張永明

（山西兆豐鋁電電解鋁分公司， 山西 陽泉 045200）

當前鋁企業(yè)電解生產(chǎn)總會遇到客觀因素導致系列或部分停槽，由于熱脹冷縮的原因，會導致電解槽存在不同程度的破損，在條件允許的情況下想要二次啟動，需要進行清槽、修理、再啟動，若想二、三次槽壽命延長，實踐表明，除二、三次電解槽清爐及維修情況等因素外，還與啟動后的正常生產(chǎn)期間技術條件的把控及生產(chǎn)操作有著密切關系[1]。如何延長槽壽命代表著鋁電解生產(chǎn)技術水平管理能力，還代表著企業(yè)能否平穩(wěn)生產(chǎn)、降低生產(chǎn)成本等間接性創(chuàng)造經(jīng)濟效益的問題，所以對二、三次槽啟動后如何做好正常生產(chǎn)期管理工作，對延長電解槽壽命的探討是十分必要的，本文主要介紹300 kA 電解槽在二、三次啟動后，通過工藝技術條件的調(diào)整，如何延長電解槽使用壽命的問題進行探討，與大家共勉。

1 穩(wěn)定的槽況、規(guī)整的爐膛對槽壽命的影響和意義

電解槽由于在強磁場和高溫熔鹽狀態(tài)下工作，雖然鋁電解過程本身不消耗陰極，但在強腐蝕性電解質(zhì)侵蝕和各種應力的長期作用下，導致陰極材料的膨脹與收縮、鈉離子向陰極內(nèi)襯侵入、電解質(zhì)和鋁水向爐底滲透、電化學或化學腐蝕，最終引起電解槽的變形和電解槽內(nèi)襯的破損，導致破損槽的出現(xiàn)。二、三次槽在此基礎上更加劇破損槽的出現(xiàn)，由于在停、啟槽時，槽內(nèi)溫度的急劇下降、上升，根據(jù)熱脹冷縮原理，容易出現(xiàn)炭塊隆起、斷裂等現(xiàn)象，存在此類隱患的電解槽在正常電解生產(chǎn)過程中，保持穩(wěn)定的槽況和規(guī)整的爐膛對槽壽命延長有著極其重要的影響[2]。

穩(wěn)定的槽況一方面是指電解槽的平穩(wěn)運行，包括槽控曲線、設定電壓的穩(wěn)定，另一方面是指分子比、鋁水平等各項技術參數(shù)以及爐底壓降、爐底溫度的平穩(wěn)保持。電解槽爐底溫度很難始終保持在“適中”狀態(tài)，總是在“熱槽- 偏熱- 微熱- 適中- 微冷- 偏冷-冷槽”往返調(diào)整、緩慢進行的過程中，是否碰到兩個端頭體現(xiàn)出一個工區(qū)對電解槽的把控水平和能力，在把控過程中最忌諱爐底溫度的忽高忽低，特別是二、三次槽的管理，鋁水平的快速變化、分子比的快速變化都可能造成爐底溫度的忽高忽低、破損槽的加劇，特別是分子比的穩(wěn)定保持，因為分子比由氟化鋁控制，而氟化鋁控制分子比有滯后性，影響滯后性的因素很多、因槽而異，而工區(qū)在把控過程中對滯后性考慮得不充分就會造成氟化鋁過量，爐底溫度控制不好，電壓擺、電壓下甩、紅爐幫等現(xiàn)象出現(xiàn)。槽況的不穩(wěn)定極易造成電解槽的破損、滾鋁、漏爐等事故的發(fā)生。

電解槽爐膛的規(guī)整可以更好的保證槽內(nèi)襯的完整，對電解槽效率的提高、壽命的延長有積極作用，在日常生產(chǎn)中電解槽爐膛的規(guī)整的維護與保持，是日常生產(chǎn)管理的重要條件之一，爐膛的不規(guī)整主要由于爐底沉淀造成的，而爐底沉淀的形成原因較多，如下料過多、槽溫低、爐底涼等方面導致，電解槽爐膛的規(guī)整工作是一項長期而細致的工作，只有長期堅持不懈地從工藝條件控制入手，輔助人工處理爐底沉淀，才能達到維護和規(guī)整爐膛的目的，從而使電解槽處于平穩(wěn)運行中，達到穩(wěn)產(chǎn)和高效。

穩(wěn)定的槽況和規(guī)整的爐膛兩者相輔相成，促進電解槽的使用壽命。一旦發(fā)現(xiàn)電解槽異常、出現(xiàn)破損情況，應及時進行修補，對延長陰極內(nèi)襯的使用周期和電解槽的使用壽命具有重要意義：一是降低澆筑材料、焙燒啟動時的電能等物料的消耗；二是提高鋁質(zhì)量；三是避免電解槽大修增加鋁產(chǎn)量。

2 做好二、三次槽正常生產(chǎn)期主要技術參數(shù)的管理

延長電解槽壽命的關鍵是加強正常生產(chǎn)期管理。正常生產(chǎn)管理內(nèi)容主要是采用合理的工藝技術條件，始終保持電解槽規(guī)整的爐膛和穩(wěn)定的槽況，因此正常生產(chǎn)期就要建立電解槽理想的能量平衡狀態(tài)、物料平衡狀態(tài)、電磁場平衡狀態(tài)[3]。現(xiàn)結(jié)合山西兆豐鋁電電解鋁分公司（以下簡稱兆鋁）生產(chǎn)實際談談電解生產(chǎn)技術參數(shù)的日常保持情況。

2.1 鋁水平、電解質(zhì)水平的管理

在日常生產(chǎn)中兩水平的不穩(wěn)定也會對電解槽的運行造成較大影響，結(jié)合近幾年二、三次槽管理經(jīng)驗，鋁水平保持在30～31 cm 各項經(jīng)濟指標比較理想（見表1），鋁水平過高會造成爐底偏冷，伸腿偏大，造成電壓波動、電壓下甩現(xiàn)象，甚至新極頂大母線問題，但隨著槽齡的增加，爐底形成的結(jié)殼又不宜利用技術條件讓爐底結(jié)殼化開，這樣會增加破損槽的出現(xiàn)，或是前期修補住的槽再次出現(xiàn)異常，故保持合適的鋁水平與合適的爐底溫度非常關鍵[4]。鋁水平的保持需結(jié)合爐底壓降、設定電壓、因槽而異，一切以電解槽的高效低耗為標準。

表1 兆豐電解鋁二次槽兩水平保持情況

電解質(zhì)水平建議嚴格把控在17～18 cm 區(qū)間，過高的電解質(zhì)必須及時外取，過高容易造成殼面塌殼，涮鋼爪影響原鋁液品位，同時陽極浸入電解質(zhì)過深，陽極氣體不易排出，鋁與陽極氣體發(fā)生二次反應加劇，最主要是對爐幫、上口上涮，造成水平電流過大，影響電流效率。相反，過低不利于氧化鋁的溶解，現(xiàn)場操作難度大。

2.2 電壓管理

電壓的控制是由計算機通過調(diào)整極距來調(diào)整電壓，原則上保持電壓的穩(wěn)定比變動好，在一定的電解質(zhì)組成下，縮小極距可有效降低電解質(zhì)壓降，同時，工作電壓的高低也反映了極距的高低。在鋁電解生產(chǎn)過程中，首先需要綜合考慮電解槽各部位的壓降、電解槽的實際運行狀態(tài)等，合理設定電壓，保證電解槽能夠處于正常運行工況下。兆鋁二、三次槽平均爐底壓降在335mV左右，一直控制比較穩(wěn)定，由于爐底壓降偏高，故設定電壓也偏高，隨著槽齡的增加，為了保持槽控曲線的平穩(wěn)運行，設定電壓也稍有提高，具體見表2。

表2 兆豐電解鋁二次槽正常生產(chǎn)期電壓、電耗完成情況

在電解生產(chǎn)中，電壓偏差的大小能夠反映出電解槽生產(chǎn)狀態(tài)的穩(wěn)定性，如果電壓偏差比較小，則說明電解槽穩(wěn)定性較高。同時日常對電解槽不規(guī)范手動干擾，也一定程度上影響電壓偏差，對不規(guī)范的人工手動調(diào)整電壓，還會造成鋁液波動，爐幫受損，嚴重影響電解槽平穩(wěn)運行，因此，規(guī)范手動操作，減少人工干擾，尤其是在正常生產(chǎn)期間，電壓的管理以穩(wěn)定為主，防止由于電壓的波動，影響電解槽爐膛形成的增減。

2.3 分子比等電解質(zhì)成分管理

電解質(zhì)成分對工藝技術條件影響較大，同時也對爐膛的保持有著重要的影響，想要保證電解槽的穩(wěn)定生產(chǎn)，需要保持電解質(zhì)成分的穩(wěn)定。

分子比的穩(wěn)定尤為重要，想要改變電解質(zhì)成分，主要通過添加氟化鋁，來達到降低分子比，從而降低電解質(zhì)初晶溫度，影響電解質(zhì)溫度，對電解槽過熱度進行調(diào)整，達到電流效率提升的目的。在電解生產(chǎn)中，設定電壓、鋁水平等技術參數(shù)日?；咀兓淮螅匀粘﹄娊獠鄣陌芽刂饕峭ㄟ^氟化鋁對槽況的把控，氟化鋁是電解生產(chǎn)中的“雙刃劍”，在各項條件匹配度較高時，若氟化鋁添加量不準確，會對電解槽造成負面的影響，槽況波動情況明顯，對電解槽的穩(wěn)定不利。雖然低分子比有利于電流效率的提高已經(jīng)得到了鋁業(yè)界的認同，但不能忽視分子比過低的負面作用，低分子比會導致氧化鋁的溶解度會降低，容易產(chǎn)生沉淀，爐膛易受到槽溫影響受到破壞；電解質(zhì)電阻增大，槽電壓不穩(wěn)，陽極氣體不易順暢排出，導致效應增多，氟化鋁的揮發(fā)損失較大等缺點。

2.4 效應管理

根據(jù)國家生態(tài)、環(huán)保及能耗方面相關政策，電解鋁行業(yè)發(fā)展趨勢是向“零”效應管理模式靠攏，陽極效應發(fā)生時，陽極停止工作、不產(chǎn)鋁，且消耗大量電能，還會融化新建立的爐幫，在插入效應棒后，鋁的翻滾、再溶解于電解質(zhì)中加劇鋁的二次反應，不產(chǎn)鋁且消耗鋁，同時效應后6～12 h 內(nèi)，電解槽的效率才能逐步恢復到正常水平；而且陽極效應釋放出來的氣體除CO和CO2外，還伴隨著對大氣臭氧層有破壞性的全氟化炭PFCS（CF4、C2F6）氣體的產(chǎn)生，污染環(huán)境。

但各電解鋁公司需根據(jù)自身條件，如槽控設備、物料（氧化鋁）性狀、工區(qū)管理能力、電解工操作質(zhì)量等綜合考慮，保持合適的效應間隔和效應時間，保證電解槽的物料平衡與熱量平衡。兆鋁由于設備老化、槽控系統(tǒng)比較落后，加上電解工長期短缺，操作質(zhì)量跟不上，氧化鋁性狀不好，效應系數(shù)一直偏高，如表3。后來趨于對短路口立柱母線絕緣的保護目的，在峰值電壓、效應時間、效應質(zhì)量、平均效應電壓上不過分追求，以“安全第一”為原則，從技術條件調(diào)整上來進行把控，確保電解槽的安全運行。

表3 兆豐電解鋁二次槽正常生產(chǎn)期間效應系數(shù)情況

2.5 極上保溫料管理

極上保溫料的重要性。通常極上保溫料主要作用保溫、防止陽極氧化和降低鐵碳壓降的作用。從根本上來說極上保溫料是實現(xiàn)電解槽的物料平衡和熱平衡的重要手段。據(jù)研究測定，陽極每減薄或增厚1 cm的極上保溫料，相當于放出或增加6～9 mV電壓產(chǎn)生的熱量。

為了保證極上保溫料的循環(huán)利用，避免出現(xiàn)積存，降低氧化鋁單耗，我單位在保溫料上一直不是很厚，在鋼梁下平線附近根據(jù)環(huán)境溫度進行調(diào)整，保溫料不厚但必須保證密實性，一方面是在顆粒配比上做文章，直徑3～5 cm 的粉碎料與米粒大小的細碎料混合使用，最后從中縫扒出氧化鋁撒在新極表面拍實；另一方面加強整形收邊工作，將陽極升降逢處扎實加強保溫料密實性，同時不是很厚的保溫料方便收邊工作，促進電解槽散熱，陽極上的保溫料隨著陽極的消耗要求始終在陽極的同一位置上，確保新極保溫、低殘極能散熱。

3 對發(fā)現(xiàn)破損槽修補的一些方法與建議

某單位2016 年啟動的一批槽，因大修材料或筑爐工藝上存在的某些缺陷，最終導致啟動后人造伸腿大塊脫落，有兩個工區(qū)（37 臺槽/區(qū)）80%的槽出現(xiàn)伸腿脫落現(xiàn)象，在運行過程中陸續(xù)有破損槽出現(xiàn)，但通過針對性的技術條件保持，以及一些特殊手段進行修補后，運行至今，將近有30 臺破損槽通過修補目前仍平穩(wěn)運行著，槽齡達到2 000 天以上仍高效生產(chǎn)，部分槽齡達到3 200 d 以上。如738#槽，2017 年9 月份鐵含量出現(xiàn)異常，硅鐵含量（質(zhì)量分數(shù)） 最高達0.082%、0.321%，當時A8 處鋼棒頭溫度明顯偏高，故進行切割阻斷通電，對破損部位進行修補后原鋁質(zhì)量逐漸恢復正常，運行至目前總槽齡達2 100 d，其中破損后運行天數(shù)已達1 600 d 以上。

結(jié)合以上對破損槽的修補和管理經(jīng)驗，提出以下建議。

3.1 識別和判定電解槽是否存在破損

電解槽在破損初期若能及時發(fā)現(xiàn)、找準破損部位，正確進行修補并適當調(diào)整技術條件、加強維護，則可以有效的減緩其破損速度，延長電解槽使用壽命。確認破損槽最有效辦法是關注原鋁質(zhì)量中硅鐵含量的變化，正常情況下硅含量在0.05%，鐵含量在0.1%左右范圍平穩(wěn)保持，若出現(xiàn)單槽硅、鐵含量連續(xù)上升沒有穩(wěn)定或下降趨勢，在排除陽極化爪等因素導致后，則基本可以判定該槽陰極鋼棒已開始熔化，陰極內(nèi)襯已出現(xiàn)破損。

在日常生產(chǎn)中，需密切關注原鋁質(zhì)量變化情況，對單槽硅鐵含量上升較快或異常的槽須引起高度重視，排查硅鐵含量升高的原因，是電解質(zhì)高上涮鋼爪、化爐幫，還是陽極問題導致化爪，一定要弄清楚硅鐵含量升高原因，在原因排查清楚之前將其列為破損槽進行全爐溫度監(jiān)測，確保電解槽的安全運行。

3.2 做好破損部位的精確查找，做到精準修補

做好日常換極檢查爐底工作，換極在用鐵鉤判定爐底冷熱趨勢的同時，探查陰極是否存在坑洞或裂縫，若存在異常須記錄詳細情況，如坑洞大小、深度、大概位置。對待不同異常需不同方法處理，發(fā)現(xiàn)不太明顯的破損部位，或是陰極發(fā)現(xiàn)凹陷區(qū)域，此時可以用爐底沉淀進行遮蓋，用特制工具將中縫處的沉淀扒至坑逢區(qū)域，對陰極形成保護；若發(fā)現(xiàn)明顯破損部位，此時需用特制鎂砂餅進行修補。

通過陰極鋼棒頭和底板溫度結(jié)合電流分布來查找具體破損部位。對于大型預焙槽，一旦發(fā)現(xiàn)異常，用換極長鉤和換極之機進行查找破損，不但比較困難而且時間太長等不及，為此，可通過鋼棒頭、爐底溫度測量結(jié)合陽極導桿電流分布來查找，溫度偏高、電流分布偏低部位進行提極查找破損，由此可以大致判斷陰極具體破損部位。

結(jié)合以往破損槽修補經(jīng)驗，在確定存在破損后，須用特制鎂砂餅進行修補，此處強調(diào)：一方面不宜大面積修補，在查找破損槽過程中，不能“病急亂求醫(yī)”，若發(fā)現(xiàn)疑似破損也進行修補的話，最后會導致滿爐底都是沉淀，即使修補住也不確定是哪個位置起關鍵作用，長期修補對爐膛的破壞會出現(xiàn)陽極導電不均、經(jīng)常性電壓擺、電壓下甩出現(xiàn)，最后破損槽壽命不會延長太久。另一方面需用特制的鎂砂餅進行修補，別以為簡單在破損部位撒上鎂砂、氟化鈣就能修補上缺口，結(jié)合長期經(jīng)驗教訓，這樣的成功機率太低。

3.3 修補材料以及制作特制鎂砂餅

特制鎂砂餅的制作：用鋼板焊接500 mm×300 mm×150 mm 大小的模具用以制作鎂砂餅，若鎂砂餅太小，在槽內(nèi)隨著鋁液的流動和逐漸溶化，鎂砂餅和熔化的鎂砂粒會位移、游走，不能完全填補住破損部位。在材料的選用上，鎂砂顆粒需米粒大小不規(guī)則形狀，氟化鈣、氧化鋁即可，首先在模具最底層澆上鋁液20 mm，然后平鋪30 mm 厚的鎂砂粒，讓后將混合的氟化鈣、氧化鋁3～5 kg 混合料填在模具中央，然后在四周填滿、鋪平鎂砂顆粒，在逐步添加鎂砂過程中逐步舀進鋁液，鋁液進入模具一定要緩，盡可能不沖散、攪亂鎂砂餅順序，最后冷卻成型。

在修補過程中，在確定破損部位利用天車配合人工，將鎂砂餅正面朝上，準確地放在破損部位，在放置過程中，可用天車打殼錘頭協(xié)助下壓至爐底，然后人為用長、短鉤配合保證鎂砂餅坐在破損部位。隨著高溫熔化，鎂砂和混合料形成沉淀堵住破損部位，在修補后的一周時間內(nèi)，修補部位不宜用鉤進行摸爐底試探效果，密切關注原鋁質(zhì)量即可判斷是否修補到位。若修補到位，則以后該區(qū)域的換極摸爐底時，不要過分摸爐底檢查，避免將修補料形成的結(jié)殼勾起，再次形成破損通道；若未修補到位，可同樣方式進行第二次修補。

3.4 保持破損槽技術條件

對于破損槽，需保持較低的爐底溫度，技術條件的把控上需更精準，若爐底溫度一直過低，會逐漸形成大量結(jié)殼，最后爐膛不規(guī)整，頻繁出現(xiàn)電壓擺、電壓下甩現(xiàn)象，破損會再次出現(xiàn)，即使破損未出現(xiàn)，但綜合經(jīng)濟指標也不太理想，同時耗費大量的人力、物力，所以破損槽的管理，穩(wěn)定是首位，根據(jù)日常槽控曲線運行狀況，保持合適的分子比，在保證電解槽平穩(wěn)、安全運行的前提下，保證較低的爐底溫度，讓電解槽盡可能延長使用壽命。