干式防滲料在鋁電解槽上的應(yīng)用

1、干式防滲料在鋁電解槽上的應(yīng)用中國鋁業(yè)青海分公司 付明錄摘要：本文簡要介紹了傳統(tǒng)電解槽陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)、干式防滲材料的性能以及推廣應(yīng)用的目的和具體實(shí)施的施工方案，通過考核結(jié)果的分析，得出干式防滲材料在電解槽上應(yīng)用后，能使電解槽槽殼下部溫度降低；爐底壓降降低，能阻止電解質(zhì)的滲漏；砌筑工藝簡單，容易操作等問題，能使槽壽命提高到300天以上。關(guān)鍵詞：干式防滲材料 電解槽 防電解質(zhì)滲漏前言：在鋁電解槽的生產(chǎn)中，電解槽壽命是制約電解發(fā)展的重要因素，為提高電解槽壽命，國內(nèi)外鋁業(yè)公司和科研機(jī)構(gòu)對陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的研究從來都未停止過，這是因?yàn)椋轰X電解槽是在高溫熔融狀態(tài)下進(jìn)行生產(chǎn)的設(shè)備，所以陰極不可避免的受到鈉、電解質(zhì)和

2、鋁液的侵蝕，侵蝕后的鈉、電解質(zhì)、鋁液與耐火材料、保溫材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，一方面造成體積膨脹產(chǎn)生很大的應(yīng)力，使?fàn)t底上抬，槽殼變形導(dǎo)致漏爐，造成電解槽的早期破損；另一方面它改變了耐火材料、保溫材料的化學(xué)組成，降低保溫性能，破壞電解槽的熱平衡，使生產(chǎn)工藝條件及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)惡化，嚴(yán)重時(shí)被迫停槽。中國鋁業(yè)青海分公司早在1996年引進(jìn)澳大利亞派羅特克公司的干式防滲材料，在一期160KA電解槽的66#、227#槽上進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)；為進(jìn)一步推廣應(yīng)用試驗(yàn)的成果，2001年選用國內(nèi)兩家生產(chǎn)干式防滲材料的廠家，分別在一、二期的160KA電解槽上又進(jìn)行了10臺(tái)槽的應(yīng)用，此次應(yīng)用試驗(yàn)不但在槽底用干式防滲材料而且在槽四周也

3、采用干式防滲材料,防止底部和側(cè)部漏爐。1、 推廣應(yīng)用的原因1.1 傳統(tǒng)電解槽陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)鋁電解槽陰極內(nèi)襯結(jié)構(gòu)由下至上依次為：一層硅酸鈣板、二層保溫磚、一層氧化鋁、二層耐火磚、陰極炭塊，四周內(nèi)襯為濕砌六層耐火磚，一列側(cè)部炭塊。這種內(nèi)襯結(jié)構(gòu)其熱平衡設(shè)計(jì)，力求控制電解質(zhì)凝固等溫線（800-900）在耐火磚層之內(nèi)，目的是使電解質(zhì)破壞作用限制在陰極碳?jí)K以下，保溫磚層以上，以使保溫磚層免受熔融電解質(zhì)的侵蝕作用，保證陰極內(nèi)襯具有持久穩(wěn)定的良好熱特性。絕熱板和保溫磚構(gòu)成槽底的主要熱絕緣層，其目的是使生產(chǎn)期間底部碳?jí)K表面上沉淀物不致凝結(jié)，使電解質(zhì)初晶等溫線移至陰極碳?jí)K之下，避免了因鹽類在陰極碳?jí)K孔隙中析出

4、所產(chǎn)生的應(yīng)力而破壞陰極碳?jí)K。同時(shí)，絕熱板和保溫磚均屬疏松多孔材料，能夠一定程度上吸收鹽類結(jié)晶放出的應(yīng)力，雖然自身將喪失一部分保溫效果，卻能保持槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的完好。耐火磚層和氧化鋁層是槽底熱絕緣層的保護(hù)帶，它的存在，可使得保溫磚在800以下，絕熱板在400下長期保持絕熱性能。另外，一旦電解質(zhì)從槽底裂縫中滲入，或由碳素材料晶格滲漏時(shí)，首先是在耐火磚砌體表面結(jié)晶析出，而不直接灼傷保溫磚，可防止保溫材料的變性。但是由于鋁電解槽在工作過程中，高溫熔體，特別是電解質(zhì)和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鈉逐步向陰極碳?jí)K、耐火磚和保溫層中滲透。而耐火磚和氧化鋁砌體因其自身固有的特點(diǎn)，無法有效抵擋電解質(zhì)和鈉的滲透，因此，滲入陰極下

5、部的電解質(zhì)和鈉等與耐火材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，一方面體積膨脹產(chǎn)生很大的應(yīng)力，使電解爐底上抬，槽殼變形，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致電解槽的早期破損；另一方面改變保溫材料的化學(xué)組成，降低其保溫性能，破壞電解槽的熱平衡，使后期生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)惡化、能耗增加。另外陰極炭塊底下的二層耐火磚，施工工藝要求較高，由于采用濕砌須養(yǎng)生，施工周期長。同時(shí)陰極炭塊四周六層耐火磚砌體，也是電解質(zhì)浸蝕的主要對象。1.2干式防滲材料的性能生產(chǎn)實(shí)踐證明，陰極碳?jí)K下面用高保溫材料對延長陰極內(nèi)襯使用壽命有積極作用。一方面可緩沖陰極碳?jí)K向上隆起；另一方面可加強(qiáng)槽底的保溫能力，使槽底的熱量散失減少，并提高陰極碳?jí)K本身的溫度，減少陰極碳?jí)K上下面之間的溫度梯度

6、。由于干式防滲材料能與滲透下來的電解質(zhì)生成一層515厚的、致密的玻璃體狀霞石阻擋層： 2Na3AlF6+2Al203+9SiO2=6NaAlSiO4+3SiF4這一阻擋層一方面阻止了電解質(zhì)繼續(xù)向下部滲透，保護(hù)其下部保溫材料不被破壞；另一方面，由于阻擋層具有可塑性和顆粒層有一定的可壓縮性，能夠有效的緩解爐底隆起、槽殼變形等問題。因此，在鋁電解槽的筑爐過程中，可將它直接鋪放在保溫磚上，經(jīng)壓實(shí)后其上部直接放置陰極碳?jí)K，以取代傳統(tǒng)的耐火磚和氧化鋁砌體。干式防滲料技術(shù)指標(biāo) 表（1）化學(xué)成份容重g/電解質(zhì)反應(yīng)層導(dǎo)熱率300高溫?zé)Y(jié)性能施工用量SiO2+Al2O3松散振實(shí)W/m.k不燒結(jié)T/901.55-1

7、.651.9-2.1130.32.1-2.21. 3推廣應(yīng)用的目的將耐火磚及氧化鋁砌體用干式防滲料替代后，通過電解槽槽殼下部溫度降低；減少槽殼變形破損；消除耐火磚之間的縫隙；減少耐火磚濕砌帶來的水分；阻止電解質(zhì)在底部和側(cè)部滲漏；砌筑工藝簡單，容易操作等措施，增加經(jīng)濟(jì)效益，延長槽壽命。2、 實(shí)施方案利用干式防滲料替代耐火磚及氧化鋁砌體在一、二電解廠推廣應(yīng)用10臺(tái)。原內(nèi)襯結(jié)構(gòu)依次為從下到上是：一層65mm硅酸鈣板，兩層130mm輕質(zhì)保溫磚、一層65mm氧化鋁、一層干砌的65mm耐火磚，一層濕砌的65mm耐火磚及陰極炭塊。采用干式防滲料的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)從下到上依次為：一層65mm硅酸鈣板、兩層130mm輕

8、質(zhì)保溫磚、一層195mm的干式防滲料及陰極炭塊，推廣應(yīng)用的項(xiàng)目中的內(nèi)襯施工，是將氧化鋁層和兩層耐火磚取消，用干式防滲料替代，最底層的硅酸鈣板和兩層保溫磚按原砌筑方法施工，在砌完底二層輕質(zhì)保溫磚后沿長度方向砌230mm寬的三層輕質(zhì)保溫磚，再放一層35厚200mm左右寬的木板為擋板，在中間填干式防滲料，松散料高度要達(dá)到230mm用水平尺將干式防滲料刮平，鋪一層塑料，并且沿著干式防滲料平鋪一層三合板，在三合板上用頻率不小于50赫茲的平板振動(dòng)器進(jìn)行振動(dòng)，直至壓縮比達(dá)到為止，振動(dòng)完后禁止在干式防滲料行走；安裝陰極炭塊時(shí)在干法防滲料的表面再散灑一層20mm厚的松散料，并且用水平尺刮平，這樣陰極炭塊能充實(shí)地

9、落在干式防滲料上，在陰極鋼棒四周填274mm厚的干式防滲料，用鑿巖機(jī)將干式防滲料振實(shí)，在振實(shí)的干式防滲料上砌筑兩層耐火磚，原內(nèi)襯設(shè)計(jì)和試驗(yàn)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)如下圖，其上的砌筑按原內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工。3、 考核結(jié)果從2001年9月開始,實(shí)施干式防滲料階段,在354# 415# 426# 101# 462# 504#使用的是國內(nèi)甲廠的材料；在294# 393# 20# 316#使用的是國內(nèi)乙廠的材料，同時(shí)選擇了臨近的大修電解槽作為對比槽,從啟動(dòng)后的品位看,實(shí)驗(yàn)槽最好的品位為Al99.85,最低品位為Al99.70,對比槽中最好的品位為Al99.85,最低的品位為Al99.60。另外爐底壓降實(shí)驗(yàn)槽平均為384.2m

10、v,對比槽爐底壓降平均為385.9mv,實(shí)驗(yàn)槽比對比槽爐底壓降低1.7mv,從而降低了電耗節(jié)約了成本,同時(shí)也有利于提高電流效率,干式防滲料不僅能降低壓降，見表（2）,而且起到很好的阻擋作用,防止電解槽的漏爐。從1996年引進(jìn)澳大利亞派羅特克公司的干式防滲材料，在一期160KA電解槽的66#、227#槽上進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)的結(jié)果說明，采用干式防滲材料后槽底的溫度有明顯的降低，這說明干式防滲材料起到了良好的防滲效果，電解質(zhì)沒有進(jìn)一步向下滲透，保溫磚保溫性能未被破壞，側(cè)部也未發(fā)現(xiàn)有滲漏的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)槽與對比槽有關(guān)的數(shù)據(jù)（截止2002年2月16日） 表（2）實(shí)驗(yàn)槽號(hào)品位爐底壓降mv焙燒日（2001）啟動(dòng)日對

11、比槽號(hào)品位爐底壓降mv焙燒日啟動(dòng)日20#Al99.85362.510.2310.2832#Al99.803379.2810.4354#Al99.70382.910.110.6341#Al99.60376.39.189.23426#Al99.70416.910.110.6411#Al99.85387.38.218.26415#Al99.80412.610.110.6410#Al99.85393.69.189.23294#Al99.70331.910.110.6292#Al99.8036410.2510.3393#Al99.70395.410.1710.22371#Al99.80426.38.29

12、9.3101#Al99.80372.510.2310.28145#Al99.803649.119.16316#Al99.8539310.1710.22326#Al99.804028.218.26462#Al99.8040010.2510.30453#Al99.80402.18.218.26504#Al99.8037411.1611.21510#Al99.80406.19.39.8 截止2005年5月8日實(shí)驗(yàn)槽運(yùn)行的情況 表（3）實(shí)驗(yàn)槽號(hào)品位啟動(dòng)日期是否運(yùn)行槽壽命（天）備注20#Al99.70A2001.10.28已修理過421搖藍(lán)架開裂354#Al99.70A2001.10.06運(yùn)行13114

13、26#Al99.70A2001.10.06運(yùn)行1311415#Al99.70A2001.10.06運(yùn)行1311294#Al99.70A2001.10.06運(yùn)行1311393#Al99.70A2001.10.22運(yùn)行1295101#Al99.70A2001.10.28運(yùn)行1289316#Al99.852001.10.22運(yùn)行1295462#Al99.70A2001.10.30運(yùn)行1287504#Al99.70A2001.11.21運(yùn)行1265從上表（3）可以看出，除20#槽由于槽殼開裂后導(dǎo)致早期破損以外，其它的電解槽運(yùn)行槽齡都在平均1200天以上，而且品位都在Al99.70A以上，可以說電解槽壽

14、命有望提高300天左右是完全能夠?qū)崿F(xiàn)的。4、 經(jīng)濟(jì)效益分析4.1電解槽平均壽命按1200天延長至1500天，電解槽大修費(fèi)用按45萬元/臺(tái)計(jì)算，則單臺(tái)電解槽年平均節(jié)約大修費(fèi)用為：（45/120045/1500）×365=2.7375萬元4.2 大修周期平均按30天計(jì)算，每個(gè)槽晝夜1.14/臺(tái)計(jì)算，則電解槽年增產(chǎn)：30/（1200+30）30/（1500+30）×1.14×365×（16000÷1.1711200）=0.492萬元4.3材料費(fèi)用 干式防滲料23×1500=34500元。原砌體中耐火磚14×450=6300元， 氧

15、化鋁 3.8×2050=7790元，周圍糊料3×2000=6000元， 耐火泥1×350=350元， 合計(jì)20440元。年多投資（34500-20440）/1500×365=3421元=0.3421萬元。采用干式防滲料后，經(jīng)以上綜合分析，年單臺(tái)槽平均節(jié)約大修費(fèi)用為2.7375萬元，單臺(tái)槽年增產(chǎn)費(fèi)用為0.492萬元，年多投資0.3421萬元，年單臺(tái)槽綜合節(jié)約費(fèi)用為（2.7375+0.492-0.3421）=2.887萬元4.4社會(huì)效益 能延長電解槽的生產(chǎn)壽命,節(jié)約槽底內(nèi)襯材料費(fèi)用和施工工期,電解槽大修時(shí),爐底不結(jié)成大塊刨爐快,施工工期縮短。5、結(jié)論5.1 干式防滲料在啟動(dòng)及正常生產(chǎn)中，品位都在AI99.70A以上，而且槽爐底壓降有所降低，沒有早期破損現(xiàn)象，有望槽壽命提高300天以上。5.2 經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，