《400KA電解槽破損機(jī)理研究及維護(hù)研究》5800字（論文）

400KA電解槽破損機(jī)理研究及維護(hù)研究目錄TOC\o"1-2"\h\u15936引言 1216951、現(xiàn)狀分析 270441.1停槽后陰極狀況 2117401.2化驗(yàn)分析 6293232、破損原因分析 7251602.1熱應(yīng)力影響 717652.2鈉的滲透使陰極膨脹和裂縫增大變深 8302122.3鋁液沖蝕 9103582.4鋁液滲透導(dǎo)致陰極鋼棒熔化 934933、維護(hù)措施 10134953.1陰極炭塊材料的優(yōu)化 1059063.2優(yōu)化筑爐方案 1058893.3優(yōu)化焙燒啟動(dòng)方法 10228183.4控制正常生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行 11266634、結(jié)語(yǔ) 1210573參考文獻(xiàn) 12摘要：本論文以某電廠400KA鋁電解為研究對(duì)象，對(duì)其停槽后陰極表面和截面進(jìn)行了觀測(cè)，說(shuō)明鋁電解槽陰極破損主要表現(xiàn)，以及與破損部位生成化合物成分化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)相結(jié)合，對(duì)電解槽斷裂的原因進(jìn)行了分析。提出防止鋁電解槽過(guò)早斷裂的一些措施及改進(jìn)辦法，本實(shí)用新型有效減少400KA電解槽的早期破損，延長(zhǎng)電解槽壽命。關(guān)鍵詞：400KA電解槽：陰極破損：維護(hù)措施引言電解槽在鋁電解生產(chǎn)中起著主要的作用，它的壽命對(duì)噸鋁分?jǐn)偝杀居兄苯拥挠绊?。電解槽壽命設(shè)計(jì)值通常在7~八年內(nèi)，但由于筑爐材料質(zhì)量、筑爐質(zhì)量、焙燒啟動(dòng)等原因、工藝參數(shù)的控制及其它因素的作用，電解槽的壽命差別很大，長(zhǎng)壽命電解槽壽命可達(dá)十年以上，短的三至五年，甚至在槽齡一年前后就會(huì)發(fā)生早期破損。電解槽的壽命沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)值，將提高噸鋁的生產(chǎn)成本，影響了企業(yè)效益。讓電解槽長(zhǎng)命百歲，這是鋁行業(yè)一項(xiàng)長(zhǎng)期的研究課題，更是電解鋁企業(yè)孜孜以求的奮斗目標(biāo)。在鋁電解技術(shù)不斷進(jìn)步與發(fā)展的今天，電解槽會(huì)逐步大型化，400kA電解槽的工藝逐步走向成熟，會(huì)是主流的槽型。本論文以電解鋁企業(yè)400kA電解槽陰極破損問(wèn)題為背景，對(duì)成因，并以此為依據(jù)，提出防止電解槽斷裂的措施，對(duì)防止電解槽陰極破損，增加槽壽命，具有一定的參考與借鑒。1、現(xiàn)狀分析某公司電解鋁生產(chǎn)一年來(lái)，由于種種因素造成停槽28次，其中因陰極破損造成原鋁質(zhì)量下降停槽者24例，通電起動(dòng)過(guò)程中由于陰極問(wèn)題，停了三臺(tái)槽，一臺(tái)槽二次啟動(dòng)。這部分槽在停槽以后，陰極表面有大量的縱，橫向裂縫，除個(gè)別槽口破損位置明顯較重，破損部位多為裂縫的形式。這類破損問(wèn)題給電解生產(chǎn)的操作和檢修工作帶來(lái)了很大的困難。通過(guò)近6個(gè)月的時(shí)間，對(duì)這部分電解槽的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)際的運(yùn)行分析，對(duì)破損隱患槽的檢修和管理，制訂了系列措施，并付諸實(shí)施，有效地遏制破損槽的進(jìn)一步劣化。為以后同類400KA電解槽進(jìn)行破損槽生產(chǎn)控制和破損槽控制檢修提供了依據(jù)，延長(zhǎng)了槽的使用壽命，提供了借鑒。1.1停槽后陰極狀況停槽時(shí)，對(duì)陰極表面的材料進(jìn)行清洗，能直觀地觀察到陰極表面有不規(guī)則縱向和橫向裂紋出現(xiàn)：刨槽后，在陰極鋼棒上可以觀測(cè)到不同的熔化程度，并且存在夾層化合物的生成。1.1.1陰極表面存在裂紋從某公司停槽清爐陰極表面看，均存在與圖1槽相似問(wèn)題，也就是陰極表面在出鋁端至煙道端沿著中線的左，右兩側(cè)各30~50cm處表現(xiàn)出若干不規(guī)則的縱向裂縫，并有少量的橫向裂紋。表明電解槽陰極內(nèi)村雖沒(méi)有直接參與電解槽的反應(yīng)消耗，但是溫度較高、在強(qiáng)腐蝕，強(qiáng)物理?xiàng)l件下，往往會(huì)由于種種原因而受到影響，逐漸造成破損。圖1停槽清爐后陰極表面1.1.2陰極炭塊裂縫深且分散由圖2刨爐時(shí)陰極炭塊產(chǎn)生裂縫的尺寸和深度可知，可見(jiàn)，破損點(diǎn)的分布是零散的，有一部分深度已伸入陰極鋼棒內(nèi)。表明破損程度重、分散廣，對(duì)破損點(diǎn)進(jìn)行維修和修復(fù)比較困難。圖2陰極縱向裂縫1.1.3陰極橫向破損由圖3可知，橫向破損的部位大部分位于陰極鋼棒的正上方，且破損縫隙較深，已到達(dá)鋼棒的位置。表明破損點(diǎn)偏向電流比較集中的地方，陰極鋼棒作為電流的直接傳導(dǎo)介質(zhì)，電流的方向?yàn)橛上露?，陰極鋼棒的正上方電流比較集中，且偏差較大。圖3橫向裂紋1.1.4陰極鋼棒熔化由圖4可知，由于部分部位斷裂，大量鋁液或者電解質(zhì)滲入陰極炭塊和陰極鋼棒，造成陰極鋼棒融化。而且，熔化后的化合物絕大部分泄漏到陰極鋼棒下面，防滲料間形成了厚厚的沉積物（見(jiàn)圖6），使陰極鋼棒上的鐵塊熔化，僅有少量隨著鋁液或者電解質(zhì)回流至電解槽的鋁液，所以即便是斷裂嚴(yán)重（陰極鋼棒熔化）的凹槽，體現(xiàn)在電解槽的原鋁質(zhì)量方面，它的具體變化數(shù)值亦比較微小。電解生產(chǎn)中，對(duì)原鋁質(zhì)量重視的程度，是建立在0.01%變化值的基礎(chǔ)上。因此，在電解的實(shí)際制作中，依據(jù)原鋁的Fe,Si上升的幅度來(lái)判定破損程度，通過(guò)對(duì)陰極鋼棒的溫度，槽側(cè)壁的溫度進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)，對(duì)防止漏爐的發(fā)生進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖4陰極鋼棒熔化、剝層1.1.5陰極炭塊底部與陰極防滲料之間存在夾層化合物圖5為某企業(yè)400KA電解槽的槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)圖表明，陰極鋼棒下面有防滲料，不含夾層化合物。圖6為停槽以后陰極炭塊和防滲料截面圖。由圖6比較圖5設(shè)計(jì)圖可見(jiàn)，破損槽陰極鋼棒和防滲料中滲漏物料較多。綜合圖2，圖3，圖4可知，滲漏物質(zhì)為鋁液向陰極下層和陰極鋼棒之間的滲漏、陰極炭塊與防滲料之間進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)長(zhǎng)期堆積而成。滲漏點(diǎn)和滲漏量均較大，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，堆積物厚度越大。圖5槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)圖6清爐時(shí)陰極到防滲料間的實(shí)物圖1.2化驗(yàn)分析1.2.1陰極起層間的黃色粉狀物黃色粉末物質(zhì)廣泛存在于停槽陰極炭塊上，既有陰極裂縫，陰極炭塊和鋼棒以及陰極起層夾層內(nèi)也有（見(jiàn)圖3）。稱黃色粉末入烘箱中，算出水分，然后對(duì)黃色粉末進(jìn)行制樣，壓片，送入熒光儀XRF-1800分析，分析數(shù)據(jù)如表1所示。表1陰極炭塊間的黃色粉狀物化學(xué)成分%Al2O3FNa2OK20CaOFeSiTiH2O53.0320.1511.980.858O.8190.6960.1810.10512.06分析數(shù)據(jù)的主要組分為氧化鋁，氟，氧化鈉和水，其中鈉和氟的比例為32%。因熒光儀XRF-1800的分析無(wú)法對(duì)該化合物的炭含量進(jìn)行分析，根據(jù)電解槽中的物質(zhì)成分（上有電解質(zhì)，下有鋁液），滲入陰極縫隙中的材料以電解質(zhì)為主，鋁次之。根據(jù)表1分析資料，停槽時(shí)，鋁離子以氧化鋁的形態(tài)存在。如圖3所示，裂紋中不存在（或只有少量）金屬鋁，滲入陰極縫隙中的金屬鋁和炭發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，制得碳化鋁，該部分碳化鋁與停槽時(shí)空氣中水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氧化鋁，甲烷?；瘜W(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的化合物氧化鋁或者碳化鋁，它們的體積都有增大的過(guò)程，所以，隨電解生產(chǎn)槽齡的增長(zhǎng)，裂縫間隙變大、破損加重。1.2.2陰極鋼棒底部灰色化合物陰極鋼棒的底端有灰色化合物，稱灰色化合物，置于烘箱中，算出水分，然后對(duì)灰色合金物質(zhì)進(jìn)行制樣，壓片，送入熒光儀XRF-1800分析，分析數(shù)據(jù)如表2所示。由分析資料可知，它的主要組成為鋁和鐵合金。表2陰極鋼棒底部灰色化合物%AlFNa2OK2OCaOFeSiMnH2O42.8210.615.6440.1160.26125.602.600.10812.061.2.3陰極鋼棒與陰極炭塊裂縫處白色晶體物質(zhì)化驗(yàn)分析對(duì)陰極鋼棒及陰極炭塊及裂縫處白色晶體物質(zhì)進(jìn)行了分析（見(jiàn)圖7），稱白色晶體物質(zhì)，置于烘箱中，算出其中的水分，然后對(duì)白色晶體物質(zhì)進(jìn)行制樣，壓片，送入熒光儀XRF-1800分析，資料分析（見(jiàn)表3）。圖7陰極炭塊間的白色晶體表3陰極炭塊與鋼棒處的白色晶體物質(zhì)化學(xué)成分%Al2O3FNa2OK2OCaOFeSiTiH2O15.3732.8332.390.4870.4073.272.550.0312.06這種晶體的成分與冰晶石相似，主要成分是氟離子和鈉離子以及鋁離子。2、破損原因分析2.1熱應(yīng)力影響2.1.1陰極炭塊受熱膨脹系數(shù)與陰極鋼棒線性膨脹系數(shù)差異陰極炭塊在20°C~2000°C范圍內(nèi)的線膨脹系數(shù)約為4.5~5.5×106/°C周。陰極鋼棒線性膨脹系數(shù)見(jiàn)表4，它隨著電解槽上電時(shí)焙燒溫度的升高而逐漸增大，電解槽焙燒升溫時(shí)，陰極鋼棒和陰極炭塊的膨脹呈線性差異，隨差異比例的增大，當(dāng)超過(guò)陰極炭塊和鋼棒的極限耐受范圍時(shí)，產(chǎn)生形變，造成裂紋的出現(xiàn)。表4平均線性膨脹系數(shù)10-6/℃溫度050100150200300400400600750碳素鋼10.7611.1211.5311.8812.2512.913.1413.5814.2215.022.1.2陰極內(nèi)襯與槽殼之間的應(yīng)力就電解槽設(shè)計(jì)而言，電解槽由筑爐而成，陰極內(nèi)襯于整體槽殼中，所以當(dāng)焙燒開(kāi)始溫度升高的時(shí)候，不可避免地存在陰極炭塊與槽內(nèi)襯，槽殼間的相互作用力。陰極炭塊以及陰極周圍的炭塊與扎固料一起，于電解槽內(nèi)焙燒開(kāi)始時(shí)，由于熱膨脹而在電解槽周圍形成的應(yīng)力和槽殼本體對(duì)內(nèi)部的反作用力是相向而行的，致使陰極炭塊在擠壓下發(fā)生變形，當(dāng)陰極炭塊經(jīng)不起這么大的應(yīng)力與形變時(shí)，由此導(dǎo)致陰極開(kāi)裂。陰極炭塊受到熱膨脹對(duì)槽殼所產(chǎn)生的作用力超過(guò)槽殼承受力后，那么槽殼就會(huì)發(fā)生破裂（見(jiàn)圖8）。在電解生產(chǎn)中，鋁液將沿著陰極裂縫進(jìn)入陰極鋼棒內(nèi)，鋁液和陰極炭塊以及陰極鋼棒發(fā)生反應(yīng)，形成鋁鐵合金（圖6）。其原因是內(nèi)襯中應(yīng)力主要來(lái)源于內(nèi)襯熱膨脹及鈉滲透產(chǎn)生膨脹，不同物質(zhì)熱膨脹、鈉的膨脹性能有較大差異。所以內(nèi)襯的應(yīng)力設(shè)計(jì)同電解槽的熱平衡設(shè)計(jì)以及所用內(nèi)襯材料密切相關(guān)。本文所稱內(nèi)襯材料，主要指陰極炭塊，炭縫糊等、側(cè)塊與槽殼的材料選擇及結(jié)構(gòu)部件。圖8電解槽槽殼受力斷裂2.2鈉的滲透使陰極膨脹和裂縫增大變深見(jiàn)圖2，圖3，圖4，在陰極炭塊現(xiàn)存的縫隙之間，出現(xiàn)了少量黃色粉末滲透物，它的物質(zhì)的主要成分為鋁，氟和鈉（見(jiàn)表1）。這些材料在陰極裂縫內(nèi)聚集和擴(kuò)展，造成裂縫的擴(kuò)大，構(gòu)成高溫鋁液的滲透通道。鋁液在接觸陰極鋼棒時(shí)，迅速產(chǎn)生鋁鐵合金熔體，通過(guò)陰極鋼棒固化在陰極鋼棒和防滲料之間（見(jiàn)圖6、圖7）。并且這些鋁鐵合金熔體體積比原材料有了很大的增加，造成陰極裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)大和加深。2.3鋁液沖蝕目前，清爐后在陰極表面形成的沖蝕坑還很少，由圖9可知，這類沖蝕坑大多是由于陰極出現(xiàn)裂紋后，鋁液的滲入沖刷而成。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)清爐情況，大多數(shù)相似坑底陰極炭塊間隙中都夾著鋁及少量電解質(zhì)。圖9陰極沖蝕坑2.4鋁液滲透導(dǎo)致陰極鋼棒熔化陰極炭塊縫隙由于鈉、鋁滲透而與陰極反應(yīng)形成碳化鋁（黃色粉狀物）。有些陰極鋼棒由于熔化而發(fā)生形變。圖10清爐出的陰極鋼棒由圖10可知，破損槽陰極鋼棒被腐蝕得更多，局部更為嚴(yán)重，表5對(duì)停槽鋼棒的重量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)觀察，除了1241槽陰極鋼棒的熔化量為1.62噸以外，剩下的槽口都超過(guò)4.5噸。表明破損槽陰極破損點(diǎn)數(shù)量多，陰極鋼棒熔化量大，與圖1表現(xiàn)一致。表5陰極鋼棒被熔化重量t電解槽號(hào)停槽后清理鋼棒重量新槽鋼棒重量被熔化重量124143.8845.51.62161839.7845.55.72163240.6245.54.88174540.3845.55.123、維護(hù)措施由上述停槽刨爐時(shí)陰極呈現(xiàn)的特性及滲漏物化驗(yàn)資料分析，陰極及扎固料的材料質(zhì)量差、焙燒時(shí)的熱沖擊過(guò)大、設(shè)計(jì)形式不盡合理、生產(chǎn)運(yùn)行中技術(shù)參數(shù)失配等原因?qū)е玛帢O出現(xiàn)裂紋，鋁液通過(guò)裂縫滲入陰極內(nèi)部熔化鋼棒，造成電解槽斷裂。綜合上述原因，生產(chǎn)時(shí)需從內(nèi)襯設(shè)計(jì)，選材，筑爐，焙燒開(kāi)始等方面進(jìn)行、正常運(yùn)轉(zhuǎn)等方面進(jìn)行控制與優(yōu)化，以盡量減小破損槽。具體包括以下幾個(gè)方面四個(gè)方面：3.1陰極炭塊材料的優(yōu)化選用為減少焙燒開(kāi)始早期由于陰極炭塊受熱膨脹不均的現(xiàn)象。從當(dāng)前我國(guó)一些電解鋁企業(yè)應(yīng)用全石墨化陰極的情況來(lái)看，全石墨化陰極導(dǎo)熱平衡，具有熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)電率高等特點(diǎn)，電解槽通電焙燒和開(kāi)始投產(chǎn)之初，電解槽的早期斷裂較少，陰極壓下降的優(yōu)點(diǎn)。采用完全石墨化的陰極，可以延長(zhǎng)槽壽命，減小陰極壓降，增強(qiáng)電流效率。所以采用全石墨化陰極可補(bǔ)償焙燒啟動(dòng)過(guò)程中因?qū)щ妼?dǎo)熱不均勻的缺陷、熱膨脹系數(shù)高等原因?qū)е码娊獠蹟嗔训娜秉c(diǎn)。3.2優(yōu)化筑爐方案目前，我國(guó)一些鋁電解企業(yè)所用筑爐方式是側(cè)部碳化硅材料筑爐，它具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，通電焙燒開(kāi)始時(shí)，電解槽槽殼的溫度高于側(cè)部普通炭塊的槽（側(cè)部碳化硅槽在啟動(dòng)和生產(chǎn)初期電解槽側(cè)壁溫度在400°C以上，部分槽甚至側(cè)壁發(fā)紅；普通炭塊通常在400°C以下）。這些公司現(xiàn)在平均槽齡已達(dá)2800多天六。采用碳化硅側(cè)部炭塊，焙燒開(kāi)始時(shí)，電解槽槽殼的溫度較高，然后槽殼擴(kuò)張更大，對(duì)于陰極炭塊，擠壓力也相應(yīng)減小。本實(shí)用新型有助于減少電解槽陰極在斷電焙燒過(guò)程中，陰極和槽殼因應(yīng)力擠壓而造成的斷裂。在一家電解企業(yè)里，使用碳化硅側(cè)部炭塊后，新開(kāi)32臺(tái)槽，無(wú)1個(gè)破損槽。3.3優(yōu)化焙燒啟動(dòng)方法減少電解槽通電焙燒過(guò)程中焙燒溫度對(duì)陰極炭塊和陰極鋼棒產(chǎn)生熱沖擊，采用下列焙燒啟動(dòng)方法，可以有效地減輕熱沖擊程度：（1）采用燃?xì)獗簾椒ā，F(xiàn)行采用的焦粒焙燒方法，焙燒升溫速率失控，對(duì)于電解槽的早期破損有很大的影響?；谌?xì)獗簾哂械膬?yōu)越性，升溫均衡可控。因此，采用燃?xì)獗簾秊樽罴逊桨?。?）對(duì)現(xiàn)有焦粒焙燒過(guò)程分流技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，控制陰極炭塊內(nèi)部溫度梯度，盡量平衡陰極炭塊溫度梯度。（3）保證焦粒鋪放厚度均勻，使得陽(yáng)極底掌和鋪爐料完全接觸。焙燒時(shí)控制陰極表面溫度分布偏差不得超過(guò)10%，陽(yáng)極電流分布與陰極電流分布偏差值應(yīng)控制在10%以內(nèi)。（4）電解槽的起動(dòng)是通過(guò)無(wú)效應(yīng)作業(yè)進(jìn)行的。效應(yīng)起動(dòng)槽的槽溫最高可達(dá)1000°C以上，發(fā)生效應(yīng)前，后槽溫溫差值越大，陰極炭塊熱沖擊越嚴(yán)重，很容易造成陰極斷裂的早期斷裂。使用無(wú)效應(yīng)的啟動(dòng)作業(yè)，減小了由于效應(yīng)引起的陰極整體及陰極鋼棒熱振，利于降低早期破損機(jī)率和提高槽壽命。3.4控制正常生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行大部分隱患槽存在隱患點(diǎn)，并在縱向上，對(duì)爐底陰極的修復(fù)造成了極大的難度。在現(xiàn)有的生產(chǎn)情況下，對(duì)于隱患槽發(fā)生原鋁質(zhì)量滑坡的情況，應(yīng)適當(dāng)增加在產(chǎn)鋁量，結(jié)合槽況的穩(wěn)定性，適當(dāng)增大分子比，然后基于陰極壓降的上升速度，增加設(shè)定電壓為隱患槽的主要控制措施。在換陽(yáng)極時(shí)做摸爐底的作業(yè)，找出明顯的破損予以修復(fù)，能夠有效地控制原鋁質(zhì)量的下降趨勢(shì)。對(duì)于陰極鋼棒的溫度、爐底鋼板的溫度、對(duì)槽側(cè)壁的溫度實(shí)施常態(tài)化的跟蹤監(jiān)控，依據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)中的異常點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的提陽(yáng)極、摸爐底和破損點(diǎn)的修復(fù)。正常槽順利控制時(shí)，是防止隱患槽出現(xiàn)的首要方法。從某廠四區(qū)新槽后未發(fā)生破損槽情況，采用合理在產(chǎn)鋁量及技術(shù)條件，可有效地預(yù)防與控制隱患槽。從目前某公司隱患槽運(yùn)行狀況看與2018年年底隱患槽對(duì)比，除1241槽和1618槽停槽外，原鋁Fe含量多數(shù)已經(jīng)控制在0.10%以下，其中1537、1539、1617、1638槽恢復(fù)到正常范圍。表62018年12月27日與2020年4月8日隱患槽原鋁質(zhì)量統(tǒng)計(jì)序號(hào)槽號(hào)2018年12月27日Fe%2020年4月8日Fe%差值112410.19停槽215370.160.071-8.9315390.130.066-6.4416170.180.07NaN516180.25停槽616220.180.094-8.6716300.150.097-5.3816330.240.11NaN916380.160.072-8.81016460.240