300KA 大型预焙铝电解槽焙烧启动后快速形成规整炉帮研究

杨仲生

（中铝山西新材料有限公司，山西 运城 043304）

在铝电解的启动后期及正常生产期间，炉帮是电解槽的重要构成部分。根据炉帮形成的机理和生产实践，由于电解槽槽型设计、阴极炭块炭糊防渗料等原材质量及筑炉工艺、焙烧方法、工艺技术等条件有所不同，形成的炉帮也有所差异，特别薄的炉帮可能出现钢窗局部发红现象，严重时会出现侧部漏炉异常事件。

1 电解槽炉帮的定义及作用

1.1 电解槽炉帮的定义

铝电解槽炉帮是电解质熔体根据分子比下降过程中结晶形成的高分子比结壳层。根据我厂实际情况，我厂使用的侧部碳块是石墨化氮化硅复合块；电解质熔体形成的结壳层，其主要成分是单斜晶体的冰晶石、α-Al2o3以及少量冰晶石-氧化铝共晶组成，其化学组成随电解铝所使用的氧化铝和电解槽的运行温度有很大的变化，一般它至少含30%（质量）的电解质，其余为氧化铝。其正常生产的电解槽炉帮要求厚、硬、匀，底部伸腿要求对称如图1，整体要求炉膛规整，伸腿位于阳极边缘正投影下。

图1 电解槽正常炉帮与不正常炉帮示意图

1.2 电解槽炉帮的作用

形成规整的炉帮对铝电解槽启动后期及正常生产期起着非常重要的作用：①减少电解槽的热量损失，阻止电流从侧部通过；②保护电解槽的侧部氮化硅砖；③把阴极原铝液挤到槽中央部位，使铝液镜面收缩，利于提高电流效率和降低磁场波动；④防止侧部漏电，让电流均匀地通过阴极表面，使电解槽稳定运行；⑤覆盖阴极炭块与侧部炭块之间的扎固缝，杜绝铝液或电解质从扎固缝之间渗入造成电解槽破损，延长槽寿命。

2 电解槽焙烧启动过程

在铝电解生产过程中，大型铝电解槽一般采取铝液焙烧法、焦粒焙烧法、燃气焙烧法三种方法，结合我厂生产实际，我厂一直采用焦粒焙烧启动法。焦粒焙烧法是在阴阳极之间铺上一层焦粒与石墨按3：2 配比的煅后焦，电解槽通电后，焦粒层作为电阻体，在阴阳极之间产生焦耳热，同时阴极和阳极本身的电阻也产生热量，进行焙烧电解槽。按照我厂生产实践，其焙烧时间为54h。

2.1 电解槽焙烧过程

2.1.1 电解槽焙烧的目的

（1）把电解槽内阴极碳块之间、阴极碳块与侧部内衬之间的冷捣固糊慢慢烧结成一个整体，并把槽内衬材料中的水分蒸发出来。

（2）焙烧过程中电解槽内衬材料不断升高至一定温度，避免启动时灌入槽内的熔融电解质凝固。

（3）使电解槽平稳地过渡到电解槽生产状态的过程。

（4）当电解质或原铝液灌入电解槽时，减少电解槽受到热的冲击。

2.1.2 电解槽装炉

表1 我厂某槽装炉物料用量表

其中装炉物料中加氟化钙，因其有矿化剂的作用，在电解质中添加氟化钙，析出的固体电解质熔点高，对后一阶段形成的规整炉帮在实际生产中不易被熔化。

装炉质量的好坏决定着电解槽焙烧温度的均匀性及冲击电压的高低。在装炉过程中必须严格控制铺设焦粒的质量，保证每块阳极底下的焦粒量均匀，产生的电阻均衡，才能确保阴极升温均匀，但是由于随着温度的升高及焦粒层体积密度的变化，焦粒层的电阻也会发生变化，从而导致阳极电流分布不再均匀，因此加强焦粒铺设至关重要。另外，软连接及分流器的安装，要求：压接面清擦干净、螺杆和弓形卡具压紧到位，接触面无透光现象、无绷直现象，软连接有一定的弯曲度，分流器用料块等撑开，有利于通电后散热。

2.1.3 电解槽通电

我厂采用电解槽通电方式是用赛尔开关通电，我厂某槽通电后的冲击电压和峰值电压如表2。

表2 我厂某槽通电后的冲击电压和峰值电压

2.1.4 分流器拆除

从焙烧实践来看，随着焙烧时间的推移，电解槽温度逐步升高，槽电阻逐渐降低，分流器的分流率逐步减小，所以为合理控制电解槽升温速度，在焙烧过程中必须严格要求分流器的拆除顺序及拆除时间。一般要根据拆除时电压值及拆除前后电压上升值决定拆除时间和顺序。根据我厂某槽焙烧实践，通电时间大于等于6 小时，且槽电压低于3.0V 时，拆除立柱3 分流器，拆前电压：2.72V 拆后电压:2.82V；距第一次拆除时间大于等于3 小时，且槽电压低于3.0V 时，拆除立柱1、5 的分流器；3 小时后且槽压低于3.0V 时拆除2、4 分流器，拆除立柱1、5 的分流器及2、4 分流器前后电压如表3。

表3 拆除立柱1、5 及2、4 的分流器前后电压变化

在电解槽焙烧的54h 中，在大面及阳极上部有化开的地方，及时用冰晶石补充，不得出现明火；巡视软连接，防止有熔断现象；禁止上抬阳极；拆完注意不能在立柱与槽壳、风格板之间形成搭接，各接触处用绝缘材料隔开，温度降至常温后再吊出；工区长汇总数据，制作升温曲线如图2。

2.2 电解槽启动过程

图2 焙烧时电解槽温度升温曲线图

2.2.1 电解槽启动前的准备

①复紧卡具：在确定启动前2～6h 复紧卡具，天车复紧完后再使用扳手人工复紧一次；②画线：启动前把原线擦去，重新在导杆两端画线；③拆软连接：启动前1—4h 拆除软连接，拆前确认卡具必须复紧，拆后1 小时内收到库房；④取出测温管、石棉毡：确认具备通电条件后，取出可能影响铝液质量的测温管、石棉毡等装炉材料，及时拉运到指定地点。

2.2.2 电解槽启动

我厂300KA 铝电解槽都采用湿法无效应启动，启动时边抬电压边灌入10～12T 液体电解质如图3，灌电解质拉起后测量阳极电流分布，启动电压一般保持在6V 左右，剩余1.5 吨纯碱逐步加完。启动完毕保证装炉物料全部融化，四周化开后从四周打捞炭渣，最少捞15 箱，炭渣打捞完毕，开始氧化铝下料，启动正式结束。我厂某槽启动前后电压及电解质水平情况如表4。

表4 我厂某槽启动前后电压及电解质水平情况

2.2.3 电解槽灌铝

我厂对新启动槽第一次灌铝的时间要求不宜过早，一般在24～32h以后，其用意在于：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。根据我厂生产实践，我厂某槽第一次灌铝和第二次灌铝的情况如下：第一次灌铝：灌铝前电解质高度：30cm。时间：4月12日21：00，灌铝量：9000kg，灌前电压：5.95 V灌后电压：5.40 V；第二次灌铝：灌铝前电解质高度：28cm。时间：4月13日4：00，灌铝量：9000kg，灌前电压：5.4 V 灌后电压：4.85 V；灌铝30 分钟后两水平，电解质水平：27 cm铝水平：22cm。

电解槽由安装内衬后的冷态，过渡到具备正常生产技术条件（含炉帮、炉膛在内），并具有一定自调能力，达到一定效率的在产铝电解槽，都要经历焙烧、启动这一过程，而这一过程对形成炉帮是至关重要的一个阶段。其高质量的电解槽焙烧是：从通电后到焙烧结束整个过程为缓慢的升温过程，使槽内衬中的水分和气体缓慢排出，当电解槽内衬中的水分完全排除和捣固糊的焙烧温度得到540℃～610℃后，可加速焙烧升温速率，从升温曲线图2 可以看出。

3 启动后期管理

铝电解槽的启动后期是从灌铝后启动结束到正常生产之间的一个调整阶段，大约延续1 个月，其目的是快速形成高温坚固的炉帮、形成规整的炉膛。在此期间，电解槽的各项工艺技术参数控制要严格按照标准执行，通过技术参数的逐渐调整，最终达到热量与物料平衡。据资料报道，电解质侵蚀侧部炭块的速度使炭块每天约腐蚀掉1mm，启动到60 天左右时侧部炭块剩下的厚度只有原来的1/3～1/2，所以电解槽启动后期的管理的关键是调整各项技术参数。尽快地形成高分子比高温炉帮，以保护侧部炭块、人造伸腿受不利因素的侵蚀，从而提高槽况稳定性及电解槽寿命。

3.1 槽电压及槽温的管理

电解槽在启动后，电压和温度的控制原则是逐步降低的，由于启动初期炉帮还未完全形成，电解槽内衬仍处于吸热状态，电解槽需要输入更多的热量，一般情况下电压在1 个月后逐步降至正常，温度在3 个月后降至正常。根据我厂生产实践，灌铝后第1 天开始我厂某槽电压及槽温管理如表5。

表5 我厂某槽启动后电压及槽温管理

3.2 分子比的管理

由于启动初期槽内衬大量吸收氟化钠，使电解质的分子比逐步降低，所以一般需要添加碳酸钠提高分子比，使得在电解槽侧部形成高分子比坚固的炉帮。如果启动初期分子比较低则形成的炉帮热稳定性较差，一旦生产中发生效应就会被融化。根据我厂生产实践，灌铝后第1 天开始我厂某槽分子比管理如表6。

表6 我厂某槽分子比管理

3.3 两水平的管理

在启动后期中要逐渐提高槽内铝水平，严格按出铝制度出铝，如果铝水平低于预定的目标则不必出铝。随着铝水平的逐渐提高，在电解槽炉膛内壁上逐渐形成结壳，它是热和电的绝缘体，起着保护作用。槽内的铝液是一个良好的热缓冲体，在偶尔发生的长时间阳极效应时，它可以防止结壳的熔化，从而避免液体电解质的组成和温度急剧的改变，以及由此而来的生产失常。铝液水平不稳定，忽高忽低，特别是槽内加一些废铝等，造成铝水平过高和电解质不干净，会对伸腿和炉帮的生长不利，最后造成炉膛畸形。

炉帮的形成需要大量的液态电解质冷凝析出，电解槽生产时也需要槽内有足够高度和足够量的液态电解质，为了保证这两方面的需求，这就要求启动灌铝后槽内电解质水平必须保持在比平时较高的水平，一个月内分阶段逐步调整，启动第二个月起，电解质水平保持正常。根据我厂生产实践，灌铝后第1 天开始我厂某槽两水平管理如表7。

表7 我厂某槽两水平管理

3.4 阳极电流分布的管理

在启动后期管理中，阳极电流分布曾一度被忽视，而换极质量的好坏，直接影响到阳极电流分布的均匀与否，对炉帮的形成及炉膛内型的建立影响极大。应严把换极质量关，确保阳极电流分布合格率。

4 结语

（1）电解槽要想实现长周期、安全、平稳、高效的状态，首先必须快速建立规整、坚固、高温、高分子的炉帮，否则可能出现电解槽早期破损现象。

（2）预焙铝电解槽炉帮形成的关键是加强电解槽的启动后期管理，保证其形成阶段保持足够高的分子比。

（3）预焙铝电解生产过程中，侧部炉帮的正常保持是生产中的一个难题，电解槽热平衡、技术参数、电解槽启动管理控制不合理等都会影响侧部炉帮的建立及正常保持，所以加强技术参数的管理，保持合理的热平衡和物料平衡，确保建立的炉帮不被熔化掉。