淺談電解槽陰極鋼棒整體澆鑄工藝過程控制

陡文化

1 鋁電解槽碳陰極簡介

現(xiàn)在的鋁行業(yè)競爭越來越激烈，各生產(chǎn)企業(yè)都在生產(chǎn)成本上想辦法，因?yàn)槟壳霸牧辖党杀編缀醪豢赡?，企業(yè)只能在能源和工藝過程等方面上降低生產(chǎn)成本。目前，各企業(yè)在電解槽電耗上降低成本的較多，尤其是在槽低壓降方面做的比較多。同時(shí)在這方面也取得了好的成績，槽低壓降的控制在于陰極炭塊與陰極鋼棒的構(gòu)造。

陰極碳塊是鋁電解槽的重要組成部分，包括底碳塊、側(cè)炭塊、連接炭塊的搗打漿或炭膠、陰極鋼棒。鋁電解槽的碳塊陰極位于電解槽底部，外部由鋼殼加固的耐火材料制成。鋁液和電解液置于用于鋁電解的碳陰極上，在其與鋁橋的界面處進(jìn)行電解鋁沉積反應(yīng)。直流電通過鋁液、低碳塊和陰極鋼棒從電解槽中引出，碳陰極是鋁電解槽最重要的結(jié)構(gòu)部件。用于鋁電解的碳陰極的材料狀況、安裝質(zhì)量和操作條件對鋁電解的輸出功率和鋁電解的能耗有很大影響。鋁電解中使用的碳陰極上的電壓降，或爐子上的較低電壓降，通常超過400mV，約為電池電壓的10%。在電解鋁的生產(chǎn)中，陰極會因熔鹽和鋁液的侵蝕和沖擊，以及各種負(fù)荷而發(fā)生變形和斷裂。當(dāng)它嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)，必須停止維修，鋁電解用碳陰極襯里的正常壽命為4年～5年。

低碳無煙煤、瀝青膠、冶金膠、天然和人造石墨和煤焦油瀝青的生產(chǎn)是生產(chǎn)陰極炭塊、側(cè)炭塊、搗打漿和木炭的主要原料。這種原料必須先煅燒，將無煙煤和瀝青膠放入耐火窯或回轉(zhuǎn)窯中，在1473K～1623K的高溫下煅燒，以提高其致密性和熱穩(wěn)定性，并降低其電阻率。無煙煤也可在電煅燒爐中煅燒，煅燒溫度通常為2073K～2173K，煅燒可進(jìn)一步提高無煙煤的熱穩(wěn)定性，降低其電阻率。

鍛壓后，將焦炭和脫水冶金焦炭和石墨粉碎、研磨，按一定的粒度比混合，在間歇式或連續(xù)式混合機(jī)中與煤瀝青作結(jié)合劑混合，制成炭糊。碳底漆被夯實(shí)到碳塊之間的間隙中。煤泥骨尺寸小于4mm，瀝青混合量為19%～21%。為降低炭底漆的軟化點(diǎn)，改善結(jié)構(gòu)的壓實(shí)條件，可使用大蔥、焦油、沖洗油等作為炭底漆的粘結(jié)劑，代替部分瀝青作為粘結(jié)劑。碳底漆可以在室溫下使用，這就是為什么它被稱為冷沖壓。

炭膠為擠壓粘接炭塊間細(xì)縫（＜4mm）的碳糊料，碳膠骨尺寸小于1mm，粘結(jié)劑含量在40%左右。用于制造底部碳塊或側(cè)邊碳塊的碳糊可能具有大于10mm的骨顆粒尺寸。煤焦油瀝青的范圍為16%～18%，通過擠壓、成型或振動獲得。成型后的炭塊（生坯）的堆積密度可達(dá)1600公斤/立方米以上。

生煤塊的燒成在封閉或開放的多室環(huán)形燒成窯中進(jìn)行。我國中小型燃煤電廠多采用倒焰爐或并列多室爐進(jìn)行焙燒，熱能效率低。陰極炭塊的燒結(jié)溫度為1473K～1623K，石墨焦或半石墨焦的陰極炭塊可在較低溫度下燒結(jié)。石墨化或半石墨化陰極炭塊需要更高的燒成溫度，通常為1073K～1123K。焙燒旨在結(jié)合瀝青的熱解和焦化過程，使生坯具有更高的機(jī)械強(qiáng)度、更好的熱穩(wěn)定性和更高的導(dǎo)電性，燒成曲線和窯爐負(fù)荷對成品影響很大。

陰極鋼筋截面為矩形，根據(jù)選定的鋼筋尺寸，在陰極碳塊上加工出鋼筋切孔。用鑄鐵或碳糊法將陰極鋼棒連接到碳塊上。在鋁電解槽一層耐火磚上進(jìn)行砌筑和安裝，在下部平臺上壓實(shí)一層30mm～50mm厚的煤底漆，陰極組炭塊鋪設(shè)在該平臺上。陰極碳塊組通常排列成兩排，也有一行，即全長陰極碳塊和全長陰極鋼棒。炭塊的陰極組之間有30mm～50mm的大接縫結(jié)構(gòu)，炭塊組通過夯實(shí)炭底糊連接在一起；當(dāng)每個陰極組的碳塊之間有小于4mm的小焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，碳塊與Harvester碳膠粘合成一體。在整個鋁電解槽的陰極碳塊周圍構(gòu)建一個或兩個側(cè)邊碳塊。側(cè)邊碳塊之間的接縫處填充綠色石膏或碳膠。側(cè)邊碳塊內(nèi)側(cè)有時(shí)會用碳膏壓實(shí)，形成斜坡（人工延伸）以保護(hù)側(cè)壁。

質(zhì)量要求安裝的碳陰極必須滿足以下質(zhì)量要求：煤槽底部為一體式，無空隙和裂紋；電導(dǎo)率必須足夠高，鋼筋和碳塊必須有良好的接觸點(diǎn)；鋁液有足夠的強(qiáng)度可以清洗和磨損。低碳砌塊質(zhì)量除尺寸要求嚴(yán)格外，電阻率必須小于6歐姆米，抗壓強(qiáng)度不小于30兆帕，電解膨脹度小于1.2%，灰分含量為小于10%，密度大于1520kg/m3。電解膨脹率是衡量鋁電解過程中碳塊抵抗電解液和鈉鹽腐蝕的能力，也用損傷因子表示（小于1.5）。近年來，世界上一些國家對半石墨和石墨碳塊進(jìn)行了積極的研究和開發(fā)，它們具有良好的導(dǎo)電性和抗鈉腐蝕能力。側(cè)面碳塊的質(zhì)量要求與底部碳塊相同，只是不需要阻力。對煤底漆和碳膠的質(zhì)量要求要求灰分不大于12%，燒結(jié)后試樣的抗壓強(qiáng)度不小于25MPa。試樣容重不小于1400公斤/立方米，含碳量不小于80%。

損壞與修復(fù)鋁電解槽在啟動和運(yùn)行過程中，由于電解液和鋁液的侵蝕，以及物理和化學(xué)影響以及選擇性吸收鈉等熱應(yīng)力，碳陰極會暴露在溶液中。而碳化鋁的產(chǎn)生會導(dǎo)致碳陰極逐漸變形，發(fā)生膨脹和開裂，最終導(dǎo)致電解槽停工，需要檢修。需要大修的碳陰極襯里損壞跡象：鋁的鐵含量突然上升，碳陰極鋼棒和鋁液熔化，下槽電壓顯著升高，碳陰極襯里損壞嚴(yán)重，電流分布在碳陰極處非常嚴(yán)重。機(jī)箱兩側(cè)嚴(yán)重變形會影響正常運(yùn)行等。

碳陰極襯板檢修時(shí)，首先關(guān)閉鋁電解槽，清除所有電解液和鋁液，拆除舊襯板，按照新的設(shè)計(jì)要求組裝安裝整個碳陰極襯板。碳陰極襯里的使用壽命通常為4年～5年。碳正極材料的質(zhì)量、設(shè)計(jì)效率、點(diǎn)火啟動和鋁電解槽生產(chǎn)的質(zhì)量控制是影響鋁電解槽壽命的主要因素。延長陰極襯里的壽命并降低陰極兩端的電壓降。近年來，鋁工業(yè)一直在研究開發(fā)新型TIB陰極涂層、SIC側(cè)層塊，以及研究開發(fā)頂槽等新型碳陰極結(jié)構(gòu)。

鋼棒糊將陰極鋼棒用搗固糊搗固工藝。目前鋁行業(yè)通用方法是利用鋼棒糊，將陰極鋼棒用搗固糊搗固構(gòu)造在陰極碳塊鋼棒預(yù)留槽內(nèi)。首先對陰極組裝體預(yù)熱，將大塊鋼棒糊先用小風(fēng)鎬破為小塊，糊料在未加入混捏鍋之前，應(yīng)檢查混捏鍋內(nèi)部是否清理干凈，要檢查線路與儀表，進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)，確認(rèn)檢查無誤方可投料進(jìn)行糊料加熱。糊料必須保持清潔無雜質(zhì)，防止油、水的侵入，否則不能使用。除銹后的陰極鋼棒和陰極炭塊應(yīng)在預(yù)熱爐內(nèi)進(jìn)行加熱。鋼棒糊充分混捏后溫度為65±5℃，陰極炭塊與陰極鋼棒加熱溫度為70±5℃。測量陰極鋼棒溫度：陰極鋼棒兩端750mm為第一測溫點(diǎn)和第三測溫點(diǎn)，陰極鋼棒中心點(diǎn)為第二測溫點(diǎn)，陰極鋼應(yīng)在各點(diǎn)測量棒的中心頂部和各點(diǎn)側(cè)面的溫度，并記錄各點(diǎn)的實(shí)際測量值。

（1）用起重機(jī)將預(yù)熱適度的陰極炭塊吊到安裝臺上放置，然后用壓縮空氣將煤粉和碎屑迅速吹出兩個燕尾槽和陰極炭塊頂面。

（2）用組裝臺上特制的裝置將陰極炭塊的兩個端頭用鐵擋板頂緊。

（3）搗固機(jī)在使用前，必須經(jīng)過檢查、加油、試用無誤后方可使用。

（4）搗固機(jī)總管風(fēng)壓不低于0.6Mpa，分流管風(fēng)壓不低于0.55Mpa。

（5）鉗形錘必須按照規(guī)定的型號（方錘和組裝錘）、規(guī)格和順序使用。所有類型的夾錘必須平整光滑，表面光滑。

（6）陰極組裝用糊量須按定量進(jìn)行加糊，要求每批次必須稱重記錄存檔。

（7）擰緊時(shí)，先在燕尾槽底部綁一層18mm～20mm的碳墊，然后放置陰極鋼筋，用方錘將180mm鋼筋固定在碳塊中間。

（8）然后放置陰極鋼棒。陰極鋼棒的中心線應(yīng)與炭塊燕尾槽的中心線對齊，撓度不應(yīng)超過3mm。放置陰極鋼棒后，燕尾槽與燕尾槽之間的間隙應(yīng)用立式開槽錘固定；組裝后總長偏差不大于5mm，曲率不大于3mm。

（9）組裝中每次加糊后用樣板尺刮平，第一層搗固時(shí)要求不少于兩個往返，其余各層要求扎固三個來回，最后兩層用導(dǎo)向板輔助施工，搗固錘行程移動每次10mm左右，扎固壓縮比大于1.75：1。

（10）組裝陰極炭塊時(shí)，分6層次扎固完成；扎固層次如下表所示。扎完后炭塊表面、糊與陰極鋼棒均呈水平，且表面整潔、不允許有麻面。

（11）加糊層次及搗固高度。

表1 加湖層次及搗固高度

（12）用2000A直流電以工作面和陰極鋼棒露出端為兩極測其電壓降平均值不大于220mV（在室溫下）或鐵碳壓降測試儀（400A直流電）測其電壓降平均值不大于40mV（熱測值）。

這種構(gòu)造使陰極碳塊鋼棒組電壓降較大，很難得到優(yōu)異的指標(biāo)。為進(jìn)一步降低原鋁液直流電耗，逐步適應(yīng)國家對電解鋁的相關(guān)政策指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)電耗降低至12300kWh/t.Al的目標(biāo)，本人從降低平均電壓與提高電流效率兩個方面，進(jìn)行了各種探索，現(xiàn)就陰極磷生鐵鋼棒整體澆鑄工藝及效果進(jìn)行簡要介紹。

2 陰極磷生鐵鋼棒整體澆鑄構(gòu)造工藝

研究表明，通過改變電解槽結(jié)構(gòu)、陰極、陽極組裝方式和完善電解控制工藝，是實(shí)現(xiàn)大幅 降低鋁電解電能消耗的主要途徑。用磷鐵澆鑄的方式雖然節(jié)能效果要大大優(yōu)于搗糊方式，但是由于炭塊和鋼棒在澆鑄過程中的升溫速率及膨脹系數(shù)不同，如果不將兩者 提前加熱到一定溫度再進(jìn)行澆鑄，勢必會由于受熱不均產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致炭塊破裂報(bào)廢的情況。陰極炭塊磷鐵澆鑄技術(shù)的鑄前加熱，目前主要有挪威ALMEQ炭塊—鋼棒一體加熱技術(shù)和法國炭塊---鋼棒分體加熱技術(shù)兩種。這兩種技術(shù)針對全石墨化陰極炭塊采用電加熱的方式進(jìn)行鑄前加熱，效果良好。但全石墨化陰極炭塊造價(jià)昂貴，會大大增加電解鋁廠的投資成本，國內(nèi)鋁廠很少使用。針對使用較多的50%和30%高石墨質(zhì)陰極炭塊，由于其導(dǎo)熱性能和膨脹系數(shù)不如全石墨化炭塊優(yōu)異，使用以上兩種鑄前加熱技術(shù)成品率僅為60%左右，固采用國外技術(shù)加熱高石墨質(zhì)陰極炭塊在國內(nèi)僅處于實(shí)驗(yàn)研究階段，無法真正工業(yè)化應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)磷鐵澆鑄工藝，可以采用天然氣、發(fā)生爐煤氣等為預(yù)熱熱源，操作便捷，溫控準(zhǔn)確，預(yù)熱能耗低，澆鑄成功率高，可達(dá)到99 %以上。預(yù)熱均勻，并可針對不同材質(zhì)的陰極炭塊及鋼棒大幅度調(diào)整預(yù)熱溫度，滿足各種情況的需求。燃燒控制精準(zhǔn)使預(yù)熱進(jìn)程嚴(yán)格按照設(shè)定的溫升曲線進(jìn)行，溫升可控；風(fēng)比分配供風(fēng)燃燒先進(jìn)使預(yù)熱爐內(nèi)處于低氧氣氛狀態(tài)，有效防止了陰極炭塊及鋼棒的氧化，保證了生鐵的膨脹性適合澆鑄作業(yè)與電 解槽正常生產(chǎn)的要求。

（1）專用夾具工藝控制：設(shè)計(jì)專用夾具吊運(yùn)至陰極鋼棒預(yù)組裝工位進(jìn)行吊裝作業(yè)，避免損傷碳塊。

（2）固定量尺工藝控制：設(shè)計(jì)制作針對不同槽型的固定量尺，在陰極碳塊表面標(biāo)示出陰極塊與鋼棒安裝中心位置，嚴(yán)格控制組裝尺寸工藝。

兩鋼棒中心位置詳見附圖1。

（3）鋼棒與陰極塊組裝工藝控制：用壓縮空氣及軟毛刷將陰極碳塊鋼棒槽內(nèi)吹掃干凈，保證無灰塵及雜物，避免灰塵和雜物影響導(dǎo)電性。

（4）組裝尺寸工藝控制：鋼棒軸向中心線與碳塊鋼棒槽軸向中心線平行度偏差不準(zhǔn)超過碳塊長度的1%，預(yù)組裝后的鋼棒底表面與鋼棒槽底表面距離控制在15±1mm，保證陰極塊與鋼棒總高尺寸500±2mm。

陰極塊與鋼棒組裝澆鑄詳見附圖1。

3 陰極鋼棒整體加熱工藝過程控制

加熱工藝的控制目的是陰極塊均勻的加熱到要求溫度。

（1）加熱位置工藝控制。將預(yù)組裝好的陰極碳塊及鋼棒用專用夾具吊運(yùn)至陰極預(yù)熱工位，利用預(yù)先畫好的標(biāo)識對碳塊組進(jìn)行精確定位。

（2）防止磷鐵溢出工藝控制。用強(qiáng)光手電檢查，鋼棒中心處和端部的硅酸鋁圓編繩是否密封完全，如漏光，則用耐火材料或消失模涂料封堵，防止?jié)茶T時(shí)磷鐵溢出。

（3）加熱爐加熱工藝參數(shù)的控制，根據(jù)不同的尺寸，對加熱爐加熱工藝參數(shù)，加熱的時(shí)間和溫度進(jìn)行不同系列的設(shè)定。

（4）加熱升溫曲線調(diào)整控制。陰極碳塊組的加熱過程會嚴(yán)重影響陰極組裝的成功率，升溫曲線在升溫過程中隨著溫度發(fā)生變化，由于每個加熱點(diǎn)加熱空間不同，必須嚴(yán)格控制調(diào)整噴火裝置的開度，達(dá)到最佳均勻的加熱狀態(tài)。

（5）加熱溫度的控制。待陰極碳塊組加熱達(dá)到澆鑄溫度，此時(shí)必須經(jīng)過紅外線測溫陰極塊溫度核實(shí)達(dá)到430±20℃左右時(shí)，方可進(jìn)行磷生鐵澆鑄工作，但此時(shí)鋼棒溫度要確定在550±30℃左右。

（6）磷生鐵澆鑄溫度控制工藝

①陰極預(yù)組裝的同時(shí)，進(jìn)行磷生鐵熔化及成分調(diào)整工作，磷生鐵澆鑄溫度1450℃±20℃（出爐溫度1500℃±30）。②在測溫結(jié)束后，用澆包轉(zhuǎn)運(yùn)磷生鐵開始澆鑄。澆鑄過程應(yīng)迅速，澆鑄速度為28kg/min～33kg/min，同時(shí)保證鐵水完全充滿鋼棒槽兩側(cè)端部。澆鑄時(shí)，鐵水應(yīng)直接澆在鋼棒側(cè)部的鋼棒槽內(nèi)，不可澆鑄在陰極炭塊表面。③澆鑄時(shí)完畢后，立即用鐵鏟將表面多余磷生鐵鏟除，澆鑄完畢的陰極炭塊組在冷卻初期的1h內(nèi)需有專人巡視，通過照射及是否有開裂聲音，對應(yīng)圖1檢查炭塊有無裂紋，如發(fā)現(xiàn)立刻用粉筆標(biāo)識出位置。

圖1 180KA（200KA）極陰澆鑄尺寸示意圖

4 磷生鐵配方及熔煉工藝過程控制

目前國內(nèi)磷生鐵配方較多，經(jīng)過試驗(yàn)對于磷生鐵各化學(xué)成分進(jìn)行了相對的配比要求，針對熔煉溫度，伸縮性和澆鑄流動性進(jìn)行嚴(yán)格控制。

（1）磷生鐵的配方的控制。初期具體成分如下表所示。

表2 磷生鐵配方控制

經(jīng)過熔煉后，化驗(yàn)各要素成分，根據(jù)要素參數(shù)和磷生鐵流動性再次進(jìn)行調(diào)整。

（2）磷生鐵熔化出爐溫度與澆注溫度的控制。出爐溫度測溫后達(dá)到1500±30℃后，經(jīng)過轉(zhuǎn)運(yùn)過程澆鑄溫度必須保證在1450±20℃后進(jìn)行澆鑄工藝。

（3）澆鑄過程的控制。澆鑄過程應(yīng)保證應(yīng)慢-快-慢的節(jié)奏，控制鐵水完全充滿鋼棒槽兩側(cè)端部，不可澆鑄在陰極碳塊表面。

5 檢驗(yàn)工藝過程控制

檢驗(yàn)工藝的控制對于磷生鐵整體澆鑄是最后一道工藝，澆鑄后對接陰極塊全方位檢驗(yàn)至關(guān)重要，所以每一步驟的檢驗(yàn)不能忽視。

（1）碳塊有無裂紋檢驗(yàn)控制。澆鑄完畢的陰極碳塊組在冷卻初期的1小時(shí)內(nèi)需有專人巡視，通過照射及是否有開裂聲音，對應(yīng)圖1檢查碳塊有無裂紋，如發(fā)現(xiàn)立刻用粉筆標(biāo)識出位置。

（2）澆鑄后對陰極塊整體尺寸的檢驗(yàn)控制。①對陰極碳塊組總長度（含鋼棒長度）偏差小于±5mm進(jìn)行檢驗(yàn)，便于確定收縮量。②嚴(yán)格控制碳塊組端部鋼棒中心距誤差不大于±1mm；鋼棒組裝后總長度偏差不大于±5mm，彎曲度不大于3mm，總高度控制在偏差小于±2mm。③澆鑄完成后的陰極碳塊組冷卻后陰極碳塊與磷鐵之間的縫隙控制在不大于1mm。

6 效果分析

通過改變電解槽陰極組裝工藝，采用陰極組裝澆鑄技術(shù)，可以大量減少常溫糊搗固所需人員和工具設(shè)備，提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)過程人工費(fèi)用。通過嚴(yán)格控制磷生鐵鋼棒整體澆鑄工藝的各環(huán)節(jié)，固化了陰極炭塊的溫升曲線，準(zhǔn)確地風(fēng)比分配形成了良好的低氧氣氛狀態(tài)，有效地防止了陰極炭塊及鋼棒的氧化，縮短了預(yù)熱準(zhǔn)備時(shí)間，使得組裝作業(yè)更加簡捷、高效、安全，保證了生鐵的膨脹性適應(yīng)澆鑄作業(yè)與電解槽正常生產(chǎn)的要求。

電解槽磷生鐵鋼棒整體澆鑄每一道工藝直接影響到最后的質(zhì)量，任何一道工藝出現(xiàn)問題，就會導(dǎo)致陰極塊裂縫，伸縮尺寸變動等原因，最終導(dǎo)致澆鑄失敗，造成較大的浪費(fèi)。所以說整體澆鑄質(zhì)量優(yōu)劣取決于對每一道工藝控制是否到位。通過控制陰極組裝澆鑄工藝，保證磷生鐵澆鑄組裝牢固，導(dǎo)電效率顯著提高，槽底壓降降低了70mV～80mV，大幅降低了鋁電解電能消耗，提高了電解槽的使用壽命；電解槽陰極組裝工藝和澆鑄控制工藝綜合利用，解決了由于炭塊和鋼棒的溫度相對較低導(dǎo)致炭塊易發(fā)生開裂廢品問題，陰極組裝產(chǎn)品的合格率為100%。

經(jīng)過工業(yè)化適應(yīng)及整系列工程化應(yīng)用的結(jié)果表明，磷生鐵鋼棒整體澆鑄技術(shù)與傳統(tǒng)組裝技術(shù)相比，可降低電解槽陰極壓降70-80mV，并能長期維持這樣差值。同時(shí)，電解槽運(yùn)行的平穩(wěn)性顯著提高，爐底溫度分布、陰極鋼棒電流分布也更加均勻。在某電解鋁180kA電解槽大修中目前實(shí)施30臺，整體直流電耗完成12286kWh/t·AL，比原陰極組裝技術(shù)生產(chǎn)槽直流電耗降低158Wh/t·AL，節(jié)能效果顯著。