大型電解槽破損原因及延長槽壽命問題分析

魏 亮

(河南黃金建筑安裝公司，河南洛陽，471000)

1 鋁電解槽的種類和破損特征

1.1 早期鋁電解槽的破損特征

1.1.1 陰極的電壓逐漸升高

當(dāng)電解槽運(yùn)行時(shí)間過長時(shí)，陰極的電壓就會逐漸的慢慢升高，這是正常的現(xiàn)象。但是如果對應(yīng)的陰極電壓非常的高或者升高的速度非常快，就是陰極存在某些部件已經(jīng)損壞的現(xiàn)象。隨著陰極的電壓逐步的升高這樣會致使槽內(nèi)的電壓也會逐步升高，會增加電的消耗量，所以，當(dāng)沒有漏槽的現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，也應(yīng)該立即查明原因，并且采取相應(yīng)的預(yù)防措施，當(dāng)情況若如很危急時(shí)，可以考慮將電解槽提前停止。

1.1.2 陰極隆起

陰極隆起這種現(xiàn)象主要是因?yàn)殛帢O之中的炭質(zhì)材料當(dāng)吸收了溶液中的鈉之后會發(fā)生膨脹，還有一些可能因素是因?yàn)樯缣缄帢O的鈉溶液和電解質(zhì)相互作用，從而形成引起了體積膨脹。某些大型的預(yù)焙槽其陰極隆起時(shí)的高度有時(shí)候可以高達(dá)25cm 以上。當(dāng)陰極隆起之時(shí)它會帶動著陰極的鋼棒向上進(jìn)行彎曲，從而會影響到陽極正常的作業(yè)，當(dāng)嚴(yán)重的時(shí)候會影響整個生產(chǎn)線的正常工作?？梢酝ㄟ^測量陰極炭塊上不同位置的金屬鋁液隆起的高度來確定，陰極是否發(fā)生了隆起現(xiàn)象。

1.1.3 陰極孔洞

陰極孔洞是由于陰極上的炭塊被某些溶液腐蝕和侵蝕從而形成了充滿鋁液的凹形窩槽，最主要的原因是由于發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)而形成了碳化鋁。因?yàn)殛帢O的塊上有著機(jī)械損傷的地方，并受到磁力的影響這樣會產(chǎn)生小范圍的金屬旋流，這種旋流的會造成其中的孔洞情況更加嚴(yán)重。這種產(chǎn)生陰極孔洞的地方多數(shù)發(fā)生在電解槽中陰極最為薄弱的地方，例如邊縫或者搗固縫。通過測量金屬鋁液的高度之中的彎鋼釬沿上的陰極表面向前或向后移動的辦法來找到陰極孔洞。

1.1.4 電解槽內(nèi)部的鋁液含鐵量增高

電解槽內(nèi)部的鋁液含鐵量增高的主要因素是在鋁電解的加工過程當(dāng)中，鋁液與電解質(zhì)會通過陰極存在的一些裂紋、孔隙以及陰極搗固縫從而滲透到陰極的鋼棒之中，這樣會與陰極鋼棒相互接觸從而對鋼棒造成侵蝕的危害?？梢酝ㄟ^觀察鋁液的凝固表面是否收縮和原鋁化學(xué)分析就能夠很簡單的看出鋁液中的鐵的含量是否升高。如果發(fā)現(xiàn)后，為了避免發(fā)生漏槽的現(xiàn)象，保證鋁具有良好的質(zhì)量，可以進(jìn)行提前停槽。如果需要電解槽再一次運(yùn)行，就應(yīng)該密切關(guān)注鋁液之中的鐵的含量變化，并且及時(shí)采取相應(yīng)的措施，例如將電解質(zhì)的成分改變，調(diào)節(jié)電解溫度，將破損的部位進(jìn)行修補(bǔ)等等一些列措施，來減少鋁液和電解質(zhì)對鋼棒造成侵蝕的危害，以此來防止漏槽的事故發(fā)生。

1.2 破損槽的種類

1.2.1 側(cè)面漏鋁或小面漏鋁

當(dāng)槽膛內(nèi)的固體電解質(zhì)無法形成結(jié)殼或者結(jié)殼被融化，電解質(zhì)和鋁就會非?？斓母g防護(hù)層以及側(cè)部的炭塊，被電解質(zhì)和鋁侵蝕的鋼殼會熔化，這樣會導(dǎo)致漏槽的現(xiàn)象。在接近電解質(zhì)和鋁液表面的交界處很容易發(fā)生上述情況。

1.2.2 側(cè)面漏液

當(dāng)溫度相當(dāng)高的鋁液滲透并且接觸到陰極的鋼棒之上，就會引起化學(xué)反應(yīng)，從而會反應(yīng)生成鐵鋁化合物，這樣會對鋼棒造成侵蝕。利用槽底部熱傳導(dǎo)效應(yīng)來形成一個溫度的分布空間，此刻的溫度分布能夠促使液體進(jìn)行流動，鋁液與熔融的電解質(zhì)會流向通道內(nèi)部。通過對比，就可以發(fā)現(xiàn)對鋁液的阻力最小的通道是陰極鋼棒，所以當(dāng)鋁液到達(dá)電解槽時(shí)，它就會非常快的流經(jīng)陰極棒孔而漏出。這種現(xiàn)象的漏鋁情況非常難控制，并且當(dāng)其放生的時(shí)候往往會沒有早期的征兆。

1.2.3 槽底發(fā)生破損和漏槽現(xiàn)象

當(dāng)陰極炭塊上存在裂紋，炭塊和炭塊之間的搗固糊上與測塊間搗固糊上存在裂紋，這些都會造成電解質(zhì)和鋁液進(jìn)行滲入，當(dāng)裂紋慢慢的擴(kuò)大是，從而會使鋁液和陰極鋼棒二者接觸，造成短路。鋁液和電解質(zhì)會繼續(xù)侵蝕陰極下的隔熱層，并且將隔熱層破壞，最終會使鋁液和電解質(zhì)進(jìn)入到鋼槽的底部，并且侵蝕鋼槽，能夠很快的形成孔洞，從而造成了槽底漏槽的現(xiàn)象。

2 電解槽破損緣由

2.1 操作工藝不當(dāng)

當(dāng)操作鋁電解的時(shí)候，應(yīng)該時(shí)刻保持注意電解質(zhì)的成分變化與槽溫的變化，來確保槽幫結(jié)殼是否形成與穩(wěn)定，如若操作不當(dāng)，將會使電解質(zhì)與鋁液會對電解槽的側(cè)壁造成不應(yīng)該有的沖刷和腐蝕。

2.2 啟動電解槽的焙燒的方式不當(dāng)

電解槽焙燒的啟動方法有很多，例如鋁液焙燒、火焰焙燒等等一些列方法，但是無論利用哪一種焙燒的方法啟動，都必須讓陰極的整體進(jìn)行完全的焙燒，不能能夠造成電解槽底部加熱不均勻。如果沒有按照上述方式，將會使槽底的應(yīng)力發(fā)生局部集中和局部的電解槽會變形，致使電解槽遭到破損。

2.3 電解槽的內(nèi)襯受到腐蝕

在鋁電解的生產(chǎn)生活當(dāng)中，由于槽內(nèi)襯會時(shí)刻受到鋁液和電解質(zhì)的腐蝕與運(yùn)動的沖擊，電解過程之中也會產(chǎn)生鈉還有空氣中的氧氣和氮?dú)舛紩M(jìn)入到電解槽內(nèi)襯當(dāng)中，這樣會造成腐蝕的作用。當(dāng)電解槽的碳陰極與電解槽側(cè)壁被長時(shí)間的腐蝕之后，就會生成氮化鋁等一系列物質(zhì)，改變了電解槽內(nèi)襯的表面結(jié)構(gòu)，同時(shí)還會讓原來的較小的裂紋和受到的機(jī)械損傷逐步的變大，這樣會形成比之前相對較大的裂紋，從而加深了腐蝕，電解液和鋁液將會慢慢達(dá)到陰極的鋼棒之中，同時(shí)也會進(jìn)入槽殼之中，會產(chǎn)生槽漏現(xiàn)象和使電解槽遭到破損。同時(shí)，當(dāng)電解槽內(nèi)襯被鈉腐蝕以后，會發(fā)生體積膨脹，這樣會使得陰極隆起和發(fā)生陰極破裂現(xiàn)象，這同時(shí)是造成鋁液和電解液能夠很快的腐蝕電解槽內(nèi)襯的原因。

3 延長槽使用壽命的措施

3.1 電解槽陰極使用半石墨的炭塊

陰極的炭塊總共可以分為三種類型，他們定性的比較如下表1 所示。

表1 陰極上炭塊的定性比較

相比較來說，從表中就可以看出石墨化的炭塊性能是相對其他的倆種是最好的，但是這種材料的價(jià)格也是最高的，當(dāng)一次性投入是，不是一個客觀經(jīng)濟(jì)的辦法。所以建議可以使用性能優(yōu)良可靠的半石墨質(zhì)的炭塊，這種材料在經(jīng)濟(jì)上能夠被大多數(shù)企業(yè)所接受，在技術(shù)上也是相當(dāng)可觀的，特別是半石墨的炭塊的抗磨性、導(dǎo)電能力和抵抗沖擊能力都相當(dāng)?shù)目陀^。但是必須說明一點(diǎn)，有一部分的廠家半石墨炭塊，之中的部分骨料已經(jīng)被石墨化，其實(shí)并不是真實(shí)的半石墨質(zhì)的炭塊。與此同時(shí)，還可以利用圓柱形的陰極鋼棒，這樣能夠減少由于膨脹的差異而造成對炭塊作用的相應(yīng)的應(yīng)力，這樣能夠更好地使石墨質(zhì)陰極炭塊發(fā)揮其更好地作用。

3.2 利用化學(xué)防滲透技術(shù)

在電解的生活生產(chǎn)當(dāng)中，為了以防擁有腐蝕性質(zhì)的電解質(zhì)組分和鈉等一些物質(zhì)對陰極的炭塊、保溫材料以及耐火材料的腐蝕和滲透，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的利用陰極防滲透技術(shù)。陰極防滲透技術(shù)總共可以分為化學(xué)防滲和物理防滲，其中二者之中當(dāng)屬化學(xué)防滲技術(shù)尤為先進(jìn)，它擁有著改善熱平衡、節(jié)約爐料、延長電解槽的使用壽命和延長電解槽大修的周期等等許多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，在國外化學(xué)防滲透技術(shù)已經(jīng)較為普遍，并且其中還取得了驕人的成績。對于我國已經(jīng)有部分的生產(chǎn)廠家也研制出了化學(xué)防滲的滲料，這為我們以后延長電解槽的壽命提供了有力的條件。然而我國也有很多的鋁廠同時(shí)也進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，但是其中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能差強(qiáng)人意。筆者認(rèn)為，那些失敗的鋁廠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的電解槽大多數(shù)都是采用鋁液的焙燒技術(shù)，但是其中的鋁液不能夠與防滲材料二者相互作用，就不能夠形成良好的防滲層，從而就不能夠起到防滲透作用。某公司根據(jù)以上的情況進(jìn)行分析，在焙燒的工程工藝上進(jìn)行了改進(jìn)，在2003 年底，已經(jīng)開始全面的推廣新興的焙燒法，在當(dāng)下的基礎(chǔ)之上，利用國內(nèi)最先進(jìn)的防滲材料，這樣取得了驕人的成果。

3.3 利用國內(nèi)領(lǐng)先的搗固糊檢測技術(shù)

陰極的炭塊和電解槽側(cè)部之間、炭塊和陰極炭塊之中的搗固糊是電解槽的陰極之中最為薄弱的地方，它的最主要的功能就是填充炭塊與炭塊之間縫隙，以此來防止電解質(zhì)與金屬滲透到陰極，同時(shí)為在焙燒期間炭塊的熱膨脹而提供了一個緩沖層。電解槽的壽命和搗固糊的緊密性和密實(shí)性有很大的關(guān)聯(lián)，它的這種特性決定著當(dāng)在加熱的時(shí)候糊和炭塊的配合、操作過程中對無聊的改變等等性質(zhì)的變化。據(jù)相關(guān)資料的介紹，當(dāng)冷搗糊的密度為1.50/cm3 左右時(shí)，并且和半石墨質(zhì)的陰極炭塊進(jìn)行配套，此時(shí)的組合能夠很好的滿足上述的要求。

3.4 利用相對成熟的焙燒技術(shù)

電解槽的焙燒大概有3 種方法，他們的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)的對比如下表2。

表二 焙燒方法的對比

對于傳統(tǒng)老式的鋁液焙燒法有著許多的缺陷；焦粒焙燒法它能夠克服和有利的減少鋁液焙燒法的諸多缺陷，但是它對配套的技術(shù)要求比較高；燃?xì)獗簾梢哉f是現(xiàn)如今最理想的焙燒法，它有著其他焙燒法無法達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)，它能夠代表著電解槽焙燒法的前進(jìn)方向。對于當(dāng)前我國的電解槽發(fā)展形勢來看，已經(jīng)有很多的電解廠已經(jīng)利用這種有效簡單的方法和化學(xué)防滲技術(shù)結(jié)合。

3.6 利用先進(jìn)的管理技術(shù)

3.6.1 利用先進(jìn)的穩(wěn)定電流技術(shù)與合理供電技術(shù)

通過利用合理的技術(shù)來減少電流波動對于槽內(nèi)熱平衡的干擾，并且降低化學(xué)侵蝕物的擴(kuò)散幾率。

3.6.2 利用科學(xué)的管理方式

在生產(chǎn)和生活中，不斷地進(jìn)行創(chuàng)新，從而達(dá)到對于操作做到精密完善，并且減少對電磁場的影響，同時(shí)降低機(jī)械侵蝕。

3.6.3 利用濕法無效啟動技術(shù)

當(dāng)啟動電解槽時(shí)，可以采用濕法無效應(yīng)啟動方法，這樣可以使電解槽內(nèi)的溫度均勻地上升，這樣有利于降低對電解槽熱沖擊的影響，可以達(dá)到延長電解槽壽命的功效。

4 結(jié)束語

精心設(shè)計(jì)好的電解槽與電解槽的陰極結(jié)構(gòu)，應(yīng)該選用質(zhì)量優(yōu)異以及和實(shí)際生產(chǎn)相適應(yīng)的材料，這樣能夠達(dá)到最佳的砌筑效果。以此同時(shí)，還應(yīng)該配合著科學(xué)的管理理念和方式，不斷地進(jìn)行創(chuàng)新，來提高生產(chǎn)量和提高使用壽命，達(dá)到更加理想的生產(chǎn)效率，為工廠帶來更好的效益。

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