氮化硅結(jié)合炭化硅側(cè)塊

1、氮化硅結(jié)合炭化硅側(cè)塊在300KA系列電解槽上的實(shí)踐運(yùn)用任必軍河南豫港龍泉鋁業(yè)有限公司河南 伊川 471312目錄摘要第一章、前言第二章、碳化硅使用狀況與優(yōu)化第三章、碳化硅側(cè)塊破損機(jī)理第四章、設(shè)計(jì)與工藝改進(jìn)第五章、對(duì)策與措施第六章、結(jié)論摘要 本文通過(guò)伊川鋁廠256臺(tái)300KA電解槽運(yùn)行一年來(lái)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)氮化硅結(jié)合炭化硅材料運(yùn)行中存在的問(wèn)題進(jìn)行研究分析，指出解決的辦法與措施，從而形成完好的爐幫，實(shí)現(xiàn)了側(cè)部漏爐前提前預(yù)防處理，解決了因側(cè)部漏爐停槽的技術(shù)難題，伊川300KA電解槽槽壽命將大大延長(zhǎng)。關(guān)鍵詞： 氮化硅；炭化硅；電解槽；實(shí)踐運(yùn)用。返回第 一 章前 言 由于伊川300KA電解槽的投產(chǎn)和一年

2、多來(lái)的平穩(wěn)運(yùn)行,國(guó)內(nèi)各大鋁廠紛紛采用20萬(wàn)噸以上一個(gè)系列300KA級(jí)電解槽，其中側(cè)塊全部選用氮化硅結(jié)合炭化硅材料。炭化硅側(cè)塊由于能抗化學(xué)、物理腐蝕及空氣氧化，是一種低電導(dǎo)率、傳熱性較好的材料，在電解槽運(yùn)用中易形成爐幫，從而可大大延長(zhǎng)電解槽槽壽命。 伊川鋁廠256臺(tái)電解槽全部采用75mm厚氮化硅結(jié)合炭化硅側(cè)塊，實(shí)現(xiàn)了不加工而爐幫形成良好，解決了電解槽側(cè)部形不成爐幫的難題，但是由于氮化硅結(jié)合炭化硅側(cè)塊在我國(guó)生產(chǎn)和實(shí)際運(yùn)用時(shí)間較短，在伊川鋁廠有個(gè)別槽子不同程度出現(xiàn)炭化硅側(cè)部破損，為了遏制電解槽破損進(jìn)一步擴(kuò)大，通過(guò)組織技術(shù)攻關(guān),采取積極有效措施徹底修復(fù)更換側(cè)塊,完善工藝技術(shù)條件,使電解槽形成爐幫，從而

3、延長(zhǎng)電解槽槽壽命。返回第 二 章炭化硅使用狀況與優(yōu)化一、侵蝕狀況 炭化硅由于其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、高的耐磨性、高的熱傳導(dǎo)率和優(yōu)良的抗化學(xué)侵蝕及抗氧化性等特點(diǎn)，已成為大型預(yù)焙電解槽側(cè)塊的首選材料。某臺(tái)300KA電解槽運(yùn)行一年后，通過(guò)對(duì)個(gè)別不正常的側(cè)塊進(jìn)行熱修，根據(jù)不同部位侵蝕情況分別取樣進(jìn)行分析檢測(cè)，取樣部位見(jiàn)圖1，分析結(jié)果如表1。殼面界面電解質(zhì)鋁液陽(yáng)極# 1 .# 2 .# 3 .# 4 .圖一、炭化硅側(cè)塊運(yùn)行一年后電解質(zhì)與鋁液界面處破損狀況示意圖 1樣為殘磚上部沒(méi)有變化部分2樣為殘磚顏色較原磚有變化的部分3為電解質(zhì)與鋁液界面液體接觸的侵蝕部分4為侵蝕較嚴(yán)重部分的附屬物項(xiàng)目樣號(hào)1234化學(xué)分析

4、SiC(%)70.6571.6068.8546.65Si3N4(%)25.2023.3512.130.71SiO2(%)0.511.853.24-C(%)-10.80衍射分析主晶相SiCSiCSiC冰晶石次晶相Si3N420%Si3N416%Si3N412%剛玉20%其它方石英1%方石英1-2%方石英2-4%螢石5-10%物理檢驗(yàn)氣孔（%）17164.2-體積密度（g/cm3）2.652.662.99-耐壓強(qiáng)度（MPa）150178356-表1炭化硅側(cè)塊運(yùn)行一年后侵蝕分析結(jié)果二、材料的優(yōu)化1材料的成份Si3N4做為材料的結(jié)合相，與SiC相比抗冰晶石等能力較弱，應(yīng)適當(dāng)控制其含量，以保證材料有較好

5、的物理性能，材料的主成份Si3N4+SiC96%，CaO+Al2O3+Fe2O3+SiO21.5%,從而使側(cè)塊材料對(duì)冰晶石對(duì)鋁液和電解質(zhì)等有絕對(duì)的惰性。返回2提高體積密度、降低氣孔 材料的氣孔，特別是開(kāi)口氣孔大很容易受電解質(zhì)液體的侵入，增加液體與側(cè)塊材料的接觸面積，使材料受到侵蝕，推薦體積密度2.68 g/cm3，氣孔15%。另外，提高材料的高溫抗折強(qiáng)度、抗熱性、導(dǎo)熱系數(shù)，降低膨脹系數(shù)等都有一定意義。第 三 章炭化硅側(cè)塊破損機(jī)理一、電解質(zhì)液/氣體界面氧化破損 文獻(xiàn)2指出碳化硅具有良好的抗電解質(zhì)腐蝕性，具有很強(qiáng)的抗高溫空氣氧化的能力，而氮化硅抗電解質(zhì)腐蝕性能差,碳化硅磚中的粘結(jié)劑是一道薄弱環(huán)節(jié)3

6、。侵蝕形式主要是電解質(zhì)滲透，在電解液/氣體界面，電解質(zhì)對(duì)側(cè)塊腐蝕加重，可能發(fā)生的腐蝕反應(yīng)如下：SiC+2O2=SiO2+CO22SiO2+NaAlF4(g)=SiF4+NaAlSiO42Si3N4+3NaAlF4+6CO2=3SiF4+3NaAlSiO4+6C+4N22SiC+NaAlF4+2O2= SiF4+ NaAlSiO4+4C二、電解質(zhì)/鋁液界面破損 界面波動(dòng) 世界鋁電解專(zhuān)家、學(xué)者想方設(shè)法尋找電解質(zhì)、鋁液界面形狀最佳和最低的流速場(chǎng)，實(shí)際上是很困難的4。由于垂直磁場(chǎng)與鋁液中水平電流作用形成強(qiáng)大的回流，水平磁場(chǎng)對(duì)鋁液垂直電流形成表面隆起，加之陽(yáng)極電流不均，伸腿長(zhǎng)水平電流大，電解槽局部長(zhǎng)期穩(wěn)

7、定性差，爐幫形成非常困難，從而形成惡性循環(huán)，更加劇了鋁液流速場(chǎng)變化，由于電磁力的作用，鋁液及電解質(zhì)中的氧化鋁不停地對(duì)炭化硅側(cè)塊進(jìn)行物理磨擦、剝蝕。從實(shí)際破損側(cè)塊的斷面可以清楚地看到非常規(guī)律的弧形,證明沒(méi)有電解質(zhì)爐幫的保護(hù),電解質(zhì)鋁液界面波動(dòng)可以將75mm厚的側(cè)塊吃掉1/22/3。Na侵蝕 電解質(zhì)的Na侵蝕使得炭化硅側(cè)塊炭部結(jié)構(gòu)疏松、膨脹、炸裂，加之側(cè)塊背部氧化，最終導(dǎo)致側(cè)塊粉化，失去側(cè)塊骨架保護(hù)的作用。返回界面潛熱 炭化硅側(cè)側(cè)側(cè)塊散熱性能很好,但如果沒(méi)有冰晶石爐幫的保護(hù),炭化硅磚和炭塊幾乎相差無(wú)幾。實(shí)際上界面處爐幫最薄或沒(méi)有爐幫，大量的熱量將從界面處散出去，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)直接影響側(cè)塊破損。第 四 章

8、設(shè)計(jì)與工藝改進(jìn)一、工藝設(shè)計(jì) 側(cè)塊破損的位置集中在某一特定位置，新西蘭專(zhuān)家B.J. welch教授在2003年洛陽(yáng)中新丹鋁電解技術(shù)和應(yīng)用指出，電解槽出電端B大面特定位置側(cè)部爐幫形成不好是世界300KA電解槽上通病。 筆者根據(jù)伊川鋁廠256臺(tái)300KA電解槽運(yùn)行一年來(lái)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出以下建議：適當(dāng)增加側(cè)部炭化硅的厚度；人造伸腿改平緩型為陡直型，提高人造伸腿高度；三場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，改善出電端某位置陰極電流分布和鋁液流速。 二、筑爐 伊川鋁廠一、二工區(qū)電解槽筑爐時(shí)間在2003年3月初筑爐，氣溫較低，人造伸腿砸糊質(zhì)量不佳，大部分電解槽在焙燒啟動(dòng)時(shí)爐底鋼板溫度高達(dá)300，證明有電解質(zhì)等滲透，隨著電解槽槽溫升降，

9、熱脹冷縮，加上內(nèi)襯材料膨脹變形，導(dǎo)致側(cè)塊上抬，致使側(cè)塊上口破裂脹碎，側(cè)部壓板被頂起，鋼板上口變形，其間空氣熱阻很大，不利于側(cè)部散熱，對(duì)于本身已經(jīng)破裂的側(cè)塊更是雪上加霜，加劇了側(cè)塊破損，只有在電解質(zhì)充填縫隙后可以緩解爐幫的骨架作用，但效應(yīng)后個(gè)小時(shí)內(nèi)，側(cè)部鋼板可能會(huì)發(fā)生紅爐幫現(xiàn)象。三、焙燒啟動(dòng) 焦粒焙燒對(duì)陰極炭塊焙燒溫度均勻,平均在900-1000以上，但是側(cè)部溫度，特別是人造伸腿焙燒溫度并不均勻，可能導(dǎo)致人造伸腿早期破損，致使電解質(zhì)發(fā)生滲透，為以后正常生產(chǎn)留下隱患，如果該處筑爐材料有質(zhì)量問(wèn)題或是砸糊質(zhì)量不佳，幾個(gè)問(wèn)題相加，如果焙燒電流偏流，可能造成電解槽早期漏爐，這個(gè)問(wèn)題通過(guò)采用燃?xì)獗簾梢越鉀Q

10、。 四、生產(chǎn)工藝 大型電解槽的熱平衡要高度重視，熱收入過(guò)大，特別是病槽、熱槽、效應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，側(cè)部散熱過(guò)大，或化空爐幫，爐幫不易形成，或者根本就沒(méi)有爐幫。因此槽溫控制、效應(yīng)控制、氧化鋁濃度自動(dòng)化控制等顯得特別重要，電解槽平穩(wěn)生產(chǎn)是爐幫形成和長(zhǎng)期保持的基礎(chǔ)。生產(chǎn)工藝要圍繞槽溫做文章，特別是過(guò)熱度的管理，過(guò)熱度7-15是合適的，如大于20，甚至30以上，要形成爐幫是根本不可能的。因此，電解槽的管理要綜合考慮電壓熱收入的高低、過(guò)熱度和分子比、氧化鋁濃度和溶解度等關(guān)系、側(cè)部散熱、其它部位散熱等。 五、炭化硅側(cè)塊破損的標(biāo)志 原鋁質(zhì)量硅含量是炭化硅側(cè)塊破損的標(biāo)志，當(dāng)然要排除其它原材料硅含量的變化，就象鐵含量

11、是陰極炭塊破損的標(biāo)志一樣。從我們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為硅含量大于0.08-0.10%以上，要高度重視側(cè)部炭化硅是否破損。 返回第 五 章對(duì) 策 與 措 施一、操作工藝 4. 技術(shù)條件要保持合理，控制槽溫平穩(wěn)。 1. 減薄陽(yáng)極上面覆蓋料，特別是大面上保溫料，露出壓板散熱帶； 2. 不主張采用大面加工的辦法形成爐幫，但對(duì)局部發(fā)紅部位要進(jìn)行局部加工的辦法防止側(cè)部漏槽，可因槽制宜； 3. 降低效應(yīng)系數(shù)至0.2個(gè)/槽日以下，杜絕長(zhǎng)時(shí)間效應(yīng)；二、300KA電解槽側(cè)部破損槽的維護(hù) 1. 通過(guò)加強(qiáng)職工責(zé)任心，對(duì)破損電解槽部位加強(qiáng)巡視，特別是效應(yīng)后，對(duì)該部位局部輕微發(fā)紅可采取吹風(fēng)降溫，嚴(yán)重者可打開(kāi)側(cè)部，邊部加氟化鈣、

12、鎂砂、面殼塊等進(jìn)行局部加工；換極時(shí)要保護(hù)側(cè)部已形成爐幫，嚴(yán)禁用機(jī)組加工、扎邊，僅允許人工加工等，落實(shí)修復(fù)補(bǔ)爐及日常維護(hù)攻關(guān)工作。 2. 控制效應(yīng)系數(shù)小于0.2個(gè)/槽日，效應(yīng)時(shí)間嚴(yán)格控制在58分鐘。效應(yīng)后兩個(gè)小時(shí)對(duì)破損部位嚴(yán)格監(jiān)視，如發(fā)現(xiàn)局部發(fā)紅，必須進(jìn)行局部加工和風(fēng)冷結(jié)合的辦法，直至隱患解決。 3. 加強(qiáng)陰極電流分布、鋼棒溫度、槽殼溫度測(cè)試工作，每天至少一次，嚴(yán)重時(shí)每班一次，便于槽況分析。 三、補(bǔ)救措施1. 側(cè)上部修復(fù) 將破損部位邊部打開(kāi)，清理干凈破損碎塊、粉末及其它雜物，用炭化硅粉和專(zhuān)用粘結(jié)劑混合物加到破損側(cè)塊處，用木棒搗打成型，邊部加氟化鈣進(jìn)行保護(hù)，然后加氟化鈣、鎂砂、面殼塊等進(jìn)行局部加工2. 側(cè)塊更換 采用不停槽進(jìn)行側(cè)塊整體更換，修補(bǔ)好的爐幫不再發(fā)紅，對(duì)于電解槽平穩(wěn)生產(chǎn)起到了積極的影響，硅含量明顯下降并恢復(fù)正常，電解槽運(yùn)行正常。 返回第 六 章結(jié) 論三、伊川鋁廠對(duì)于個(gè)別槽局部位置側(cè)塊進(jìn)行不停槽更換側(cè)塊是非常成功的，對(duì)電解槽爐幫的形成和槽幫命的延長(zhǎng)等有重要意義，避免巨大的經(jīng)濟(jì)損失，具有很好的社會(huì)效益。一、氮化硅結(jié)合炭化硅側(cè)塊在300KA級(jí)大型預(yù)焙槽上全面推廣應(yīng)用是成功的； 二、氮化硅結(jié)合炭化硅是加強(qiáng)電解槽側(cè)部散熱非常理想的材料，對(duì)電解槽形成側(cè)部爐幫非常有利，但沒(méi)有爐幫保護(hù)，炭化硅側(cè)塊和炭塊相差無(wú)幾。因此，要