1引言
1.1 研究背景
自1954年我國第一家電解鋁廠撫順鋁廠建成并投產，年產鋁量為1.5萬噸，經改革開放，我國的鋁工業有了突飛猛進的發展。經不斷努力，1992年我國電解鋁產量首次突破100萬噸，十年之后，我國原鋁產量達到342.7萬噸，成為世界第一。隨后我國電解鋁呈“井噴式”發展，連續12年排名世界第一，時至2012年，我國電解鋁產量達到2200萬噸，如圖1所示。
圖1 我國原鋁產量變化趨勢
目前，我國大型預焙電解槽平均壽命普遍在1500～1800天之間(如表1)，最長也超不過2000天，而國外大型預焙電解槽平均壽命可達2500～3000天[]。盡管我國電解鋁技術已居國際中上游水平，但與國外相比相差接近一半。此外，由于大型預焙電解槽的大修費用高昂，使噸鋁成本比國外高，從而削弱了國內電解鋁廠在國際市場的競爭力。顯然，電解槽的壽命因需更多的關注，如何使電解槽的使用壽命得到延長對鋁廠具有十分重要的意義。
表1 國內企業電解槽平均壽命
影響電解槽使用壽命的因素很多，統計數據表明[2]，各主要影響因素及其在槽壽命上所占的比例大致如下圖所示。
圖1 影響電解槽壽命的因素及其所占比例
1.2 研究目的及內容
鋁電解槽壽命是鋁電解生產的重要標志，是受多種因素影響的一項綜合指標，其長短直接影響鋁電解生產成本和企業的經濟效益?；陔娊怃X工業的發展狀況以及影響電解槽破損因素的分析，提出了與之相對應的延長電解槽壽命的方法。優化內襯設計，以提高電流效率，形成合理形狀的爐幫;采用優質的筑爐材料，來改善側部散熱，延長保溫材料的使用壽命;消除焙燒引起的陰極內襯電流分布不均和熱應力現象，從而延長電解槽的壽命，降低企業成本、節約能源，提高企業面向市場的競爭力。
下面就從電解槽的設計、筑爐材料及工藝、焙燒啟動和日常生產管理方面對提高鋁電解槽壽命進行一些探討。
2.電解槽設計的影響
電解槽的設計包括結構設計和物理場的設計。
2.1 結構的設計
鋁電解槽的陰極內襯是由炭塊砌筑而成的，內襯材料的破壞最終會造成電解槽停槽大修。內襯材料不僅要承受高溫冰晶石熔體的侵蝕，還要承受熔鹽電解過程的電化學作用。因此，內襯設計的好壞，直接影響陰極的使用壽命。
內襯設計應滿足底部保溫和側部散熱的要求，并能建立穩定的、高電流效率的合理形狀的爐幫，力求盡量減少能耗，降低熱損失。中南大學、東北大學和貴陽鋁鎂設計院等單位，設計了一套2D+3D的混臺切片模型[, , ]，為實際電解槽生產提供理論支撐。國內電解鋁企業和設計研究所，在電解槽內襯結構方面提出了諸多改進方案，如槽殼側部改為單圍帶并加裝散熱片;側部炭塊厚度減薄，減小槽加工面;采用小船形的槽殼結構[]等均有利于槽側部散熱和熱平衡的建立。
2.2 物理場的設計
物理場包括磁場、流場、熱場、力場等物理場體系。其相互作用致使電解質和鋁液發生旋轉運動，側部爐幫受到高溫熔體沖刷而被熔解，若熔體的速度沿槽周邊分布不均程度較大，人造伸腿被沖蝕，勢必造成電解槽的早期破損。傳統電解槽沒有物理場的設計，電磁場呈無序分布，鋁液流通波動大，爐膛不能形成最佳平穩狀態，槽結構受力不均衡，影響了電解槽內襯壽命。
近年來，通過模擬技術有效模擬物理場，為爐幫的形成提供了理論依據，可使槽內溫度控制在最佳的范圍，從而避免了電解槽早期破損。Paulsen等人對槽側部槽幫和槽殼溫度進行了相關性研究，建立一維槽幫、槽側壁溫度和側部熱損失電熱瞬態模型[, ]。加拿大MarcDupuis等人建立了3D電一熱場瞬態有限元模型，對300kA電解槽焦粒焙燒時，陰極內襯的溫度隨時間的變化進行了研究[, ]。因二維瞬態模型計算量巨大，使其在鋁電解槽的現場的應用中效果有限。
3 電解槽材料影響
筑爐材料包括陰極炭塊、側部炭塊、防滲材料、耐火保溫材料、搗固糊料以及槽殼等。每一種材料的優劣都將影響電解槽的筑爐質量，從而制約電解槽壽命。
3.1筑爐材料對槽壽命的影響
(1) 炭塊的影響
陰極炭塊在電解過程中除了承受高溫熔體的侵蝕，還要承受電化學作用。目前預焙電解槽絕大部分采用半石墨質陰極炭塊，易產生變形和向上隆起，引起電流偏流和電壓降增大，鋁的純度降低，槽膛有效深度減小，造成生產操作困難;在焙燒過程中鈉和電解質向陰極炭塊滲透，造成陰極起層脫落，形成沖蝕坑。在正常的生產中，側部炭塊出現大面積的碳化硅脫落、氧化、燒損以及炭塊消耗過快的現象，都會造成側部漏電和紅爐幫，給電解槽的平穩運行及槽壽命帶來極大的影響，也會使電解槽的產量和各種經濟指標長期偏低。
(2)耐火和保溫材料的影響
電解槽爐底保溫主要由保溫材料發揮作用，一旦保溫材料受到電解質和鋁液的侵蝕，如電解質和鋁液與其發生熔解或滲透，材料的保溫性能將會發生變化。因而改變保溫和耐火材料的性質，將會影響鋁電解的經濟指標和槽壽命。
(3)陰極搗固糊料的影響
電解槽采用普通陰極炭塊組，陰極炭塊之間的縫隙常用扎固糊填充并搗固扎實粘結而成。一般認為陰極炭塊膨脹能夠將其之間的縫隙擠緊，事實上槽殼也在向外膨脹，搗固糊與陰極炭塊間的裂紋在未焙燒之前就已產生。焙燒期間若電流分布不均，局部溫度過高，陰極炭塊和燒結后的搗固糊都會隨溫度的升高而發生收縮，這樣縫隙越來越大，導致電解質和鋁液的滲漏，造成電解槽早期破損。
(4)槽殼的影響
槽殼是電解槽陰極結構的主要組成部分，整個槽殼承受著其本身的熱應力和內襯對槽殼施加的壓力，槽殼內側從常溫被加熱到300。C時，產生熱應力使得槽內襯產生一系列變化。特別是陰極底部炭塊，水平力使槽殼四周向外扭曲，垂直力使槽殼和炭塊向外或向下突起。槽殼的變形會影響陰極內襯的穩定性并使其產生裂紋。鋁液和電解溶液使底部突起，產生張力并加劇槽殼變形，最終導致陰極內襯早期破損，縮短槽壽命。
3.2 方法—選用優質筑爐材料
全石墨質石墨化陰極炭塊具有較好的理化性能，有利于降低爐底壓降，彌補半石墨質陰極炭塊的缺點，改善鋁液對陰極的潤濕性。但其也存在鈉膨脹率小于其它陰極炭塊的特性，如圖2。陰極使用TiB2涂層技術，可以減少鈉和電解質侵蝕以及炭塊的磨損，從而延長電解槽壽命。LarryG.Boxall等人[]測試了TiB2陰極涂層的潤濕性，發現涂層具有良好的鋁液潤濕性，通電電解可加速鋁液潤濕。A.Oye[]研究了TiB2涂層陰極的抗鈉膨脹性，結果表明TiB2涂層與鋁液具有良好的潤濕性，從而減少鈉膨脹20%～70%。
圖2 不同材質陰極炭塊的鈉膨脹率
現代先進的鋁電解槽，用碳化硅材料構筑電解槽側壁，該材料與其它碳化硅基和炭基側壁材料性能差異見表1，從表可知，碳化硅結合氮化硅材料是電解槽理想的側壁和內襯材料，其優點為：耐熱強度高，導熱性好，線膨脹率低，抗震性好，抵御高溫化學腐蝕性好，在不改變槽殼的情況下擴大了電解槽的容積，改善了側部散熱，利于側部爐幫的生成和穩固，延長了電解槽的使用壽命。
表1 碳化硅結合氮化硅材料與其他碳化硅基和炭基側壁材料性能比較
耐火材料和保溫材料可采用于式防滲料，干式防滲料的理化性能見表2。干式防滲料是最有效阻止電解質滲透的耐火材料，可減少環境污染，節能降耗，延長保溫材料的使用壽命;選用灰份含量低，有良好的導電導熱性能、耐侵蝕、燒結性能好等優點的搗固糊，才能更加有效地預防電解槽的早期破損;選擇合理的槽殼，其應有足夠的強度來抵擋爐膛內的熱應力和內襯材料膨脹產生的應力，且能約束內襯材料相互間的運動，避免陰極內襯早期破損。
表2 干式防滲料的理化性能指標
4.筑爐工藝的影響
4.1 筑爐工藝對槽壽命的影響
電解槽內襯筑爐施工質量對其壽命有直接的關系。如炭糊扎固，在傳統的陰極結構中，陰極炭塊之間用炭糊經搗固粘結在一起，電解槽在焙燒啟動和生產過程中，由于炭糊收縮、人工搗固、糊料性質、施工質量引起搗固性能發生變化，容易出現分層剝落現象，鋁液容易由此發生滲漏，從而造成電解槽的破損。
4.2 方法—改進筑爐工藝
陰極炭塊采用擠縫粘結技術[]，不僅能減少炭糊使用量，而且可以消除陰極底部炭塊的中縫以及因搗固糊引起的內襯質量事故，同時減少熔體向下部滲漏，延長了槽壽命;耐火層和保溫層應有最大的耐腐蝕性，槽殼底部與側部必須平整。側襯的砌筑必保證側部材料與槽殼粘結牢固且緊密連接，并完全用膠泥填充，防止鋁液和電解質的滲透。此外，筑爐應選擇經驗豐富的施工單位，應用現代化設備和管理方法，進行程序化作業，確保筑爐質量。
5 電解槽的焙燒啟動
5.1 焙燒啟動對電解槽壽命的影響
焙燒啟動是電解槽進入正常生產前的關鍵操作，這個階段管理質量的好壞影響電解槽運行外，還影響電解槽壽命，特別是內襯的壽命[,,]。焙燒期間，因電流分布不均造成陰極表面溫度不均、局部溫度過高，使陰極碳塊膨脹不均勻，造成陰極破損。濕法啟動時，在準備啟動電解質時需提高槽電壓，會造成早期形成的爐幫被熔化，難以起到防止側部漏電、保護側部碳塊的目的，而且再建爐幫存在一定難度，因此發生“紅爐幫”的現象，嚴重時會造成漏爐事故，縮短槽壽命。
5.2 方法—采用最佳焙燒啟動工藝
采用加長的陽極進行焙燒，可使陽極覆蓋到陽極中縫并得到充分焙燒;現行的預熱焙燒啟動方法中火焰預熱焙燒啟動法最接近理想方法,最好選用天然氣焙燒法，其次為焦粒焙燒法，最后選用鋁液焙燒法和鋁塊(屑)焙燒法。如果能采用新型高性能的內襯材料, 該法將會更完美。中南大學劉業翔院士領導的課題組研究TiB2涂層技術已數年, 形成了較為成熟的技術,若該技術能與火焰焙燒啟動法相結合, 勢必會使焙燒啟動方法更趨理想, 促進我國鋁工業的發展。
6 工藝操作的影響
6.1 電解槽日常生產管理對槽壽命的影響
(1)供電制度以及系列電流強度
電解生產過程中必須要有平穩的供電制度?，F代電解槽容量比較大，每次電解槽大修需進行全系列停電，電流過低或過高都會影響電解槽的破損，不僅對正常生產技術條件造成破壞，而且使電解溫度急劇下降，碳塊中滲透的電解質全部凝固，致使碳塊早期隆起、碳塊和碳縫破損并加劇槽殼變形，從而縮短了電解槽壽命。
(2)電解溫度
電解溫度高低既影響內襯結構，又影響電流效率，高溫下難生成爐幫。實踐證明，無論電解槽形成冷行程或熱行程，都會不同程度地縮短陰極內襯的使用期。尤其是電解溫度長時間處于高溫生產狀態是造成電解槽后期破損的最主要原因。
(3)分子比的控制
實踐證明，隨分子比的增加，鈉的滲透量增加，而電解質分子比較低時，主要以電解質滲透為主。分子比升高會造成電解溫度升高，通常將電解溫度視為電解生產重要的技術條件，而分子比又是電解溫度控制的基礎，因此分子比控制的好壞直接影響電解溫度的控制，而電解溫度的波動又直接影響著電解槽的壽命。
(4)加工制度和爐膛
好的加工制度，即保證槽中的氧化鋁完全溶解又不會發生陽極效應，爐底壓降小，電流效率高，爐幫結殼規整;若加工制度不好，那么氧化鋁要么沉在槽底，要么電解槽缺料，從而出現爐底壓降增加、陽極效應等，加速槽內襯的破損。
6.2 方法—優化日常生產管理
電解槽技術條件的管理是生產過程最重要的管理，根據不同槽型特點，加強對電解槽模糊控制和生產技術條件優化探索，通過不斷優化完善生產槽的管理，選擇適合自身的技術條件，為延長電解槽壽命提供有力的保障。綜合多家生產經驗，表5.2給出了預焙槽正常生產狀態下的生產工藝制度。實踐檢驗的結果證明采用“四低一高”工藝技術(即低電解質溫度、低氧化鋁濃度、低分子比、低陽極效應系數和較高的槽電壓)這種狀態下生產，電解槽可實現長壽。
表5.2 鋁電解槽合理生產技術條件
7 結語
盡管鋁電解槽的早期破損是無法避免的，但是只要采用合理措施，如選用高質量的筑爐材料;在施工中不斷改進施工工藝，使用新技術，做好施工中的過程控制。不僅要在材料的選擇、筑爐質量及工藝以及焙燒啟動方面進行改進，還要不斷完善電解槽的日常生產管理和操作維護，那么我國的電解槽在延長槽壽命上一定會取得新的進步。
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