槽内衬侧部块上抬分析

铝电解槽是铝电解生产的核心设备，电解槽寿命长短直接关系到铝的生产成本及各项指标。对于一个系列年产25万t原铝、电流强度为400kA的大型预焙阳极铝电解槽，每台槽在停槽大修期约少产90t～100t原铝，在启动后，约30d左右才能产出优质原铝，加上停槽前所产铝的质量下降，总计有50d以上的时间生产次等铝，且在电解槽启动初期，电流效率要比正常期低3%左右。目前，大修1台400kA级的电解槽其成本约为65万元，再加上焙烧启动的原材料消耗，以及由于焙烧启动和停槽期间的母线电压降损失所消耗的电能，1台槽由停槽至恢复正常生产所耗的经费约需130万元。由此可见，提高槽寿命对增加产量、节约电能、提高电流效率及降低大修费用等都有重要作用。据统计，目前国内大型预焙铝电解槽的槽寿命大多未超过设计的天数(1800d)[1]，而国外先进的预焙槽槽龄都在2500d以上。影响槽寿命的因素很多，其中由于侧部块上抬现象引起的槽寿命降低在生产中占一定比例，而针对这一普遍存在的问题，目前还没有资料从根本上进行比较系统和深入的分析研讨，只仅仅对出现的问题进行简单的处理。因此，为了能更好地提高槽寿命，增产节能，本文作者针对电解生产中普遍存在的侧部块上抬这一因素进行深入剖析，希望能为电解生产提供参考。

1 电解槽槽内衬侧部块上抬现象

目前，电解槽槽内衬侧部块上抬这一现象在铝电解生产中普遍存在。更有甚者，由于侧部块的严重上抬导致其上压的槽沿板变形、焊缝开裂，从而使侧部块暴露于内衬之外。这不仅破坏了内衬结构，对槽寿命带来不利影响，而且还给生产操作带来了诸多不利。

2 电解槽内衬侧部块上抬现象的分析

在铝电解生产中，引起槽内衬侧部块上抬的因素多种多样，具体归纳起来有以下几点。

图1 电解质侵蚀侧部块造成侧部块破损后沿破损处进入侧部块底部凝固的示意图

图2 电解质沿着侧部块与槽壳内壁之间的缝隙进入侧部块底部而凝固的示意图

（1）人造伸腿裂纹的影响。目前，已经投入正常生产使用的大部分电解槽所使用的人造伸腿都是不经过焙烧的碳素糊料，这种糊料在250℃～300℃时会发生塑性膨胀，在500℃～1000℃时又固化收缩，加上焙烧加热期间阴极电流分布不均，温度梯度大，因此，在电解槽启动初期，由于受热收缩碳素糊料很容易产生裂纹和空隙。另外，由于侧部块与人造伸腿的结合面较光滑，在施工过程中容易出现结合不好的现象，因此，容易在结合部位形成裂纹。当电解质的初晶等温线处于人造伸腿以上时，会在人造伸腿附近凝固而不会继续沿着人造伸腿自身的裂纹和空隙或侧部块与人造伸腿之间的裂纹下移而进入侧部块底部，也就不会给侧部块上抬带来隐患。但由于生产是波动的，当温度控制不稳定时，该等温线会下移至人造伸腿以下，这样一来，电解质就会沿着裂纹或空隙进入侧下部凝固而造成侧部块上抬。

（2）侧部炉帮形成不好的影响。如果侧部炉帮形成不好时，电解质会直接侵蚀侧部块而造成侧部块破损，从而使得电解质从侧部块破损处直接进入侧部块内部，造成侧部块上抬（见图1）。

（3）侧部块与槽壳间缝隙的影响。为了限制侧部块上抬，在其上通常设有槽沿板，而侧部块顶面与槽沿板之间留有一定间隙。但由于生产的波动，温度控制不稳，两水平波动大时，熔体电解质会进入该间隙。当电解质水平降低时，填充到缝隙中的电解质发生凝固，凝固的电解质体积膨胀后顶压槽沿板使其上翘，从而导致侧部块无约束而上抬。另外，在施工过程中，由于侧部块与槽壳内壁之间存在缝隙，进入槽沿板与侧部块顶面的电解质有少量可能会继续沿着侧部块与槽壳内壁之间的缝隙进入侧部块底部而凝固，最终造成侧部块上抬(见图2)。

（4）侧部上下复合块间粘接缝隙的影响。大型铝电解槽侧部块要求具有电阻率高、热传导率高，高温下机械强度高，优良的抗氧化性、抗热震性、抗腐蚀性、空隙度小等特点。为了满足这一系列本求，目前投入生产的大型铝电解槽所采用的侧部块通常为整块SiC-Si3N4块，但为了考虑节约成本，通常可以选用SiC-Si3N4块与碳块粘接的“上下复合块”。若侧部块选用“上下复合块”，此时SiC-Si3N4块与碳块的粘接须在现场实施，由此带来施工质量问题或粘接技术不过关等问题，很难保证SiC-Si3N4块与碳块之间的接缝粘结良好，最终造成侧部块存在留有缝隙的隐患。同时，由于“上下复合块”的接缝长期处于熔融电解质中，当生产发生波动导致炉邦减薄甚至于完全熔化后，此接缝就会没有炉邦的保护而直接暴露在电解质液体中。这样一来，电解质就会不断渗透到“上下复合块”的接缝里而凝固。当凝固的电解质累计过多后会促使侧部块上抬，从而使得槽壳侧壁直接接触电解质，造成电解槽侧部漏炉。

（5）阴极碳块膨胀的影响。金属钠通过界面反应与阴极碳块中的碳形成稳定的嵌层化合物，由于其晶格大于碳素晶格尺寸而造成阴极碳块膨胀。在本文的设计中，大面侧下部都保留有伸缩缝，这是调整内应力的重要环节。理想的伸缩缝材料应该是：当压应力大于某一设定值时，可以被压缩而缓冲压力；当压应力小于设定值时，可以反弹。但在现实生产中，理想的伸缩缝材料是没有的[2]，因此，当伸缩缝材料不能调整阴极碳块膨胀力对侧部的影响时，伸缩缝材料会受阴极碳块膨胀力和槽壳的约束力相互作用而挤压上抬，带来侧部块也随之上抬。

3 如何解决或减轻侧部块上抬的现象

（1）选用预制块代替人工扎糊。为了克服上述人工扎固的碳素糊料的“冷涨热缩”现象，对于人造伸腿，可以选用预先经过焙烧的预制碳块代替现场人工扎固的碳素糊料。由于预制碳块具有耐冲刷性强、热膨胀率低、不易产生裂纹，施工简便等优点，有利于降低电解质的浸入凝固而造成侧部块上抬的现象。

（2）优化内衬结构，调整工艺参数，形成合理的炉帮结构。利用成熟的三维电-热场耦合计算模型，针对不同种类物料要求，精准的确定相应内衬结构及工艺参数，得到合理的电解槽内部等温线分布，使电解槽在生产中保持规整的炉帮形状和合理的炉帮厚度，如此一来，既保证了电解槽的稳定生产，又很好的保护了侧部内衬，延长了槽寿命。

（3）选用侧部开槽的侧部块。为了使周围糊(即人造伸腿)能与侧部块粘接紧密，需要对侧部块进行局部处理，即在侧部块与周围糊料连接处设置一定深度的三角形或梯形沟槽，使得侧部块与糊料通过沟槽互相镶嵌。此种结构的侧部块能够提高其与周围糊的结合度，降低由于结合不良产生缝隙的可能性，从而阻断电解质的浸入，减少侧部块上抬现象的出现。

（4）在侧部块顶面与槽沿板之间填充某种糊料。侧部块与槽沿板之间所留的间隙为电解质的浸入创造了便利，为了截断此途径，可以在侧部块顶面与槽沿板之间填充某种糊料。该种糊料的填充使得电解质不能进入侧部块与槽沿板之间的间隙，从而防止电解质浸入，最终降低侧部块上抬的几率。

（5）侧部块采用整块SiC-Si3N4块。为了避免碳块与SiC-Si3N4块之间的粘接接缝带来的电解质浸入隐患，且保证侧部块具有电阻率高、导热性好，高温下机械强度高，抗氧化性、抗热震性、抗腐蚀性好和空隙度小等特性，侧部采用整块的SiC-Si3N4块代替“侧部上下复合块”。

（6）减轻阴极碳块膨胀程度。对于钠与碳的作用通常碳的结构越是无序，则在各种温度下吸收的钠量越多。据研究报道：在温度为950℃～1000℃范围内，由于碳趋于生成较多的石墨化结构，而石墨化结构的特点就是吸收的钠量较少，从而使碳块膨胀变小。因此，考虑到石墨化结构的特点，应尽量选用石墨含量较高的阴极碳块来减轻阴极碳块的膨胀，从而减小阴极碳块所产生的膨胀应力，最终使低强保温砖不至于被挤压过度而上抬，减轻侧部块上抬现象。

（7）对槽沿板进行加强处理。为了约束侧部块上抬，对原有结构的槽沿板采取加固的方法处理，即在槽沿板上加装筋板。但应注意加装的筋板不能过多，否则会造成约束太强，不利于应力的释放，造成侧部块损坏。同时加装的筋板还应考虑不影响正常的生产操作。

4 结语

综上所述，为了减少侧部块上抬现象，可以对内衬结构采取如下的改进措施。①人造伸腿可选用预制碳块；②优化内衬结构，调整工艺参数，形成合理的炉帮结构；③对侧部块进行开槽处理；④在侧部块与槽沿板之间填充糊料；⑤采用整块SiC-Si3N4块替代“侧部上下复合块”；⑥阴极碳块可选用石墨含量较高的阴极碳块；⑦对槽沿板进行加强处理以约束侧部块上抬。

另外，除了对槽内衬采取以上结构改进措施以外，还应注意严把材料订货和扎固施工质量关、电解槽焙烧启动质量关，且生产操作工艺控制应稳定，避免温度的控制大起大落。只有将以上采取的各种措施和注意事项很好的结合起来，才能有利于减少侧部块上抬现象。