电解槽底部破损与应对

郭福宝，贾晓刚

（山西兆丰铝电有限责任公司，山西 阳泉 045200）

铝电解槽是在900℃以上高温的熔盐状态下工作的设备，它的阴极内衬长期受到铝液和电解质的侵蚀，由于侵蚀所产生的应力会使槽体变形和内衬破损，严重时导致电解槽停槽大修。电解槽大修需要耗费大量的人工和费用，从降低成本和增加产量的角度出发，应当加强生产期间对电解槽的日常维护，减少电解槽的破损。而当电解槽出现初期破损时，如何及早发现并进行成功修补，是电解生产中十分重要的一项工作。

1 电解槽破损的现象、原因及机理

1.1 破损现象

在电解槽停槽清理内衬时，可以看到底部破损的情况：阴极炭块发生变形，膨胀隆起、有冲蚀坑、横向或纵向断裂；炭块之间的扎固糊发生裂纹造成炭缝之间有碳化铝、电解质和铝等固体；炭块与钢棒的交界面上有凝固的铝和电解质，部分钢棒被铝液熔化，生成铁铝合金；炭块下面有凝固的电解质、铝、铝铁合金，严重时耐火砖、防渗料、炭块与沉积物熔铸在一起，形成较大的结块。

1.2 破损原因

电解槽发生破损的根本原因是电解槽在高温铝液和电解质的侵蚀下，阴极炭块出现冲蚀坑或者裂缝，铝液从冲蚀坑或者裂缝中进入阴极炭块，造成炭块变形隆起上抬，严重时造成炭块断裂和阴极钢棒熔化[1]。

1.3 破损机理

电解生产中阴极炭块是不消耗的，但它长期与高温电解质和铝液接触，不可避免的会受到侵蚀和渗透，并最终演变为破损，主要表现在以下三种情况。

（1）炭间缝裂开。炭间缝是指两组阴极炭块之间用炭间糊捣实的接缝。炭间缝的破损通常表现为炭间糊捣实体在炭块界面上产生裂缝或者其本身破裂，以至铝液和电解质从裂缝中进入炭间缝，逐渐朝下渗透。

炭间缝裂开通常发生在焙烧期间，在焙烧过程中，炭糊中的挥发分急剧排出，遗留下许多微细气孔，同时炭间糊本身的收缩(收缩率约为3%)，使其在炭块界面上产生裂纹。启动后，阴极析出的钠渗透到炭间糊里面，并且生成碳钠化合物，使炭间缝疏松破碎，从而使炭间糊和炭块界面上的裂缝更加扩大。

根据碳钠化合物在低温下稳定、高温下分解的特点，在电解槽焙烧启动期间，保持较高的焙烧温度（接近启动时灌入电解质的温度），能有效避免电解槽早期的破损[2]。

（2）阴极炭块断裂。常见炭块断裂现象是沿着电解槽长度方向形成一条或几条大裂缝，铝液和电解质沿裂缝穿透炭块，将钢棒融化，形成铝铁合金。严重时穿透耐火砖层，直至槽底钢板。

造成阴极炭块断裂的主要原因是炭块质量不好及焙烧启动期间受热不均匀。

（3）阴极炭块隆起。在电解生产中，槽内熔融体慢慢地渗入到炭块之中，钠、电解质和铝液与炭素生成的炭钠化合物和碳化铝会引起炭块疏松和体积膨胀，使阴极炭块向上隆起。熔融体在填充完裂缝和裂纹后，继续往深部侵蚀和渗透，当侵入到炭块下面时，与耐火砖反应生成铝硅酸盐(Na2O·Al2O3·2SO2)，使耐火砖体积膨胀，形成被称为“灰白层”的沉积物。

（4）阴极炭块的冲蚀坑。冲蚀坑穴是阴极炭块受冲刷作用而形成的。坑穴的表面上磨得很光滑，有旋转冲刷的痕迹并覆盖着一层白色的氧化铝。其形成的主要机理是：①在扎固炭缝表面或炭块表面存在着一些裂缝或凹凸不平。②铝液在磁场的作用下会在裂缝中产生一种局部漩涡，其中挟带着悬浮着的氧化铝沉淀物。③氧化铝在旋转状态下具有很大的冲刷作用，会将裂纹越磨越大、越磨越深，最终形成坑穴。

2 电解槽破损的表现

（1）硅铁含量上升。电解槽在正常生产期，铝液中的铁含量比较稳定，当铁含量突然上升时，就要分析产生的原因。如果是阳极化爪或者打壳锤头、铁工具等融化，这种情况经过几次出铝就会缓慢下降。如果排除上述原因，铝液中铁含量仍然持续高于0.15%，并且每天升高，而硅含量也随之上升时，就初步判断是电解槽出现破损。

（2）槽体温度异常。当某组阴极炭块出现破损，形成铝液通道时，破损部位电流集中，导致阴极钢棒电流密度升高，棒头产生的热量明显增多，使阴极钢棒温度升高。破损炭块的对应侧部钢棒和底部钢板温度一般也会随之升高。

（3）阴极炭块有裂缝或冲蚀坑。在换极等工序对炉底进行检查时，如果发现阴极炭块有裂缝或冲蚀坑，则此处阴极炭块有很大可能出现破损。

3 如何确定破损部位

（1）换极时认真摸排炉底，用大钩仔细的在炉底勾探，将有坑或者有缝的部位记录下来，并判断破损部位的长度、宽度和深度。破损部位铝液和钢棒直接接触，电阻小，通电多，温度也高，所以钩尖插入这里拔出后，一般会有发白冒白烟现象。

（2）测量温度。用红外线测温仪测量炉帮、钢棒头、底板温度，要反复测量几次，减少误差。以300KA电解槽为例，一般底部钢板温度高于120℃，钢棒头温度高于正常值40℃，侧部钢板温度高于正常值50℃，则可以初步判断此处对应的阴极炭块存在异常。

（3）测量压降。①炉底压降。阴极出现较严重的破损后，此处阴极的炉底压降与正常阴极相比存在差异，可以通过逐块测量阴极的炉底压降，对比分析测得的数值，找出破损部位。②阴极钢棒小母线压降。正常生产的电解槽，各阴极钢棒小母线的等距压降基本是相同的，出现破损时，由于炉底形成铝液的通道，使该处局部电阻减少，通过的电流增大，导致阴极小母线的等距压降提高。通过测量阴极钢棒与大母线之间铝软带的等距离压降，压降明显升高的，可以初步判断该钢棒周围有破损迹象。

4 电解槽破损部位的修补

在确定了破损部位后，要在最短的时间内组织人力去修补。

（1）修补材料的选择。修补材料通常用镁砂、氟化钙和氧化铝，因为镁、钙的电位顺序在铝之前，融入电解质中不会在阴极析出，也不会影响电解生产和原铝质量。并且镁、钙材料密度大，容易沉在炉底，融化或者半融化时能以粘稠状态填充在破损部位的阴极炭块上，阻止铝液向阴极内部的渗漏，从而达到修补阴极、延长槽寿命的目的[3]。

（2）预制镁砂饼。镁砂饼就是用铝做皮镁砂做馅的“饼”。镁砂饼形状大小可以根据破损部位确定，面积要大于电解槽破损处面积，我公司多用800mm×500mm×300mm的尺寸。

（3）修补方法。①破损部位位于阴极炭块中部。修补时将破损位置对应的阳极拔出，将镁砂饼放置在漏铲上（如果镁砂饼太重，可用天车辅助），上面用大钩压住，缓慢送到破损位置上方，将镁砂饼慢慢放入电解质中，使其沉到破损处。用大钩检查是否盖住破损处，如位置不准要用大钩进行调整，直至完全覆盖在破损处为止。②破损部位位于阴极炭块边部，靠近伸腿部位。修补时先将破损部位对应的壳面用天车打开，然后用面积合适的钢板做挡板，挡在侧部炭块与阳极之间，加入镁砂、氟化钙、氧化铝、壳面块的混合物，并迅速用用镦子砸实，最后盖好保温料。

（4）修补效果的判断。修补后第二天取样化验，如果硅铁含量不再上升，并且在接下来的几天呈下降趋势，说明修补效果较好。连续分析观察数日，直至含铁量逐步下降至接近正常水平，证明破损处已经完全补住。

5 修补后的日常管理

成功修补后，可以延长电解槽使用寿命，生产出合格的铝液，有的还能完成较好的经济技术指标。为了达到好的效果，在日常生产中务必要做好以下工作：

（1）保证电解槽平稳运行。匹配合理的技术条件，细化日常管理，狠抓操作质量，保持槽况稳定。

（2）零效应管理。尽量避免发生阳极效应，因为效应发生时会在短时间内产生大量的热量，可能会造成破损处填补材料融化，出现二次破损。

（3）保持较低的炉底温度。适当降低设定电压，提高铝水平，保持较低的电解质温度和过热度，进而达到降低炉底温度的目的。

（4）减少对破损部位的干扰。换极时不要用铁工具触碰破损部位，以免造成填充材料的破坏。

（5）加强日常监测和数据统计工作。日常生产时要对破损部位加强监测，并做好数据的收集和统计工作，确保出现问题时能及时发现并及时采取措施。