电解槽破损分析

电解槽破损形式及原因
一、电解槽破损形式
电解槽破损主要是由阴极内衬破损和侧部炭块破损组成，其破损形式有阴极炭块隆起断裂、阴极冲蚀坑和侧部氧化脱落。

1、阴极炭块隆起断裂
阴极炭块在生产一段时间后，上抬隆起，整个阴极面呈中间高，四周低的情况，致使阴极钢棒弯曲变形，槽沿钢板向外伸展。

炉底隆起长时间会出现阴极炭块断裂，铝液顺裂缝渗入底部，熔化阴极钢棒，造成漏炉。

图5-19给岀了炉底隆起造成阴极断裂的示意图。

根据阴极钢棒的组装形式不同，炉底隆起程度不同，特别是通方钢组装（见图5-20），钢棒承担应力较大，炉底隆起后阴极钢棒顺势弯曲，造成阴极炭块和钢棒脱离，甚至阴极炭块内部层脱。

随着近年来的发展，阴极组装钢棒都改成了短钢棒组装，对阴极寿命会起到一定的作用。

炉底隆起断裂的原因主要是热膨胀和钠对碳阴极的渗透引起的体积膨胀，这种膨胀力远大于从室温至I000℃的膨胀力，钠直接在阴极内衬下产生反应的结晶张力将导致槽壳的变形及阴极炭块上移。

2、阴极冲蚀坑
这是预焙槽上的一种特殊破损形式。

由于磁场推动铝液冲涮的作用，在槽底形成冲蚀坑穴，冲蚀坑穴大部分出现进电端，这是因为立柱母线和槽底母线磁场作用铝液流速增加，消磨阴极造成。

冲蚀坑表面磨得很光滑，覆盖有一层白色氧化铝固体。

当坑穴逐渐向下穿透炭块时，铝液熔化阴极钢棒，从而造成漏炉。

有两种形式的坑穴，一种是面积较大的，存在形式基本对应每个立柱母线都会有此现象，坑穴深度约为10cm以上。

随着坑穴深度的增加，铝液冲刷阴极炭块逐渐变薄，一旦突破阴极炭块，阴极钢棒熔化。

另一种是局部小
冲蚀坑，或者称为冲蚀洞，呈不规则的圆形，是阴极炭块质量问题形成的铝液通道，这种冲蚀洞破坏性比较大，会造成多组阴极钢棒熔化，引发漏炉事故。

3、侧部破损
侧部在以前是采用纯炭块砌筑的。

现在是碳氮化硅块或者碳-氮化硅组合块砌筑。

电解槽运行过程中，侧部因受空气氧化、化学腐蚀、边部开口捞渣作业的破坏，致使侧部物质氧化消耗或物理破坏脱落落入槽内，图5-23为侧部破损前后对比。

由于钠的侵蚀使得侧部碳-氮化硅块结构疏松、膨胀、炸裂、导致侧块粉化，失去保护作用。

炉帮变空，使槽内水平电流增大。

由于垂直磁场与铝液中水平电流作用形成强大的回流，水平磁场对铝液垂宜电流形成表面隆起，加之阳极电流不均，导致伸腿过长，水平电流大电解槽侧部长期难以形成炉帮，稳定性差。

从而形成恶性循环，更加剧了铝液流速场的变化，由于铝液电磁力的作用，铝液及电解质中的氧化铝不停的对侧部进行物理摩擦、剥蚀，最终造成电解质和铝液界面直接与侧部钢板接触。

另外在日常的管理中，炉面散热带管理不善，散热带被物料埋住，侧部热应力增加，加上水平电流和物理冲刷的作用.侧部炭块膨胀，使散热带上翘.严重时使侧部暴露空气中发生氧化。

侧部破损造成漏炉几率也非常大，一旦侧部化空，高温液体直接接触侧部钢板，水平电流会加剧击穿侧部，发生漏炉。

二、电解槽破损原因
阴极内衬随着槽龄的增长都会产生破损，其原因主耍体现在以下几个方面。

1、钠的渗透
钠的渗透对阴极产生如下作用：①钠-碳之间的反应形成一种嵌合物，将会增大碳晶格间的距离，从而引起膨胀和分裂，可导致局部应力集中或破裂的延伸，这个问题发生的趋势取决于吸收钠量和吸钠的分布，吸钠不均会造成炉底上抬和局部炭块剥离。

②阴极炭块层状剥落漂浮于电解质表面，这种情况虽使阴极剥落深度不会超过10cm，但是会导致阴极表面坑洼不平，阴极电流密度不均匀，诱发冲蚀坑的产生，最终导致漏炉。

2、阴极材料的膨胀与收缩
在阴极内衬中，各种材料的膨胀和收缩都会引起电解槽内衬破损及槽壳变形。

在正常生产情况下，阴极炭块和阴极钢棒的膨胀及收缩率都与温度有重要的关系。

温度越高其阴
极组织膨胀产生的应力越大，接近阴极炭块区域的高温是造成内衬中等温线破坏的重要原因，所以联系到技术条件管理，不能保持较高的槽温，但是过低的槽温会造成阴极内衬的收缩，这样反复的波动最终造成阴极内衬的破坏。

阴极钢棒会脱离阴极炭块，而阴极炭块内部也会产生层状分离，最终使阴极表面沿中心轴长度方向上抬，阴极钢棒上拱。

槽壳也会在这种应力的作用下变形，向外膨胀。

3、槽内液体的渗透
电解槽在进入正常生产后，碳素内衬温度分布已经稳定，钠的渗透也变得缓慢。

但是在钠渗透的基础上，槽内液体电解质和铝液会继续向阴极内衬中渗入。

由于阴极碳素材料有一定的孔隙度，并且局部出现阴极裂缝，液体电解质下渗能达到防渗料部位，其发生化学反应破坏内衬组织，铝液下渗多沿着阴极裂缝，通常到达阴极钢棒位置不再继续下渗，而是熔化阴极钢棒。

铝液下渗是快速的破坏形式，在24小时之内能熔化阴极钢棒1m以上的长度。

严重时导致阴极钢棒口发红，引起漏炉。

4、空气氧化及电化学腐蚀
空气氧化现象主要作用于侧部.一是电解质液面以上的部分暴露于空气中氧化脱落，下部是钠的渗透膨胀脱离。

另外阴极钢棒密封口会进入空气参加化学反应，破坏阴极内衬。

此外，炉底表面电解质中混有铝的存在，有冰晶石的情况下，
铝与阴极炭块发生电化学反应，生成碳化铝。

碳化铝可溶解于铝液之中，使阴极炭块遭到腐蚀.尤其是在阴极裂缝处.腐蚀更强烈，增加裂缝的宽度和深度。

5、内衬材料及砌筑质量的影响
内衬材料质量差，电解槽阴极寿命自然不会长久。

特别是阴极炭块膨胀率、挥发分抗压强度等指标至关重要，侧部炭块质量差同样使槽寿命缩短。

在砌筑电解槽时，扎固糊质量及扎固质量是引起伸腿漂浮的关键因素，炭间缝扎固不好以及阴极钢棒密封不严等都会造成电解槽早期破损。

因此，选定筑炉材料和筑炉工艺一定要严格按照标准执行，才能保证砌筑质量，延长槽寿命。

6、操作管理不善
电解槽的焙烧启动过程是槽寿命的控制重点，出现扎固糊不能够良好焦化，高温液体冲击使阴极产生裂纹或破裂。

日常技术条件管理槽温过高、铝水平过低、分子比高都是加剧电解槽的破损因素。

炉底沉淀堆积过多，引起水平电流增加和电圧波动现象，也是造成电解槽破损的因素。

长时间压负荷或者停电造成槽内温度降低，先渗入的电解质在阴极裂缝中凝固膨胀，在钠的作用下加剧破损，此种情况造成的阴极变化很大，是观察不出来的，通常在恢复系列电流一段时间，经常性出现个别电解槽阴极钢棒熔化。

三、阴极内衬破损管理
1、破损槽的鉴定
1）、根据原铝质量的判定：如果铝液铁含量急剧上升，且排除阳极钢爪熔化和其它物料带入的影响，说明某阴极内衬已严重破损，铝液下渗造成阴极钢棒熔化。

如果是硅含量上升，且无其它杂质影响，说明电解槽侧部破损，碳化硅块脱落所致。

2）、根据“三温”判断：炉底不超过100度，最高可达300度。

侧部不超过380度，超过450度开始发红。

方钢不超过280度，300度以上或超过邻极40度，说明钢棒已经熔化。

3）、其他途径检查：在换极时，操作人员要进行炉底检查，用长钩在炉底表面滑动，检查是否有阴极裂缝，用短钩检查侧部伸腿是否完好。

除此之外，侧部的破损可以从炉帮厚度测试中发现，正常炉帮厚度为8~12cm，炉帮化空无非就是0cm。

但有一种现象，测量计算后，炉帮厚度为负数。

这说明不但炉帮化空，而且侧部炭块或者碳化硅块已经出现脱落及氧化剥离。

铝业公司生技科
2020年1月15日。