第二章——铝电解槽的焙烧启动与非正常期管理

2、预焙铝电解槽的焙烧、启动及非正常期管理
新建或大修后的铝电解槽在进入生产前，要经过焙烧与启动过程。

而从启动结束到转入正常生产，还需要一定的过渡时期。

这一时期称之为非正常期。

所谓焙烧（对于预焙槽而言,又称为预热），就是利用置于铝电解槽阴、阳两极间的发热物质产生热量，使电解槽阳极、阴极（含内衬）的温度升高，实现下列目的:①使阴极炭块间和槽周边的扎糊烧结焦化，与阴极炭块形成一个牢固的整体；②烘干阴极内衬,并逐步将槽膛温度提高到接近电解温度(900℃以上），为启动电解槽做准备。

所谓启动，就是使电解槽在联通了系列电流的状态下，形成发生电解反应所需具备的基本技术条件,包括形成一定高度的电解质熔体和铝液，并使铝电解槽的主要技术参数（极距、槽电压、槽温、电解质成分、氧化铝浓度等）进入到电解所需的范围之内.
启动后的非正常期是使铝电解槽逐渐建立正常的生产技术条件的过渡时期。

在这一时期，电解槽由启动初期的高槽温、高槽电压、高电解质水平、高分子比逐渐走向正常水平,并在槽膛四周逐渐形成由α-Al2O3与冰晶石组成的固态结壳,建立起规整、稳定的槽膛内形,从而建立起理想的热平衡（能量平衡）与物料平衡。

电解槽的焙烧启动虽然只有短短的几天，但对电解槽启动后的工作状态产生重大影响，尤其是对电解槽的寿命产生决定性的影响。

非正常期的长短视不同的槽型、运行条件与技术方案在1～3个月之间,该时期管理好坏也直接关系到电解槽能否顺利转入正常生产,而且对电解槽寿命产生巨大影响。

焙烧启动与非正常期管理不当,很容易造成阴极破损、漏槽事故,或者会使电解槽先天不足，终身病态.因此,许多学者的论述均提醒对铝电解槽的焙烧、启动与非正常期管理给予足够重视［1—3］.
2。

1 焙烧
铝电解槽焙烧方法可以分为两大类，一类为电焙烧法;另一类为燃料（燃气、燃油）焙烧法（又称外加热法）.根据发热电阻物料的不同，电焙烧法又分为：①铝液焙烧法，即用铝液作电阻体的电焙烧法;②焦粒(或石墨粉)焙烧法,即用焦炭颗粒或石墨粉作电阻体的电焙烧法。

（1）铝液焙烧法
铝液焙烧法是在电解槽内灌入一定量的铝液，覆盖在阴极表面上，并且与阳极接触，构成电流回路,电解槽通电后产生热量，焙烧电解槽。

铝液焙烧法示意图见图1。

铝液焙烧的基本程序是，焙烧之前在槽膛四周用固体电解质块砌筑堰墙,以减缓铝液对人造伸腿的直接冲击并缩小铝液的铺展面积,完成堰墙砌筑后将预焙阳极安放在离阴极表面约2～2.5cm远处;然后从从出铝端灌入铝液（铝液厚度约4cm),铝水布满槽底包住阳极后即可通电;接着往槽内装入冰晶石和纯碱，并将冰晶石覆盖到阳极上以加强保温并避免阳极氧化;最后通入全电流进行焙烧。

由于铝液本身电阻很小，大部分热量则由阴极和阳极产生，总发热量不大,这是铝液焙烧电解槽一次通入全电流的原因。

尽管通入全电流，因产生的热量较低,一般大型预焙槽的焙烧时间长达7～8昼夜。

在焙烧初期刚通电时，冲击电压会高达6伏,随后电压逐渐降低(因槽底电阻逐渐减少），在第6
图 1 铝液焙烧示意图
1 阳极母线；
2 阳极；
3 铝水；
4 阴极碳块；
5 电解质、冰晶石、
保温料
昼夜时，电压降低到 1.5伏，因为此时发热量低而无法满足焙烧温度的要求，因此要稍稍提升阳极，使电压升高到2伏左右，然后继续焙烧.提升阳极之前，铝液的温度在很长时间内保持在600℃左右，但在稍稍提升阳极之后,铝液温度很快就会升高到900~980℃。

整个过程以控制铝液温度的上升速度为管理点.经过8昼夜的均匀而缓慢地焙烧之后，达到启动温度后，电解槽便可以启动了。

（2）焦粒(石墨粉)焙烧法
（a）焦粒焙烧法
焦粒焙烧法是在阴、阳极之间铺上一层煅后石油焦颗粒作为电阻体，电解槽通电后,焦粒层便在阴、阳极之间产生焦尔热，焙烧电解槽,同时，阴极和阳极本身的电阻也产生热量，在其内部焙烧]。

焦粒焙烧法示意图见图2.
焦粒焙烧法的基本程序是,在焙烧开始之前，在阳极与阴极之间均匀地铺设一层粒度约1~3mm、厚度约10～20mm的煅轧后的焦粒,作为“加热元件”,其中焦粒应选用抗氧化性能强、体积密度变化小和粒度适当的煅后焦粒，以便有利于焦粒层与阳极底掌之间的通电接触良好和发热电阻稳定;焦粒铺设好后挂上阳极并将阳极压实在焦粒层上；为了使阳极的重量全部压在焦粒上,并保证焙烧过程中槽底膨胀变形不影响阳极与焦粉的良好接触,目前一般都采用软联接器来联接阳极导杆与阳极大母线；与铝液焙烧类似，在电解槽装料前在槽膛四周用固体电解质块砌筑堰墙以保护人造伸腿（但目前一些企业不再这样做，理由是电解质块在电解槽启动时及启动后很容易滑到阳极底下，妨碍阳极升降，甚至顶坏阳极升降机构的丝杠,并且电解质块溶化慢，容易导致边部形成沉淀，妨碍高质量槽膛的形成);接下来，将冰晶石与纯碱添加到槽内和阳极上,起保温和避免阳极氧化作用；并且安装分流器，使电解槽在通电焙烧的初期阶段有一部分电流被分流，不经过焙烧槽，避免升温过快（当电解槽需要加大焙烧电流时，分阶段拆除分流器)；最后通电焙烧。

大型槽一般分
4～5级送电,在每级电流停留3~5分钟，在20分钟内送满全电流。

焙烧过程中通过调整分流器来调整实际进入焙烧槽的电流强度。

电解槽通电后焙烧60~70小时,槽电压从最初的4Ｖ左右（冲击电压约为6Ｖ）逐步降至约2Ｖ。

阴极表面温度也从冷态逐步焙烧至950℃左右.中缝、阳极缝间的冰晶石已熔化成电解质液(高度10～20cm）.至此,电解槽完成焙烧，具备启动条件.
图 2 焦粒焙烧法示意图
1 阳极母线；
2 软连接；
3 阴极内衬；
4 阳极；
5 焦粒；
6 电解质块、冰晶
石、保温料
（b）石墨粉焙烧法
石墨粉焙烧法与焦粒焙烧法类似。

它是采用不同粒度配比的石墨作为焙烧发热电阻体，用专门的格筛将其均匀铺满电解槽槽底，然后将阳极直接坐在铺好的石墨层上。

装好炉料后即可直接送电焙烧。

在电解槽通电焙烧期间，要对槽底的焙烧温度进行跟踪测量，所有极缝之间都要作为跟踪测量点,当测量槽底的平均焙烧温度达到780℃时，就具备了启动条件。

到达此温度一般只需72小时。

由于石墨粉导电性好,该法不用分流片，直接采用全电流焙烧，电耗费用低.但与焦粒焙烧法相比，其工艺技术要求更加严格。

在电解槽阴极表面铺设石墨层时，要求将石墨铺平、铺均、高度一致,否则将导致焙烧时导电不均匀,影响焙烧效果。

由于国产石墨粉是生产石墨电极的附属产品，里面含有杂质，因此石墨的成分难以保证;阳极导杆和阳极炭块的浇铸必须垂直，表面要光滑平整，以保证阳极与石墨层充分接触;操作要一次完成.以上要求高且操作难度大，加之石墨粉价格高且熔化电解质费用太高，因此与焦粒焙烧比较优越性不大,目前少见应用。

（3）燃料焙烧法
该法是在阴、阳极之间用火焰来加热,因此需要可燃物质、燃烧器，同时阳极上面要加保温罩，才能使高温气体停留在槽内，并防止冷空气窜入。

火焰产生在阴、阳极之间,依靠传导、对流和辐射，将热量传输到其他部位.图3是燃料焙烧示意图.燃料通常为油、天然气或煤气。

待电解槽焙烧完毕后，通电、启动同时进行。

图3 燃料焙烧示意图
美国[4］、挪威［5］等国先后对燃料焙烧进行了试验研究并获得较好的结果。

我国的中国铝业股份广西分公司与重庆大学合作在国内率先进行了燃料焙烧法的工业试验研究[6]。

使用燃油焙烧的燃料焙烧系统包括一个燃烧器，一个喷油嘴和供油系统、空气管和燃油管;一个控制装置,控制热电偶和绝热罩。

调节预焙阳极为燃烧提供燃烧空间，把燃烧器放在适当的位置，以保证在碳块表面上有最大的热气流循环和最小的火焰冲击.焙烧完成时,关闭燃油（空气）的供给系统，移开燃烧器和绝热罩，下降阳极，使阳极恢复到电解槽启动的位置。

向电解槽内灌入熔化冰晶石的同时,通电启动电解槽。

(4）三种焙烧法的优缺点比较
（a）铝液焙烧法的优缺点
铝液焙烧的优点比较突出,即方法简便，容易操作，不需要增加任何其他临时设施；焙烧后，电解槽内的温度分布虽然不均匀，但不会出现严重的阴极局部过热的现象;由于阴极的表面覆盖一层铝液,因此在焙烧过程中,阴极碳块不会被氧化；可以使用部分高残电极焙烧,有利于降低生产成本，启动后电解质洁净无夹杂,省工省料。

虽然铝液焙烧具有上述优点，但是其缺点也同样突出。

首先,铝液焙烧启动法因铝液的电阻小升温慢,焙烧时间长，造成焙烧过程能耗较高，效率较低;其次,铝液首先与阴极表面接触,在焙烧过程中阴极表面产生缺陷和细小裂纹,首先由金属铝液充填，由于金属铝的热胀冷缩作用以及电解温度的变化，渗透阴极细小裂纹中的金属铝凝固和熔化的交替作用，会进一步使细小裂纹扩大，加速铝液渗透作用，造成铝液进入内衬中而导致电解槽早期破损;另外,焙烧温度低也给阴极扎缝糊和边部
扎固糊造成焙烧不彻底，启动后升温剧烈，升温梯度过大,造成较大的内应力使其产生裂缝，金属铝液进入裂缝，进而破坏电解槽的热平衡，使金属铝的热胀冷缩作用以及电解温度的变化的频率加快，反过来加速铝液渗透作用,造成电解槽早期破损或寿命较短;对大型电解槽,由于电解槽底的阴极表面积很大，铝液还未充满阴极表面便开始凝固，如何确保铝液在通电之前,以液态的形式充满阴极表面又成为一个难题.
随着大型预焙铝电解槽的推广使用，尤其是大型预焙铝电解槽长度的增加使灌铝操作变得复杂和困难，再加上大型预焙铝电解槽单槽造价的大幅上升，追求较长电解槽寿命以降低原铝成本是现代电解铝厂的主要目标之一,因铝液焙烧法对电解槽寿命的影响比较大，故现在铝液焙烧法在大型预焙槽上被淘汰。

（b）焦粒焙烧法的优缺点
焦粒焙烧启动方法克服了铝液焙烧启动存在的一些缺点（尤其是铝液焙烧启动法对大型槽槽寿命的不利影响）,具有时间短、效率高、对电解槽寿命产生有利的影响等优点。

阴极碳块由常温逐步升高，且首先与液体电解质接触，这样焙烧过程中阴极表面产生缺陷和细小裂纹将由电解质填充，加之此时电解质分子比较高，一般在2.8以上，因此，将有效的阻止正常电解过程铝液渗透,对阴极起着保护作用,也就是说对电解槽寿命产生有利的影响.
我国白银有色金属公司铝厂是我国最早在大型预焙槽上开发应用“焦粒焙烧—电解质湿法启动技术”的工厂［7]，1989年8月在从日本千叶铝厂购买的155kA预焙槽上使用该技术，十年后（1999年）通过甘肃省科技成果鉴定.其后,随着我国大型预焙铝电解槽的快速推广应用（并已将自焙铝电解槽淘汰），新型焦粒焙烧启动法迅速在全国推广应用，已取代了铝液焙烧。

新型焦粒焙烧启动法经过这几年大量的应用，其自身的缺点也逐步体现出来，其最大的缺点是电解槽焙烧过程中，因铺垫的炭粒不可能达到完全均匀一致等原因，难以保证电流均匀分布。

虽然采用了软连接技术和分流器装置，增强了对电流分布的调整,但调整效果有限。

电流分布的不均匀导致阴极表面温度不很均匀，可能产生局部过热。

此外，该法对槽边部扎固糊（人造伸腿)的焙烧不良；启动后电解质碳渣多，需要清除碳渣，费工费料。

（c)燃料焙烧法的优缺点
燃料焙烧法可通过调节燃烧器来控制加热速度，加热速度的可控性好,并可通过移动加热器来控制温度分布，使阴极表面温度缓慢均匀上升；在焙烧过程中，由于阴极表面和阴极本体的温度梯度较小,因而热应力较小,有利于防止阴极表面形成裂缝;由于焙烧时被完全密闭,所以辐射热和沥青烟的散发量减少，消除了电阻焙烧过程中的调整阳极作业，焙烧操作的环境得到显著改善;对边部扎糊的焙烧能达到其它焙烧方法无法达到的效果;与焦粒焙烧法一样，启动时首先灌入的电解质能填充阴极内衬以及边部扎固糊因焙烧而出现的裂纹；启动后电解质洁净，也不需要捞除碳渣。

燃料焙烧需要专用的较复杂的燃料燃烧装置,方法复杂，操作难度大,装置维修量大,焙烧过程燃料消耗（能耗)高，并且人们对电解高温环境使用燃油、燃气（特别是燃气)的安全问题存在担心。

从工艺本身而言，该法最大的缺点还是阴极氧化问题。

由于高温烟气的氧含量控制以及燃烧空间的密封问题难以解决,阴极表面被烟气和空气氧化的问题难以解决好，严重时阴极碳块和捣糊缝燃烧；虽然能对侧壁生糊进行焙烧，但容易产生垂直裂缝和表面剥落现象.上述阴极氧化问题成为导致电解槽早期破损的重要隐患.为了避免阴极氧化，可采用在阴极表层铺设耐热钢板,但这些装置的设置一方面阻止了燃烧的高温烟气对阴极的热传输,使燃料焙烧的优势不能充分发挥;另一方面需要大量的机械和相应的配套设备来达到控制阴极碳块及扎缝和边部扎糊的燃烧，使操作进一步复杂。

中国铝业股份广西分公司与重庆大学合作开发的高温烟气焙烧技术强调使用燃料燃烧产生的高温烟
气来加热铝电解槽(而不是火焰直接加热）,并通过对关键装置(燃烧器和分配室)的优化设计来降低高温烟气的氧含量[8］，以避免火焰和烟气本身对阴极的氧化，但依然不能解决因密闭不好漏入空气导致的氧化问题。

目前，该方法在我国尚处于试用阶段。

(d）三种焙烧法的定性比较
表1是对三种焙烧方法在大型预焙槽上应用效果的定性比较。

须指出，由于各方法的成熟程度不同，同一方法在不同企业或不同条件下的实施效果也存在差异,加之各方法在某些比较项(例如温度分布均匀性)既有有利的一面,也有不利的一面，因此一些定性比较存在不确定性或存在分歧。

表1 三种焙烧方法在大型预焙槽上应用效果的定性比较
序号项目铝液焙烧焦粒焙烧燃料焙烧
1 焙烧时间长短较短*
2 升温控制难较易易＊
3 温度分布均匀性较均匀较均匀均匀＊
4 对阴极热冲击大较小小*
5 裂缝填充物铝电解质电解质
6 阴、阳极氧化少少多
7 对人造伸腿焙烧差差好＊
8 送电难易较易难易*
9 操作难易程度易较易难
10 运行辅助设备无较多多
11 焙烧费用大小较小
12 能源利用率低高较高＊
13 对启动的影响小较大大
注:＊表示人们所期望的定性
2。

2 启动
铝电解槽完成焙烧后，进入启动阶段。

启动方法常采用的有两种，即干法启动与湿法启动，前者通常在新电解厂开动时尚无现成的液体电解质情况下头一、二台槽上采用,在有生产槽的系列中启动多数采用湿法启动。

启动的必要条件是:阴极表面60～70％的面积达到了900℃以上；对于湿法启动,还有一个必要条件是槽内60％以上的面积有10～15cm的熔融电解质。

(1)干法启动
干法启动即是利用电解槽阴、阳极之间产生的电孤高温将固体冰晶石熔化成液体电解质,其做
法是不断向焙烧好的电解槽的阴、阳极间添加冰晶石，慢慢提升阳极，阳极脱开阴极的部分便产生强烈电孤而形成高温，使冰晶石熔化，当槽内有了适当高度的液体电解质后,可引发阳极效应，加速电解质熔化.待到有足够高度的液体电解质后,便加入氧化铝熄灭阳极效应，电压保持在6~8V,保持一段时间后(24小时以上)，灌入适量铝液，电解槽进入生产阶段，启动即告结束。

对于新厂头一、二台槽启动无液体铝水时，可采用慢慢向槽内加入铝锭逐渐熔化而成，此时，槽电压高些,以补充熔化铝锭的热量。

干法启动一开始两极间产生的强烈电孤，严格损伤阴、阳极表面，尤其阴极表面的损伤将会殃及电解槽的使用寿命，特别是焦粒焙烧清炉后进行启动的电解槽尤为严重.铝水焙烧的电解槽在启动之前阴极表面已有一层液态铝，电弧产生在阳极和铝液表面,铝水起到了保护阴极的作用。

干法启动时抬阳极必须小心谨慎，尤其一开始切不可抬之过快，以防发生强烈崩爆，破坏电解槽内衬，以及发生意外事故。

通常利用槽电压的高低来监示,一般电压控制在10～15V。

开始电压摆动较大，这是由于阴极、阳极接触不良所致,待有一定液体电解质浸没阴、阳极后，电压渐趋稳定，方可继续慢慢升高电压,加速冰晶石熔化,直到有足够液体电解质为止。

(2）湿法启动
湿法启动即是向待启动的电解槽内灌入一定量的液体电解质,同时上抬阳极,逐渐引发人工效应(也有不让发生人工效应的）。

在人工效应期间可将阳极上用于保温的冰晶石推入槽内熔化，若电解质量不足，还需要投入冰晶石,直到液体电解质达到规定高度,便可投入一定数量的氧化铝,熄灭效应。

灌入的电解质需要在生产槽上准备,一般要求电解质温度尽量高些,以保证抽取顺利和倒入启动槽时有足够的流动性。

效应时间一般不超过半小时，效应电压保持在20~30V，具体根据电解槽焙烧温度和槽内电解质高度而定.效应期间根据需要添加冰晶石，效应持续时间为25～30分钟，当电解质高度达到25~30cm后，人工熄灭效应。

效应熄灭后应保持较高的槽电压，一般在6～8V，中、小型槽为8～10V，保持一段时间后(24小时以上），向槽内灌入一定量的铝液作为槽内在产铝，加好阳极保温料，启动便告结束.
用焦粒焙烧的电解槽，启动之前若未清除焦粒，人工效应后必须组织人力捞取碳渣,以保证电解质洁净。

湿法启动与干法启动比较，有省电、操作方便、劳动强度低、安全可靠等优点,尤其不会对阴极内衬带来损伤，所以大多数电解槽的启动都采用湿法。

但湿法启动需在生产槽上准备液体电解质，这样或多或少地影响生产槽的技术条件，尤其预焙阳极电解槽，在准备启动用液体电解质时需提前提高槽电压，让电解质水平升高，容易出现熔化炉膛和熔化阳极钢爪等情况,所以应特别注意。

近年来有些厂家采用所谓“无效应湿法”启动，则是将电解质灌入待启动槽后抬高电压不超过10V，让其慢慢熔化固体物料,这样需经过数小时乃至十几小时，才能启动完毕，启动时间较长。

但该法有启动期间物料挥发损失小，环境条件较好等优点。

采用该法时，应适当提高电解槽焙烧温度，以防止灌入的电解质凝固，影响启动质量.
无论采用何种方法启动,都必须使投入的固体物料（边部砌筑块除外)充分熔化,电解质温度应尽量高一些,这是因为启动期间投入的固体物料若不充分熔化，将以沉淀积于槽底，当灌入铝水后炉底温度降低，便难以熔化，日久天长便在炉底结成坚硬的结壳,既影响电解槽转入正常运行，也影响阴极内衬寿命。

此外,新启动槽散热损失大，内衬在启动后相当一段时间内还会吸收大量热量,若
启动时电解质温度低，很容易出现电解质水平急速下降，并在炉底产生沉淀，造成炉膛畸形。

2。

3 启动初期管理
电解槽启动初期即指人工效应熄灭后到第一次出铝期间,一般为两昼夜（48小时)。

时间虽短,但电解槽的各项技术条件发生了明显变化.
现代大型槽在启动后至少经过24h以后才灌入铝液,理由有二:首先，电解槽虽在启动中经过半小时左右的人工效应,槽温上升到近1000℃，但仍有部分固体物料未完全熔化,为了使电解槽灌铝后不致产生炉底沉淀，人工效应后必须保持一定时间的高温方可灌铝，使启动中添加的副原料得以充分熔化；其次，避免过早地让阴极接触铝液,而是让阴极中的细小裂缝先被冰晶石填充满，让内衬中的底糊继续焙烧好并且体积膨胀,而不让铝液先进去。

启动后经历24h以上,向槽内灌入铝水作为在产铝,使铝液高度达到14～18cm。

灌铝后电解槽便进入了生产阶段，其标志是槽温明显下降,阳极周围的电解质沸腾正常，槽周表面开始形成电解质结壳.
启动初期的重要管理工作有:
（1）电解质成分管理。

由于启动初期电解槽阴极吸钠处于最剧烈期,电解质分子比会下降很快，为了满足电解槽在高温与高分子比状态形成稳固的槽膛,启动后要求电解质分子比为2.8(质量比1。

4）以上，氧化钙含量5％左右，故在这期间还应根据装炉原料及灌入电解质量进行估算，投入适量的苏打和氟化钙.若电解质高度不足30cm者,还需在期间添加冰晶石。

（2）下料管理.电解槽在启动后即可投入自动下料，但采用定时下料的控制方式。

由于启动初期电解槽并未进入正常电解过程，因此必须避免供料过量，防止产生沉淀和保持1~2次的AE系数，但是也要防止AE重复多发。

因此,在灌铝之前，下料间隔比正常加料间隔延长一倍左右;灌铝之后下料间隔仍须大于正常下料间隔（例如，为正常下料间隔的1.5倍）；AE发生后再逐渐缩短加料间隔。

（3)槽电压管理。

启动初期，电解槽的电压均由人工调节。

在灌铝前,电压需从人工效应后的6~8V逐渐下降到5~6V，一般每隔半小时左右手动调节一次。

在灌铝后槽电压需逐步下降到4。

3～4。

5V(具体值须依据电解槽的热平衡与工艺条件的设计标准而定）,因此灌铝后仍需3～5小时一次的手动调整电压。

（4）槽温管理。

前面已指出，灌铝前须维持电解槽处于较高的温度.从灌铝后到第一次出铝，槽温一般从近1000℃下降到970~980℃。

由于新启动槽热损失大,电解质水平下降快，为了减少热损失量，灌铝后必须在阳极上适当加氧化铝保温。

须注意电解槽表面是否已形成封闭的结壳,除中间下料孔外，其余地方几乎没有冒火跑烟之处，若经过两天两夜电解槽仍结不上壳,证明启动温度过高，必须加快降低电压。

（5）电解质高度管理。

应特别注意其下降速度,到第一次出铝时电解质高度应在26~30cm，不得低于25cm,若下降太快，必须加强阳极保温和放慢电压下降速度，同时添加冰晶石以补充电解质。

（7）清理碳渣。

对于焦粒焙烧的电解槽,启动后还要作电解质清理工作，清除浮游碳渣。

在电解槽启动初期,除了技术条件发生明显变化之外，阴极内衬组织也处于较大变化之中，阴极内衬的焙烧仍在继续，因此该时期的管理需特别关注与槽寿命相关的因素。

前已述及，电解槽焙烧期间槽周扎糊带处于未焦化状态.电解槽启动时，为了保护边部,一般要求边部电解质块砌筑体不。