伊鋁300KA電解槽長周期運行措施與計劃大修分析

伊鋁300KA長周期運行措施與

256臺電解槽計劃大修的分析

摘要：本文通過伊川鋁廠256臺300KA電解槽運行二年來的實踐經(jīng)驗，提出300KA長周期、高效率、長壽命經(jīng)濟運行措施，針對氮化硅結(jié)合炭化硅材料運行中存在的問題進行研究分析，對300KA電解槽槽壽命進行預(yù)測，提出影響電解槽槽壽命的關(guān)鍵在于陰極炭塊的運行狀況，通過幾種方案的對比，實事求是地指出256臺300KA電解槽大修可行的方案。伊川300KA電解槽平均槽壽命將能達到1800天以上。1.前言1.1意義

研究20萬噸一個系列電解槽計劃大修如何更安全、經(jīng)濟、科學等技術(shù)非常有意義，特別是自2003年以來中國20萬噸電解槽系列已超過10個以上，具有一定的社會價值。1.2伊鋁實際情況伊鋁300KA電解槽側(cè)部爐幫較好，即使有問題，可以做到提前預(yù)知，提前進行不停槽修補更換側(cè)塊。伊鋁300KA電解槽槽壽命主要在陰極炭塊部分，不停槽補爐技術(shù)的開發(fā)為公司創(chuàng)造的經(jīng)濟價值在于改寫了電解槽停槽大修計劃。2.我國大型槽槽壽命概況與破損機理2.1槽壽命概況2.2電解槽早期破損因素分析2.1槽壽命概況

廠家

電流大?。↘A）

時間（年）

槽平均壽命（天）

備注

平果鋁廠

160KA1998—19917561992—20001006—1486平果鋁廠早期

625.79第一代槽

早期

723第二代槽

平果鋁廠160KA目前

1318提高整體扎固質(zhì)量，避免過扎、欠扎、剝層現(xiàn)象

貴州鋁廠160KA二系列

20001760160KA三系列

20001840超過3000天的有16臺

1998年以來，國內(nèi)新上160、186KA大型預(yù)焙槽槽壽命基本上普遍達到1800天以上，預(yù)計可達到2000天。我國大型預(yù)焙槽槽壽命的提高，主要應(yīng)歸功于成功的焦粒焙燒啟動與軟連接技術(shù)、槽型設(shè)計、三場優(yōu)化、合理的母線配置、新材料的使用，加之電解槽工藝技術(shù)條件優(yōu)化和計算機模糊控制水平不斷提高，以及電解廠家各項管理和員工素質(zhì)及經(jīng)驗的不斷提高，為鋁電解槽壽命超過2000天提供了可靠的保證。2.2電解槽早期破損因素分析

2.2.1早期破損電解槽開動一年半之內(nèi),因陰極內(nèi)襯破損停槽大修稱為早期破損。2.2.2

類型根據(jù)我國電解槽陰極內(nèi)襯破損、電解質(zhì)滲漏和滲透情況可分為以下10種。序號類型1側(cè)部漏鋁

2側(cè)部漏電解質(zhì)

3鋼棒孔漏鋁

4鋼棒孔漏電解質(zhì)

5底部漏鋁

6底部漏電解質(zhì)

7槽殼側(cè)部發(fā)紅

8槽殼底部發(fā)紅

9嚴重熔化鋼棒

10側(cè)部炭塊上抬

2.2.3電解槽滲漏的主要原因

由于炭襯材質(zhì)、施工質(zhì)量及焙燒啟動和早期生產(chǎn)溫度不合理等，其中焙燒啟動和生產(chǎn)時溫度劇烈波動是早期破損的導(dǎo)火線。2.2.4鋁滲透的主要通道

周邊糊、碳間糊與碳塊、澆注料、與碳塊和鋼棒及碳塊與耐火磚之間結(jié)合部構(gòu)成的連通縫隙或孔洞。滲透速度越快，內(nèi)襯膨脹與破損速度越快，停槽將是必然。

2.2.5底部炭襯早期破損原因

電解槽長期過熱，高溫引起各部等溫線下移從而加劇底部炭塊剝層、上抬、斷裂等。2.2.6側(cè)部漏爐原因

形不成冰晶石爐幫，側(cè)部炭襯受到高溫電解質(zhì)不斷沖蝕等物理化學作用而消耗，側(cè)塊上部則氧化嚴重，下部滲透，致使側(cè)塊不斷上抬，從而引起破損停槽。

2.3電解槽破損機理分析2.3.1側(cè)部碳塊

原因化學反應(yīng)機理防范措施與補救方法空氣氧化

C（固）+O2（氣）=CO2（氣

1.電解槽上部保溫料加好封足；陰極小窗口密封完好；

2.用氮化硅結(jié)合炭化硅或其復(fù)合塊，電解槽正常生產(chǎn)時能生成保護性的冰晶石爐幫。

Al4C3的生成和溶解引起化學腐蝕

4Al（液）+3C（固）=Al4C3

（固）

Al4C3（溶解）+9CO2（氣）

=2Al2O3（溶解）+12CO（氣）

鈉膨脹和分層

2.3.2槽底隆起原因化學反應(yīng)機理防范措施與補救方法鈉膨脹

32C（固）+Na（氣）=C32Na（固）

1.以防滲料替代耐火磚，注意熱場的合理設(shè)計；2.墨質(zhì)、石墨化陰極或復(fù)合TiB2陰極底塊；3.采用焦粒焙燒，替代鋁液焙燒；4.啟動后，加強陰極鋼窗口二次密封等工作；

鈉與滲透的電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)12Na（氣）+3C（固）+4Na3AlF6（液）

=Al4C3（固）+24NaF（液）鋼窗口密封不嚴，空氣進入內(nèi)襯

4Na（氣）+O2（氣）+22Al2O3（固）=2(Na2O.11Al2O3)（固）耐火磚受熔體侵蝕

8Na3AlF6（液）+3(3Al2O3.2SiO2)（固）

=6SiF4↑+24NaF（固）+13Al2O3（液）

2.3.3化鋼棒原因化學反應(yīng)機理防范措施與補救方法電解槽內(nèi)襯破損滲漏Al(液)+3Fe（固）=AlFe3（固）Na（氣）+Na3AlF6(液)+3Fe（固）=AlFe3（固）+6NaF（固）4Al(液)+3SiO2（固）=2Al2O3（固）+3Si(液)Al(液)+Si(液)+Fe（固）=AlSiFe（固）

以LH電流表自焙燒、啟動、正常生產(chǎn)等跟蹤陰極鋼棒之電流和溫度變化，及時發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)對策。盡量避免陰極碳塊、邊部伸腿、碳間糊早期裂縫、破損等。

3.伊鋁300KA側(cè)塊與爐幫狀況3.1炭化硅

3.1.1炭化硅由于其優(yōu)異的高溫力學性能、高的耐磨性、高的熱傳導(dǎo)率和優(yōu)良的抗化學侵蝕及抗氧化性等特點，已成為大型預(yù)焙電解槽側(cè)塊的首選材料。

3.1.2炭化硅側(cè)塊破損機理主要是電解質(zhì)液/氣體界面氧化破損、界面波動、Na＋侵蝕、界面潛熱等。例如：某臺300KA電解槽運行一年后破損狀況

炭化硅側(cè)塊運行一年后電解質(zhì)與鋁液界面處破損狀況示意圖

陽極

電解質(zhì)

界面鋁液殼面3.2建議根據(jù)伊川鋁廠256臺300KA電解槽運行一年來的實踐經(jīng)驗提出以下建議：

—

適當增加側(cè)部炭化硅的厚度；

—

人造伸腿改平緩型為陡直型，提高人造伸腿高度；

—

三場設(shè)計優(yōu)化，改善出電端某位置陰極電流分布和鋁液流速。3.3電解槽停槽的標志1.原鋁中鐵含量變成反常的和不能接受的高；

2.電解槽陰極電壓降太高；

3.觀察到電解槽外殼嚴重變形；

4.陰極碳塊內(nèi)襯底部向上拱起（爐底隆起）。當有上述情況時就應(yīng)該停槽，否則電解槽災(zāi)難性的破壞會隨之而來，鋁或電解質(zhì)從電解槽底下或從陰極鋼窗口流出。3.4陰極炭塊破損的原因3.4.1槽底破損的主要原因是由于吸收鈉和電解質(zhì)產(chǎn)生的各種反應(yīng)而致，底部內(nèi)襯破損的主要信號是碳塊的破裂或氟化物粗大晶體的長大，產(chǎn)生破裂的力主要是：1.電解槽啟動初期滲透結(jié)晶膨脹；2.鈉和電解；3.與生成鈉-碳嵌入化合物有關(guān)的摩爾體積變化3.4.2陰極化學反應(yīng)鈉與電解質(zhì)的反應(yīng)

4Na3ALF6+12Na+3c=AL4C3+24NaF4Na3ALF6+12Na+3O2=2AL2O3+24NaF22Na3ALF6+68Na+17O2=Na2O·11AL2O3(β-AL2O3)+132NaF鈉-碳-空氣的反應(yīng)2Na+2C+N2=2NaCN4Na+3O2+2C=2Na2CO3直接在陰極內(nèi)襯下產(chǎn)生的反應(yīng)4Na+O2+22Al2O3=2Na2O·11AL2O32Na3ALF6+N2+6Na=12NaF+2ALNNa3ALF6+3NaF+3Fe=AlFe3+6NaF(電解質(zhì)和鈉與陰極鋼棒接觸時)3.5陰極炭塊分類

分類特點無煙煤碳塊

充填料是無煙煤，最高燒到1200℃

半石墨質(zhì)碳塊

粒子石墨化，最高在1200℃焙燒

半石墨化碳塊

整塊，加熱到2300℃生成半石墨化材料

石墨化碳塊

整塊，加熱到3000℃生成石墨化材料。石墨化陰極將會大大提高電解槽槽壽命，目前還處于研究階段硼化鈦涂層陰極

4.停槽檢修4.1停槽檢修損失

采用陰極壓接技術(shù)非常成功，建議采用異地大修技術(shù)，眉山300KA已使用該技術(shù)。

施工進度20天停電時間9小時/槽損失200元/噸鋁20萬噸系列500萬元/臺4.2大修計劃與安排伊鋁256臺300KA電解槽大修方案選擇

項目方案1

方案2

方案3

方案4

方案5

2005年大修槽臺數(shù)51648550402006年大修槽臺數(shù)51648560602007年大修槽臺數(shù)51648680802008年大修槽臺數(shù)51

64

6643

2009年大修槽臺數(shù)52

33

平均槽壽命

18181643145417851781槽壽命1800天以上槽臺數(shù)

15412886146156槽壽命1800天比例（%）

6050345161槽壽命2000天以上槽臺數(shù)

1036406676槽壽命2000天比例（%）

402502630方案經(jīng)濟性

好較好差較好較好方案安全性

差較好好較好較好4.3幾種方案的對比4.3.1方案1計劃大修計劃較均勻，但電解槽槽壽命能否達到40%比例達到2000天以上，安全性較差；4.3.2方案3則經(jīng)濟性較差，此二種方案都不取。4.3.3方案2、4、5則經(jīng)濟性、安全性比較可取。

5.電解槽長周期運行措施

5.1保持完好的技術(shù)條件，以溫度管理為中心；5.2抓好操作質(zhì)量管理；5.3加大散熱力度；5.4抓好效應(yīng)管理；5.5注重加工質(zhì)量；5.6抓好三化管理；5.7設(shè)備管理是電解槽運行的根本；5.8抓好交接班和班組建設(shè)；5.9電解槽長周期穩(wěn)定運行。6.結(jié)論

通過落實完善技術(shù)條件優(yōu)化與各項措施，伊鋁300KA將長周期高壽命平穩(wěn)地運行。伊鋁300KA256臺電解槽計劃大修通過實事求是、合理科學安排，兼顧安全與經(jīng)濟運行，伊鋁300KA電解槽槽壽命將大大延長，確保達到1800天，力爭達到2000天以上。

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