这几种内衬材料是影响铝电解槽内衬寿命的重要因素
发布日期： 2017-02-25 00:00:00 阅读量（496） 作者：电解铝生产的主体设备是电解槽，它的阴极部分是一个矩形的钢制槽壳，底部是导电的碳块，碳块 下衬以耐火及保温材料，侧部是能抵抗氧化和电解质侵蚀的侧壁材料。电解质是以冰晶石为主体的氟化 物熔体，在电解生产过程中，槽内衬因电解质的冲刷和腐蚀以及化学反应而损坏，严重时必须停槽，拆 除全部内衬重新筑炉，大量的筑炉材料消耗和停产损失，严重的影响生产成本，因而努力延长槽内衬的 使用周期(称为槽衬寿命)是铝电解工业的一项重要使命。
影响铝电解槽槽衬寿命的几个关键因素是槽壳强度，内衬材料、筑炉工程和焙烧起动操作。其中后两项可以依靠在施工及生产中执行行之有效的规程来解决，而前两项则必须在设计阶段做出合理的处 理，包括槽壳在生产中承受应力及其强度的计算和内衬材料的选择。
槽壳必须设计成能支撑和约束其因受热和化学应力影响而产生的变形，内衬必须选择良好的抗电解 质和金属浸透和腐蚀的材料，同时各种材料的传热和保温性能须与不同槽型的热平衡设计紧密联系。
一、阴极炭块
铝工业发展初期，电解槽容量较小，当时以底糊捣固的整体阴极被广泛应用。其后捣固炉底的弱点 逐步被人们所认识，诸如由底糊整体构成的大面积阴极，很难做到均质，因而温度分布及电流分布都难 以均匀，在焙烧时容易构成裂纹，影响槽衬寿命和电解指标，特别当电解槽容量加大时，这些缺点更加突出。
随着碳素生产技术的发展，逐步采用预焙烧炭块作为铝电解槽阴极材料。几十年生产实践中，常用 的预焙烧阴极炭块有几种类型，即：以锻烧无烟煤为骨料的坯块，在1200℃温度下烧成，称为无烟煤底 块;以煅烧无烟煤掺入一定数量的电极石墨碎为骨料，在1200X温度下焙烧成的炭块，称为半石墨质底 块(掺入石墨量大约有10%、20%、30%等);用可以石墨化的碳索材料制成的碳块，加热到2500℃以上， 称为石墨化底块。
1.1无烟煤底块
无烟煤底块抗破碎强度大，有较好的抗磨损性能，制造成本较低，一直被广泛应用，但是，它的电 阻率高，以致在电解过程中，炉底电压降大，抗钠渗透性能较差，随生产时间延长底块逐步膨胀，炉 底电压降也逐步升髙，对内衬寿命产生不利影响。
对阴极炭块破损机理的研究表明，破损的主要原因是由于炭块被钠侵蚀引起。在电解生产中，可能 产生Na在阴极析出，随后渗透入碳素材料中，渗透深度随电解时间延长而加大，在碳晶格中生成碳钠 化合物，晶格变得酥松，体积膨胀，导致阴极破损。
为延长底块的使用寿命，一般着眼于改进底块质量，当前的趋势有两条道路，其一是改无烟煤底块为半 石墨质底块，即在无烟煤干料中混入一定百分量的石墨碎，制造阴极炭块。其二是使用石墨化底块。
1.2半石墨质底块
在无烟煤骨料中掺入石墨碎，可能改变碳块的物理性能，石墨含量不同，性能变化各异。下面摘录 Johansen等所做的实验，列出不同石墨含量的炭块焙烧后的技术指标。
上述数据说明，阴极炭块的一些重要特性(如抗钠性、导电率、导热率等)通过增加石墨质含量都可 以得到改善，当前工业电解槽用底块大多要求其石墨碎添加量达到30%。问题是底块的开孔率可能因石 墨含量增加而加大，将加剧不同成分电解质特别是氟化钠的渗透，导致底块膨胀。
El-Raghy等提出用高炭树脂浸渍炭块以减少其开孔度，使其由15%降低到1.5%，使炭块的抗 压强度由410kg/cm2增加到600kg/cm2,比电阻下降10%，与未浸渍炭块比，钠浸透率减少65%. 经浸渍后的炭块性能变化如下表：
用这种办法对减少孔隙度防止 电解质浸透是有效的，同时，对增加强度减少比电阻也有好处，具有一定的吸引力，但上述结果只是试验室数据，缺乏用于实际中的技术和经济数据，因而进一步研究批量生产时的浸渍条件、如浸渍次数和焙烧条件等对底块膨胀率的影响，以及相应的能量消耗和制造成本等的相对经济关系，可能是一项有意义的工作。
1.3石墨化底块
石墨化底块有很好的抗钠侵蚀性能，有良好的导电和导热性，对于增加槽底寿命减少炉底压降利于 炉底传热等都具有潜在的应用前景，由于石墨底块的抗钠性好，使炉底在生产期间保持长期稳定的电压 降和电流分布，对生产非常有利，因而近年来使用石墨化炭块的趋势逐年上升，特别它有优异的导电和 导热性，有利于强化电解槽容量时的能量平衡，未来新建铝厂规模日益加大，生产系列电流强度日益增 加，石墨化底块的应用必将日益广泛。
生产石墨化底块的原料，一般是使用优质石油焦，它的石墨化性能优越，但它的原料价格高，耗电 量大，使制造成本大幅度增加，对于大容量高电流密度电解槽，由于减少炉底电阻和热平衡需要，应用 它实属必要，较高的制造成本可以因容量加大及电流密度提髙所获效益所补偿。但在较低容量电解槽上, 因为制造成本高，限制了它的广泛应用，因而，有的工厂也在寻求生产价格较低的半石墨化底块的方法。
80年代中期，国内某厂曾试验将无烟煤炭块石墨化(2),石墨化温度为2400℃,成品的石墨化度为 80%，所用底块性能和产品性能列于下表：
产品在电解槽上生产240天，炉底电压降与无烟煤底块比较由400mV减少到约300mV左右。
这实际上是探索通过半石墨化工序改善无烟煤底块性能并将其用于电解槽上的可能性。这个工作很 有实际意义，90年代初期，朱旺喜等发表了半石墨化底块测试结果，并提出它的良好特性及应用前 景。其后没有看到继续开发的有关报导，但是可以认为这可能是一种新的更经济的途径。
综上所述，开发一种新的底块产品克服其已存在的弱点，对于提髙槽衬寿命是重要一环。无烟煤底 块耐磨性好，但比电阻髙，抗钠性差，添加定量石墨，可能对其缺点有所改善。为减少电解质通过底块 的开孔渗透，增加浸渍和二次培烧工序，也可能改善底块质量，石墨化底块抗钠性能，导电性和导热性 都明显优于无烟煤底块，但是耐磨性较差，制造成本高是影响它广泛使用的障碍，将无烟煤炭块进行半 石墨化，可以降低其生产成本。并部分保留其优点。如何选择上述材料，有待于进一步深入的工作。
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