延長(zhǎng)在產(chǎn)石墨化陰極鋁電解槽壽命的探析

郭 彬，劉 馳

（內(nèi)蒙古錦聯(lián)鋁材有限公司，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200）

1 概述

電解槽是電解鋁產(chǎn)品生產(chǎn)的主要關(guān)鍵設(shè)備，電解槽內(nèi)襯又是電解槽的核心。

圖1 電解槽內(nèi)襯示意圖

文獻(xiàn)顯示，電解槽內(nèi)襯的成分是氟化物和耐火材料各占30%左右，炭質(zhì)材料占37%左右，此外還有霞石、Al2O3、AlN、鐵鋁合金和微量的氰化物[1]，電解槽大修渣是國(guó)家明令禁止的危險(xiǎn)固體廢物。400KA電解槽停槽大修，內(nèi)襯材料總重110噸，大修費(fèi)用在120萬(wàn)元，大修產(chǎn)生的大修固體危險(xiǎn)廢物在115噸左右，處置費(fèi)用在22萬(wàn)元。所以，延長(zhǎng)電解槽內(nèi)襯使用壽命，對(duì)于電解鋁行業(yè)節(jié)能減排，低碳生產(chǎn)，意義重大。

2 石墨化陰極的特點(diǎn)

眾所周知，與普通半石墨質(zhì)及50%石墨質(zhì)陰極相比，如表1所示[2]，石墨化陰極具有低電阻值、高導(dǎo)電率、高導(dǎo)熱率、低吸鈉、低膨脹、抗熱沖擊力強(qiáng)和易操作管理、操作容錯(cuò)率高、指標(biāo)優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外電解鋁廠的使用，尤其是西方國(guó)家電解鋁廠，幾乎都在采用全石墨化陰極[3]。但是，石墨化陰極也存在材質(zhì)軟、機(jī)械強(qiáng)度低、抗耐磨及電化學(xué)腐蝕性差等缺點(diǎn)。

表1 不同材質(zhì)陰極炭塊主要指標(biāo)對(duì)比

以某公司400KA電解槽為例，破損的形式主要表現(xiàn)是沖蝕坑或沖蝕洞，破損部位絕大部分位于進(jìn)電端的A面，距離側(cè)壁炭塊30～45的位置，破損深度在25cm～30cm沖蝕坑（洞）。停槽后，從端頭看，寬度方向上陰極表面腐蝕的形狀類(lèi)似“W”型。

3 石墨化陰極腐蝕的機(jī)理

石墨化陰極炭塊的主要問(wèn)題是其表面相對(duì)較高的腐蝕速率。陰極炭塊的腐蝕是一個(gè)物理磨損和電化學(xué)腐蝕的綜合過(guò)程，其中，電化學(xué)腐蝕是最主要的，其腐蝕機(jī)理是炭化鋁的生成和磨蝕[3]。

4 延長(zhǎng)石墨化陰極槽壽命的措施

針對(duì)石墨化陰極的腐蝕機(jī)理，圍繞如何減少磨損、電化學(xué)腐蝕和出現(xiàn)腐蝕坑后的精準(zhǔn)修補(bǔ)，就能實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)石墨化陰極的使用壽命。

4.1 合理匹配電解工藝技術(shù)條件，保持穩(wěn)定的熱平衡和物料平衡

4.1.1 穩(wěn)定的電流強(qiáng)度

國(guó)內(nèi)石墨化陰極在正常生產(chǎn)中，電流強(qiáng)化到一定值后，要求電流恒定保持。

降低電流和提高電流都會(huì)影響電解槽的熱收入，隨之而來(lái)的就會(huì)造成爐膛的變化，從而破壞電解槽原有的熱平衡，要想實(shí)現(xiàn)新的平衡，必須調(diào)整電壓、鋁水平、分子比等才能實(shí)現(xiàn)電解槽的穩(wěn)定。

4.1.2 保持合適的溫度和過(guò)熱度

合適的槽溫和過(guò)熱度是電解槽平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)條件，400KA電解槽槽溫一般控制在945℃～955℃，過(guò)熱度8℃ ～12℃。

當(dāng)槽溫和過(guò)熱度偏高時(shí)，槽幫熔化，電解質(zhì)向陰極的滲透加大，電解槽效率降低。槽溫和過(guò)熱度偏小，熔解氧化鋁的能力下降，爐底產(chǎn)生沉淀，非沉淀區(qū)域電流聚集，沉淀區(qū)域電流減弱，電流分布不均，加速腐蝕。

4.1.3 保持合適的電解質(zhì)成分

穩(wěn)定的電解質(zhì)成分是電解平穩(wěn)生產(chǎn)的前提，對(duì)于一個(gè)原料供應(yīng)穩(wěn)定的電解鋁廠來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定的分子比最為重要，對(duì)于國(guó)內(nèi)低鋰鹽電解質(zhì)體系的電解槽，分子比保持2.35～2.45比較合適，個(gè)別有伸腿的電解槽分子比可以上提至2.4～2.5。如果分子比的保持波動(dòng)較大，電解質(zhì)的過(guò)熱度也會(huì)隨著波動(dòng)，電解槽的熱平衡就會(huì)很難保持。所以，分子比保持范圍一旦確定，離散度越小越好。

4.1.4 前期低鋁水平運(yùn)行，后期逐步提高鋁水平保持

石墨化陰極電解槽前期轉(zhuǎn)入正常期生產(chǎn)后，電流效率在94%左右，直流電耗在12600Kwh/t.Al左右，電解操作容錯(cuò)率較高，這種狀況一般會(huì)持續(xù)1500天左右。1500天后，陰極爐底開(kāi)始出現(xiàn)接近陰極鋼棒的腐蝕坑，這個(gè)時(shí)候就要逐步提高鋁水平至27cm～29cm。通過(guò)提高鋁液水平，降低水平電流和水平磁場(chǎng)的強(qiáng)度，提高電解槽穩(wěn)定性，以此來(lái)抵消腐蝕坑引起的偏流問(wèn)題。

4.2 創(chuàng)新修補(bǔ)模式，延長(zhǎng)陰極壽命

眾所周知，要想達(dá)到好的修補(bǔ)效果，修補(bǔ)材料的性能要滿足密度大，易沉入槽底，與炭素、氧化鋁和鋁液結(jié)合力較好的材料，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)跟蹤，最后發(fā)現(xiàn)剛玉顆粒、鎂砂、大修槽結(jié)殼塊單獨(dú)或混合使用，修補(bǔ)后易于固定、不漂移，粘附效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的材料。僅僅有好的修補(bǔ)材料還不能保證修補(bǔ)的效果，這里需要精準(zhǔn)的修補(bǔ)方法。根據(jù)腐蝕坑的大小，讓修補(bǔ)物料呈一個(gè)稍大于坑的“小丘狀”半凝固體，然后用新組裝的陽(yáng)極放在上面，上下移動(dòng)3～5次，進(jìn)行壓實(shí)。此種修補(bǔ)方法一般能堅(jiān)持3個(gè)月以上。

5 效果

某公司二條400KA石墨化陰極鋁電解生產(chǎn)線，通過(guò)采取以上措施，停槽槽齡從2100天延長(zhǎng)到2500天以上,年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益如下：

減少大修電解槽數(shù)量：736＊（2500-2100）/2100=140臺(tái)。

減少產(chǎn)生大修危險(xiǎn)固廢數(shù)量：140＊114=15960噸。

減少使用炭素制品數(shù)量：140＊40=5600噸。

減少使用耐火材料數(shù)量：140＊35=4900噸。

產(chǎn)生的總體經(jīng)濟(jì)效益：140＊120+22.8＊140=19992萬(wàn)元。

從以上計(jì)算可知，年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益19992萬(wàn)元，而且減少固體危險(xiǎn)廢物的產(chǎn)生和處理費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益顯著。

6 結(jié)論

延長(zhǎng)在產(chǎn)石墨化陰極鋁電解槽壽命是一項(xiàng)系統(tǒng)問(wèn)題，選擇好匹配的電解工藝技術(shù)條件，讓電解槽穩(wěn)定運(yùn)行，有利于減緩陰極的腐蝕，提高槽壽命。

通過(guò)創(chuàng)新修補(bǔ)腐蝕部位的材料和修補(bǔ)方法，實(shí)現(xiàn)更為科學(xué)合理的精準(zhǔn)修補(bǔ)，也能延長(zhǎng)陰極的使用周期，從而達(dá)到延長(zhǎng)槽壽命的目的。

隨著電解鋁科技的進(jìn)步和發(fā)展，我國(guó)石墨化陰極槽壽命會(huì)進(jìn)一步提高，低碳減排效益會(huì)更加突出。