1引言
1.1 研究背景
自1954年我国第一家电解铝厂抚顺铝厂建成并投产，年产铝量为1.5万吨，经改革开放，我国的铝工业有了突飞猛进的发展。经不断努力，1992年我国电解铝产量首次突破100万吨，十年之后，我国原铝产量达到342.7万吨，成为世界第一。随后我国电解铝呈“井喷式”发展，连续12年排名世界第一，时至2012年，我国电解铝产量达到2200万吨，如图1所示。
图1 我国原铝产量变化趋势
目前，我国大型预焙电解槽平均寿命普遍在1500～1800天之间(如表1)，最长也超不过2000天，而国外大型预焙电解槽平均寿命可达2500～3000天[]。尽管我国电解铝技术已居国际中上游水平，但与国外相比相差接近一半。此外，由于大型预焙电解槽的大修费用高昂，使吨铝成本比国外高，从而削弱了国内电解铝厂在国际市场的竞争力。显然，电解槽的寿命因需更多的关注，如何使电解槽的使用寿命得到延长对铝厂具有十分重要的意义。
表1 国内企业电解槽平均寿命
影响电解槽使用寿命的因素很多，统计数据表明[2]，各主要影响因素及其在槽寿命上所占的比例大致如下图所示。
图1 影响电解槽寿命的因素及其所占比例
1.2 研究目的及内容
铝电解槽寿命是铝电解生产的重要标志，是受多种因素影响的一项综合指标，其长短直接影响铝电解生产成本和企业的经济效益。基于电解铝工业的发展状况以及影响电解槽破损因素的分析，提出了与之相对应的延长电解槽寿命的方法。优化内衬设计，以提高电流效率，形成合理形状的炉帮;采用优质的筑炉材料，来改善侧部散热，延长保温材料的使用寿命;消除焙烧引起的阴极内衬电流分布不均和热应力现象，从而延长电解槽的寿命，降低企业成本、节约能源，提高企业面向市场的竞争力。
下面就从电解槽的设计、筑炉材料及工艺、焙烧启动和日常生产管理方面对提高铝电解槽寿命进行一些探讨。
2.电解槽设计的影响
电解槽的设计包括结构设计和物理场的设计。
2.1 结构的设计
铝电解槽的阴极内衬是由炭块砌筑而成的，内衬材料的破坏最终会造成电解槽停槽大修。内衬材料不仅要承受高温冰晶石熔体的侵蚀，还要承受熔盐电解过程的电化学作用。因此，内衬设计的好坏，直接影响阴极的使用寿命。
内衬设计应满足底部保温和侧部散热的要求，并能建立稳定的、高电流效率的合理形状的炉帮，力求尽量减少能耗，降低热损失。中南大学、东北大学和贵阳铝镁设计院等单位，设计了一套2D+3D的混台切片模型[, , ]，为实际电解槽生产提供理论支撑。国内电解铝企业和设计研究所，在电解槽内衬结构方面提出了诸多改进方案，如槽壳侧部改为单围带并加装散热片;侧部炭块厚度减薄，减小槽加工面;采用小船形的槽壳结构[]等均有利于槽侧部散热和热平衡的建立。
2.2 物理场的设计
物理场包括磁场、流场、热场、力场等物理场体系。其相互作用致使电解质和铝液发生旋转运动，侧部炉帮受到高温熔体冲刷而被熔解，若熔体的速度沿槽周边分布不均程度较大，人造伸腿被冲蚀，势必造成电解槽的早期破损。传统电解槽没有物理场的设计，电磁场呈无序分布，铝液流通波动大，炉膛不能形成最佳平稳状态，槽结构受力不均衡，影响了电解槽内衬寿命。
近年来，通过模拟技术有效模拟物理场，为炉帮的形成提供了理论依据，可使槽内温度控制在最佳的范围，从而避免了电解槽早期破损。Paulsen等人对槽侧部槽帮和槽壳温度进行了相关性研究，建立一维槽帮、槽侧壁温度和侧部热损失电热瞬态模型[, ]。加拿大MarcDupuis等人建立了3D电一热场瞬态有限元模型，对300kA电解槽焦粒焙烧时，阴极内衬的温度随时间的变化进行了研究[, ]。因二维瞬态模型计算量巨大，使其在铝电解槽的现场的应用中效果有限。
3 电解槽材料影响
筑炉材料包括阴极炭块、侧部炭块、防渗材料、耐火保温材料、捣固糊料以及槽壳等。每一种材料的优劣都将影响电解槽的筑炉质量，从而制约电解槽寿命。
3.1筑炉材料对槽寿命的影响
(1) 炭块的影响
阴极炭块在电解过程中除了承受高温熔体的侵蚀，还要承受电化学作用。目前预焙电解槽绝大部分采用半石墨质阴极炭块，易产生变形和向上隆起，引起电流偏流和电压降增大，铝的纯度降低，槽膛有效深度减小，造成生产操作困难;在焙烧过程中钠和电解质向阴极炭块渗透，造成阴极起层脱落，形成冲蚀坑。在正常的生产中，侧部炭块出现大面积的碳化硅脱落、氧化、烧损以及炭块消耗过快的现象，都会造成侧部漏电和红炉帮，给电解槽的平稳运行及槽寿命带来极大的影响，也会使电解槽的产量和各种经济指标长期偏低。
(2)耐火和保温材料的影响
电解槽炉底保温主要由保温材料发挥作用，一旦保温材料受到电解质和铝液的侵蚀，如电解质和铝液与其发生熔解或渗透，材料的保温性能将会发生变化。因而改变保温和耐火材料的性质，将会影响铝电解的经济指标和槽寿命。
(3)阴极捣固糊料的影响
电解槽采用普通阴极炭块组，阴极炭块之间的缝隙常用扎固糊填充并捣固扎实粘结而成。一般认为阴极炭块膨胀能够将其之间的缝隙挤紧，事实上槽壳也在向外膨胀，捣固糊与阴极炭块间的裂纹在未焙烧之前就已产生。焙烧期间若电流分布不均，局部温度过高，阴极炭块和烧结后的捣固糊都会随温度的升高而发生收缩，这样缝隙越来越大，导致电解质和铝液的渗漏，造成电解槽早期破损。
(4)槽壳的影响
槽壳是电解槽阴极结构的主要组成部分，整个槽壳承受着其本身的热应力和内衬对槽壳施加的压力，槽壳内侧从常温被加热到300。C时，产生热应力使得槽内衬产生一系列变化。特别是阴极底部炭块，水平力使槽壳四周向外扭曲，垂直力使槽壳和炭块向外或向下突起。槽壳的变形会影响阴极内衬的稳定性并使其产生裂纹。铝液和电解溶液使底部突起，产生张力并加剧槽壳变形，最终导致阴极内衬早期破损，缩短槽寿命。
3.2 方法—选用优质筑炉材料
全石墨质石墨化阴极炭块具有较好的理化性能，有利于降低炉底压降，弥补半石墨质阴极炭块的缺点，改善铝液对阴极的润湿性。但其也存在钠膨胀率小于其它阴极炭块的特性，如图2。阴极使用TiB2涂层技术，可以减少钠和电解质侵蚀以及炭块的磨损，从而延长电解槽寿命。LarryG.Boxall等人[]测试了TiB2阴极涂层的润湿性，发现涂层具有良好的铝液润湿性，通电电解可加速铝液润湿。A.Oye[]研究了TiB2涂层阴极的抗钠膨胀性，结果表明TiB2涂层与铝液具有良好的润湿性，从而减少钠膨胀20%～70%。
图2 不同材质阴极炭块的钠膨胀率
现代先进的铝电解槽，用碳化硅材料构筑电解槽侧壁，该材料与其它碳化硅基和炭基侧壁材料性能差异见表1，从表可知，碳化硅结合氮化硅材料是电解槽理想的侧壁和内衬材料，其优点为：耐热强度高，导热性好，线膨胀率低，抗震性好，抵御高温化学腐蚀性好，在不改变槽壳的情况下扩大了电解槽的容积，改善了侧部散热，利于侧部炉帮的生成和稳固，延长了电解槽的使用寿命。
表1 碳化硅结合氮化硅材料与其他碳化硅基和炭基侧壁材料性能比较
耐火材料和保温材料可采用于式防渗料，干式防渗料的理化性能见表2。干式防渗料是最有效阻止电解质渗透的耐火材料，可减少环境污染，节能降耗，延长保温材料的使用寿命;选用灰份含量低，有良好的导电导热性能、耐侵蚀、烧结性能好等优点的捣固糊，才能更加有效地预防电解槽的早期破损;选择合理的槽壳，其应有足够的强度来抵挡炉膛内的热应力和内衬材料膨胀产生的应力，且能约束内衬材料相互间的运动，避免阴极内衬早期破损。
表2 干式防渗料的理化性能指标
4.筑炉工艺的影响
4.1 筑炉工艺对槽寿命的影响
电解槽内衬筑炉施工质量对其寿命有直接的关系。如炭糊扎固，在传统的阴极结构中，阴极炭块之间用炭糊经捣固粘结在一起，电解槽在焙烧启动和生产过程中，由于炭糊收缩、人工捣固、糊料性质、施工质量引起捣固性能发生变化，容易出现分层剥落现象，铝液容易由此发生渗漏，从而造成电解槽的破损。
4.2 方法—改进筑炉工艺
阴极炭块采用挤缝粘结技术[]，不仅能减少炭糊使用量，而且可以消除阴极底部炭块的中缝以及因捣固糊引起的内衬质量事故，同时减少熔体向下部渗漏，延长了槽寿命;耐火层和保温层应有最大的耐腐蚀性，槽壳底部与侧部必须平整。侧衬的砌筑必保证侧部材料与槽壳粘结牢固且紧密连接，并完全用胶泥填充，防止铝液和电解质的渗透。此外，筑炉应选择经验丰富的施工单位，应用现代化设备和管理方法，进行程序化作业，确保筑炉质量。
5 电解槽的焙烧启动
5.1 焙烧启动对电解槽寿命的影响
焙烧启动是电解槽进入正常生产前的关键操作，这个阶段管理质量的好坏影响电解槽运行外，还影响电解槽寿命，特别是内衬的寿命[,,]。焙烧期间，因电流分布不均造成阴极表面温度不均、局部温度过高，使阴极碳块膨胀不均匀，造成阴极破损。湿法启动时，在准备启动电解质时需提高槽电压，会造成早期形成的炉帮被熔化，难以起到防止侧部漏电、保护侧部碳块的目的，而且再建炉帮存在一定难度，因此发生“红炉帮”的现象，严重时会造成漏炉事故，缩短槽寿命。
5.2 方法—采用最佳焙烧启动工艺
采用加长的阳极进行焙烧，可使阳极覆盖到阳极中缝并得到充分焙烧;现行的预热焙烧启动方法中火焰预热焙烧启动法最接近理想方法,最好选用天然气焙烧法，其次为焦粒焙烧法，最后选用铝液焙烧法和铝块(屑)焙烧法。如果能采用新型高性能的内衬材料, 该法将会更完美。中南大学刘业翔院士领导的课题组研究TiB2涂层技术已数年, 形成了较为成熟的技术,若该技术能与火焰焙烧启动法相结合, 势必会使焙烧启动方法更趋理想, 促进我国铝工业的发展。
6 工艺操作的影响
6.1 电解槽日常生产管理对槽寿命的影响
(1)供电制度以及系列电流强度
电解生产过程中必须要有平稳的供电制度。现代电解槽容量比较大，每次电解槽大修需进行全系列停电，电流过低或过高都会影响电解槽的破损，不仅对正常生产技术条件造成破坏，而且使电解温度急剧下降，碳块中渗透的电解质全部凝固，致使碳块早期隆起、碳块和碳缝破损并加剧槽壳变形，从而缩短了电解槽寿命。
(2)电解温度
电解温度高低既影响内衬结构，又影响电流效率，高温下难生成炉帮。实践证明，无论电解槽形成冷行程或热行程，都会不同程度地缩短阴极内衬的使用期。尤其是电解温度长时间处于高温生产状态是造成电解槽后期破损的最主要原因。
(3)分子比的控制
实践证明，随分子比的增加，钠的渗透量增加，而电解质分子比较低时，主要以电解质渗透为主。分子比升高会造成电解温度升高，通常将电解温度视为电解生产重要的技术条件，而分子比又是电解温度控制的基础，因此分子比控制的好坏直接影响电解温度的控制，而电解温度的波动又直接影响着电解槽的寿命。
(4)加工制度和炉膛
好的加工制度，即保证槽中的氧化铝完全溶解又不会发生阳极效应，炉底压降小，电流效率高，炉帮结壳规整;若加工制度不好，那么氧化铝要么沉在槽底，要么电解槽缺料，从而出现炉底压降增加、阳极效应等，加速槽内衬的破损。
6.2 方法—优化日常生产管理
电解槽技术条件的管理是生产过程最重要的管理，根据不同槽型特点，加强对电解槽模糊控制和生产技术条件优化探索，通过不断优化完善生产槽的管理，选择适合自身的技术条件，为延长电解槽寿命提供有力的保障。综合多家生产经验，表5.2给出了预焙槽正常生产状态下的生产工艺制度。实践检验的结果证明采用“四低一高”工艺技术(即低电解质温度、低氧化铝浓度、低分子比、低阳极效应系数和较高的槽电压)这种状态下生产，电解槽可实现长寿。
表5.2 铝电解槽合理生产技术条件
7 结语
尽管铝电解槽的早期破损是无法避免的，但是只要采用合理措施，如选用高质量的筑炉材料;在施工中不断改进施工工艺，使用新技术，做好施工中的过程控制。不仅要在材料的选择、筑炉质量及工艺以及焙烧启动方面进行改进，还要不断完善电解槽的日常生产管理和操作维护，那么我国的电解槽在延长槽寿命上一定会取得新的进步。
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编辑：中冶有色技术网
来源：西安建筑科技大学、陕西榆林新材料有限公司
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