入槽中的現(xiàn)象。裂紋多以炭碗為中心、裂紋多且細,炭碗底部陽極碎裂,與之供貨的五家陽極都有這種現(xiàn)象發(fā)生,沒有發(fā)現(xiàn)某一家特別嚴重。