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干式防渗料在铝电解槽上的应用
中国铝业青海分公司 付明录
摘要：本文简要介绍了传统电解槽阴极内衬结构、干式防渗材料的性能以及推广应用的目的和具体实施的施工方案，通过考核结果的分析，得出干式防渗材料在电解槽上应用后，能使电解槽槽壳下部温度降低；炉底压降降低，能阻止电解质的渗漏；砌筑工艺简单，容易操作等问题，能使槽寿命提高到300天以上。
关键词：干式防渗材料 电解槽 防电解质渗漏
前言：
在铝电解槽的生产中，电解槽寿命是制约电解发展的重要因素，为提高电解槽寿命，国内外铝业公司和科研机构对阴极内衬结构的研究从来都未停止过，这是因为：铝电解槽是在高温熔融状态下进行生产的设备，所以阴极不可避免的受到钠、电解质和铝液的侵蚀，侵蚀后的钠、电解质、铝液与耐火材料、保温材料发生化学反应，一方面造成体积膨胀产生很大的应力，使炉底上抬，槽壳变形导致漏炉，造成电解槽的早期破损；另一方面它改变了耐火材料、保温材料的化学组成，降低保温性能，破坏电解槽的热平衡，使生产工艺条件及技术经济指标恶化，严重时被迫停槽。中国铝业青海分公司早在1996年引进澳大利亚派罗特克公司的干式防渗材料，在一期160KA电解槽的66#、227#槽上进行了工业试验；为进一步推广应用试验的成果，2001年选用国内两家生产干式防渗材料的厂家，分别在一、二期的160KA电解槽上又进行了10台槽的应用，此次应用试验不但在槽底用干式防渗材料而且在槽四周也采用干式防渗材料,防止底部和侧部漏炉。
1、 推广应用的原因
1.1 传统电解槽阴极内衬结构
传统铝电解槽阴极内衬结构由下至上依次为：一层硅酸钙板、二层保温砖、一层氧化铝、二层耐火砖、阴极炭块，四周内衬为湿砌六层耐火砖，一列侧部炭块。这种内衬结构其热平衡设计，力求控制电解质凝固等温线（800-900℃）在耐火砖层之内，目的是使电解质破坏作用限制在阴极碳块以下，保温砖层以上，以使保温砖层免受熔融电解质的侵蚀作用，保证阴极内衬具有持久稳定的良好热特性。绝热板和保温砖构成槽底的主要热绝缘层，其目的是使生产期间底部碳块表面上沉淀物不致凝结，使电解质初晶等温线移至阴极碳块之下，避免了因盐类在阴极碳块孔隙中析出所产生的应力而破坏阴极碳块。同时，绝热板和保温砖均属疏松多孔材料，能够一定程度上吸收盐类结晶放出的应力，虽然自身将丧失一部分保温效果，却能保持槽内衬结构的完好。耐火砖层和氧化铝层是槽底热绝缘层的保护带，它的存在，可使得保温砖在800℃以下，绝热板在400℃下长期保持绝热性能。另外，一旦电解质从槽底裂缝中渗入，或由碳素材料晶格渗漏时，首先是在耐火砖砌体表面结晶析出，而不直接灼伤保温砖，可防止保温材料的变性。但是由于铝电解槽在工作过程中，高温熔体，特别是电解质和生产过程中产生的钠逐步向阴极碳块、耐火砖和保温层中渗透。而耐火砖和氧化铝砌体因其自身固有的特点，无法有效抵挡电解质和钠的渗透，因此，渗入阴极下部的电解质和钠等与耐火材料发生化学反应，一方面体积膨胀产生很大的应力，使电解炉底上抬，槽壳变形，严重时导致电解槽的早期破损；另一方面改变保温材料的化学组成，降低其保温性能，破坏电解槽的热平衡，使后期生产技术指标恶化、能耗增加。另外阴极炭块底下的二层耐火砖，施工工艺要求较高，由于采用湿砌须养生，施工周期长。同时阴极炭块四周六层耐火砖砌体，也是电解质浸蚀的主要对象。
1.2干式防渗材料的性能
生产实践证明，阴极碳块下面用高保温材料对延长阴极内衬使用寿命有积极
作用。一方面可缓冲阴极碳块向上隆起；另一方面可加强槽底的保温能力，使槽底的热量散失减少，并提高阴极碳块本身的温度，减少阴极碳块上下面之间的温度梯度。由于干式防渗材料能与渗透下来的电解质生成一层5～15㎜厚的、致密的玻璃体状霞石阻挡层： 2Na3AlF6+2Al203+9SiO2=6NaAlSiO4+3SiF4
这一阻挡层一方面阻止了电解质继续向下部渗透，保护其下部保温材料不被破坏；另一方面，由于阻挡层具有可塑性和颗粒层有一定的可压缩性，能够有效的缓解炉底隆起、槽壳变形等问题。因此，在铝电解槽的筑炉过程中，可将它直接铺放在保温砖上，经压实后其上部直接放置阴极碳块，以取代传统的耐火砖和氧化铝砌体。
干式防渗料技术指标 表（1）
化学成份
容重g/㎡
电解质反应层
导热率300℃
高温烧结性能
施工用量
SiO2+Al2O3
松散
振实
㎜
W/m.k
不烧结
T/㎡
≧90
1.55-1.65
1.9-2.1
≤13
≤0.3
2.1-2.2
1. 3推广应用的目的
将耐火砖及氧化铝砌体用干式防渗料替代后，通过电解槽槽壳下部温度降低；减少槽壳变形破损；消除耐火砖之间的缝隙；减少耐火砖湿砌带来的水分；阻止电解质在底部和侧部渗漏；砌筑工艺简单，容易操作等措施，增加经济效益，延长槽寿命。
2、 实施方案
利用干式防渗料替代耐火砖及氧化铝砌体在一、二电解厂推广应用10台。
原内衬结构依次为从下到上是：一层65mm硅酸钙板，两层130mm轻质保温砖、一层65mm氧化铝、一层干砌的65mm耐火砖，一层湿砌的65mm耐火砖及阴极炭块。采用干式防渗料的内衬结构从下到上依次为：一层65mm硅酸钙板、两层130mm轻质保温砖、一层195mm的干式防渗料及阴极炭块，推广应用的项目中的内衬施工，是将氧化铝层和两层耐火砖取消，用干式防渗料替代，最底层的硅酸钙板和两层保温砖按原砌筑方法施工，在砌完底二层轻质保温砖后沿长度方向砌230mm宽的三层轻质保温砖，再放一层35厚200mm左右宽的木板为挡板，在中间填干式防渗料，松散料高度要达到230mm用水平尺将干式防渗料刮平，铺一层塑料，并且沿着干式防渗料平铺一层三合板，在三合板上用频率不小于50赫兹的平板振动器进行振动，直至压缩比达到为止，振动完后禁止在干式防渗料行走；安装阴极炭块时在干法防渗料的表面再散洒一层20mm厚的松散料，并且用水平尺刮平，这样阴极炭块能充实地落在干式防渗料上，在阴极钢棒四周填274mm厚的干式防渗料，用凿岩机将干式防渗料振实，在振实的干式防渗料上砌筑两层耐火砖，原内衬设计和试验内衬结构如下图，其上的砌筑按原内衬结构施工。
3、 考核结果
从2001年9月开始,实施干式防渗料阶段,在354# 415# 426# 101# 462# 504#使用的是国内甲厂的材料；在294# 393# 20# 316#使用的是国内乙厂的材料，同时选择了临近的大修电解槽作为对比槽,从启动后的品位看,实验槽最好的品位为Al99.85,最低品位为Al99.70,对比槽中最好的品位为Al99.85,最低的品位为Al99.60。另外炉底压降实验槽平均为384.2mv,对比槽炉底压降平均为385.9mv,实验槽比对比槽炉底压降低1.7mv,从而降低了电耗节约了成本,同时也有利于提高电流效率,干式防渗料不仅能降低压降，见表（2）,而且起到很好的阻挡作用,防止电解槽的漏炉。从1996年引进澳大利亚派罗特克公司的干式防渗材料，在一期160KA电解槽的66#、227#槽上进行了工业试验的结果说明，采用干式防渗材料后槽底的温度有明显的降低，这说明干式防渗材料起到了良好的防渗效果，电解质没有进一步向下渗透，保温砖保温性能未被破坏，侧部也未发现有渗漏的现象。
实验槽与对比槽有关的数据（截止2002年2月16日） 表（2）
实验槽号
品位
炉底压降mv
焙烧日
（2001）

启动日
对比槽号
品位
炉底压降mv
焙烧日
启动日
20#
Al99.85
362.5
10.23
10.28
32#
Al99.80
337
9.28
10.4
354#
Al99.70
382.9
10.1
10.6
341#
Al99.60
376.3
9.18
9.23
426#
Al99.70
416.9
10.1
10.6
411#
Al99.85
387.3
8.21
8.26
415#
Al99.80
412.6
10.1
10.6
410#
Al99.85
393.6
9.18
9.23
294#
Al99.70
331.9
10.1
10.6
292#
Al99.80
364
10.25
10.3
393#
Al99.70
395.4
10.17
10.22
371#
Al99.80
426.3
8.29
9.3
101#
Al99.80
372.5
10.23
10.28
145#
Al99.80
364
9.11
9.16
316#
Al99.85
393
10.17
10.22
326#
Al99.80
402
8.21
8.26
462#
Al99.80
400
10.25
10.30
453#
Al99.80
402.1
8.21
8.26
504#
Al99.80
374
11.16
11.21
510#
Al99.80
406.1
9.3
9.8
截止2005年5月8日实验槽运行的情况 表（3）
实验槽号
品位
启动日期
是否运行
槽寿命（天）
备注
20#
Al99.70A
2001.10.28
已修理过
421
摇蓝架开裂
354#
Al99.70A
2001.10.06
运行
1311

426#
Al99.70A
2001.10.06
运行
1311

415#
Al99.70A
2001.10.06
运行
1311

294#
Al99.70A
2001.10.06
运行
1311

393#
Al99.70A
2001.10.22
运行
1295

101#
Al99.70A
2001.10.28
运行
1289

316#
Al99.85
2001.10.22
运行
1295

462#
Al99.70A
2001.10.30
运行
1287

504#
Al99.70A
2001.11.21
运行
1265

从上表（3）可以看出，除20#槽由于槽壳开裂后导致早期破损以外，其它的电解槽运行槽龄都在平均1200天以上，而且品位都在Al99.70A以上，可以说电解槽寿命有望提高300天左右是完全能够实现的。
4、 经济效益分析
4.1电解槽平均寿命按1200天延长至1500天，电解槽大修费用按45万元/台计算，则单台电解槽年平均节约大修费用为：
（45/1200—45/1500）×365=2.7375万元
4.2 大修周期平均按30天计算，每个槽昼夜1.14ｔ/台计算，则电解槽年增产：
｛30/（1200+30）－30/（1500+30）｝×1.14×365×（16000÷1.17－11200）=0.492万元
4.3材料费用
干式防渗料23ｔ×1500=34500元。
原砌体中耐火砖14ｔ×450=6300元， 氧化铝 3.8ｔ×2050=7790元，周围糊料3ｔ×2000=6000元， 耐火泥1ｔ×350=350元， 合计20440元。年多投资（34500-20440）/1500×365=3421元=0.3421万元。
采用干式防渗料后，经以上综合分析，年单台槽平均节约大修费用为2.7375万元，单台槽年增产费用为0.492万元，年多投资0.3421万元，年单台槽综合节约费用为（2.7375+0.492-0.3421）=2.887万元
4.4社会效益 能延长电解槽的生产寿命,节约槽底内衬材料费用和施工工期,电解槽大修时,炉底不结成大块刨炉快,施工工期缩短。
5、结论
5.1 干式防渗料在启动及正常生产中，品位都在AI99.70A以上，而且槽炉底压降有所降低，没有早期破损现象，有望槽寿命提高300天以上。
5.2 经济效益十分可观，年单台槽综合节约费用为2.887万元。
5.3 简化了筑炉工艺，完全消除耐火砖之间的缝隙。

参考文献：
1 郭刚、苟锋. 干式防渗料在160KA预焙槽上的应用试验.青海铝业科技2000年第2期.
2 李建民、肖亚明. 铝电解槽用干式防渗料的研制.世界有色金属.增刊2000总第261期.
3 张传勇、孙彦亭等. 干式防渗料在60KA电解槽上的应用. 世界有色金属.增刊2000总第261期.