大型預焙鋁電解槽角部伸腿肥大原因分析及處理措施探討

王超，翟超迎，杜天鋒，宋陸炎，李建鋒

（廣元中孚高精鋁材有限公司， 四川廣元 628000）

四川某340KA電解系列二期100臺電解槽于2020年11月上旬啟動結束，12月份，由于牽涉到指標調整，進行了鋁量回調。2021年2月份，生產中發現2052#A1和2055#B1角部位置出現伸腿肥大現象，車間高度重視，立即組織技術人員對所有電解槽角部情況進行測試排查，發現約有10%的電解槽不同程度出現角部伸腿肥大現象，針對現狀，車間多次召開技術專題會，深入分析探討，制定應對措施，優化技術條件，精細操作質量，歷經5個月，至2021年7月份，電解槽角部伸腿肥大現象基本消除，電解槽轉入正常運行。

1 電解槽角部伸腿肥大對生產的負面影響

1.1 電解槽的伸腿

在鋁電解生產中，電解槽擁有一個規整穩定的爐膛內型是電解管理最重要的管理目標之一，因為規整穩定的爐膛不僅影響著電解槽運行平穩與否，也影響著電解槽的技術和經濟指標，甚至決定著電解槽的安全運行系數和槽齡。電解槽伸腿大小，是判定電解槽爐膛是否規整的重要參數之一，正常的爐膛，要求伸腿在陽極投影正下方（如圖1-c），而伸腿一旦延伸到陽極投影下，即為伸腿肥大(如圖1-a)。電解槽伸腿肥大，一般先從角部開始，其會對電解生產和管理帶來一系列負面影響［1］。

圖1 電解槽伸腿示意圖

1.2 電解槽角部伸腿肥大對生產的負面影響

（1）影響電解槽運行的穩定性

電解槽角部伸腿肥大會影響角部陽極的導電性，引起電解槽局部磁場發生變化，致使電解槽運行穩定性變差，噪音值增大，出現電壓波動，有時候會頻繁出現電壓下栽現象（如圖2），嚴重的會導致滾鋁等病槽的發生。

圖2 電解槽角部伸腿肥大運行曲線

（2）陽極不消耗，嚴重的會頂壞陽極導桿

電解槽角部熱穩定性本來就差，角部伸腿肥大后，會進一步阻礙電解槽內正常的鋁水和電解質流動，導致電解槽角部趨冷，陽極消耗變慢，會出現我們常說的陽極“長牙”現象（如圖3），嚴重的會頂裂頂斷導桿爆炸焊。同時，角部伸腿肥大，新極無法正常安裝，增加更換陽極難度。

圖3 電解槽角部伸腿肥大陽極”長牙”

（3）會降低電解槽電流效率

電解槽出現伸腿肥大后，電解槽噪音值增大和電壓波動，會導致鋁的二次反應增加，電解槽電流效率降低。同時，陽極“長牙”還會導致電解槽溫升高，下料量銳減，碳渣量增多，進一步降低電解槽電流效率。

2 電解槽角部伸腿肥大原因分析

鋁電解槽賴以運行的基礎是正常的能量平衡和物料平衡，電解槽出現角部伸腿肥大，意味著電解槽走向冷行程，究其原因，主要有以下三個方面：

2.1 設計因素

電解槽設計因素的影響，主要體現在兩個方面。一是體現在電解槽內鋁液的流速上。鋁液的流速直接影響著電解槽內部熱交換情況。受電磁力的影響，電解槽內部的鋁液呈橢圓形流動，其中A面為進電端，距離立柱大母線較近，電磁力較強，B面為出電端，距離立柱大母線遠些，電磁力相對弱些，鋁液在電解槽A面的流速大于在B面的流速，這就導致電解槽B面熱交換較A面弱，B面伸腿比A面大。而角部，處于鋁液橢圓形流動的外部，熱交換能力更弱，故電解槽角部伸腿更容易肥大。二是體現在電解槽筑爐材料上，如果使用的筑爐材料保溫性能差，角部散熱量大，也會導致電解槽角部伸腿肥大。

3.2 電解槽啟動后期管理技術條件失衡

電解槽啟動后期，從時間意義上講，是指電解槽啟動48小時后的90天。這個時間段，要求電解槽擁有2.8以上的分子比和高槽溫，250mm～300mm的高電解質水平，250mm以下的低鋁水，目的是對電解槽側部和爐底進行二次焙燒，建立起規整穩定的爐膛內型。這個時間段，如果鋁水流的過快過高，散熱增大，或者電壓降的過快，電解槽熱收入不夠，都會導致電解槽等溫線快速下移，電解槽爐底變冷，電解槽爐膛畸形，爐幫薄厚不均，電解槽角部伸腿肥大。

本文所涉及的340KA電解系列，2020年11月份啟動，12月份鋁水從230mm迅速升高至260mm，2021年1月份270mm，2月底280mm，鋁水流動過快，電解槽爐底變冷，角部伸腿出現過大現象。

2.3 電解槽正常生產期技術條件失衡

電解槽啟動90天后，進入正常期管理，其顯著特征表現在兩個方面，一是電解槽各項技術參數穩定，處于正常生產范圍，二是電解槽已經建立起穩定規整的爐膛內型。正常生產期管理，要求電流強度穩定，嚴格保持電壓、鋁水高度和電解質高度，維持電解槽熱平衡體系和物料平衡體系正常。

此時期技術條件的失衡表現在生產過程中某一時間段的兩水平、分子比、電壓失調。其主要表現特點為：在失調的時間段內，爐底形成大量沉淀或結殼，導致爐膛急劇惡化，伸腿過長、肥大。抑或表現為爐幫化空［2］。當出現供電系統不穩定，或頻繁出現壓負荷，電解槽電壓設置過低，又或電解槽鋁量過高，都會導致電解槽走向冷行程，角部伸腿肥大。

3.4 日常操作管理不到位

電解槽由于日常操作不到位導致的角部伸腿肥大，主要有以下幾種情況：①電解槽角部保溫料厚度不夠。生產中根據外界溫度變化調整控制陽極覆蓋料，保證電解槽熱收支平衡，且根據熱平衡變化度調整陽極覆蓋料的厚度，一般將陽極覆蓋料控制在170mm～ 230mm［3］，由于電解槽角部的特殊性，生產中一般要求角部陽極的覆蓋料較其他位置厚50mm～100mm，或者用電解質液澆灌成堰墻以增強角部保溫，若落實不到位，角部保溫料厚度不夠，角部散熱增大，變冷，伸腿肥大。②電解槽出現波動后，頻繁的上提角部陽極，導致電解槽角部陽極電流密度變小，熱收入減少，角部變冷，伸腿肥大。③更換角部陽極時，落入電解槽中的面殼塊未打撈干凈，生產爐底沉淀，導致伸腿肥大。

3 預防及處理措施

3.1 優化電解槽先天設計

首先優化電解槽電熱磁場設計，保證電解槽內部鋁液流速科學合理，在維持電解槽磁場穩定的前提下，增強電解槽角部位置的熱交換能力。其次，角部選用保溫型筑爐材料，增強角部保溫性能。同時，端頭陰極碳塊可使用純石墨陰極，減少電阻，增加陰極電流。

3.2 優化技術條件管理

（1）加強電解槽啟動后期管理

電解槽啟動后期管理，嚴格落實管理方案，分子比保持在2.8以上，電解質250mm～280mm高水平保持，鋁水循序漸進逐步提高，每月提高速度控制在100mm，適當增加效應系數，達到爐膛二次焙燒的目的，防止畸形爐膛的產生。

（2）加強電解槽正常期生產管理

電解槽正常期生產管理，維持供電系統的穩定性，減少壓負荷，電解槽電壓、鋁水平、電解質水平合理匹配，維持電解槽熱平衡和物料平衡正常，防止電解槽走向冷行程。

3.3 處理效果

上文所說的340KA電解工區，針對角部肥大現象，調整優化技術條件，精細操作，經過五個月的管理和調整，角部伸腿肥大現象基本消除，電解槽步入正常運行。

（1）調整優化技術條件

表1 2052#電解槽技術條件保持與A1角部伸腿變化統計表

角部肥大的電解槽，設定電壓由4.0V提高到4.05V，增加電解槽熱收入，同時，逐步加大出鋁節奏，鋁水由280mm逐步下撤到260mm，分子比保持在2.5以上。

（2）落實精細化操作

首先，加強角部保溫，角部用電解質液澆灌成堰墻，保溫料使用粒度較小的粉料，增厚到鋼梁上沿平，電解槽角部上下層散熱窗口用保溫材料封堵。其次，更換陽極時，使用熱殘極更換，提高換極速度，減少熱損失。對于出現支角現象的電解槽，定時開口人工檢查處理，了解伸腿變化情況，防止頂裂陽極導桿爆炸焊。最后，電解槽出現電壓擺后，盡量不上調角部陽極，以保證角部陽極電流密度。

5 結論

爐膛管理是電解槽管理的根本，建立科學合理的技術體系是基礎，嚴格貫徹落實是保證。電解槽角部伸腿肥大要以預防為主，在啟動后期的技術條件把控要到位，保證電解槽有足夠的熱收入對電解槽側部和爐底進行二次焙燒，正常生產時期要保證電流強度穩定，嚴格保持電壓、鋁水高度和電解質高度，維持電解槽熱平衡體系和物料平衡體系正常，日常操作中要注意電解槽角部保溫，如果發現電解槽爐膛畸形，出現角部伸腿肥大，管理者要科學分析，制定合理的處理措施，盡快消除伸腿肥大，使電解槽盡快步入正常管理。