300KA大型预焙电解槽的炉帮形成研究

300KA超大型预焙电解槽
炉帮形成的探讨
（洛阳豫港龙泉铝业有限公司河南伊川 471300）
摘要：本文通过洛阳豫港龙泉铝业有限公司20万吨300KA大型预焙电解槽的技术特点进行分析探讨，通过槽型设计优化改进，对电解槽各项工艺参数和操作质量进行优化配制，使电解槽形成了规整、坚固的炉帮，取得了良好的效果。

关键词： 300KA 电解槽技术条件炉帮形成
1前言
自2002年以来，我国相继投产了数家300KA特大型中间下料预焙槽系列，豫港龙泉铝业有限公司是在全国第一家采用这一槽型的厂家，而这一槽型的关键技术也就是如何解决炉帮形成问题。

电解槽三场（磁场、热场、力场）的合理配制是炉帮形成的基础，启动时非正常期的正确管理是炉帮形成的关键。

正常期各种技术条件的合理搭配又对炉帮的形成起到了延伸和保护作用，洛阳豫港龙泉铝业有限公司300KA改进型20万吨系列对上述问题做了深入细致的研究并进行了合理的改进，合理科学发解决了炉帮形成问题，为同类槽型的管理起到了很好的借鉴作用。

2存在的问题
河南豫港龙泉铝业在限公司一期256台超大型中间下料预焙阳极电解槽于2002年6月16日通电焙烧，11月21日全部启动结束，12月底256台电解槽综合电流效率完成91.35%，2003年1~6月电流效率达93.76%（整流效率为97.4%），原铝品位Al 99.70以上铝达到100%。

2004年电流效率在下滑趋势，原铝中的硅铁含量开始上升，一部分槽相继出现了侧部碳化硅砖粉化、钢窗发红、原铝质量下降等现象，给生产带来了一系列问题，为了解决这一问题，我们制定了“一
压、二扎、三补”的措施，即对炉帮发空的地方进行人工压壳加工，不作大的加工处理，而对钢窗发红严重的部位进行扎边加工，另外对粉化比较严重的地方进行不停槽补炉处理，这一措施的实行虽然在一定程度上扼制了炉帮的粉化、发红，但也存在着一定的弊病：一是人员劳动强度增大；二是部分料块进入炉底造成伸腿肥大、炉底压降增大；三是对槽子人为影响较大，槽子不时出现电压波动现象，四是修补侧部费用较高，多功能机组使用频繁，每补一米需花费5300元左右，增加了吨铝成本。

3炉帮形成机理
3．1电解槽物理场存在着差异
电解槽物理场是包括电磁场、热场、力场在内的统一体系，优化热场，可以使电解槽在最佳的热平衡状态下工作，达到炉帮的自然形成，优化流体场可减少铝的二次反应和电能损失，优化力场可防止受力失衡而造成槽壳的变形和内衫的损伤。

这三者是一个辩证统一的物理场[1]。

而我们通过多次阴、阳极电流分布测试从图1可以看出，
109#槽阳极电流分布情况，出电端（B面）电流都大于进电端（A面）
尤其是B4~B5~B9的位置电流较大，炉帮较薄，碳化硅侧块粉化较为严重。

3．2 电化学与流速的侵蚀
电化学侵蚀是碳化硅侧块常见的破损原因，在电解质~铝液界面附近至阴极表面的范围内出现[2]，另外槽内的铝液以平均6cm/s 的速度不停流动[3]，电解质与铝液的界面对侧块的冲刷较为严重，使侧块逐渐损耗变薄。

3．3 空气氧化
随着阳极在反应中的逐渐下降，侧部壳面随之下降，由于壳面过硬，往往造成大面侧部与碳化硅侧块中间出现1~2cm的缝隙形成空气通道，另外侧块温度较高，侧块与灼热的空气接触就会氧化、掉渣而被粉化。

3．4 钠侵蚀
电解质中钠粒子渗透性较强，随着电解过程钠粒子的不断析出，钠粒子逐步渗透到碳化硅砖中，并使碳化硅砖彭涨、疏松，这种侵蚀和空气氧化同时发生。

3．5 非正常期管理与分子比调整过快
在电解槽启动直至形成规整炉膛的这一时期要保持较高的分子比，以确保形成坚固而又稳定的高分子比炉帮，大约需用时间1~4个月，在这期间分子比下降过快，铝水平上升过快致使槽温大幅下降而形成的“软炉膛”经不起生产实践中高温的“考验”，而被逐渐溶化掉，使侧部碳化硅块裸露直接与电解质液接触，而被冲刷侵蚀、变
薄。

3．6 效应的影响
在电解生产中，效应是检验电解槽物料平衡的重要手段，根据公式Q=UIT可以看出，随着效应电压的升高和效应时间的延长，槽内的热收入急剧增大，短时间内可快速溶化炉帮，使炉帮消耗变薄，一个正常效应可消耗1~3cm的炉帮。

3．7 过热度的影响
过热度是溶池温度与液相线温度之差，一般过热度控制在5~8℃较为适宜，过热度小于5℃电解质发粘流动性变差，氧化铝溶解性变差，炉底易造成沉淀，若沉淀物时间较长则逐步变为结壳，使槽底压降增大，槽内水平电流过大，电流分布紊乱，溶化炉帮，电效下降，过热度大于10℃，电解质流速加快氧化铝溶解度变好，虽然可以短时间内增大电流效率，但对炉帮的冲蚀和溶化也随之加剧。

另外，槽型侧部散热和厂房的空气对流对炉帮的形成也有一定的影响。

4炉帮形成的措施
针对上述的各种原因我们做了科学的论证和研究并对二期系列采取了以下改进措施。

4．1．1 优化设计
首先解决空气对流问题，将电解厂房0米层由原来的2.6米抬高到3米，电解槽原高不变，并且在电解槽的两端设置风格板，增大空气对流量；另外厂房天窗安装空气自吸装置，使0米空气的对流量明
显加大，散热效果显著提高。

其次又增加了两侧翼板，增大了单槽散热面积。

如图2、图3所示：
4．1．2 加高侧部伸腿
侧部伸腿在原基础上加高8cm，这样可使电解质与铝液的界面在侧部伸腿以下，避免了铝液界面在流动过程中对碳化硅块的直接冲刷。

4．1．3改四点下料为六点下料降低了炉底沉淀的可能性，增大了垂直电流，减少了水平电流对炉帮的侵蚀。

4．2 加强大面整形，减少空气氧化
电解槽大面保温料厚度根据气候条件，冬季保持在16~18cm，夏季保持在14~16cm，另外在保持阳极不氧化的前提下尽量减薄斜坡的厚度，40%的热量从大面和斜坡散出，大面整形工作每周评比两次，从2004年坚持至今，在促使侧部炉帮形成方面取得了良好的经验和效果，如图4、图5所示。

图2 伊川铝厂300KA电解厂房
图3 伊川铝厂300KA
电解槽与地坪的高度
4．3 合理配制工艺技术条件。

启动初期技术条件的合理控制对炉帮的形成是至关重要的，尤其对分子比、槽电压、两水平的控制，我们制定了较为祥细的方案[4]，如表3所示，到启动后四个月，一个耐高温的高分子比规整的炉膛已基本形成，但在第五、第六两个月我们采用仿生学管理，勤调、微调技术条件，使电解槽逐步走完过度期，步入正常生产期。

表1 豫港龙泉铝业有限公司非正常期技术条件管理
4．4 保持较低的阳极效应系数
阳极效应虽然能够判断物料平衡状况，净化炉膛和阳极底掌，有利于碳渣的分离等诸多好处，但效应过多会给电解槽带来不良影响，特别是对炉帮的影响较大，因此效应在不同的管理期应有合适的效应图4 伊川铝厂电解槽大面整形图5 伊川铝厂电解槽极上保温料整形
系数和效应时间，应尽量减少效应热量对侧部炉帮的冲击。

4．5 过热度管理
引入九区控制管理新模式，对电解槽实行数据管理，尽量保持电解槽过热度控制在5~8℃之间，给炉帮的形成和保持创造一个良好的环境。

5 效果评价：
我们公司第二个系列在采取上述各项措施后炉帮形成良好，一、二工段86台槽从2004年10月份启动至今，已生产了二十个月，目前硅含量平均在0.023%左右，铁含量在0.09%~0.11%之间，测试的炉帮厚度如表3所示炉帮不出现发红现象。

由于其它原因，我们对423#槽进行了解剖分析，取样情况如表4：
表3 炉帮厚度测量表
单位：cm
423#
槽
取
样
图
423#槽炉帮断面取样点如图所示：
从表3可以看出：炉帮的分子比从侧砖到炉膛呈明显的阶梯状排列，这说明启动初期各项技术条件配制比较合理，初期形成炉帮的分子比都在2.8~3.0之间，厚度在2~4cm，分子比在2.6~2.8之间形成的炉帮厚度在3~7cm，分子比在2.3~2.6之间形成的炉帮厚度在4~5cm，总体炉帮厚度在13~15cm不等。

我们把刨炉后的炉帮进行称重，总重量为1.2吨左右，炉帮的形状和厚度如图6、图7所示。

6 结论
通过各方面的改进和各种技术条件的合理配制，使我公司第二系列20万吨300KA超大型电解槽形成了耐高温、耐冲刷、坚固、规整的高分子比炉帮。

槽寿命预计超过2000天，取得了较好的工厂效益图6 423#槽炉帮形状图图7 423#槽炉断面图
和社会效益，为同类槽型的管理起到了很好的借鉴作用。

参考文献：
[1] 解正业陈国强景翠琳浅谈大型预焙槽的炉帮问题及处理措施，中国有色金属学会第五届学术年会论文集2003（8）：167
[2] 高文义.有色冶金技能，2006.23.1
[3] 邱竹贤.预焙槽炼铝(3版).北京：冶金工业出版社，2005(1)：159
[4] 伊川铝厂300KA电解槽启动方案。