大型无隔板镁电解槽砌筑工艺及砌筑质量对镁电解槽运行影响.pdf

2023年8月下 世界有色金属11冶金冶炼Metallurgical smelting大型无隔板镁电解槽砌筑工艺及砌筑质量对镁电解槽运行影响夏风1，文生财2，李鹏业2，谢建明2，杨晓东2（1.青海汇信资产管理有限责任公司，青海 德令哈 8 1 7 0 0 0；2.青海盐湖镁业有限公司，青海 格尔木 8 1 6 0 0 0）摘 要：电解槽是镁电解生产过程中的核心设备，电解槽内衬砌筑质量对电解槽运行寿命至关重要，每一种耐火砖和耐火材料的质量都有着严格的指标要求。在砌筑过程中，每一层内衬都有不同的砌筑要求，未避免电解槽砌筑质量出现重大问题，必须严格把控每个砌筑细节，这就对砌筑工艺、砌筑材料、砌筑人员技术、质量检测技术等方面是个挑战。本文主要介绍了大型无隔板电解槽砌筑的重点过程和技术要求。关键词：电解槽；耐火材料；砌筑；阳极；阴极中图分类号：T F 8 2 2 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 6-0 0 1 1-3The influence of the construction process and quality of large non partition magnesium electrolysis cells on their operationXIAFeng1,WENSheng-cai2,LIPeng-ye2,XIEJian-ming2,YANGXiao-dong2(1.Qi n g h a i Hu i x i n A s s e t Ma n a g e me n t C o.,L t d.,D e l i n g h a 8 1 7 0 0 0,C h i n a;2.Qi n g h a i S a l t L a k e Ma g n e s i u m I n d u s t r y C o.,L t d.,G o l mu d 8 1 6 0 0 0,C h i n a)Abstract:T h e e l e c t r o l y t i c c e l l i s t h e c o r e e q u i p me n t i n t h e ma g n e s i u m e l e c t r o l y s i s p r o d u c t i o n p r o c e s s,a n d t h e q u a l i t y o f t h e l i n i n g c o n s t r u c t i o n o f t h e e l e c t r o l y t i c c e l l i s c r u c i a l f o r t h e o p e r a t i n g l i f e o f t h e c e l l.T h e q u a l i t y o f e a c h t y p e o f r e f r a c t o r y b r i c k a n d r e f r a c t o r y ma t e r i a l h a s s t r i c t i n d i c a t o r r e q u i r e me n t s.D u r i n g t h e ma s o n r y p r o c e s s,e a c h l a y e r o f i n n e r l i n i n g h a s d i f f e r e n t ma s o n r y r e q u i r e me n t s.T o a v o i d ma j o r i s s u e s w i t h t h e q u a l i t y o f e l e c t r o l y t i c c e l l ma s o n r y,i t i s n e c e s s a r y t o s t r i c t l y c o n t r o l e a c h ma s o n r y d e t a i l,w h i c h p o s e s a c h a l l e n g e t o t h e ma s o n r y p r o c e s s,ma s o n r y ma t e r i a l s,ma s o n r y p e r s o n n e l s k i l l s,q u a l i t y i n s p e c t i o n t e c h n i q u e s,a n d o t h e r a s p e c t s.T h i s a r t i c l e ma i n l y i n t r o d u c e s t h e k e y p r o c e s s a n d t e c h n i c a l r e q u i r e me n t s f o r t h e c o n s t r u c t i o n o f l a r g e n o n p a r t i t i o n e l e c t r o l y t i c c e l l s.Keywords:e l e c t r o l y t i c c e l l;Re f r a c t o r y ma t e r i a l s;Ma s o n r y;A n o d e;c a t h o d e收稿日期：2 0 2 3-0 6作者简介：夏风，男，汉族，生于1 9 7 4 年，江苏睢宁人，在职研究生，高级经济师，研究方向：盐湖化工。1 电解槽结构电解槽主要由以下几部分组成：壳体、耐火材料、交流电极冷却室、交流电极、阴极、阳极、金属隔间盖、氯气罩、电气隔离块、热电偶等，电解槽壳体大小及阴阳极数量是根据电解槽最高运行直流负荷决定。本次实践中采用的电解槽壳体采用碳钢，外壳大小为7650mm5620mm2742mm，由2组交流电极、20组阳极、21组阴极、金属隔间盖、氯气罩等组装组装而成。其电解槽内由十几种不同类型的耐火材料砌筑而成。此电解槽在426kA的直流电下，可日产4.2吨金属镁。2 作业条件和安全注意事项（1）电解槽砌筑期间，厂房顶棚要完全封闭，避免耐火材料暴露在风、雨、冰、雪之中，且环境温度须在5以上。为保证砌筑质量，尽量避免冬季施工。（2）电解槽砌筑期间，施工场地的照明、通风、压缩空气、水等辅助系统要正常供应。（3）施工过程中所使用的工器具必须提前准备到位，并保证其功能的完好性，如：铅垂线、激光水准仪、测量尺、塑料锤、夯锤、搅拌器、振动器、模板、耐火砖夹具等等。（4）施工场所的起重机必须保持在正常状态，吊装和其中时要使用正确的起吊工具，且必须使用特使的耐材起吊索具，以减少物体掉落风险。（5）当部分电解槽已投运时，施工人员必须注意强磁场的存在，以及磁性物体、电子产品周围的危害。（6）施工人员劳动保护用品穿戴齐全，尤其在切割耐材时要注意刀片及粉尘的危害。（7）磨砖机,切砖机要带有防护罩和急停按钮。（8）电解槽内使用照明压不得超过36v。（9）施工前，施工人员必须接受安全教育,并熟悉与掌握相关设备的安全操作规程。（10）砌筑前,检查作业地点,施工机械，砌筑工具等是否符合安全施工要求,确认无误后,方可进行作业。3 工艺（质量）要求3.1 工艺要求此镁电解槽主要生产工艺是将无水氯化镁颗粒从氯气罩进料口加入电解槽电解室中，并在电解液循环流股中迅速融化及溶解，经直流电将氯化镁电解成金属镁液和氯气，镁液在阴极生产，氯气在阳极生成1。电解槽工作温度可达750，且在生产过程中产生氯气，因此电解槽内跟熔体接触的材料要耐高温、耐腐蚀。3.2 砌筑质量要求（1）除了特殊部位外，所有接缝应采用合适的灰浆完全填满并采用砖砌筑密封；（2）除另有规定，灰浆接缝厚度为1.5 mm；（3）底板和墙壁耐火材料的布置必须使得接缝交错；（4）所有成排的砖块上以及不同砖层之间尽可能有50%世界有色金属2023年8月下12冶金冶炼Metallurgical smelting（最大粘结度）的灰浆重叠；（5）需要使用致密氧化铝浇铸料、氧化镁倒打料、石英石混合料填充的接缝、角落或区域，应用合适的工具彻底夯实；（6）所有材料应根据制造商须知进行制备、搅拌、安装，物料的混合、填充、打结槽底及处理应考虑环境温度以及制造商规定的硬化时间；（7）应采用铅垂线、楼层水准仪和经纬水平仪各个壳体的纵轴和横轴中心线，以槽壳与金属盖隔间盖之间接口处为零点，所有耐材砌筑高度都以此点为基准；（8）为保证砌筑质量，应逐层对耐火材料进行检查，包括标高、灰缝、粘合度、伸缩缝尺寸等，以便在出现错误时及时采取纠正措施。4 砌筑工艺电解槽整体砌筑包括电解槽槽底砌筑、交流电极侧纵墙砌筑、阴极侧纵墙砌筑、侧墙砌筑、拱桥砌筑等，因后期生产过程中交流电极及阴极处易发生熔体泄漏，所以交流电极侧纵墙砌筑、阴极侧纵墙砌筑最为重要2。4.1 电解槽槽底砌筑（1）电解槽槽底共三层（其中一层和三层为不同型号的耐火砖，二层为保温砖），每层耐材的砌筑应从电解槽的中心开始（如图1），应标记出伸缩缝的位置，并保证砌筑过程中伸缩缝的尺寸精准度；（2）在砌筑过程中较小高度差可用灰浆进行补偿调整；（3）各层硬化后需根据伸缩缝标记对其伸缩缝用绝缘纤维进行填充；（4）电解槽底层留有排放点，砌筑过程中要始终保持排放点通畅，以保证砌筑完成后的烘槽时积水正常排出。图1电解槽底层砌筑图4.2 交流电极侧纵墙砌筑交流电极侧纵墙共五层，交流电极周围砌筑的耐火材料类型与剩余纵墙的耐材类型不同，电极周围耐材砌筑是整体砌筑过程中的重点，也是难点。交流电极周围砌筑的耐火材料类型较多，包括保温砖、耐火砖、熔铸氧化铝砖、尖晶石砖、陶瓷砖等。（1）交流电极周围第一层至第四层为尖晶石，第五层为熔铸氧化铝砖；（2）交流电极下方需使用耐酸灰浆铺设陶瓷砖，电极周围耐火材料应其余下的纵墙同时砌筑至电极中心线位置（如图2）；（3）电极下方陶瓷砖及其他耐材砌筑完成一天后再进行电极安装作业，以避免沉淀效应；（4）电极安装定位以后在电极周围砌筑陶瓷砖、尖晶石、熔铸氧化铝砖等耐火材料，达到规定高度；（5）电极及周围耐火材料砌筑完成后，对纵墙其他剩余部分进行施工，但在施工过程中要保护好陶瓷砖。图2电解槽交流电极侧砌筑图4.3 侧墙砌筑电解槽分为电解室和集镁室，中间以拱墙隔开，而侧墙的构成在集镁室和电解室有所不同。侧墙共有四层，其中集镁室全部以定型耐火材料砌筑而成（包括耐火砖、保温砖、尖晶石砖、高铝砖），电解室中一、二、四层由定型耐火材料砌筑（包括耐火砖、保温砖、熔铸氧化铝砖），第三层由氧化镁倒打料填充而成3-5。4.4 阴极侧纵墙砌筑阴极侧纵墙与阴极安装基础同时进行砌筑施工，这也是整体砌筑中的重点及难点。阴极安装基础砌筑对阴极安装定位的精确度影响很大，从而影响电解槽阴阳极极距，影响电流效率。阴极下方及纵墙砌筑耐火材料包括耐火砖、保温砖、尖晶石、氧化镁倒打料、高铝浇铸料预制块、熔铸氧化铝砖等。（1）阴极下方第一层纵墙为耐火砖，第二、三、五层为熔铸氧化铝砖，三层和五层中间用氧化镁倒打料进行填充，五层熔铸氧化铝下方再铺设一层尖晶石砖。（2）为保证电解槽生产过程中熔体保持良好的循环，减少电解室中槽渣堆积，电解室阴极下方设置为斜面。电解室底层要高于集镁室底层，在原底层基础上砌筑高铝浇铸料预制块、尖晶石、氧化镁倒打料等耐火材料，使其标高达到阴极基础面，而其中一种型号的尖晶石为定型的斜面，铺设在靠近拱墙位置，其余斜面用氧化镁倒打料填充而成。（3）高铝浇铸料预制块与墙壁之间以及个块状材料之间的缝隙应采用干燥的氧化铝可铸耐火材料填充并压实；（4）氧化镁倒打料填充应使用振动器压实到正确位置，手动使其平整，且要使用合适的模板将熔铸氧化铝砖的凹槽铸入容差范围内的倒打料；（5）根据要求在斜坡末端采用适当量规确保伸缩缝的尺寸，并填充绝缘纤维；（6）待阴极下方所有耐火材料固化以后，按照规范进行阴极安装；（7）阴极定位后将阴极轻轻吊起，并在下面填充足量的高铝砂浆，然后将阴极下降放入其最终位置，必须确保结合2023年8月下 世界有色金属13冶金冶炼Metallurgical smelting点紧密并填充满了砂浆；（8）阴极颈部是非常重要的位置，若电解槽运行过程中此处发生泄漏，则电解槽就得停槽进行大修。阴极颈部间需要用干式氧化镁倒打料进行填充，而在填充前必须检查阴极定位及位置的准确性，阴极顶端须用钢板进行固定，防止阴极在填充打夯时移动。氧化镁倒打料必须干燥打夯，不能使用水，在打夯期间必须仔细、准确；（9）阴极颈部密封工作在电解槽完成烘槽工作并添加一定熔体后进行，熔体液位要超过阴极至少1小时，且熔体温度要超过650。在此过程中，阴极颈部将会出现小缝隙的倾向，用灰浆喷枪对阴极颈部填充耐酸灰浆，无论缝隙是否可见。最后在阴极颈部安装模壳并使用湿式氧化镁倒打料完全填充；（10）阴极上方的纵墙主要由熔铸氧化铝砖、氧化镁倒打料、石英石混合料、耐火砖砌筑而成，其中熔铸氧化铝砖靠近熔体，石英石混合料靠近壳体，中间用氧化镁倒打料填充，顶部铺设一层耐火砖支撑阳极。阴极与熔铸氧化铝砖之间的空隙必须按如下方式填充：如果间隙5mm，则用高铝灰浆填充；如果间隙或=5mm，则用垫片填充。顶部支撑阳极的耐火砖必须保证在同一水平面，且在耐火砖上面铺设一层陶瓷纸，保证阳极安装的水平精度。4.5 拱墙砌筑拱墙主要由高铝砖和熔铸氧化铝砖砌筑而成，其中下方拱是成套的熔铸氧化铝砖砌筑，上方金属孔墙是成套高铝砖砌筑。砌筑拱时应采用可调节模板架（最好为钢制），砌筑完成后应在特定的时间移除模板架，且该模板架应能在后期的换衬操作中重复使用。必要时可使用木质模板架，其应放在合适的位置，并在烘槽期间将其烧毁。5 砌筑质量对电解槽运行的影响5.1 电解槽内部耐火材料变形本次实践的所有电解槽全部砌筑安装完成后根据生产计划逐步进行启动，在电解槽运行近两年时间后发现部分运行电解槽后墙出现拱起现象，随后发现未运行的电解槽后墙及侧墙也出现拱起现象。在对未运行电解槽阳极及部分耐火材料进行拆除检查时发现电解槽内耐火材料变形严重：支撑阳极的耐火材料向上拱起（如图3），带动阳极，阳极与阴极之间的极距发生变化；电解槽内靠近阳极的熔铸氧化铝砖变形，对阳极造成挤压（如图4）。图3耐火材料变形1张永健.镁电解生产工艺学.中南大学出版社，2006.5.2王永荣，李鹏业.镁电解作业探究J.中国金属通报2019(08).3筑炉工程手册M.冶金工业出版社,中国工程建设标准化协会工业炉砌筑专业委员会,2007.4GB50211-2004.工业炉砌筑工程施工及验收规范S.2004.5李鹏业等.大型无隔板镁电解槽石墨阳极损耗断裂机理分析及更换实践J.炭素技术，2022,41(04）.图4熔铸氧化铝砖变形5.2 耐火材料变形造成的影响电解槽运行过程中槽温、槽电压、阳极电流分布出现异常等情况，在对阳极检查过程中发现，阳极出现消耗过快、断裂等情况，而此时阳极寿命未到设计寿命。支撑阳极耐火材料及电解槽内靠近阳极的熔铸氧化铝砖都有不同程度的变形（如图5）。在对未运行电解槽进行拆除检查时发现支撑阳极的耐火材料向上拱起，带动阳极，阳极与阴极之间的极距发生变化；电解槽内靠近阳极的熔铸氧化铝砖变形，对阳极造成挤压。这也是运行电解槽阳极消耗过快及断裂的原因，导致电解槽槽温、槽电压、阳极电流分布出现异常，影响电解槽电流效率、增加生产成本。另电解槽后墙变形拱起，使氯气罩基础面提高，氯气罩与氯气管道法兰连接处稍微错位，导致密封不严、氯气发生泄漏。图5槽内熔铸氧化铝砖的变形6 小结通过对电解槽砌筑工艺的研究，让我们对电解槽砌筑的关键点及砌筑质量对后期电解槽运行的影响有了更多的了解，以上内容对同类型炉体砌筑与安装具有一定的实际借鉴和指导意义。