（广西来宾银海铝业有限责任公司 广西来宾 546100）
摘要：在我国大中型的铝电解槽其相对寿命相对于国外先进国家同类型的铝电解槽较低，其一般的寿命，足足比国外先进的铝电解槽少了将近1000天。所以，我国的总体水平与国外相比有着很大的差距。本文通过分析电解槽槽寿命变化的原因，从电解槽设计的角度，在内衬设计、内衬材料选择、槽结构等方面进行了综合分析，找出了槽寿命降低的一些因素，并提出了相应的改进措施。
关键词：槽寿命；槽内衬；槽结构；节能；早期破损
1节能与槽寿命的关系
2010年左右，随着国内电力价格不断攀升，电解铝企业生产成本不断增加，而铝价却在节节下降。针对这一严酷的现状，电解铝企业纷纷开展节能降耗的工作，取得了长足的进步，直流电耗不断降低。然而在此过程中，伴随着电解槽的早期破损现象不断涌现，给电解铝企业带来了较大的成本负担。以500kA电解槽为例，1台槽内衬的大修成本约在80万元左右，加上停槽期间的电力空耗、焙烧启动的电耗、焙烧装炉成本、非正常期产铝损失等，费用约在122万元。
设槽生命周期为30年，计算出不同槽龄在生命周期的大修成本折算到每年企业的成本，如图1所示。可以看出，假设电解槽正常槽寿命为2500天，即7年左右，在槽寿命周期内平均每年铝厂的大修成本为17万元/台。如果槽寿命仅维持3年，平均每年铝厂的大修成本要在40万元左右，按照目前全国平均电价0.33元/kW•h计，1台500kA电解槽需要吨铝节电990kW•h才能补偿大修费用。更糟的是有些企业的部分电解槽仅仅生产1年左右即进入大修，这需要吨铝节能2900kW•h才能补偿大修费用。而现行的技术要想得到如此大幅度的节能无疑非常困难。因此，电解铝企业牺牲槽寿命而去盲目追求节能，经济上非常不划算。
图1不同槽龄在槽生命周期内的大修成本
2电解槽内衬设计
2.1内衬结构
随着电解槽槽型的增大，在这个进程中，节能的主要措施有内衬的保温、工艺技术调整、抑制水平电流、阴极节能等。其中，在电压下降后，最主要的手段就是调整内衬结构降低槽散热来重新建立热平衡。如某铝厂为了加强底部保温，在电解槽底部增加了陶瓷纤维板和硅酸钙板的厚度，为了保持阴极高度和防渗层厚度不变，减少了一层保温砖。即从下至上依次为陶瓷纤维板、硅酸钙板、保温砖、防渗料。
由于保温能力的加强(用更强的保温材料替换了保温砖)，投入运行初期电解槽收到了良好的效果，但是随着时间的推移，一年后炉底温度出现了大幅度升高。在调查了多家采取节能措施进行保温设计的企业后，槽底部钢板温度统计如表1。
表1不同铝厂加强底部保温后的槽底钢板温度
究其原因，我们提取了内衬各保温层上下表面的温度来仿真分析，发现虽然在仿真计算中电解槽底部温度为61℃，属于正常，但硅酸钙板上表面的温度已经达到了610℃，而硅酸钙板作为一种低温区的保温材料安全使用温度应该控制在500℃以下，因此，随着时间的推移，长期处于中温区的硅酸钙板逐渐失效，从而造成底板温度升高。这严重影响槽热稳定性及寿命。
而在没有调整内衬结构时，电解槽底部保温层由下至上依次为陶瓷纤维板、硅酸钙板、保温砖、防渗料。此时，提取各保温层上下表面的温度发现，电解槽底部温度保持不变，硅酸钙板上表面温度降低到了466℃，进入安全使用区域。而陶瓷纤维板的上表面温度由272℃降低至128℃，使得导热系数更加稳定。
2.2材料的选择
在电解槽稳定运行的整个寿命过程中，我们希望保持一个稳定的热平衡态来进行操作。这就需要电解槽的内衬材料在槽运行时变形极少，并具有超强的抗钠蒸气渗透性能。另外，为了降低能耗，还需要更为稳定、优秀的保温隔热性能，以及温升过程中的理化指标更为稳定，从而吻合设计。这样的材料才能在不影响或极少影响电流效率的情况下去优化和降低工作电压，从而达到降低能耗的目的。
然而遗憾的是，通过实验室试验观察，市面上的大多数内衬材料在抗高温、抗电解质侵蚀的测试中都难以满足要求，有些材料甚至发生变质、大量变形的现象。
表2和表3列出了各种内衬材料在耐高温和耐电解质侵蚀试验中的变化。
注:分别将上述试验材料表面挖一深度适当的正方体凹槽、凹槽内放入电解质颗粒。之后放入马弗炉中加热，加热速率2℃/min，加热至1000℃后保温24h，之后随炉冷却至室温。最后查看电解质腐蚀内衬材料的情况。
试验室实验看来，内衬材料的品质必须引起设计者和企业高度重视，以过低价格采购材料希望降低投资成本最终的结果很可能是增加成本。内衬材料的良莠不齐将会直接导致设计的误判断和企业巨大的经济损失。
3槽壳结构设计
电解槽的槽壳主要用于盛装内衬砌体的容器，在设计上需要考虑具有较大的刚度和强度来克服内衬材料在高温下产生的热应力和化学应力。实际生产中，受温度均匀性、内衬应力大小等的影响，槽壳在多个维度上均有不同程度的变形。这其中，对内衬破坏最强最易造成早期破损的变形当属槽壳起拱。
槽壳起拱主要是由于工艺过程中的温度变化和槽结构不同部位的温差，致使槽壳材料变形产生差异性而造成，是铝电解槽在焙烧启动阶段和停槽过程中普遍存在的现象，且随着槽电流的加大而越发凸显，主要分为两种类型:
(1)上拱现象出现在焙烧启动阶段初期，槽长方向出现上拱现象，上拱值通常在40~100mm。槽容量越大，上拱现象越明显。其后随着槽内铝液、电解质等液体量的不断增加，上拱值逐渐减小，在30天后基本恢复原状。槽壳产生起拱后，将会带动内衬发生变形，甚至可能使内衬的整体性受到破坏，产生早期的开裂，加快铝液的渗漏，从而影响电解槽的寿命。
(2)还有一种槽壳反拱变形现象，即电解槽在停槽后冷却过程中两个小面端向上翘起，且长时间保持。此时如果直接砌筑内衬而不做修复，则底部保温材料由于底板不平极易造成折断，从而影响保温能力。
因此，为了降低槽壳上拱对内衬的影响，槽壳结构除了保持原有的刚度和强度外，还应该考虑温差的变化。增设槽壳均热片不失为一个较好的方法，同时在启动初期进行强制吹风也有利于降低槽壳温差。新设计槽壳时还可以增设预应力装置来抑制上拱或反拱。
4其他因素
当然，电解槽的槽寿命除了上述所说外，还与熔体流速场、筑炉施工、焙烧启动、后期生产管理等多方面原因相关联。比如局部流速过快导致侧部冲刷严重进而出现侧部漏炉，再如焙烧启动过程中温升不均导致局部过热或过冷形成内部剪力进而出现内衬裂缝等等，均是需要关注的地方。
5结论
本文针对近几年出现的电解槽早期破损以及槽寿命问题，从电解槽设计的角度，在内衬设计、内衬材料选择、槽结构等方面对槽寿命的影响进行了综合分析，并提出了改进措施，主要内容和结论如下:
(1)在进行电解槽节能技术开发和应用的同时，应高度重视槽寿命问题，在设计、材料选择以及生产操作等各环节保证槽寿命不降低，才能真正获得节能技术带来的经济效益。
(2)在电解槽设计中，采用先进可靠的模拟分析技术，合理进行结构设计和等温线设计，保证材料在安全服役条件下使用。
(3)无论是在设计还是施工阶段，都要高度重视材料的选择和质量的把控，选择使用成熟、可靠、性能稳定的内衬材料。
(4)严格筑炉施工质量管理，优化焙烧启动和后期管理，避免早期漏炉。
电解槽的槽寿命受到多方面因素的影响，涉及设计、材料、施工和生产管理，需要严格把控各个环节，在电解槽节能技术的开发和应用的过程中，不断提升槽寿命，才能使企业获得良好的经济效益。
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论文作者:李威,潘琦,覃琮璎
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/5
标签：电解槽论文; 内衬论文; 寿命论文; 材料论文; 温度论文; 硅酸论文; 节能论文; 《电力设备》2019年第4期论文;