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1、电解槽用耐火材料及砌筑、施工一、电解槽用耐火材料 电解槽用耐火材料的设计与建造中最受关注的部分。现在世界上铝电解槽内衬的基本构造可分为“整体捣固型”、“半整体捣固型”与“砌筑型”三大类。(1)整体捣固型。内衬的全部炭素体使用塑性炭糊就地捣固而成，其下部是用作保温与耐火材料的氧化铝，或者是耐火砖与保温砖。(2)半整体捣固型。底部炭素体为阴极炭块砌筑，侧部用塑性炭糊就地捣固而成，下部保温及耐火材料与整体捣固型的类似。(3)砌筑型。砌筑型底部用炭块砌筑，侧部用炭块或碳化硅等材料制成的板块砌筑，下部为耐火砖与保温砖及其他耐火、保温和防渗材料。根据底部炭块及其周边间缝隙处理方式的不同，砌筑型又分为“捣固
2、糊接缝”和“黏结”两种类型。前种类型是在底部炭块砌筑时相互之间及其与侧块之间留出缝隙，然后用糊料捣固；后种类型则不留缝隙，炭块用炭胶糊黏结。上述的整体捣固型与半整体捣固型被工业实践证明槽寿命不长，而且电解槽焙烧时排出大量焦油烟气和多环芳香族碳氢化合物，污染环境，因此已被淘汰。砌筑型被广泛应用。砌筑型中的黏结型降低了“间缝”这一薄弱环节，被国外一些铝厂证明能获得很高的槽寿命，但对设计和材质的要求高。因为电解槽在焙烧启动过程中，没有间缝中的炭素为炭块的膨胀提高缓冲(捣固糊在碳化过程中会收缩)，因此若设计不合理或者炭块的热膨胀与吸钠膨胀太大，便容易造成严重的阴极变形或开裂。内衬的基本类型确定后，具体
3、的结构将按最佳物理场分布原则进行设计。当容量、材料性能以及工艺要求不同时，所设计出来的内衬结构便应该不同，但一旦阴极结构设计的大方案确定(例如选用“捣固糊接缝的砌筑型”)，则不论是小型还是大型槽，其内衬的基本结构方案可以是相似的。区别往往体现在具体的结构参数上，而对于同等槽型和容量的电解槽，结构参数上的区别往往由设计理念、物理场优化设计工具和筑槽材料性能上的差异所引起。我国目前均采用捣固糊接缝的砌筑型。下图是我国大型预焙铝电解槽内衬基本结构方案的一个实例。内衬底部构成为：1)底部首先铺一层65mm的硅酸钙绝热板(或先铺一层l0mm厚的石棉板，再铺一层硅酸钙绝热板)。2)在绝热板上先砌两层65m
4、m的保温砖(总厚度，或者为加强保温而干砌三层65mm的保温砖有种设计方案是在绝热板上铺一层5mm厚的耐火粉，用以保护绝热板，然后在其上干砌筑保温砖)。3)铺设一层厚130195mm的干式防渗料(具体厚度视保温砖的层数而定，即两层保温耐火砖对应厚度，三层保温砖对应195mm厚度)，或者在三层保温砖上用耐火粉找平后铺一层lmm厚钢板防渗漏，再用灰浆砌两层65mm的耐火砖。4)在干式防渗料上(或耐火砖上)安装已组装好阴极钢棒的通长阴极炭块组。5)阴极炭块之间有35mm宽的缝隙，用专制的中间缝糊扎固。内衬侧部(底部干式防渗料或耐火砖以上的侧部)的构成及特点为：1)对于与底部炭块端部对应的侧部，靠钢壁砌
5、筑一道65mm的保温砖，或者布设石棉板和4060mm高温硅酸钙板；然后在该保温层与底部炭块之间浇注绝热耐火混凝土(高强浇注料)；并留出轧制人伸腿的空隙。2)在浇注料上方砌筑一层耐火砖，再在该耐火砖上方砌筑一层123mm厚的侧部炭块(或氮化硅黏结的碳化硅砖)，并使其背贴炭胶到钢壳壁上。3)侧部炭块顶上用80mm宽、l0mm厚的钢板紧贴住炭块顶部焊接在槽壳上，防止炭块上抬。4)底部炭块与侧部砌体之间的周边缝用专制的周围糊扎成200mm高的人造坡形伸腿。大型中间下料预焙槽从工艺上要求底部应有良好的保温，以利于炉底洁净；侧部应有较好的散热，以促成自然形成炉膛。侧部炭块下的浇注料(或耐火砖)做成阶梯形，
6、以抑制伸腿过长。二、电解槽筑炉的基本规范结合上述大型预焙槽的内衬结构实例(上图)，介绍当前我国大型预焙槽筑炉的基本规范，主要包括工艺要求与材料指标两个部分。其中所列材料是当前我国电解槽内衬常用材料碳化硅，而非最好、最先进的材料。目前我国所使用的比较先进、稳定的电解槽内衬材料为氮化硅结合碳化硅。随着科学技术的进步，冶金企业日益向大型化、自动化、无污染、低消耗、高寿命等方向发展。面对日益增加的能耗，冶企业必须采用新技术、新设备、新材料来提高能源率，在诸多的材料中，氮化硅结合碳化硅材料作为新材料不断被世界各国冶金行业所采用，且在冶金工业中的应用领域日益广泛。氮化硅结合碳化硅是以氮化硅为结合剂，由粉状
7、Si和SiC混合成型的坯体，在氮化窑中于01450的氮气气氛下加热烧制而成。具有密度大、强度高、热震稳定性好、荷重软化点高、导热好、电阻值高等特点，并且有优良的抗冰晶石、氟铝、氟化钠及氟化钙等熔体的侵蚀性和抗氧化性，是种有发展前途的结合碳化硅材料。氮化硅结合碳化硅块 Silicon Nitride Bonded Silicon Carbide Block项 目Item指 标Index成分Components氮化硅SiN20%碳化硅SiC72%铁Fe0.7%导热系数(350)Thermal conductivity (350)2835W/m.K强度Strength常温耐压强度CCS150MPa常
8、温抗折强度MOR at normal temperature40MPa高温抗折强度MOR at high temperature45MPa显气孔率AP16%体积密度BD2.65g/cm规格公差Tolerance长度公差The length tolerance2.0mm宽度公差The width tolerance2.0mm厚度公差The thickness tolerance1.0mm用途:电解铝槽侧墙,化工行业反应罐，各种耐高温耐磨衬板，流口砖，熔炉加热炉膛和铝液输送管。特点:具有使用寿命长，硬度高、高温强度大、耐磨损、耐铝液侵蚀和热冲刷，抗酸碱侵蚀性能好、线性膨胀率低、导热系数高等特点。1
9、、槽底砌筑的工艺要求如下：(1)清理与放线。槽壳清理干净后，依据电解槽内衬施工图，进行基准放线作业。(2)铺石棉板。槽底铺一层l0mm石棉板，接缝小于2mm，石棉板间缝用氧化铝粉填平。(3)铺绝热板(硅酸钙板)。绝热板的接缝小于2mm，所有缝间用氧化铝粉填满，绝热板与槽壳间隙填充耐火颗粒，粒度小于2mm；绝热板的加工采用锯切割；根据槽底变形情况允许局部加工绝热板，但加工厚度不大于l0mm。(4)砌筑保温砖。保温砖加工采用锯切割；砌筑时按画在槽壳上的砌体层高线逐层拉线控制；第一层保温砖在绝热板上进行作业，所有砌筑缝小于2mm，并用氧化铝粉填满，不准有空隙；保温砖与侧部绝热板间填充耐火颗粒，粒度小
10、于2mm，填实；第二层保温砖与第一层保温砖应错缝砌筑，所有砖缝用氧化铝粉填满；第三层保温砖与侧部绝热板间填充耐火颗粒，粒度小于2mm，填实。(5)铺干式防渗料。将干式防渗料铺在保温砖上，用样板挂平，铺一层薄膜，薄膜上铺纤维板，然后用平板振动机夯实。要求分两层铺料、夯实达到设计要求的密实厚度，然后按预先画好的基准线测量9点，要求水平误差不大于2mmm，高度误差不大于1.5mm，局部超出标准可进行整理，并保证阴极炭块组安装尺寸。 2、槽底砌筑用主要材料的指标 槽底砌筑用主要材料的指标如下。(1)硅酸钙板。符合国家标准GBT 10699-1998的硅酸钙板主要指标。(2)轻质粘土砖。符合国家标准GB
11、T 3994-2005的轻质粘土砖主要指标。(3)粘土砖。符合国家标准YBT 5106-1993的粘土砖主要指标。(4)氧化铝。(5)石棉板。目前执行标准为JCT 69-2000。石棉板是以石棉为主要原料，加入黏结剂和填充材料而制成的板状隔热材料。一般要求石棉板组织结构均匀，厚度一致，表面光滑，但允许一面有毛毯压痕或双面网纹。不允许有折裂、鼓泡、分层、缺角等缺陷。石棉板烧失量不大于18，含水度不超过3，密度不大于1.3gcm3，横向拉伸强度不小于0.8MPa。石棉板的规格通常有850mm850mm和1000mm1000mm两种，厚度1.025.0mm，1m3石棉板的质量按1200kg计算。(6
12、)干式防渗料。符合国家标准GBT 10294-1988的干式防渗料的主要理化性能指标。3、阴极炭决组的制作 阴极炭块组的制作，包括炭块和钢棒的加工及其组装两部分。其制作方式与阴极钢棒的形状有关。阴极钢棒可采用方形、矩形或圆形、半圆形等多种形状。理论上而言，圆形棒周围应力分布均匀，尤其是能够克服矩形或燕尾槽形所带来的应力集中的问题，可降低阴极炭块破损的风险，并能够获得较低的铁炭电压降。然而圆形棒与炭块的连接(黏结方式)在我国没有成熟技术。不少人建议使用半圆形断面，但我国尚无工业实践，目前还是采用方形或矩形棒，对应地将阴极炭块的沟槽加工成燕尾槽形状。近20年，世界上新建铝厂普遍采用通长炭块和通长阴
13、极钢棒。从20世纪70年代中期开始，由于电解槽容量不断增大，采用大断面阴极炭块后，每个阴极钢棒带有两条沟槽的设计方案被采用，即每个阴极炭块与两个阴极钢棒相连接。阴极炭块与钢棒的组装方式有炭糊扎固、磷生铁浇注、炭的黏结剂黏结等。其中，磷生铁浇注式组装的阴极寿命短，工艺流程烦琐、复杂，技术性强，高温作业，劳动强度大，效率低，成本高，废品率高，该法在国内大多被扎固法所取代。下面以扎固法为例进行介绍。A阴极炭块组制作的工艺要求阴极炭块组制作的工艺要求如下：(1)钢棒下料后，在其两端面打上编号(最好打钢印或用油漆标记)，测量并记录每根钢棒的弯曲程度；校正不合格的钢棒；砂洗四面，表面应露出银灰色金属光泽，
14、砂洗完后检查并填写记录。(2)组装前用压缩空气将炭块燕尾槽内灰尘吹净，然后加热阴极炭块，与此同时加热阴极钢棒和炭糊，加热温度根据炭糊性质而定，一般在40110的范围(以炭糊说明书要求的温度为准)。(3)组装前再清扫一次燕尾槽内的灰尘；用电毛刷对钢棒进行打磨，表面不准有灰尘。(4)阴极钢棒轴向中心线必须与炭块钢棒槽轴中心线相吻合，偏差不准超过炭块长度的1，钢棒组装后总长度偏差不大于15mm，弯曲度不大于4mm。(5)每次加糊后用样板刮平再捣固，共分6层左右捣固，每层捣固高度为2040mm；扎固时炭糊的温度应满足钢棒糊使用说明书的要求；每层捣固两个往返，捣固后糊与炭块表面呈水平，表面整洁，不准有麻
15、面，捣固压缩比(1.61.8)：1，捣固风压不低于0.5MPa，扎固捣固锤每次移动1cm左右，严禁捣固锤打坏炭块，防止异物进入糊内。(6)组装后测量炭块表面与钢棒表面，平行度公差值3mm，不准高于炭块表面，用耐火泥抹平。(7)组装后阴极炭块组的质量要求。1)导电性能。当用2000A直流电以工作面和阴极钢棒露出端为两极，其电压平均值不大于350mV(在室温下)；2)外观。由燕尾槽向外延伸的裂纹宽度不大于0.5mm，长度不大于60mm，其他缺陷符合底部炭块标准，冷糊杂物清除干净；3)炭块组堆放要按作业基准进行，要轻吊轻放，钢丝绳所压炭块部位要有防压措施，严禁雨淋，受潮；4)对炭块组检查采用抽查法，抽检比例3。如有质量问题提高抽查比例。B阴极炭块组制作用主要材料 阴极炭块组制作用主要材料如下。(1)阴极炭块。关于阴极炭块的种类、性能、制备工艺等请见本书第30章。阴极炭块的种类很多，这里仅以当前国内外大中型预焙槽上使用最多的半石墨质炭块为例进行说明。我国铝厂目前较普遍使用的半石墨质阴极炭块行业标准为YS
