《400KA電解槽破損機理研究及維護研究》5800字（論文）

400KA電解槽破損機理研究及維護研究目錄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化驗分析 6293232、破損原因分析 7251602.1熱應力影響 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鋁液滲透導致陰極鋼棒熔化 934933、維護措施 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)化焙燒啟動方法 10228183.4控制正常生產(chǎn)平穩(wěn)運行 11266634、結(jié)語 1210573參考文獻 12摘要：本論文以某電廠400KA鋁電解為研究對象，對其停槽后陰極表面和截面進行了觀測，說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分析數(shù)據(jù)相結(jié)合，對電解槽斷裂的原因進行了分析。提出防止鋁電解槽過早斷裂的一些措施及改進辦法，本實用新型有效減少400KA電解槽的早期破損，延長電解槽壽命。關(guān)鍵詞：400KA電解槽：陰極破損：維護措施引言電解槽在鋁電解生產(chǎn)中起著主要的作用，它的壽命對噸鋁分攤成本有直接的影響。電解槽壽命設(shè)計值通常在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，長壽命電解槽壽命可達十年以上，短的三至五年，甚至在槽齡一年前后就會發(fā)生早期破損。電解槽的壽命沒有達到設(shè)計值，將提高噸鋁的生產(chǎn)成本，影響了企業(yè)效益。讓電解槽長命百歲，這是鋁行業(yè)一項長期的研究課題，更是電解鋁企業(yè)孜孜以求的奮斗目標。在鋁電解技術(shù)不斷進步與發(fā)展的今天，電解槽會逐步大型化，400kA電解槽的工藝逐步走向成熟，會是主流的槽型。本論文以電解鋁企業(yè)400kA電解槽陰極破損問題為背景，對成因，并以此為依據(jù)，提出防止電解槽斷裂的措施，對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，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，通電起動過程中由于陰極問題，停了三臺槽，一臺槽二次啟動。這部分槽在停槽以后，陰極表面有大量的縱，橫向裂縫，除個別槽口破損位置明顯較重，破損部位多為裂縫的形式。這類破損問題給電解生產(chǎn)的操作和檢修工作帶來了很大的困難。通過近6個月的時間，對這部分電解槽的運行數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，并進行了實際的運行分析，對破損隱患槽的檢修和管理，制訂了系列措施，并付諸實施，有效地遏制破損槽的進一步劣化。為以后同類400KA電解槽進行破損槽生產(chǎn)控制和破損槽控制檢修提供了依據(jù)，延長了槽的使用壽命，提供了借鑒。1.1停槽后陰極狀況停槽時，對陰極表面的材料進行清洗，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)村雖沒有直接參與電解槽的反應消耗，但是溫度較高、在強腐蝕，強物理條件下，往往會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刨爐時陰極炭塊產(chǎn)生裂縫的尺寸和深度可知，可見，破損點的分布是零散的，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，對破損點進行維修和修復比較困難。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，已到達鋼棒的位置。表明破損點偏向電流比較集中的地方，陰極鋼棒作為電流的直接傳導介質(zhì)，電流的方向為由下而上，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，在電解的實際制作中，依據(jù)原鋁的Fe,Si上升的幅度來判定破損程度，通過對陰極鋼棒的溫度，槽側(cè)壁的溫度進行定時檢測，對防止漏爐的發(fā)生進行監(jiān)測。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)計圖可見，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行物理化學反應，經(jīng)長期堆積而成。滲漏點和滲漏量均較大，持續(xù)時間越長，堆積物厚度越大。圖5槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)圖6清爐時陰極到防滲料間的實物圖1.2化驗分析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（見圖3）。稱黃色粉末入烘箱中，算出水分，然后對黃色粉末進行制樣，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的分析無法對該化合物的炭含量進行分析，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，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)生化學反應，制得碳化鋁，該部分碳化鋁與停槽時空氣中水分發(fā)生化學反應，產(chǎn)生氧化鋁，甲烷?；瘜W反應產(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程，所以，隨電解生產(chǎn)槽齡的增長，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，然后對灰色合金物質(zhì)進行制樣，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)化驗分析對陰極鋼棒及陰極炭塊及裂縫處白色晶體物質(zhì)進行了分析（見圖7），稱白色晶體物質(zhì)，置于烘箱中，算出其中的水分，然后對白色晶體物質(zhì)進行制樣，壓片，送入熒光儀XRF-1800分析，資料分析（見表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)見表4，它隨著電解槽上電時焙燒溫度的升高而逐漸增大，電解槽焙燒升溫時，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，當超過陰極炭塊和鋼棒的極限耐受范圍時，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)襯與槽殼之間的應力就電解槽設(shè)計而言，電解槽由筑爐而成，陰極內(nèi)襯于整體槽殼中，所以當焙燒開始溫度升高的時候，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)焙燒開始時，由于熱膨脹而在電解槽周圍形成的應力和槽殼本體對內(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，當陰極炭塊經(jīng)不起這么大的應力與形變時，由此導致陰極開裂。陰極炭塊受到熱膨脹對槽殼所產(chǎn)生的作用力超過槽殼承受力后，那么槽殼就會發(fā)生破裂（見圖8）。在電解生產(chǎn)中，鋁液將沿著陰極裂縫進入陰極鋼棒內(nèi)，鋁液和陰極炭塊以及陰極鋼棒發(fā)生反應，形成鋁鐵合金（圖6）。其原因是內(nèi)襯中應力主要來源于內(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)襯的應力設(shè)計同電解槽的熱平衡設(shè)計以及所用內(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（見表1）。這些材料在陰極裂縫內(nèi)聚集和擴展，造成裂縫的擴大，構(gòu)成高溫鋁液的滲透通道。鋁液在接觸陰極鋼棒時，迅速產(chǎn)生鋁鐵合金熔體，通過陰極鋼棒固化在陰極鋼棒和防滲料之間（見圖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，造成陰極裂縫的進一步擴大和加深。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，局部更為嚴重，表5對停槽鋼棒的重量進行了統(tǒng)計觀察，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4.5噸。表明破損槽陰極破損點數(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、維護措施由上述停槽刨爐時陰極呈現(xiàn)的特性及滲漏物化驗資料分析，陰極及扎固料的材料質(zhì)量差、焙燒時的熱沖擊過大、設(shè)計形式不盡合理、生產(chǎn)運行中技術(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)時需從內(nèi)襯設(shè)計，選材，筑爐，焙燒開始等方面進行、正常運轉(zhuǎn)等方面進行控制與優(yōu)化，以盡量減小破損槽。具體包括以下幾個方面四個方面：3.1陰極炭塊材料的優(yōu)化選用為減少焙燒開始早期由于陰極炭塊受熱膨脹不均的現(xiàn)象。從當前我國一些電解鋁企業(yè)應用全石墨化陰極的情況來看，全石墨化陰極導熱平衡，具有熱膨脹系數(shù)低、導電率高等特點，電解槽通電焙燒和開始投產(chǎn)之初，電解槽的早期斷裂較少，陰極壓下降的優(yōu)點。采用完全石墨化的陰極，可以延長槽壽命，減小陰極壓降，增強電流效率。所以采用全石墨化陰極可補償焙燒啟動過程中因?qū)щ妼岵痪鶆虻娜毕?、熱膨脹系?shù)高等原因?qū)е码娊獠蹟嗔训娜秉c。3.2優(yōu)化筑爐方案目前，我國一些鋁電解企業(yè)所用筑爐方式是側(cè)部碳化硅材料筑爐，它具有優(yōu)異的導熱性能，通電焙燒開始時，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2800多天六。采用碳化硅側(cè)部炭塊，焙燒開始時，電解槽槽殼的溫度較高，然后槽殼擴張更大，對于陰極炭塊，擠壓力也相應減小。本實用新型有助于減少電解槽陰極在斷電焙燒過程中，陰極和槽殼因應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32臺槽，無1個破損槽。3.3優(yōu)化焙燒啟動方法減少電解槽通電焙燒過程中焙燒溫度對陰極炭塊和陰極鋼棒產(chǎn)生熱沖擊，采用下列焙燒啟動方法，可以有效地減輕熱沖擊程度：（1）采用燃氣焙燒方法?，F(xiàn)行采用的焦粒焙燒方法，焙燒升溫速率失控，對于電解槽的早期破損有很大的影響。基于燃氣焙燒所具有的優(yōu)越性，升溫均衡可控。因此，采用燃氣焙燒為最佳方案。（2）對現(xiàn)有焦粒焙燒過程分流技術(shù)進行了優(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，使得陽極底掌和鋪爐料完全接觸。焙燒時控制陰極表面溫度分布偏差不得超過10%，陽極電流分布與陰極電流分布偏差值應控制在10%以內(nèi)。（4）電解槽的起動是通過無效應作業(yè)進行的。效應起動槽的槽溫最高可達1000°C以上，發(fā)生效應前，后槽溫溫差值越大，陰極炭塊熱沖擊越嚴重，很容易造成陰極斷裂的早期斷裂。使用無效應的啟動作業(yè)，減小了由于效應引起的陰極整體及陰極鋼棒熱振，利于降低早期破損機率和提高槽壽命。3.4控制正常生產(chǎn)平穩(wěn)運行大部分隱患槽存在隱患點，并在縱向上，對爐底陰極的修復造成了極大的難度。在現(xiàn)有的生產(chǎn)情況下，對于隱患槽發(fā)生原鋁質(zhì)量滑坡的情況，應適當增加在產(chǎn)鋁量，結(jié)合槽況的穩(wěn)定性，適當增大分子比，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。在換陽極時做摸爐底的作業(yè)，找出明顯的破損予以修復，能夠有效地控制原鋁質(zhì)量的下降趨勢。對于陰極鋼棒的溫度、爐底鋼板的溫度、對槽側(cè)壁的溫度實施常態(tài)化的跟蹤監(jiān)控，依據(jù)測量數(shù)據(jù)中的異常點進行相應的提陽極、摸爐底和破損點的修復。正常槽順利控制時，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，可有效地預防與控制隱患槽。從目前某公司隱患槽運行狀況看與2018年年底隱患槽對比，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)計序號槽號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