李姝婷， 王日昕， 伍永福, 姜彥平

(1.包頭服務管理職業(yè)學校， 內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.江西省科學院應用物理研究所， 江西 南昌 330029；3.內(nèi)蒙古科技大學能源與環(huán)境學院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010；4.內(nèi)蒙古世星新材料科技有限公司， 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

電解鋁用新型陽極鋼爪

李姝婷1， 王日昕2， 伍永福3, 姜彥平4

(1.包頭服務管理職業(yè)學校， 內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.江西省科學院應用物理研究所， 江西 南昌 330029；3.內(nèi)蒙古科技大學能源與環(huán)境學院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010；4.內(nèi)蒙古世星新材料科技有限公司， 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

陽極鋼爪是鋁電解生產(chǎn)中預焙陽極的重要構件，主要作用是連接陽極炭塊并向電解槽傳輸電流，其導電性能的優(yōu)劣和使用壽命很大程度影響電解鋁生產(chǎn)的電耗和經(jīng)濟效益。目前，陽極鋼爪均以廢鋼為原料，采用消失模鑄造生產(chǎn)，易產(chǎn)生化學成分不穩(wěn)定、電阻率高、抗氧化性差等缺陷。新型陽極鋼爪的材料為低碳鋼，鋼爪橫梁使用熱軋厚板，按照鋼爪橫梁尺寸進行切割，鋼爪腿材料選擇軋制圓棒，采用特種熔焊工藝將鋼爪腿與鋼爪橫梁熔焊，實現(xiàn)全截面的冶金結合。國內(nèi)電解鋁企業(yè)使用結果表明：新型陽極鋼爪較普通鑄造鋼爪導電性和抗氧化性有一定提高，可以更好地滿足電解鋁生產(chǎn)的要求。

鋁電解； 陽極鋼爪； 特種熔焊工藝； 全截面冶金結合

電解鋁陽極鋼爪是電解槽上陽極炭塊與母排線之間的連接組件，在鋁電解過程中負載很大的電流，是電解鋁生產(chǎn)企業(yè)最主要消耗件之一，鋼爪質(zhì)量的好壞直接影響生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。陽極鋼爪要求組織致密，無鑄造缺陷，化學成分穩(wěn)定。傳統(tǒng)的消失模鑄造方法，工藝繁鎖，容易引起鋼水的二次氧化，純凈度得不到保證，而且燒損元素成分的可控性較差，很難滿足陽極鋼爪電阻率低、導電性能好的工藝要求。因此通過改進制造工藝提高陽極鋼爪的使用性能，對降低電解鋁生產(chǎn)成本有著重要意義。

1 普通鑄造鋼爪存在的主要問題

長期以來，國內(nèi)電解鋁陽極鋼爪生產(chǎn)普遍采用中頻爐煉鋼+消失模鑄造的方法，該技術主要存在以下缺陷：

(1) 由于中頻爐煉鋼對材料成分控制不嚴，鋼爪中S、P、C、Mn、Cr等元素普遍超標，導致鑄造陽極鋼爪導電性能降低。

(2)消失模鑄造過程中排氣工藝不穩(wěn)定，造成鑄造陽極鋼爪存在夾雜、氣孔等鑄造缺陷，影響鋼爪的導電性和強度。

(3)消失模鑄造鋼爪，一般不進行調(diào)質(zhì)處理和正火處理，得到的鑄態(tài)組織普遍晶粒粗大，使其力學性能大大降低，容易造成鑄造陽極鋼爪在熱狀態(tài)下形變內(nèi)彎，嚴重時甚至從鋼爪橫梁處發(fā)生斷裂。

(4)變形導致修復難度增加，成本提高。

(5)鑄造過程會產(chǎn)生S、P等有害元素超標的廢氣，造成環(huán)境污染。

2 新型陽極鋼爪的特點

2.1 新型鋼爪的特點

為了解決普通鑄造鋼爪存在的問題，江西省科學院應用物理研究所、內(nèi)蒙古世星新材料科技有限公司、內(nèi)蒙古科技大學共同開發(fā)出電解鋁新型陽極鋼爪，采用材質(zhì)穩(wěn)定、導電性能和力學性能較好的軋鋼為原料，避免了鑄造缺陷的產(chǎn)生，通過電渣熔焊工藝，將鋼爪橫梁與鋼爪腿進行全截面焊接，整個制造過程安全環(huán)保無污染，實現(xiàn)了陽極鋼爪的“綠色”制造。該技術生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，由于為全截面焊接，導電性和使用壽命大大超過人工焊接鋼爪。

2.2 新型鋼爪的化學成分

根據(jù)材料性能指標要求，為解決鋼爪的鑄造缺陷，確定鋼爪橫梁和鋼爪腿的化學成分如表1。由于該地區(qū)鋼鐵冶煉企業(yè)的鐵礦石中普遍伴生有稀土元素，而稀土對抑制鋼材熱變形有很好的效果，可以在一定程度上抑制鋼爪的形變。

表1 新型陽極鋼爪材質(zhì) %

陽極鋼爪因鑄造工藝不可避免地會產(chǎn)生夾渣、氣孔、縮松等鑄造缺陷，減少其有效截面，影響鋼爪的導電性能。使用Wheatstone-Thomson電橋?qū)ζ胀ㄨT造鋼爪和新型鋼爪橫梁相同位置上的一段材料進行室溫(20 ℃)體積電阻率對比測試，試樣規(guī)格170 mm×10 mm×2 mm，采用GB/T351—1995金屬材料電阻系數(shù)測量方法檢測，測試結果如表2所示。

表2 兩種鋼爪材料20 ℃時的電阻率

室溫條件下，新型鋼爪材料的電阻率較新型鋼爪材料低6%。陽極鋼爪的工作溫度較高，圖1為陽極鋼爪工作狀態(tài)下的熱成像圖。圖中3個測試點的溫度分別為396.6 ℃、613.7 ℃、640 ℃，平均值550.1 ℃。

圖1 陽極鋼爪熱成像圖

材料的電阻率隨溫度的上升而提高，以國內(nèi)應用較為普遍的400kA電解槽為例，通過每個鋼爪的平均電流達到8 333 A，而電阻率的變化會直接影響陽極鋼爪的電壓降。

2.3 鋼爪焊接工藝

陽極鋼爪的焊接截面較大，焊接過程中要在焊接面上持續(xù)提供極高的熱量，普通的焊接工藝很難實現(xiàn)對其的全截面熔焊。電渣熔焊是利用電流通過熔渣時產(chǎn)生的電阻熱作為熱源進行熔焊的方法，其原理如圖2所示。

圖2 電渣熔焊原理圖

電渣熔焊主要工藝過程是在銅質(zhì)水冷結晶器、底水箱和兩個焊接面所組成的區(qū)域內(nèi)加入固態(tài)或液態(tài)熔渣，將自耗電極的端部插入其中，當自耗電極、熔渣和底水箱通過短網(wǎng)與變壓器形成供電回路時，便有電流從變壓器輸出通過液態(tài)熔渣。上述供電回路中，熔渣的電阻相對較大，占據(jù)了變壓器二次壓降的大部分，從而渣池中產(chǎn)生大量的焦耳熱，使其處于高溫熔融狀態(tài)。渣池的溫度遠高于金屬的熔點，自耗電極端部的金屬逐漸加熱熔化，熔化的金屬聚集成液滴，在重力的作用下金屬液滴從自耗電極的端頭脫落，穿過渣池進入金屬熔池。此時兩個焊接表面的金屬也逐漸熔化，在水冷結晶器的強制冷卻作用下，材質(zhì)相同的兩部分液態(tài)金屬逐漸凝固，形成焊接區(qū)域。熔焊過程中，一方面，需焊接工件的兩端也作為結晶器的一部分直接與熔渣接觸兩側的水冷結晶器壁強制冷卻，熔焊面與水冷結晶器接觸的表面會形成一層渣殼；另一方面，待焊接工件的兩端作為結晶器的一部分直接與熔渣接觸，由于其冷卻能力較弱，熔渣不會凝固，始終處于熔池上方，由熔池的熔合線向結晶器焊縫寬延伸，不會在熔焊區(qū)域形成夾層。正常熔焊期間，電流從電極進入渣池后，要通過金屬熔池和凝固鋼錠再由底水箱和短網(wǎng)返回變壓器。由于電渣冶金的特點，金屬與熔渣之間要發(fā)生一系列的物理化學反應，從而可以去除金屬中的有害雜質(zhì)元素和非金屬夾雜物。熔焊區(qū)域內(nèi)的金屬從下而上逐漸凝固，金屬熔池和渣池不斷向上移動，上升的渣池使結晶器內(nèi)壁和鋼錠之間形成一層渣殼，不僅使熔焊區(qū)域的表面平潔光滑，而且降低了徑向?qū)?，有利于自下而上順序結晶，改善了熔焊區(qū)域內(nèi)部的結晶組織，最終實現(xiàn)全截面冶金結合的目的。

3 新型鋼爪性能測試

3.1 冷態(tài)試驗

170 mm新型鋼爪與普通鑄造鋼爪各10組，用鐵碳壓降儀對每個鋼爪腿的導電性能進行測試，測試電流400 A，持續(xù)時間10 s，測試時溫-5 ℃。冷態(tài)測試示意圖如圖3所示，測試結果見表3。

圖3 冷態(tài)測試示意圖

表3 新型鋼爪與普通鑄造鋼爪壓降對比

由表3中數(shù)據(jù)可見，新型陽極鋼爪的導電性能明顯優(yōu)于普通鑄造鋼爪，導電性能提升約為17%，主要是由于材料本身的電阻率明顯下降，焊接效果好，完全實現(xiàn)了全截面熔焊。

3.2 運行測試

在某電解鋁廠選擇兩臺運行狀態(tài)相同的電解槽進行測試，其中一臺電解槽的48組陽極全部換為新型陽極鋼爪，穩(wěn)定運行3d。測試方法如圖4所示，點A在爆炸焊塊與陽極鋼爪的焊接面下部，點B為磷鐵澆鑄上部的20 mm處，對A- B3和A- B4的壓降進行測試并記錄在表4。

由表4中數(shù)據(jù)可見，運行狀態(tài)下新型陽極鋼爪

圖4 運行測試示意圖

的壓降要明顯低于普通鑄造鋼爪，壓降降低約23%，與冷態(tài)試驗的測試數(shù)據(jù)相符。

3.3 抗氧化性測試

在某電解鋁廠，通過測量鋼爪腿直徑的變化，對比四爪普通鑄造鋼爪和新型陽極鋼爪的抗氧化性能，測試數(shù)據(jù)見表5、表6。

對比將表5與表6中的數(shù)據(jù)，新型陽極鋼爪的抗氧化性較普通鑄造鋼爪有明顯提升，主要原因是新型鋼爪使用的軋制材料表面光潔度、晶相組織都優(yōu)于鑄鋼材料，其在電解過程中，氧化速度降低使用壽命延長。

表4 新型鋼爪與普通鑄造鋼爪運行測試數(shù)據(jù)

表5 普通鑄造鋼爪氧化程度

4 結論

(1)新型陽極鋼爪由于主體結構采用延展性、均質(zhì)度均優(yōu)于鑄鋼的軋鋼材料制造，故其力學性能如屈服強度、彈性模量都優(yōu)于普通鑄造鋼爪。

表6 新型鋼爪氧化程度

(2)新型陽極鋼爪使用的熱軋材料，抗氧化、耐腐蝕性均優(yōu)于鑄鋼，故使用壽命長。

(3)新型陽極鋼爪導電性能好，材質(zhì)均一穩(wěn)定，鋼爪橫梁與鋼爪腿均為100%全截面焊接連接，克服了普通澆鑄鋼爪夾渣、砂眼、氣孔等缺陷。

(4)新型陽極鋼爪使用結果證明：其質(zhì)量可靠，在電解過程中性能穩(wěn)定，可為電解鋁企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益。

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Newanodestubinprimaryaluminumproduction

LI Shu-ting，WANG Ri-xin，WU Yong-fu，JIANG Yan-ping

Anode stub is a key part of pre-baked anode in primary aluminum production and its main function is linking carbon anode and transmitting power to cells. The performance and service life of anode stub itself will definitely affect the power consumption and economic benefits of primary aluminum production. At present, scrap is the main raw material for EPC casting. Some defects of stub casting have been found due to the restriction of EPC casting process, such as instability of chemical materials, high resistance and poor oxidation resistance etc. The material of the new stub is low-carbon steel, beam is made of hot-rolled thick plate which is cut according to the beam dimension of stub. Material of stub column is rolling profile which is made of all section metallurgical combination with its beam by special fusion welding. According to the application results in primary aluminum production enterprises in China, compared to the common casting stub, the conductivity and oxidation resistance of the new anode stub have been improved to a certain extent. The production requirement of primary aluminum can be better met.

primary aluminum production; anode stub; special fusion welding; all section metallurgical combination

TF821

B

1672-6103(2017)05-0029-05

李姝婷(1976—)，女，內(nèi)蒙古涼城人，講師，主要從事化學教育工作。

國家自然科學基金項目資助(51464041，51164025)

2016-11-21