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，块问用炭胶糊黏结。

　　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lOmm厚的石棉板，再铺一层硅酸钙绝热板)。

　　2)在绝热板上千砌两层65mm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130～195mm的于式防渗料(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)在于式防渗料上(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，靠钢壁砌筑一道65mm的保温砖，或者布设石棉板和40～60mm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)；并留出轧制人造伸腿的空隙。

　　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(或耐火砖砌)做成阶梯形，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，而非最好、最先进的材料。关于筑炉材料中的炭素材料(阴极炭块、侧部炭块及糊料等随后再详述。

　　1、槽底砌筑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lOmm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lOmm。

　　(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±2mm／m，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GB／T 10699--1998的硅酸钙板主要指标。

　　(2)轻质粘土砖。符合国家标准GB／T 3994--2005的轻质粘土砖主要指标。

　　(3)粘土砖。符合国家标准YB／T 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JC／T 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1.3g／cm3，横向拉伸强度不小于0.8MPa。石棉板的规格通常有850mm×850mm和1000mm×1000mm两种，厚度1.0～25.Omm，1m3石棉板的质量按1200kg计算。

　　(6)干式防渗料。符合国家标准GB／T 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，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40～110℃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20—40mm；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，不准有麻面，捣固压缩比(1.6～1.8)：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／T 287--1999。且外观符合如下规定：1)产品表面应平整，断面积不允许有空穴、分层和夹杂物；2)加工长度大于1m时，弯曲度不大于长度的0.1％；3)炭块严禁受潮和油污染；4)炭块表面允许有符合标准的缺陷。

　　(2)钢棒糊。

　　(3)硼化钛阴极。TiB2是最理想的铝电解可润湿性阴极材料。目前中南大学研发的常温固化硼化钛阴极涂层材料和中国铝业公司研发的硼化钛-炭复合材料均开始在大型预焙铝电解槽上应用。这种材料与低石墨质或低石墨化程度的炭块结合，可以显著改善阴极的抗钠膨胀性，而与高石墨质或高石墨化程度的炭块结合，则可以显著改进阴极的耐磨性。此外还有一个很重要的优点是，它给阴极带来了一种炭素材料所不具备的性能，即与金属铝液的良好润湿性，因而可减少槽底沉淀，提高阴极工作的稳定性。硼化钛阴极涂层与价格较低的无烟煤基(无定形或半石墨质)炭块相结合的效果最为显著。无定形炭在长时间电解后会逐渐石墨化，在一年或更长一点的时间内大部分会转化成石墨。在工业电解槽上这种石墨化转化之所以未能体现在阴极电压的下降，是因为钠膨胀及熔融电解质与碳化铝的渗透抵消了石墨化所带来的电导率的改进。对此，中南大学开发的常温固化硼化钛阴极涂层技术所采用的涂层厚度只要有4—5mm即可(这样涂层的造价相对较低)，涂层本身寿命只需2年左右即可(因为阴极炭块的吸钠膨胀主要发生电解槽启动后的1-2年内)，但其提高槽寿命和稳定槽况所带来的效益显著高于使用涂层所带来的投资费用增加。

　　4、阴极炭块组的安装

    阴极炭块在槽底的排列有如图所示的几种情况，其中a、b、c三种比较，c型最好。

　　型对应通长炭块，这种类型接缝数量最少，一般认为该类型可使电解质和铝液渗漏的可能性以及由于上抬力和推挤力所引起的机械破损可能性均可降至最小。通长炭块不一定采用通长阴极棒，但发展趋势是通长炭块与通长阴极棒一起采用。

　　A阴极炭块组安装的工艺要求

    阴极炭块组安装的工艺要求如下：

　　(1)将砌筑完毕的槽底(干式防渗料)表面清理干净，按预先华好的作业基准线进行安装作业，以槽中心为准，由中央向两端进行。

　　(2)炭块组两端钢棒预先安装好挡板。已变形棒孔挡板要校正方可使用，不能校正的必须更换。

　　(3)用钢丝绳吊动炭块时，所压部位必须采取防范措施，以防损伤炭块；调整炭块组时仅撬动炭块，不可撬动钢棒；严禁损伤炭块、钢棒及挡板，安装要平稳，不平处可用粉料(防渗料)垫平。

　　(4)相邻炭块水平高度差不超过3mm，长度偏差不大于10mm；炭块间距符合内衬图要求，相邻炭块就位，用缝宽样板控制，测定三点，一般控制在规定值±2mm，然后取下样板用木楔临时固定。

　　(5)就位时，钢棒应放在窗口中央，阴极钢棒中心线与槽壳窗口中心线偏差为±3mm；阴极钢棒挡板紧贴槽壳钢板上，2—3mm间缝用水玻璃石棉腻子塞满；腻塞棒孔后，炭块组不准移动；如需移动，窗孔间隙重新腻塞。

　　(6)水玻璃石棉腻子密封料的配比，按水玻璃：(石棉粉70％+石棉绒30％)质量比=1：1.5，混合均匀使用。水玻璃腻子应洁净，不准混入异物。

　　B阴极炭块组安装用主要材料

    阴极炭块组安装用主要材料如下。

　　(1)硅酸钠水玻璃。符合国家标准GB／T 4209--1996的水玻璃的密度为1.32—1.38g／cm3，波美度(20℃以下)35～37°Be，模数(M)3.5—3.7。

　　(2)石棉。石棉绒采用温石棉时选4级，4级石棉的纤维长度和含量分别为：4.8mm为5％～35％以上，1.35mm为45％～70％以上，砂粒粉尘含量不大于5.5％。石棉粉的技术性能为：短纤维石棉10％，轻质耐火土钙镁细粉90％，体积密度0.86g／cm3，耐热度不小于600℃，水分不大于5％，导热系数不大于0.093W／(m•K)。

　　5、阴极炭块周围砌筑

    A阴极炭块周围砌筑的工艺要求

    阴极炭块周围砌筑的工艺要求如下。

　　(1)四周紧贴槽壳为石棉板、硅酸钙板，缝隙小于2mm，缝隙用石棉绒-水玻璃糊实。

　　(2)两炭块钢棒间砌65mm轻质粘土砖(两层或三层，依内衬图而定)，采用湿砌，砖缝小于3mm。

　　(3)捣打浇注料。按内衬图尺寸支好模板，固定阴极炭块四周；用搅拌机干混浇注料2min，然后加入清洁自来水(加水量在6.5％～7.5％之间)，加完水后搅拌3～4min即可出料；搅拌好的浇注料应立即倒入模内(应采用多点投料为好)，用插入式振动器振动，振至表面露出浮水为止；振动器提起时应避免留空洞，振动棒应缓慢均匀移动，不能在一点长时间振动，以防浇注料偏析；加第二层料振动时，切忌将振动棒插入第一层料内以防破坏第一层已初凝料层的组织结构；浇注完毕全高倾斜不大于5mm，其表面凹凸不大于2mm；浇注好后用草袋覆盖注体。养护时间为：若环境温度大于平均20℃／d，养护时间为24h，否则为48h。

　　(4)砌筑耐火砖。待浇注体达到养护时间后，浇注体上用耐火泥浆找平砌筑一层或二层视(内衬图而定)65mm高铝砖或轻质粘土砖，砖缝小于3mm，泥浆饱满，为砌筑侧部炭块做好准备。

　　B阴极炭块周围砌筑用主要材料阴极炭块周围砌筑用主要材料如下。

　　(1)防渗隔热耐火浇注料(耐火混凝土)。不同厂家有不同标准。

　　(2)耐火砖。我公司生产的高铝砖理化性能指标不再详述。

　　6、侧部砌筑

    A侧部砌筑的工艺要求

    侧部砌筑的工艺要求如下。

　　(1)砌筑前将槽壳上的污垢和周围砖表面上的泥浆清理干净，砌筑块(炭块或碳化硅砖)要仔细检查，有缺陷的根据情况放在角部。

　　(2)炭块用干砌，碳化硅(SiC)砖用耐火泥浆砌筑，因此若使用碳化硅砖，先配制碳化硅耐火泥浆。砌筑从角部开始作业，立缝小于0.5mm，卧缝小于3mm，错台小于5mm。大面根据槽型可以砌筑成一条弧线。侧块背部紧贴槽壳钢板，背缝小于2mm。

　　(3)若需加条，则加条在角部两侧的第三块上进行，加条尺寸应不小于原炭块的二分之一。

　　(4)砌筑和调整侧部炭块应使用木槌敲打，严禁使用金属锤敲打，以防损伤炭块。

　　(5)对于侧部块与槽壳间的缝隙，若侧部为碳化硅砖，则用碳化硅浇注料或侧部散热填充料填实；若为炭块，则用氧化铝，或炭胶或侧部散热填充料填实。

　　B侧部砌筑用主要材料的指标

    侧部砌筑用主要材料的指标如下。

　　(1)侧部块。

　　(2)炭胶。侧部使用炭块时，用到炭胶。

　　(3)碳化硅耐火泥。侧部使用碳化硅砖时，用到碳化硅耐火泥。

　　(4)侧部散热填充料。

　　7、扎固

    A扎固立缝的工艺要求

    扎固立缝的工艺要求如下：

　　(1)阴极块加热前应用压缩空气将槽内清理干净，然后进行加热作业。

　　(2)立缝加热用电加热器加热，冬季加热时间不少于12h，夏季加热时间不少于lOh，加热温度同扎糊作业温度(遵照糊料产品说明书)。需加热的材料、工具同时加热。扎固前再次进行吹风清扫。

　　(3)测量阴极炭块加热温度，每个炭块各测三点。

　　(4)非工作人员禁止入槽内，作业人员的鞋底必须干净。

　　(5)阴极炭块立缝均涂一层稀释沥青，厚度0.5mm左右。

　　(6)按量加糊，应用样板刮平，再进行扎固作业，扎固次数不少于两个往复，捣固时间约／层。立缝一般分7～8次扎完，每槽约60min。操作点的风压不低于0.6MPa，压缩比不低于1.60：1。

　　(7)扎固炭帽要在模板内进行，以防打坏炭块。炭帽应高出阴极炭块上表面5mm，宽度40mm，铲去炭帽两侧毛边并用手锤压光使之表面平整、光滑、无麻点。

　　B扎固周围缝的工艺要求

    扎固周围缝的工艺要求如下：

　　(1)周围糊扎固前应对周围缝加热，并在加热前进行吹风清扫，加热温度同立缝温度。

　　(2)凡与糊接触部位(炭糊除外)均涂一层稀释沥青，厚度为0.5mm左右。

　　(3)槽长、短侧各分7～10次扎完，斜坡高度符合内衬图要求(一般为200mm)，工作点风压不低于0.6MPa，压缩比不低于1.60：1。扎固之前首先将阴极钢棒底下塞实。

　　(4)扎固坡面时，为使层间衔接牢固，用爪型捣锤把表面打成麻面，然后再铺糊扎固。周围糊接头处用火焰加热器烘烤，不准将糊烧成炭化物，加热至立缝要求温度。

　　(5)捣固后表面呈平面，光滑整洁，不准有麻面。

　　C扎固用冷捣糊

    目前已普遍使用冷捣糊扎固立缝与周围缝。