內(nèi)蒙古世星新材料科技有限公司

［摘要］陽(yáng)極鋼爪是鋁電解生產(chǎn)中預(yù)焙陽(yáng)極的重要構(gòu)件，主要作用是連接陽(yáng)極炭塊，并向電解槽傳輸電流。其自身導(dǎo)電性能的優(yōu)劣和使用壽命周期很大程度上影響電解鋁生產(chǎn)的電耗和經(jīng)濟(jì)效益。目前，陽(yáng)極鋼爪普遍以廢鋼作為原料、采用消失模鑄造進(jìn)行生產(chǎn)，導(dǎo)致材質(zhì)不穩(wěn)定，電阻率高、抗氧化性差等缺陷。新型結(jié)構(gòu)型節(jié)能陽(yáng)極鋼爪的材質(zhì)采用低碳鋼：鋼爪橫梁使用熱軋厚板，按照鋼爪橫梁尺寸進(jìn)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進(jìn)行熔焊，實(shí)現(xiàn)全截面的冶金結(jié)合。通過(guò)在國(guó)內(nèi)幾家電解鋁企業(yè)的應(yīng)用，新型結(jié)構(gòu)型節(jié)能陽(yáng)極鋼爪與傳統(tǒng)鑄造鋼爪相比，導(dǎo)電性和抗氧化性都有一定程度的提高，可以更好的滿足電解生產(chǎn)的要求。

［關(guān)鍵詞］陽(yáng)極鋼爪，特種熔焊工藝，全截面冶金結(jié)合

Application and practice of the structural energy-saving anode steel stub

Wang Ri xin

Institude of Applied Physics,Jiang Xi Academy of Science,nanchang 330029,china ;

［abstract］Anode Steel Stub is a key part of pre-baked anode in primary aluminum production linking carbon anode and transmit power to potcells. Performance and duration of anode steel stub itself willbe related definitely to power consumption and financial benefit of primary aluminum production.At present,scrap is the main raw material for EPC casting.Some defects of casting steel stubs have been found due to restriction of EPC casting process, such as instability of material, high resistance and poor oxidation resistance etc. Materials of Beam and column of the structural energy-saving steel stub are mild steel; beam are made of hot rolling thick plate to be cut into stub beam according to current beam dimension of casting steel stub, material of column of steel stub is rolling profile to be made of all section metallurgical combination with its beam by special fusion welding.Compared to the casting steel stub,the conductivity and oxidation resistance of the structural energy-saving anode steel stub have improved to a certainextent. Theproduction requirement of the aluminum electrolyzation can be fully met.

［keywords］anode steel stub,special fusion welding,all section metallurgical combination

電解鋁陽(yáng)極鋼爪是電解鋁設(shè)備上陽(yáng)極炭塊與大母線之間的連接組件，在鋁電解過(guò)程中承載著大功率的電流，是電解鋁生產(chǎn)企業(yè)的最主要消耗件之一，鋼爪質(zhì)量的好壞直接影響到電解鋁企業(yè)的生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)的穩(wěn)定性。其制作要求組織致密、無(wú)鑄造缺陷，化學(xué)成分均勻準(zhǔn)確。傳統(tǒng)的鑄造方法制作陽(yáng)極鋼爪工藝步驟繁鎖，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。很難達(dá)到電解鋁陽(yáng)極鋼爪電阻率低，導(dǎo)電性能好的制作要求。因此通過(guò)改進(jìn)陽(yáng)極鋼爪的制造工藝來(lái)提高其使用性能，對(duì)降低電解鋁的生產(chǎn)成本有著重要意義。

1、傳統(tǒng)鑄造鋼爪存在的主要問(wèn)題

長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)電解鋁陽(yáng)極鋼爪普遍采用中頻爐煉鋼+消失模鑄造的方法進(jìn)行生產(chǎn)，該技術(shù)主要存在以下缺陷：

（1）由于中頻爐煉鋼對(duì)于材料成分的控制不嚴(yán)，使新鑄鋼爪中S、P、C、Mn、Cr等影響材料導(dǎo)電性的元素普遍超標(biāo)嚴(yán)重，從而導(dǎo)致鑄造陽(yáng)極鋼爪導(dǎo)電性能降低。

（2）消失模鑄造過(guò)程中排氣工藝的不穩(wěn)定性，使得鑄造陽(yáng)極鋼爪中存在夾雜、氣孔等鑄造缺陷，也會(huì)影響鋼爪的導(dǎo)電性和強(qiáng)度。

（3）普通鑄造鋼爪一般不進(jìn)行變質(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(xué)性能大大降低，加劇了鑄造陽(yáng)極鋼爪在熱狀態(tài)下的形變內(nèi)彎現(xiàn)象的發(fā)生，甚至從鋼爪橫梁處斷裂造成早期破損；

（4）變形導(dǎo)致修復(fù)難度增加，成本提高；

（5）鑄鋼生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生S、P等有害元素超標(biāo)的廢氣排放，造成環(huán)境污染。

2、電解鋁用新型結(jié)構(gòu)型節(jié)能陽(yáng)極鋼爪

2.1技術(shù)特點(diǎn)

為了解決上述問(wèn)題，江西省科學(xué)院應(yīng)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(xué)共同開(kāi)發(fā)出電解鋁新型結(jié)構(gòu)型節(jié)能陽(yáng)極鋼爪，使用材質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)電性能和力學(xué)性能較好的軋鋼為原料，避免了鑄造缺陷的產(chǎn)生；通過(guò)電渣熔焊工藝，對(duì)鋼爪橫梁與鋼爪腿進(jìn)行全截面焊接，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)污染，實(shí)現(xiàn)了陽(yáng)極鋼爪的“綠色”制造，采用該技術(shù)，生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定，由于焊接截面為全截面，導(dǎo)電性和使用壽命大大超過(guò)了人工焊接鋼爪。可有效的實(shí)現(xiàn)物理降耗，降低鋼爪的備用數(shù)量，減少資金占用。

2.1 技術(shù)原理

（1）鋼爪化學(xué)成分

根據(jù)材料性能指標(biāo)要求，立足解決鑄鋼材料缺陷問(wèn)題，確定鋼爪橫梁和鋼爪腿的材料選型按照表1的參數(shù)控制，結(jié)合內(nèi)蒙古包頭地區(qū)的地域優(yōu)勢(shì)，地區(qū)內(nèi)鋼鐵冶煉企業(yè)選用的鐵礦石中普遍伴生有稀土元素。而稀土對(duì)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：新型結(jié)構(gòu)型節(jié)能陽(yáng)極鋼爪材質(zhì)表

Table 1 Element of the structural energy-saving anode steel stub

陽(yáng)極鋼爪經(jīng)過(guò)鑄造工序，不可避免的會(huì)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(dǎo)電性能。我們使用Wheatstone-Thomson電橋，取普通鑄造鋼爪和新型結(jié)構(gòu)型節(jié)能鋼爪橫梁相同位置上的一段材料進(jìn)行室溫（20℃）體積電阻率對(duì)比測(cè)試，試樣規(guī)格為：170mm×10mm×2mm，檢測(cè)方法采用GB/T351-1995金屬材料電阻系數(shù)測(cè)量方法，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2：20℃電阻率對(duì)比表

Table 2 Value of resistivity contrast at 20℃

室溫條件下，電阻率相對(duì)降低率為6%，而陽(yáng)極鋼爪的工作溫度較高，圖1為陽(yáng)極鋼爪工作狀態(tài)下的熱成像圖。圖中的三個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度分別為396.6℃、613.7℃、640℃，取平均值550.1℃，材料電阻率隨溫度的上升而提高，以國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為普遍的400KA電解槽為例，通過(guò)每個(gè)鋼爪的平均電流達(dá)到了8333A。因此電阻率的變化會(huì)直接影響到陽(yáng)極鋼爪的電壓降。

圖1：陽(yáng)極鋼爪熱成像圖

Fig.1 Thermal image of the anode steel stub

（2）焊接工藝原理

陽(yáng)極鋼爪的焊接截面較大，因此在焊接過(guò)程中要在焊接面上持續(xù)提供極高的熱量，且要求普通的焊接工藝很難實(shí)現(xiàn)對(duì)其的全截面熔焊。電渣熔焊是電渣冶金的分支之一。如圖2所示，電渣熔焊是利用電流通過(guò)熔渣時(shí)產(chǎn)生的電阻熱作為熱源進(jìn)行熔焊的方法。其主要工藝過(guò)程是在銅質(zhì)水冷結(jié)晶器、底水箱和兩個(gè)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(dāng)自耗電極、熔渣和底水箱通過(guò)短網(wǎng)與變壓器形成供電回路時(shí)，便有電流從變壓器輸出，通過(guò)液態(tài)熔渣。由于上述供電回路中，熔渣的電阻相對(duì)較大，占據(jù)了變壓器二次壓降的大部分壓降，從而在渣池中產(chǎn)生了大量的焦耳熱，使其處于高溫熔融狀態(tài)。由于渣池的溫度遠(yuǎn)大于金屬的熔點(diǎn)，從而使自耗電極的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(guò)渣池進(jìn)入金屬熔池。與此同時(shí)兩個(gè)焊接表面的金屬也逐漸熔化，并在水冷結(jié)晶器的強(qiáng)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(guò)程中，一方面，須焊接工件的兩端也是作為結(jié)晶器的一部分直接與熔渣接觸兩側(cè)的水冷結(jié)晶器壁強(qiáng)制冷卻，熔焊面與水冷結(jié)晶器接觸的表面會(huì)形成一層渣殼；另一方面，待焊接工件的兩端是作為結(jié)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(huì)凝固，而始終處于熔池上方，由熔池的熔合線像結(jié)晶器焊縫寬延伸，不會(huì)在熔焊區(qū)域形成夾層。在正常熔焊期間，電流從電極進(jìn)入渣池后，要通過(guò)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(diǎn)，金屬與熔渣之間要發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，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?gòu)南露现饾u凝固，金屬熔池和渣池就不斷向上移動(dòng)，上升的渣池使結(jié)晶器內(nèi)壁和鋼錠之間形成一層渣殼，它不僅使熔焊區(qū)域的表面平潔光滑，而且降低了徑向?qū)?，有利于自下而上的順序結(jié)晶，改善了熔焊區(qū)域內(nèi)部的結(jié)晶組織，最終實(shí)現(xiàn)全截面冶金結(jié)合的目的。

圖2：電渣熔焊原理示意圖1-鋼爪腿；2-鋼爪橫梁；3-底水箱；

4-變壓器；5-自耗電極；6-渣池；7-金屬熔池；8-熔焊區(qū)域

Fig.3 Scheme of the Electroslag welding

3、新型鋼爪性能測(cè)試

3.1冷態(tài)試驗(yàn)

    如圖3所示，170mm新型節(jié)能鋼爪與普通鑄造鋼爪各10組，使用鐵碳?jí)航祪x對(duì)每個(gè)鋼爪腿的導(dǎo)電性能進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試電流為400A，持續(xù)時(shí)間10S，測(cè)試時(shí)氣溫-5℃。

圖3：冷態(tài)測(cè)試示意圖

由表3中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，新型節(jié)能陽(yáng)極鋼爪其導(dǎo)電性能要明顯優(yōu)于普通鑄造鋼爪，導(dǎo)電性能提升約為17%，主要原因體現(xiàn)在兩個(gè)方面：材料本身的電阻率明顯下降；焊接效果好，完全實(shí)現(xiàn)了全截面熔焊。

 表3 電渣熔焊鋼爪與普通鑄造鋼爪導(dǎo)電性能

Table 3 Value of the electrical conductivity of the Electroslag welding and casting steel stub

3.2在線測(cè)試

在某電解鋁廠，選擇兩臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)相同的電解槽進(jìn)行測(cè)試，其中一臺(tái)電解槽的48組陽(yáng)極全部換為新型節(jié)能陽(yáng)極鋼爪，并穩(wěn)定運(yùn)行3天。測(cè)試方法如圖4所示，點(diǎn)A在爆炸焊塊與陽(yáng)極鋼爪的焊接面下部，點(diǎn)B為磷鐵澆鑄上部的20mm處，對(duì)A-B3和A-B4的壓降進(jìn)行測(cè)試并記錄在表4。

圖3：在線測(cè)試示意圖

表4 電渣熔焊鋼爪與普通鑄造鋼爪槽上測(cè)試數(shù)據(jù)

由表4中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，新型節(jié)能陽(yáng)極鋼爪運(yùn)行狀態(tài)下的壓降要明顯低于普通鑄造鋼爪，壓降降低約為23%，與冷態(tài)試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。

3.3抗氧化性測(cè)試

表5 普通鑄造鋼爪氧化程度

表6 新型節(jié)能鋼爪氧化程度

將表5與表6中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，新型節(jié)能陽(yáng)極鋼爪的抗氧化性與傳統(tǒng)鑄造鋼爪的抗氧化性相比有了明顯的提升，主要原因是新型節(jié)能鋼爪使用的軋制材料的表面光潔度、材料致密度都由于鑄鋼材料，因此其在槽上的氧化速度降低，使用壽命延長(zhǎng)。
   4.結(jié)論

1、 新型節(jié)能陽(yáng)極鋼爪，由于主體結(jié)構(gòu)采用延展性、均質(zhì)度均優(yōu)于鑄鋼的熱軋鋼材料制造，故其力學(xué)性能，如屈服強(qiáng)度、彈性模量都要優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造鋼爪。

2、新型節(jié)能陽(yáng)極鋼爪使用的熱軋材料的致密度高，抗氧化、抗腐蝕性優(yōu)于鑄鋼，使用壽命長(zhǎng)。

3、新型節(jié)能陽(yáng)極鋼爪導(dǎo)電性能好，材質(zhì)均一穩(wěn)定，鋼爪橫梁與鋼爪腿的連接均為100%全截面焊接而成，克服了普通澆鑄鋼爪所存在的夾渣、砂眼、氣孔等缺陷。

4、經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期的使用證明新型節(jié)能陽(yáng)極鋼爪在電解槽上的使用性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠、可為電解鋁企業(yè)在節(jié)能降耗方面帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)效益，企業(yè)節(jié)能增效的有效選擇。

參考文獻(xiàn)： 

[1]王從曾.提高陽(yáng)極鋼爪導(dǎo)電性能的途經(jīng)[J]. 輕金屬，2002，（10）：37-39.

[2]田蒔.材料物理性能[M]. 航空航天大學(xué)出版社，2001.8

[3]張?zhí)烊A.陽(yáng)極鋼爪組換爪材料選擇和重焊工藝要求的建議[J]. 民營(yíng)科技，2013，（7）:19

[4]杜智勇.消失模鑄造工藝在陽(yáng)極鋼爪鑄造中的應(yīng)用[J].輕金屬，2005，（11）：42-44.

[5]劉業(yè)翔，李劼.現(xiàn)代電解鋁[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008:2-10.

[6]李東,謝剛,姚云,于站良,李榮興,彭如振. 鋁工業(yè)陽(yáng)極鋼爪腐蝕機(jī)理及其防腐[J]. 輕金屬,2014,02:34-40.

[7]張振國(guó). 電渣熔鑄-熔焊法生產(chǎn)大直徑內(nèi)燃機(jī)曲軸的工藝研究[J]. 鑄造技術(shù),2005,8(3):735-738.

[8]王日昕,饒澤世. 電解鋁陽(yáng)極鋼爪修復(fù)新技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐[J]. 輕金屬,2014,9(4):53-57.