李世霞,田小軍，趙 雅,劉建彪,

(1甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 嘉峪關(guān) 735100；2省市共建甘肅省冶金技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 嘉峪關(guān) 735100；3酒鋼集團(tuán)西部重工股份有限公司,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

陽(yáng)極鋼爪是電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中連接陽(yáng)極炭塊與鋁母線的重要部件,其自身導(dǎo)電性能優(yōu)劣和使用周期很大程度上影響電解鋁生產(chǎn)電耗和經(jīng)濟(jì)效益[1]。目前傳統(tǒng)鑄造鋼爪是用廢鋼、雜鋼以及報(bào)廢鋼爪直接重熔而成,且沒(méi)有按照鑄造工藝進(jìn)行后續(xù)處理,造成了鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中陽(yáng)極鋼爪變形損壞率高(約占使用鋼爪總數(shù)20%～35%)、修復(fù)量大,生產(chǎn)成本增高[2]。基于節(jié)能降耗、降本增效目的,利用電渣熔焊技術(shù)制造全截面焊接結(jié)構(gòu)型陽(yáng)極鋼爪取代鑄造鋼爪,從而達(dá)到節(jié)電、降低維修成本、延長(zhǎng)產(chǎn)品使用周期的目的[3]。

本文通過(guò)對(duì)某電解鋁廠采用結(jié)構(gòu)型陽(yáng)極鋼爪和普通鑄鋼鋼爪進(jìn)行鋁電解過(guò)程中壓降對(duì)比試驗(yàn),得出結(jié)構(gòu)型陽(yáng)極鋼爪和鑄鋼鋼爪的壓降規(guī)律,為鋁電解企業(yè)在對(duì)陽(yáng)極鋼爪進(jìn)行質(zhì)量評(píng)判和鋁電解過(guò)程中節(jié)能降耗提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)型鋼爪與鑄造鋼爪壓降對(duì)比

將新制造的20組結(jié)構(gòu)型陽(yáng)極鋼爪和采用鑄造制造的鑄鋼鋼爪分別投入到400 kA的鋁電解槽中,對(duì)結(jié)構(gòu)型陽(yáng)極鋼爪和鑄造鋼爪下槽使用過(guò)程中壓降數(shù)據(jù)對(duì)比分析,其中將結(jié)構(gòu)型鋼爪投入到2250#電解槽,鑄鋼鋼爪投入到2251#電解槽,兩種電解槽的槽電壓平均為3.923 V,電流強(qiáng)度為405.58 kA,測(cè)試20組結(jié)構(gòu)型鋼爪和鑄鋼鋼爪運(yùn)行30天的平均壓降,如下表1所示。20組結(jié)構(gòu)型鋼爪和鑄鋼鋼爪同時(shí)放入電解槽中,運(yùn)行30天,其中結(jié)構(gòu)型鋼爪的平均壓降比鑄鋼鋼爪低35.53 mV,陽(yáng)極鋼爪的壓降越高,在鋁電解過(guò)程中電能損耗越大,因此結(jié)構(gòu)型陽(yáng)極鋼爪在節(jié)能降耗上較鑄造鋼爪有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

表1 兩種鋼爪運(yùn)行30天的平均壓降 mV

2 結(jié)構(gòu)性鋼爪的制作

新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)型鋼爪采用材質(zhì)為Q235的熱軋扁鋼通過(guò)電渣熔焊將鋼爪腿和鋼爪梁連接,如圖1所示為結(jié)構(gòu)型陽(yáng)極鋼爪的制造示意圖,其中1為鋼梁,尺寸為120 mm×165 mm×1220 mm,2為四個(gè)尺寸相同的鋼爪腿,尺寸為Φ170 mm×270 mm,鋼梁和鋼爪腿的連接采用電渣熔焊。電渣熔焊是利用電流通過(guò)導(dǎo)電液體熔渣產(chǎn)生的電阻熱作為熱源使金屬熔化,同時(shí)為了提高熔化效率,將金屬熔煉澆鑄于焊縫之間,利用電阻熱及熔化液體金屬自身熱量來(lái)使母材金屬熔合以達(dá)到連接目的焊接方法。電渣焊電極均采用Q235鋼條,電渣焊接后,三部分完全熔合為一個(gè)整體。由于熔池體積大,溫度高達(dá)2000 K,電渣熔焊后金屬晶粒粗大,為了防止晶粒粗大,采用水冷銅塊對(duì)焊縫強(qiáng)制冷卻,提高結(jié)晶速度,得到細(xì)晶粒組織。同時(shí)為了減小鋼爪在焊接過(guò)程中產(chǎn)生變形,將鋼爪橫梁及鋼爪腿組裝于研發(fā)的結(jié)晶器內(nèi),如圖2所示為研制的結(jié)晶器。

圖1 結(jié)構(gòu)型鋼爪制造圖

圖2 結(jié)晶器

結(jié)構(gòu)型陽(yáng)極鋼爪在焊接過(guò)程中由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,焊接位置較為狹窄,同時(shí)焊縫尺寸大,焊接過(guò)程中冷卻控制不好鋼爪橫梁在焊接應(yīng)力作用下就會(huì)發(fā)生變形,影響到后期使用;同時(shí)要求每個(gè)鋼爪腿與橫梁之間的距離不能有偏差,結(jié)晶器既作為冷卻系統(tǒng),又作為工裝夾具固定鋼爪橫梁與鋼爪腿的位置,以保證焊接之后尺寸要求。目前陽(yáng)極鋼爪的結(jié)構(gòu)有4爪、6爪、8爪三種,結(jié)晶器的設(shè)計(jì)要滿足上述三點(diǎn)要求,通過(guò)采用組合式結(jié)晶器,能夠滿足各種鋼爪的使用,材質(zhì)采用純銅制造,結(jié)晶器的上半部分和下半部分均為長(zhǎng)方形箱體,電極入口設(shè)在上半部分,同鋼爪腿與橫梁的焊接位置相對(duì)應(yīng)。結(jié)晶器的上部分與下部分沿鋼爪腿垂直方向通過(guò)螺栓裝配連接,與鋼爪橫梁和鋼爪腿的兩端共同組成焊接成型區(qū)域,焊縫間隙尺寸可根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的鋼爪進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。采用組合式水冷結(jié)晶器可以適用于不同結(jié)構(gòu)的鋼爪,同時(shí)操作簡(jiǎn)單,熔焊過(guò)程中能夠保證冶金質(zhì)量,避免縮孔、氣體等焊接缺陷的產(chǎn)生[4]。

3 影響結(jié)構(gòu)型鋼爪導(dǎo)電性的因素

3.1 制造工藝對(duì)導(dǎo)電性的影響

新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)型鋼爪采用材質(zhì)為Q235的熱軋扁鋼通過(guò)電渣熔焊將鋼爪腿和鋼爪梁連接,鋼梁和鋼爪腿的連接采用電渣熔焊。電渣熔焊溫度高達(dá)2000 K,為防止電渣熔焊后金屬晶粒粗大,采用水冷銅塊對(duì)焊縫強(qiáng)制冷卻,提高結(jié)晶速度,得到細(xì)晶粒組織。同時(shí)為了減小鋼爪在焊接過(guò)程中產(chǎn)生變形,將鋼爪橫梁及鋼爪腿組裝于研發(fā)的結(jié)晶器內(nèi)。如圖3為結(jié)構(gòu)型鋼爪的金相組織圖,結(jié)構(gòu)型鋼爪采用的Q235經(jīng)軋制后消除了普通澆鑄鋼爪存在的夾渣、砂眼、氣孔等缺陷,軋材的軸向截面中珠光體和鐵素體均勻混合分布,而徑向截面中由于軋制的原因,珠光體和鐵素體呈線性分布。呈線性分布的晶粒中,鐵素體晶粒能夠在同一方向上緊密接觸,因此電流可以通過(guò)相互緊密接觸的鐵素體傳導(dǎo),而珠光體中有導(dǎo)電性差的Fe3C的存在,幾乎不參與傳導(dǎo)電流。圖4為鑄鋼鋼爪金相組織,鑄鋼鋼爪的金相組織為珠光體和鐵素體的磷共晶組成,圖4所示,灰色基體為珠光體(F+Fe3C),其中起導(dǎo)電作用的主要是珠光體中的鐵素體,鑄鋼鋼爪晶界處為最后凝固的部位,晶界上常有顯微縮孔和夾雜物聚集,電流傳導(dǎo)過(guò)程中受到阻礙,鑄鋼鋼爪電流在極為微小的通道傳導(dǎo),因此導(dǎo)電率較差,壓降較結(jié)構(gòu)型鋼爪高。

圖3 結(jié)構(gòu)型鋼爪金相組織圖

圖4 鑄鋼鋼爪金相組織圖

3.2 電渣熔焊渣系對(duì)導(dǎo)電性的影響

鋼爪橫梁和鋼爪腿連接采用電渣熔焊,電渣熔焊以其獨(dú)特的工藝方式,為各元素的氧化還原,以及有害雜質(zhì)的去除,提供了充分的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件。電渣焊過(guò)程中要求熔渣要有適宜的電阻值、較低的熔點(diǎn)、良好的流動(dòng)性。為了滿足以上要求我們采用CaF2+Al2O3的二元渣系,即ANF-6渣系,在此基礎(chǔ)上添加微量的CeO2,CeO2可以起到以下效果:一是電渣熔焊過(guò)程中含稀土的熔渣電阻值較高、熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好,易形成渣池;二是隔絕空氣,有效避免焊接過(guò)程中的二次氧化,提高金屬熔化速度,有利于降低能耗;三是稀土元素Ce可以使熔焊區(qū)域組織晶粒細(xì)化、均勻、改善焊接區(qū)域的導(dǎo)電性能。如圖5為焊縫金屬的金相組織,灰色基體為鐵素體,焊縫處軸向和徑向晶粒趨向相同,有大量的珠光體存在,電流通過(guò)鐵素體和珠光體中的鐵素體進(jìn)行傳導(dǎo),電流在通過(guò)Fe3C時(shí)受到阻礙,因此電流通過(guò)橫梁和鋼爪腿的焊縫組織時(shí)受到阻礙,壓降較橫梁和鋼爪腿較大。但焊縫金屬在電渣熔焊過(guò)程中通過(guò)ANF-6熔渣添加微量元素CeO2,提高了焊縫金屬的純凈度,圖6為電渣熔焊鋼爪剖切后的形貌,整體金屬組織純凈,焊縫金屬與鋼爪腿金屬基本一致。圖7為鑄鋼鋼爪剖切后的形貌,存在有大量的夾渣、砂眼、氣孔等缺陷。同時(shí)熔渣焊過(guò)程中采用結(jié)晶器快速冷卻,晶粒度比鑄鋼鋼爪的細(xì)小,因此電流在傳導(dǎo)過(guò)程中相比鑄鋼鋼爪受阻較小。

圖5 焊縫金屬的金相組織圖

圖6 電渣熔焊鋼爪剖切形貌

圖7 鑄鋼鋼爪剖切形貌

3.3 抗氧化性對(duì)導(dǎo)電性的影響

陽(yáng)極鋼爪在預(yù)焙鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中,由于陽(yáng)極鋼爪不僅處在空氣與高濃度CO2氣氛中,還不斷受到強(qiáng)腐蝕電解質(zhì)冰晶石的沖刷,因此,導(dǎo)致陽(yáng)極鋼爪被空氣和CO2氧化,被冰晶石電解質(zhì)侵蝕現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[5]。其中結(jié)構(gòu)型鋼爪和鑄鋼鋼爪的材質(zhì)不同,導(dǎo)致其在電解過(guò)程中抗氧化能力不同,為了對(duì)比兩種鋼爪的抗氧化能力,通過(guò)對(duì)鋼爪腿直徑的變化進(jìn)行測(cè)試,運(yùn)行三個(gè)周期(每個(gè)周期30天)后對(duì)結(jié)構(gòu)型鋼爪和鑄鋼鋼爪腿的直徑測(cè)試,測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示,其中結(jié)構(gòu)型鋼爪的氧化層為0.57 mm/周期,鑄鋼鋼爪的氧化層為0.96 mm/周期。圖8是結(jié)構(gòu)型鋼爪和鑄鋼鋼爪使用三個(gè)月的氧化情況對(duì)比,圖8(a)為準(zhǔn)備換極的鑄鋼鋼爪,鑄鋼鋼爪的使用周期為三個(gè)周期(每個(gè)周期30天)。圖8(b)為剛下槽的結(jié)構(gòu)型鋼爪,鋼爪結(jié)構(gòu)完整,結(jié)構(gòu)型鋼爪已經(jīng)使用三個(gè),仍在繼續(xù)循環(huán)使用,運(yùn)行穩(wěn)定。圖8(c)是使用3個(gè)月后結(jié)構(gòu)型鋼爪和鑄鋼鋼爪的氧化層實(shí)物對(duì)比。結(jié)構(gòu)型鋼爪的抗氧化性明顯優(yōu)于鑄鋼鋼爪,因此在使用到后期,鑄鋼鋼爪氧化嚴(yán)重,其導(dǎo)電性也大大下降。

圖8 結(jié)構(gòu)型鋼爪和鑄鋼鋼爪使用三個(gè)月的氧化情況對(duì)比

表2 兩種鋼爪氧化程度

4 結(jié) 論

結(jié)構(gòu)型陽(yáng)極鋼爪的壓降明顯低于傳統(tǒng)鑄鋼鋼爪的壓降。主要原因是結(jié)構(gòu)型陽(yáng)極鋼爪選用熱軋扁鋼Q235通過(guò)熔鑄焊制造而成,由于結(jié)構(gòu)型鋼爪的珠光體和鐵素體呈線性分布,呈線性分布的晶粒中,鐵素體晶粒能夠在同一方向上緊密接觸,因此電流可以通過(guò)相互緊密接觸的鐵素體傳導(dǎo)。而鑄鋼鋼爪起導(dǎo)電作用的只有珠光體中的鐵素體,顯然電流在極為微小的通道中傳導(dǎo),導(dǎo)電率差,電能損耗大。結(jié)構(gòu)型鋼爪的氧化層為0.57 mm/周期,鑄鋼鋼爪的氧化層為0.96 mm/周期,結(jié)構(gòu)型鋼爪的抗氧化性明顯優(yōu)于鑄鋼鋼爪,因此在使用到后期,鑄鋼鋼爪氧化嚴(yán)重,其導(dǎo)電性也大大下降,同時(shí)結(jié)構(gòu)型鋼爪的使用壽命比鑄鋼鋼爪長(zhǎng),因此在陽(yáng)極鋼爪制造中為了降低能耗,選用熱軋扁鋼Q235通過(guò)電渣熔焊連接,電渣熔焊過(guò)程中提高焊縫的純凈度,提高鋼爪的制造質(zhì)量,降低鋼爪在鋁電解過(guò)程中的壓降,從而降低能耗。