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鋁電解槽使用壽命如何提高 合理選擇耐火材料

作者:寰洋實業  發布日期:2017-02-17

由于大修、焙燒啟動費用及陰極內襯廢料排放費用昂貴,各國電解鋁廠均致力于提高電解槽壽命的研究。本文結合實際對電解槽壽命問題進行了探討。

1、提高電解槽壽命的意義

統計結果表明:國外大型預焙陽極鋁電解槽的平均壽命在5年(1800天)以上,法國彼施涅公司的180kA電解槽平均壽命甚至達2190天~2820天,而我國大型預焙陽極鋁電解槽陰極內襯壽命平均不到1500天,與國外有一定差距。電解槽大修、格燒啟動需要投人大量的人力與資金。圜此,延長電解槽的使用年限對提高電解槽生產的各項經濟技術指標,增加產量以及降低電解鋁成本有重要作用。

2、影響電解槽壽命的因素

槽壽命的長短與多種囚寒有關,如內村結構的設計、施工質量、內襯材料的性質質量、電解槽焙燒啟動質量等(如圖1所示),其中主要因素是陰極內襯設計和電解槽的操作和砌筑方法。電解槽操作包括焙燒啟動和日常操作,這幾類因素對槽壽命的影響大致占90%,因此既要有良好的陰極內襯設計,也要注意焙燒啟動及后天日常的操作。


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3、電解槽破損原因的分析

3.1 電解槽陰極裂縫

電解槽焙燒時,電流分布不均勻,使陰極炭塊產生局部過冷或過熱,在交界處形成裂縫。電解槽啟動初期,槽溫偏低,陰極析出的鈉不斷滲透到炭縫里與碳發生反應,生成碳鈉嵌入式層狀化合物,破壞了炭的晶格,使炭塊體積膨脹和酥松,使其上表面膨脹率大,下表面膨脹率小,這樣就使陰極炭塊自然向上拱起,產生很大的膨脹應力,當陰極炭塊承受不了這種拱起的抗彎強度時,便在陰極炭塊中產生裂縫,給電解質和鋁液入侵創造條件。

在鋁電解槽的整個使用期內,鈉始終從表面向陰極炭塊中滲透,使炭塊的裂縫擴大,槽內鋁液在磁場的作用下產生局部旋渦,并夾帶有沖刷作用的懸浮氧化鋁沖刷裂縫,又使裂縫逐漸擴大和增深,鋁液向下巷透,當裂縫與陰極鋼棒相通造成電流集中,局部溫度超高,陰極鋼棒便被鋁液熔化,使電解槽破損加快。如果電解槽焙燒溫度過低,啟動時吸鈉更快,槽破損越嚴重。

3.2 槽側部爐幫不易形成

電解槽側部破損主要是由于側部散熱不良不易形成保護側部炭塊的爐幫,使熔融的電解質隨著電解的進行緩慢地滲透到炭塊中。而電解質中的鈉離子很容易與碳發生反應生成碳一鈉中問化合物,引起側部炭塊疏松、剝層,這就加劇了側部炭塊被氧化和侵蝕的速度,以160kA電解槽為例,電解槽熔體的流動呈兩個不對稱的主璇渦運動(兩側立柱水平磁場對垂直電流作用引起)(如圖2)。


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這說明在電解槽的1/4處是鋁液和電解質流動沖刷強烈的地方,正好對應電解槽兩大面的第2根陰極鋼棒與笫4根陰極鋼棒之間和笫10根陰極鋼棒與第14根陰極鋼棒之間。

因此,此處側部炭塊人造伸腿容易受到沖刷磨損,導致下面陰極鋼棒承受更大電流,引起過熱發紅,甚至發生漏槽而導致停槽,縮短電解槽壽命。

3.3 陰極炭塊分層、脫落

當陰極炭塊質量不好或局部電流集中時,會耐不住電解槽通電焙燒高溫的熱沖擊,或由于焙燒時間不夠而強行啟動,使陰極炭塊內部產生不均勻膨脹壓力,而此時陰極炭塊表面吸收了大量的鈉,也會發生明顯的體積膨脹,從而使陰極炭塊表面出現分層、脫落現象。

4、提高槽壽命的措施

針對以上影響槽壽命的因素和電解槽破損原因,提出以下對應措施。

4.1合理的陰極設計和選用內襯材料

(1)合理的陰極設計

陰極設計的主要方面是內襯、槽殼、熱場和磁場設計。目前大型鋁電解槽內村設計的原則是側部散熱,底部保溫,這樣有利于形成規整的爐膛。設計的槽殼必須能承受和限制陰極熱變形,能抵抗由槽陰極及爐膛內溫度分布引起的使槽殼發生變形的應力。槽殼內的熱場設計應適合工廠操作,以保持熱平衡。倆部爐幫的大小和位置,電解槽膛內等溫線的位置都取決于陰極的熱場設計。沒有適當的爐幫,槽側部易受電解質的侵蝕,而等溫線位置不舍適會使陰極炭塊更易受電解液和鋁液的侵蝕而破裂,這兩種因素都會縮短槽壽命。磁場對電解槽的影響也很大,電流 經陽極導入電解液、鋁液和陰極,在周圍環境中產生了強大的磁場,鋁液中的垂直電流與水平 磁場相作用而產生的電磁力,會引起鋁液中心部分隆起,當槽內電流不對稱時使鋁液旋轉滾動,降低電流效率,且當夾帶沉淀的鋁液產生的旋渦流使陰極炭塊受沖刷而形成沖蝕坑,以后會越磨越深,使陰極破損。所以鋁母線的配置應盡量減小磁場對電解槽內鋁液的影響,現代大型電解槽采用橫向排列和多點進電,可減輕和抵消垂直和水平磁場強度。

(2)選用合適的內襯材料

內村材料是影響槽壽命的重要因素,它包括陰極嵌塊,側部材料,耐火材料和保溫材料等粘土耐火澆注料比重。為獲得較高的槽壽命,選用合適的陰極炭塊極為重要。對陰極炭塊的基本要求是它在鋁電解的條件下能抵御鈉、電解質和鋁液的侵蝕作用,能夠在相當長的時間內使用,其次要求它有良好的導電性和一定的耐熱振性和機械強度,經得住焙燒啟動期間溫度激烈上升,并能承受鋁液的沖刷作用。目前使用的陰極炭塊主要有三種,表1比較了這幾種炭塊的多種性能。

石墨化炭塊抗鈉腐蝕性,電阻也小,但它易受侵蝕和成本高。半石墨炭塊比石墨炭塊耐蝕能力強,但成本高于無定型炭塊。無定型炭塊導電性雖差,但其耐蝕能力強,且成本較低。選用古石墨30%以上高導電陰極炭塊比較合適,雖然成本高于無定型炭塊,但抗鈉腐蝕性和導電性能要明顯優于無定型炭塊,可降低陰極壓降,使陰極導電更加均勻,對提高電解槽壽命及降低電耗有利,某廠曾進行過含40%石墨的半石墨炭塊在160kA電解槽的應用試驗,實驗結果表明試驗槽的壽命都有延長,達1800天左右。另外為提高槽壽命還應選用合適的側部材料和耐火材料及保溫材料。側部材料應能耐物理和化學的侵蝕,還要能抗氧化,要有足夠的熱傳導來建立一個保護性的爐幫。好的側部材料應有以下特征:電阻率高、導熱率大、機械強度高、抗氧化和抗腐蝕能力強、生產成本低?,F大部分采用的是碳化硅側塊和碳化硅與炭塊的復合側塊。


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(3)保證筑爐質量

保證筑爐質量也是提高槽壽命的先決條件,選用砌筑的各種材料應嚴格按照技術標準,貫徹內襯砌筑技術規程。對保溫磚、耐火磚每塊每行每層灰縫的要求是即薄又滿,應將側部材料砌筑得無裂紋。每項砌筑工作都應仔細進行。即要有嚴格的操作管理,還要嚴把筑爐材料關,嚴格搗固工藝技術條件,如風壓、扎固壓縮比等。

4.2電解槽操作

電解槽操作包括電解槽焙燒、啟動和電解槽的日常操作,是決定電解槽壽命的重要因素之一。要達到長壽槽,需要有良好的焙燒啟動過程,精心控制分子比和溫度范圍、電解質和鋁液高度,協調地氧化鋁給料,且使電解槽陽極和陰極電流分布應均勻。

總的來說,要精心焙燒和啟動,在啟動初期保持適宜的高分子比和較高的槽溫,保證其不致早期玻損。

另外,還需日常精心地管理和維護,以獲得的槽壽命。以下分三方面具體說明。

4 .2. l  選擇合適的焙燒啟動工藝制度

焙燒的目的主要是烘干爐體,并提高陽極和陰極的溫度,以利于下一步的啟動。焙燒階段雖然時間不長,但是工作的好壞影響到以后的生產,所以要特別注意。重要的是在焙燒中要維護內襯材料的完整性,溫度在陰極內的分布必須均勻,使陰極逐漸被加熱,通過陰極的溫度梯度過渡平緩,陰極就會平緩地升溫。以前主要采用的是鋁液焙燒法,此種方法平穩方便,操作較簡單,焙燒時電解槽電流分布較為均衡,焙燒溫度均勻,但嚴重的缺點是高溫對陰極的熱沖擊以及鋁液會侵入陰極焙燒時產生的裂縫。鋁液與陰極棒接觸會產生陰極局部過熱,而侵入保溫層破壞熱平衡。為克服這個缺點,現在大都用焦粉焙燒。

★焦粉焙燒

焦粉焙燒又分焦粒焙燒、石墨粉焙燒、焦粒+石墨粉焙燒等三類焙燒方法。

(1)焦粒焙燒法

焦粒焙燒法是以焦粒作為電阻層對電解槽陰極進行焙燒。

主要優點是陰極內襯從常溫逐漸升溫預熱,可防止陰極表面受到熱沖擊,使用軟連接與分流片技術可以控制陰極內襯的預熱速度,避免局部過熱現象產生。另外由于焦粒的電阻大于鋁水,所以焙燒時間可以縮短,節省了電能。在啟動時首先灌入的是電解質,避免了啟動時漏鋁、滲鋁現象的產生,有利于預防電解槽早期破損。

其主要缺點是分流片與軟連接的安裝與拆卸過程比較繁瑣,啟動后電解質內炭渣較多,增加了撈渣的工作量。另外對鋪焦粉、掛極等操作也有較嚴格的要求。

(2)石墨粉焙燒法

石墨粉焙燒足以石墨粉作為電阻對電解槽陰極內襯進行焙燒。

該焙燒方法為丹江鋁廠引進德國VAW114,5kA電解槽時帶進的,國外很多鋁廠使用此方法對電解槽進行焙燒。

其主要優點是可以不用分流器,焙燒時溫度及陽極電流分布更均勻,由于焙燒時石墨粉用量少,啟動后電解質內炭渣也少,減少了撈炭渣的工作量。在啟動時首先灌入電解質也預防了電解槽早期破損,對提高槽壽命有利。

其缺點是鋪石墨糟及掛極要求很嚴格。

(3)焦粉+石墨粉焙燒法

此方法是中鋁股份貴州分公司獨創的一種焙燒法,它是將焦粉和石墨粉按一定比例混合作為電阻層對電解槽陰極內襯進行焙燒。

優點是通過軟連接及分流片控制電解槽預熱速度,避免局部過熱。

缺點是鋪焦粉和石墨粉、掛極等操作的要求十分嚴格。

焦粉、石墨粉、焦粉+石墨粉等焙燒方法基本上是一致,沒有本質分別。其主要區別就是石墨粉因為電阻比焦粒低,便于溫度控制,焦粒由于電阻大,升溫快,溫度不好控制。而焦粉+石墨粉介與二者之間,應當采用此種方法作為電解槽的焙燒啟動,但對于鋪焦粉、掛極等關鍵操作過程應仔細研究,使之更加完善。

★鋁液焙燒

采用鋁液焙燒啟動時,過程為:焙燒槽灌鋁液,全電流通電焙燒,焙燒時間192小時左右,啟動時灌電解質,采用AE啟動。由于陰陽極間導電介質為金屬鋁液,有利于焙燒過程中電流分布的均勻,但是焙燒電阻較小,升溫過程緩慢,焙燒時同較長,造成焙燒結束溫度較低,其技術特點可歸納如下。

①電流分布均勻;

②焙燒時間長;

③焙燒溫度低(950℃左右)。

此方法缺點之一就是鋁液首先與陰極炭塊表面接觸,焙燒過程中產生的不可避免的裂縫和孔隙,首先由金屬鋁液充填,由于鋁液所具有的良好流動性和較低的熔點,以及熱脹冷縮作用,將加速裂縫的擴大及裂縫間的貫通,造成滲鋁甚至內襯破損。當然,鋁液焙燒漏鋁并非必然,只有在炭素內襯的裂縫或孔隙與外圍澆注料、耐火磚、鋼棒與炭素材料間的縫隙偶然串通時,才會發生滲漏。

4.2 .2  電解槽啟動后的維護

啟動后期很好地維護并使電解槽順利地轉入正常生產,這對電解槽壽命影響很大。應使電解槽在啟動后期電流保持穩定,電解槽不得進入冷行程,否則會使爐內沉淀增多,應保持適宜的高分子比和較高的槽溫,保證其不致早期破損。要保持槽內熱平衡,使槽溫逐步下降,利用效應的時間清除炭渣,有計劃地下降電壓,總之,啟動后期控制好槽溫很重要。

4 2.3  正常生產期間工藝技術備件控制

在電解槽正常生產期間應嚴格控制技術條件,保持穩定的熱平衡,降低槽發病率,以延長電解槽壽命,如槽溫過高,爐幫會被熔化,破壞槽膛內形;如槽溫過低和電解質水平、鋁液水平保持不好,會造成爐底沉淀,電流分布不均勻,槽況惡化,引發病槽。多年實踐表明,各種病槽都會使電解槽陰極內襯遭到不同程度的影響,時間一長使電解槽破損,大大地縮短電解槽壽命。如陽極效應過多是影響槽壽命的一個重要因索,當發生陽極效應時,槽電壓驟然上升數十伏,槽溫上升30℃~40℃,槽溫高時達1000℃,容易破壞電解槽的穩定性,嚴重時燒穿爐幫,實際上有部分槽子就是因為效應引發漏爐而停槽。此外,效應過多使電解槽經常處在高溫狀態,也會使側部爐幫易化,爐膛形成不好,降低電解槽的穩定性。

我國近年來先后推廣的幾項新技術均對延長槽壽命、提高電流效率起到重要作用。其中自92年開始推廣的自適應技術及電解槽筒式下料器改造,改進了原有加工制度引起沉淀多,效應頻繁使鋁液中水平電流增大,加劇高溫鋁液和電解質對側部炭塊的沖刷和侵蝕,造成電解槽側部破損的缺點,實現了按需下料,勤加工少下料,氧化鋁容易分散,并立即被電解液浸透溶解,從而避免或減少槽底沉淀的生成,陽極應系數降到0.1次/(槽·日)以下,電解槽溫度也有所降低,生產平穩,有利于側部爐幫的形成。

“四低一高”的工藝技術條件控制方法,也使槽發病率降低,陰極破損減少,為提高槽壽命創造了條件。另外還應采取科學的管理方法,對電解槽在整個生產過程中出現的冷槽、熱槽等應及時搞清產生病槽的原因,對癥下藥,使電解槽盡快轉入正常生產。

現正在中鋁系統內推廣的“三度尋優”工藝控制技術,確定了鋁電解槽低分子比、低溫、合適的過熱度的技術路線,充分利用信息化控制手段,實現過熱度的在線控制,開發出天平式氧化鋁控制技術,確定了氟化鋁添加的調整策略,實現設定電壓在線自動調整,由此實現電解槽信息化、標準化的管理模式,全面提高了電流效率等指標,也對提高電解槽壽命作出了貢獻。

4.2.4   破損槽采取補救措施

生產中破損槽是不可避免的,為把損失降到,應針對不同的破損,采取相應的補救措施,使電解槽繼續生產。對槽側部局部過熱發紅的電解槽,可用壓縮空氣冷卻該部位,還應適當增加大面加工次數,降低側部溫度。對陰極鋼棒發紅嚴重的電解槽,可將該處陰極鋼棒割斷,使其停止通電逐步降溫,但如爐膛不好則不宜采用此法。


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