浅谈电解槽槽壳破损原因分析及修复方式

浅谈电解槽槽壳破损原因分析及修复方式

刘剑飞1,董振2

云南宏合新型材料有限公司云南省红河市652400

摘要：随着电解铝行业技术发展, 电解槽型越来越大、槽壳尺寸也随之增大, 致使大槽型电解槽壳的成本增加, 且维修难度加大、破损后造成损失也较大。因此槽壳维护、后期电解槽大修对企业生产、经营至关重要。

关键词：大型铝电解槽;槽壳破损;修复方式

1.槽壳结构

目前大型电解槽主要结构——两个端头 (出铝端、烟道端) 、两个长侧 (进、出电端) 、一张底板及工字钢底梁, 组成直角船型的电解槽熔池。在电解铝项目建设初期,槽底板、长侧在厂房内焊接制作，两个端头在外部（加工现场）制作好后, 在电解厂房组对成型。

2.破损原因及现象

2.1 施工及焙烧过程

(1) 内衬材料 (主要是侧部复合块、捣打料及内衬糊) 质量不合格。

(2) 施工过程质量未达标, 例如捣打料填塞不实、侧部复合块砌筑砖缝过大、内衬扎固不符合要求等。

(3) 在电解槽焙烧炉启动时, 焙烧温度、电压设置、焙烧时间及电解质高度等参数控制不当。

(4) 造成后果:高温电解质、铝水冲刷槽壳，造成电解槽漏炉。

2.2 原因分析

(1) 生产过程维护管理不到位, 造成内衬材料局部破损, 形成槽壳局部过热发红、局部破损; 造成槽壳壁钢板长期受到高温影响，金属材料局部金相组织可能发生不可逆性状态改变，材料物理性能指标下降，导致金属材料脆断（裂）。

(2) 漏槽造成的后果:侧部、钢棒窗口或底部钢板被渗漏出来的高温铝液或电解质冲坏。

(3) 使用时间达到设计年限

随着电解槽的运行槽龄不断增长, 液态电解质不断地向阴极碳块渗透, 由于熔盐渗透至熔体的凝固等温线时就生成凝固物, 或生成碳化铝促使碳块继续膨胀, 其过程是连续的、缓慢的,应力逐步向最弱的位置转移，导致槽壳变形和破损。内衬受熔盐的侵蚀加重, 槽壳壁钢板也随之被腐蚀，在电解槽短侧最为常见，大概在电解槽沿板下方600mm—800mm左右。

(4)槽壳底板与斜侧壁之间焊缝开裂情况，可能是电解槽后续生产过程中内衬吸钠膨胀叠加在该处产生的应力集中导致。还可能是该处焊接质量未满足原设计要求。

3.预防措施

3.1 合理的结构:槽壳设计既要考虑槽壳强度、刚度, 还有考虑一定的弹性变量。槽内衬热膨胀和化学结晶力对槽壳施压, 槽壳变形是不可避免的, 设计具有较大的强度和刚性的槽壳, 以克服内衬产生的应力, 减小变形是必要的。

3.2钢材:采用高强度钢板, 提高槽壳强度。

3.3 合理的制作工艺。

3.4 加强内衬砌筑材料质量把关、提高内衬材料品质;加强内衬砌筑质量, 严格要求, 对侧部复合块的砌筑、捣打料的填塞、糊料扎固环节作为重点。

3.5 合理的焙烧启动方案、均匀的焙烧温度、合适的电压设置及焙烧时间, 控制电解质高度。降低焙烧时高温铝液对内衬材料的瞬间热冲击造成的缺陷, 通过电解质对阴极内衬缺陷部位的填充作用, 阻断铝液渗透的通道, 避免电解槽的早期破损防止高温液体渗漏冲坏槽壳。

3.6 后期维护管理, 防止阴极内衬破损, 使槽壳变形或造成漏炉而使槽壳破损是保证电解槽寿命的关键, 这里做重点论述。

控制合理平稳的工艺参数是电解槽平稳生产的条件, 没有平稳的技术条件就没有规整的炉膛, 就没有平稳的生产。保持平稳的两水平 (电解质、铝水平) 、分子比、电压、温度非常重要。若出现较大幅度的波动 (长时间两水平、电压偏高或偏低) , 容易破坏建立起的电场、热场、磁场平衡, 使炉膛发生变化, 难以保证电解槽生产平稳运行。这就要求加强电解在日常的操作，在维护上要从提高换极质量到保温料的添加, 从炉底处理到大面整形都精细操作;设定理想的加料间隔, 保持匹配的电解质水平和铝水平;严格根据槽运行情况设定合理的目标电压、保持合理的槽温、控制好合理的氧化铝浓度、分子比。

3.6.1 要保持合理、稳定的电解质成分与高度, 对电解温度的稳定、能量平衡至关重要, 较高电解质有利于氧化铝的溶解、避免炉底沉淀的产生 (建议电解质水平保持在18cm～20cm, 分子比控制在2.30～2.45)。

3.6.2炉膛存在一定数量的铝液能够防止铝直接从阴极炭块表面析出, 防止削弱电磁力, 起到稳定电解反应的作用。较高铝水平可减弱磁场强度对铝液的作用力, 降低温度, 减少对炉帮的溶解, 使电解槽形成坚固规整的炉帮。但是过高的铝水平, 炉底散热损失增大, 炉底容易形成沉淀, 造成电流分布不均, 致使局部过热、形成热应力, 使内衬破损 (建议铝水平保持在22cm～25cm)。

3.6.3电解槽经过一段时间的运行, 钠和电解质的渗透达到饱和或平稳, 温度的变化对内衬、槽体、生产影响极大。频繁调整槽温是电解生产大忌 (就像一个人忽冷忽热, 肯定有病) 因此温度的控制与调整非常重要。 (建议电解温度保持在935～950度之间) 。

因此, 优良的电、磁、热三场设计, 优质的内衬材料, 精细的筑炉施工, 合理的焙烧启动, 后期稳定的生产, 构成了延长电解槽寿命的因素。但日常精细化管理、标准化作业操作在电解槽寿命长短中占有很大比重, 加强后期管理就成为电解铝工业管理者的重中之重。

4.修复方式

根据槽壳破损程度, 采取不同的修补方式, 不仅降低维修成本, 还可节约大修周期, 使电解槽大修后快速投入运行, 产生巨大的经济效益, 对企业的生产与经营至关重要。

根据槽壳破损状况实施以下几种修补方式。

4.1电解槽两短侧壁板修复方法

4.1.1若电解槽两短侧壁板被腐蚀深度小于原母材厚度三分之一， 腐蚀尺寸不大于1000mm*200mm,可用与母材牌号相同钢材进行局部贴补修复。

4.1.2若电解槽两短侧壁板被腐蚀深度大于原母材厚度三分之二，腐蚀尺寸大于1000mm*200mm；短侧板腐蚀穿孔尺寸大于500mm*30mm，则必须将该槽吊出更换壁板。

4. 2电解槽长侧板修复方

对于电解槽长侧板开裂或腐蚀整体情况保持较好，需结合现场进行修复。

4.2.1局部切割补焊修复:长侧变形不大, 漏点较少且小，单边漏点不大于三处，且尺寸不大于200mmx200mm， 漏点间距大于1500mm；或单边漏点不大两处，且尺寸不大于500mm*1000mm，漏点间距大于5000mm；这两种情况需要适当扩大切割补焊区域，尽可能采用双坡口焊接，控制热变形。

4.2.2局部贴补修复:长侧变形不大, 漏点较少且小，单边漏点不大于两处, 且尺寸大于200x200mm, 不大于300x300mm, 漏点间距大于2200mm，尽可能采用坡口焊接。

4.2.3对于电解槽长侧板开裂，使用年限较长且整张钢板有大面积的明显腐蚀、变薄或变形，需将电解槽吊出，将A、B侧对称更换，壁板焊接尽可能采用双坡口焊接，控制热变形，合理安排焊接顺序。

4.3槽壳底板与斜侧壁板之间焊缝开裂修复方法

4.3.1槽底壁板和斜侧壁板均变形较小且钢板母材无撕裂、无明显腐蚀变形，只在焊缝处开坡口重焊，并严格保证质量。

4.3.2槽底壁板和斜侧壁板均变形较大且钢板母材有撕裂、明显腐蚀变形等情况，应对母材进行局部扩大切割更换补焊或整块更换重焊，焊接应尽可能采用双坡口焊接，合理安排焊接顺序，控制热变形。

结语

综上所述，电解铝行业已逐步进入了微利时代，现阶段，铝企之间竞争日益激烈化，适当将电解槽的寿命延长，可以降低铝企实际生产成本，便于提升核心竞争力与经济效益。全面了解与掌握电解槽实际破损原因，予以优化设计，进一步提升原材料质量，保证精细的筑炉施工质量和焙烧启动过程，并提升作业及运行管理的有效性，能够控制电解槽实际破损率。铝电解的基层管理者应全面了解破损槽基本特征，借助破损槽的在线修补及运行管理各种手段，尽可能地将电解槽的实际寿命延长，这对于铝企在新时期进一步的发展意义重大。

参考文献：

[1]王会全，孙春亮.电解槽侧部破损原因与修补方法初探[C].全国延长铝电解槽使用寿命学术研讨会.2016，11（14）：417-418.

[2]李元山.浅谈电解槽槽壳破损原因分析及修复方式[J].世界有色金属，2018，20（11）：401-402.