300 kA预焙电解槽漏槽原因及预防措施

张卫新，王跃琪，李明照

（1.山西华圣铝业有限公司，山西永济 044501；2.国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州 215011；3.太原理工大学材料科学与工程学院，山西太原 030024）

300 kA预焙电解槽漏槽原因及预防措施

张卫新1，3，王跃琪2，李明照3

（1.山西华圣铝业有限公司，山西永济 044501；2.国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州 215011；3.太原理工大学材料科学与工程学院，山西太原 030024）

详细介绍了某电解铝厂300 kA大型预焙电解槽由于水平电流增大、炉底沉淀增多、炉帮消失导致的漏槽现象，分析了漏槽的原因，有水平电流、炉底沉淀、炉帮破坏，并针对原因提出预防电解槽漏槽的措施。

电解槽 漏槽 沉淀 炉帮破损 水平电流

漏槽是指电解槽在运行期间因侧部炉帮遭到破坏后电解质、铝液熔化槽壳后漏出或因电解槽炉底出现破损铝液熔化阴极钢棒后漏出的生产事故。前者被称为侧部漏槽，后者为底部漏槽。2014年，山西华圣铝业有限公司（全文简称华圣铝业）出现多起漏槽事故。

1 电解槽漏槽状况

2014年，华圣铝业一车间发生的两次漏槽都是由散热孔处铝液电解质外漏造成的。电解系列通电后，恢复较慢，效应频繁，漏槽事故直接造成一定的经济损失。

观察电解槽侧部炉帮破损的位置以及破损前炉帮的情况，如图1所示。

破损发生在散热孔处，距槽延板下方约10 cm伸腿上部侧部炭块消失的位置，外部槽壳铁皮严重破损，熔化处有直径大约29 cm的洞，破损前散热孔温度较高，达到450℃（见图1-1）。

漏槽的电解槽存在严重的侧部上抬的现象，上抬高度15 cm左右，有的直接消失掉落（见图1-2）。

针对散热孔温度较高的位置，剖开侧部，发现有大堆的铝疙瘩，而且直接接触到槽壳铁皮（见图1-3、图1-4）。

漏槽前期，电解槽电压摆较大，如图2所示，散热孔有多处超出400℃，并出现脱极现象。

漏槽是一起重大的生产事故，漏出的高温电解质和铝水如果冲向槽周和炉底，致使冲坏阴极母线，电路短接，强电流致使的金属燃烧、电解槽放炮、爆炸以及系列电流停电等事故，严重时会造成整个电解生产系列陷入瘫痪状态，甚至造成人员伤亡，并可能由此造成二次事故的发生。

图1 电解槽炉帮实图

图2 电解槽电压

2 电解槽漏槽原因分析

2.1 水平电流

在电解槽的正常运行当中，电流通过阳极炭块、电解质、铝液，由阴极钢棒导出。在实际生产当中，由于炉底沉淀的产生，电解槽中的电流并非理想垂直状态，总会产生水平分量。

由于电解槽周围存在垂直方向的磁场，水平电流切割磁场，产生力的作用；如果水平分量较大，将导致铝液发生剧烈波动。铝液镜面不稳定，极距发生变化，电流通过每组阳极电流大小不同，极容易出现脱极现象。与现场统计吻合，漏槽位置往往发生在脱极或者新换极位置处。水平电流增加，也将导致电解质与铝液发生混合，氧化铝无法正常溶解，并且生成炉底沉淀，阻碍电流在垂直方向通过炉底，可造成破损炉帮发红、短路，形成漏槽事故。

2.2 炉底沉淀

在电解槽作业过程中，在加工间隔不合适、人为补加氧化铝料过多或者封堵塌壳冒火方式不正确的情况下，都容易产生炉底沉淀，如图3所示。氧化铝在电解质中溶解，遵守动力学传输原理。将冷的氧化铝加入电解质当中，细散颗粒的外层会形成薄层凝固电解质，如果氧化铝经过预热未达到足够的温度使其溶解，氧化铝就会连同电解质结壳一同沉入炉底，形成沉淀[1]。同时，氧化铝在缓慢的下降过程中，一方面吸热，温度达到电解质温度，一方面溶解到电解质中，吸收热量，可见氧化铝的溶解过程是一个强烈的吸热过程。根据计算，溶解1%的氧化铝，电解质的温度会下降14℃，如果所需的热全部由电解质提供，大约有一半的热量提供给加热，另一半提供溶解所需的热量。溶解的电解质会造成周围的温度降低，进而降低电解质的溶解能力，容易形成沉淀。

图3 电解槽内示意图

通过在生产中观察发现，沉淀的产生与槽况的稳定性息息相关。如图4所示，图4-1为电流通过的理想情况；产生沉淀后，如图4-2所示，电流不能垂直通过阴极炭块，产生水平方向的电流[2]。

沉淀过多，会造成槽底反热，产生热槽，溶解周围炉帮，使其变薄，电解质水平同时升高，容易出现上极面浸泡钢爪现象。这种现象主要发生在低残极，不仅造成原铝质量铁含量升高，还会增加电解工调整电解质水平的劳动量。炉帮中存在大量氧化铝，炉帮融化后，会促使电解质中的氧化铝浓度升高，槽电阻发生改变，电压上升，干扰微机误判下料。炉帮变薄，存在水平电流发生短路的风险，如图4-3所示。沉淀过多，容易产生电压摆，这时需要调高铝水平，以稳定槽况。如果侧部炉帮破损，将是造成漏槽的隐患。

图4 沉淀影响电流示意图

2.3 炉帮破坏

炉帮破损、侧部炭块掉落或者是侧部上抬，主要原因归结为人为操作破坏和焙烧启动时钠渗入。

在换极操作过程中，在进行天车换极前的开边处理时，如果操作不当，侧部炉帮就会被打掉。侧部上抬归结为由于内衬发生断裂后电解质进入裂缝发生膨胀而产生的。在焙烧启动期间，钠渗入阴极及周围炉帮，如果电压降低较快，可导致炉帮断裂。

钠渗透形成的层间化合物CnNam将从微观结构降低炭素内衬中骨料颗粒和黏结相的强度，破坏其结构完整性。在电解运行过程中这种受到破坏的炭素内衬将更容易在其他因素作用下破损失效。当在焙烧温度不够（温度过低或温度梯度过大）的情况下启动电解槽，容易发生钠的非均匀渗透并产生局部应力，从而引起炭块剥落。因为在冷却过程中，钠渗透层的变形基本不可逆，而非渗透层的炭块的热膨胀因具有可逆性而发生收缩，如果在渗透前沿区域产生较大的局部应力，当该应力超过材料强度时就会产生裂纹，导致炭块整体剥落[3]。

在启动期间以及日常维护当中，当侧部加工时或在发生热行程的电解槽上，炉帮比较容易消失[4]。炉帮消失后，容易使铝液进入内衬位置，链接槽壳形成短路，造成散热孔发红或击穿。从生产当中可以了解到，散热孔温度较高（一般在400℃以上），剖开侧部内衬，总能发现有固体铝片存在。

炉帮破损造成铝液中铁含量上升，含量高达0.3 kg/t，直接影响铝液的销售，并增加配铝的困难。

3 预防电解槽漏槽的措施

3.1 降低炉底沉淀

3.1.1 禁止直接用氧化铝封堵塌壳冒火

直接用氧化铝封堵塌壳冒火是炉底产生沉淀的主要原因之一，所以应减少塌壳产生。当电解质水平没有得到及时调整，使得电解质水平过高时容易产生塌壳，为减少因氧化铝加入产生的沉淀，要注意以下几点：

1）每周，车间对电解工进行一次培训，从思想意识上了解直接封堵带来的危害。

2）车间每周测量各工区两个水平（电解质水平和铝水平），及时调整，提高电解质水平合格率，使电解质水平保持在18～21 cm。

3）认真交接班，当班问题当班处理。

4）将低残极、中缝的氧化铝积料及时取出，防止其再次进入槽中。

5）合理封堵塌壳冒火，先将壳面打塌，从新生成坚硬的壳面后，用电解质料封堵。

3.1.2 控制手动加料次数

当发生阳极效应时，减少电解工人为加料次数，可避免因增加氧化铝浓度、干扰微机自动调节而产生炉底沉淀。

首先，建立手动加料台账，细化日常加料次数，了解各工区加料数据变化；然后，工区长每天通过了解下料次数，调整电解槽加工间隔，早晚调整一次。

3.2 维护炉帮的完整性

3.2.1 规范天车开边操作

统一天车工与电解工交流手势，在每次换极操作时，大组长应在旁边进行手势指挥。开边要求打入20 cm，间距10 cm，呈现U型方式开边，避免打到炉帮。

3.2.2 控制槽温

将电压保持在3.85 V左右，将槽温控制在920～940℃之间，防止有大的波动，要注意以下几点：

1）每周，测量槽温两次，调整电压，提高合格率。

2）维护电解槽密封性。及时关闭炉门，整齐摆放槽盖板，在U型口增加密封布，用保温布覆盖电解槽AB面。

3）规范换极槽作，点击换极按钮，增加附加电压。将换极时间控制在40以内，10 min完成收边任务，及时用槽盖板盖住电解槽并用密封布包裹。

3.3 减少水平电流

3.3.1 电解质成分和水平的控制

电解质成分影响导电能力以及氧化铝的溶解能力，电解质水平影响氧化铝溶解量，可见电解质起到维持槽温的重要作用。在管理中，控制电解质水平为18～21 cm、n(AlF3)∶n(NaF)在2.3～2.5之间、电压在3.85 V左右，有利于温度的稳定和氧化铝的溶解能力。在控制中，注意以下几点：

1）每周测一次电解质成分，如果存在不合格分子比，及时调整氟盐量。

2）建立氟盐台账，记录每台电解槽添加氟盐次数以及添加周期，防止有电解槽漏加。

3）称量每台电解槽氟盐下料量，实现精准下料，及时排除设备故障。

4）早晚测一次电解质水平，对于电解质水平不合理的，当班及时调整到位。

5）调整热量平衡，根据电解质流动状态，添加炉面保温料，保持电解槽密封保温。

3.3.2 铝水平的控制

铝水平可以减弱电压波动，减弱磁场对铝液的作用力，同时还能增加散热，利于形成规整炉膛，减少炉帮的溶解。铝水平过高，容易产生沉淀，致使电流分布不均匀，造成局部过热，导致与其他部位存在较大热应力，使内衬破损[6]。漏槽位置发生在人造伸腿上部，而这部分内衬材料往往容易断裂腐蚀，铝液容易渗入。人造伸腿的高度如图5所示，实际测量为28 cm。

图5 人造伸腿高度

车间每周测量两次铝水平，根据数据变动调整出铝任务量，将出铝控制在2.3 t，对于个别效率低的电解槽将出铝量控制在2.1 t，将铝水平保持在22～26 cm。

4 结论

1）通过对电解槽漏槽原因分析可知，炉底沉淀是增加水平电流的潜在原因，炉帮破坏是导致水平电流短路、熔化侧部槽壳的直接原因。

2）防止漏槽事故的发生，主要通过槽体保温、控制两个水平来控制热量平衡，并合理控制进入电解质中的氧化铝浓度，可避免炉底沉淀的产生以及炉帮的破损。

[1]刘业翔，李劼.现代铝电解[M].北京：冶金工业出版社，2008：217-219.

[2]王绍鹏，马松堂.280 kA电解槽针振初探[J].轻金属，2002（12）：31-34.

[3]任必军，张建芬，王兆文，等.大型电解槽碳化硅侧块破损机理与炉帮形成的研究[C]//2007中国国际铝冶金技术论坛，2007：576-583.

[4]李祥祺，胡金平，陈国强，等.大型预焙铝电解槽侧部破损的处理方法[J].中国有色冶金，2006（1）：11-12.

[5]黄继勇，张虎，苏宝峰.大型铝电解槽侧部破损原因分析及对策[J].有色冶金节能，2007，24（2）：24-26.

[6]刘建辉，艾自金.320 kA铝电解槽早期破损原因及预防措施[J].有色金属（冶炼部分），2012（8）：17-20.

（编辑：胡玉香）

Reasons for Leakage of 300 kA Prebaked Electrolytic Cell and Its Prevention Measures

ZHANG Weixin1，3,WANG Yueqi2,LI Mingzhao3
（1.Shanxi Huasheng Aluminium Co.,Ltd.,Yongji Shanxi 044501;2.Patent Examination Cooperation Jiangsu Canter of the Pantent office,SIPO,Suzhou Jiangsu;3.School of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Technology, Taiyuan Shanxi 030024）

This paper describes the leakage of an electrolytic aluminum factory’s 300 kA large prebaked cell,which is caused by the raise of its horizontal electric current,the increasing precipitation on the bottom,and the disappearance of the furnace wall.It analyses the reasons of leakage,including horizontal current,bottom sediment,damage of furnace wall,and puts forward the prevention measures for electrolytic leakage.

electrolytic cell,slot leakage,precipitation,damage of furnace wall,horizontal electric current

TF821

A

1672-1152（2016）06-0113-04

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.06.40

2016-11-03

张卫新（1987—），男，助理工程师，冶金工程在职硕士研究生，山西华圣铝业有限公司技术员。