內(nèi)蒙古世星新材料科技有限公司

摘要：電解鋁陽極鋼爪是目前電解鋁生產(chǎn)中預(yù)焙陽極電解槽的關(guān)鍵構(gòu)件。其主要作用是連接陽極炭塊，并給電解槽傳輸強大的直流電流。國內(nèi)電解鋁陽極鋼爪主要采用中頻煉鋼+消失模鑄造工藝生產(chǎn)，該種工藝生產(chǎn)的鑄造鋼爪主要存在導(dǎo)電性能差、力學(xué)性能差、焊接性能差、排放不達(dá)標(biāo)等缺陷。因此，國內(nèi)一些電解鋁生產(chǎn)企業(yè)采用電焊生產(chǎn)陽極鋼爪，但是由于焊接的截面積較大，人工電焊的強度很難保證。電渣熔焊利用強電流通過渣池而產(chǎn)生電阻熱，可以瞬間將鋼爪橫梁底部與鋼爪頭上部各10mm的部分熔化，并與熔池內(nèi)的液態(tài)金屬結(jié)合，實現(xiàn)鋼爪橫梁與鋼爪頭的全截面熔焊。

關(guān)鍵詞：陽極鋼爪，電渣熔焊，全截面焊接

The research progress of Electroslag welding for the production of anode steel stub

Abstract:Anode steel stub is a key part of pre-baked anode in primary aluminum production linking carbon anode and transmit power to potcells.At present, casting steel stubs are popular to be produced by intermediate frequency furnace and EPC casting .Some defects of casting steel stubs have been found due to restriction of casting process, such as high resistance,poor mechanical properties, poor welding performance,and excessive emissions etc. Accordingly, steel stubs are produced by manual welding instead of EPC casting in some of Al.Smelters in China. However,welding quality is difficult to guarantee for the large welding area. The bottom of the steel stub beam and the top of the steel stub column can be both melted about 10mm by Electroslag welding with the  heat that the current produces through the liquid slag,and fused with liquid metal in welding pool.Further it is fulfilled that all cross section metallurgical bonding can be realized between beam and column.   

Keywords:Anode steel stub;Electroslag welding;all cross section metallurgical bonding

電解鋁陽極鋼爪是電解鋁生產(chǎn)中預(yù)焙陽極電解槽的關(guān)鍵構(gòu)件，直接影響電解鋁生產(chǎn)的效率和經(jīng)濟(jì)效益。在鋁電解生產(chǎn)工藝中，陽極鋼爪的主要作用是夾持陽極碳塊，并給電解槽傳輸強大的直流電流。以國內(nèi)應(yīng)用較為普遍的400KA電解槽為例，通過每個鋼爪的平均電流達(dá)到了8000A。且陽極鋼爪的工作溫度較高，以裸露在電解質(zhì)外的鋼爪橫梁為例，其工作溫度也在250℃以上，鋼爪腿部的溫度最高更是達(dá)到了500℃以上。因此陽極鋼爪不僅需要具備良好的導(dǎo)電性能，良好的力學(xué)性能指標(biāo)同樣非常重要。通過改進(jìn)陽極鋼爪的制造工藝來提高其使用性能，對降低電解鋁的生產(chǎn)成本有著重要意義。

1 傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝

1.1 鑄造陽極鋼爪

長期以來國內(nèi)電解鋁陽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)致鑄造陽極鋼爪導(dǎo)電性能降低。

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

（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。

1.2 焊接陽極鋼爪

    圖1為國內(nèi)電解鋁企業(yè)普遍使用的一種4爪結(jié)構(gòu)陽極鋼爪。采用人工焊接工藝生產(chǎn)陽極鋼爪，存在著一些不可逾越的障礙。

圖1：人工電焊生產(chǎn)鋼爪示意圖1-鋼爪橫梁；2-熔焊區(qū)；3鋼爪腿

   如圖2所示，人工電焊生產(chǎn)陽極鋼爪的步驟是將待焊接的鋼爪腿打出30度角，25mm深的坡口。

圖2：人工電焊生產(chǎn)鋼爪示意圖 

    如表1所示，由于焊接鋼爪的焊接面積比較大，往往會出現(xiàn)未焊透及夾渣等現(xiàn)象。因此，人工焊接工藝生產(chǎn)陽極鋼爪存在以下重大缺陷：

表1 不同種類鋼爪的直徑及截面

（1）使用壽命短。由于人工電焊修復(fù)的鋼爪存在明顯的冶金缺陷無法克服，焊縫在高溫電解液的沖刷下易被腐蝕，使陽極鋼爪的使用壽命降低。矯直困難。

（2）人工電焊修復(fù)的鋼爪由于焊接質(zhì)量在使用矯直機(jī)矯直的過程中很容易在焊縫處斷裂。產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。

（3）由于人工電焊方法修復(fù)工作的質(zhì)量在很大程度上取決于電焊工的技術(shù)素質(zhì)和認(rèn)真程度，所以不同電焊工焊接的電解鋁陽極鋼爪質(zhì)量不同，就是同一個電焊工在同一天焊接的幾個電解鋁陽極鋼爪腿質(zhì)量也不同。

2 電渣熔焊工藝

2.1 電渣熔焊原理

電渣熔焊是電渣冶金的分支之一。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(jìn)行熔焊的方法。其主要工藝過程是在銅質(zhì)水冷結(jié)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(dāng)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。由于上述供電回路中，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，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，穿過渣池進(jìn)入金屬熔池。與此同時兩個焊接表面的金屬也逐漸熔化，并在水冷結(jié)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，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)晶器壁強制冷卻，熔焊面與水冷結(jié)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(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)的金屬從下而上逐漸凝固，金屬熔池和渣池就不斷向上移動，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)幔欣谧韵露系捻樞蚪Y(jié)晶，改善了熔焊區(qū)域內(nèi)部的結(jié)晶組織，最終實現(xiàn)全截面冶金結(jié)合的目的。

圖3：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

2.2 電渣熔焊的熔渣

    鋼爪橫梁與鋼爪腿的焊接需要克服了普通澆鑄鋼爪所存在的夾渣、砂眼、氣孔等缺陷。電渣以其獨特的工藝方式，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)和動力學(xué)條件。首先要求熔渣應(yīng)具有適宜電阻值；其次要求熔渣具有較低的熔點；第三熔渣應(yīng)具有很好的流動性。因此綜上所述，渣系選擇CaF₂+Al₂O₃的二元渣系，即ANF-6渣系。在此基礎(chǔ)上添加微量的CeO₂可以起到以下效果：

（1）電渣熔焊過程中含稀土的熔渣電阻值較高、熔點低、流動性好，易形成渣池；隔絕空氣，有效避免焊接過程中的二次氧化，提高金屬熔化速度，有利于降低能耗。

（2）另一方面，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。由CeO₂、CaF₂、Al₂O₃組成，其中各成分按質(zhì)量百分含量為：CeO₂：2-5%、CaF₂：68-70%、Al₂O₃：25-30%。

2.3 電渣熔焊的結(jié)晶器設(shè)計

電解鋁陽極鋼爪的焊接較為復(fù)雜，

（1）焊接位置較為狹窄，焊接過程中的冷卻控制不好鋼爪橫梁就會發(fā)生變形，影響使用；

（2）每個鋼爪腿與橫梁之間的距離不能有偏差，要在結(jié)晶器內(nèi)對鋼爪腿進(jìn)行固定；

（3）陽極鋼爪的結(jié)構(gòu)主要有三種：4爪、6爪、8爪，結(jié)晶器的設(shè)計需要適應(yīng)各種不同鋼爪的腿的焊接。

    考慮到以上三點的特殊要求，我們設(shè)計了一種新型的組合式結(jié)晶器：其材質(zhì)為純銅，以四爪鋼爪的焊接為例，結(jié)晶器的上半部分和下半部分均為長方形箱體，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應(yīng)。結(jié)晶器的上半部分與下半部分沿鋼爪腿垂直方向通過螺栓裝配，與鋼爪橫梁和鋼爪腿的兩端共同組成焊接成型區(qū)域，焊縫口尺寸可根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的鋼爪進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。這種水冷組合式結(jié)晶器裝配簡單，可操作性強，確保熔焊過程中的冶金質(zhì)量，避免了縮孔、氣體等鑄造缺陷的發(fā)生。

2.4 熔焊工藝制度的確定

（1）生產(chǎn)前準(zhǔn)備

將水冷組合式結(jié)晶器與鋼爪腿和鋼爪橫梁組合在一起，確保在熔焊時不發(fā)生漏鋼現(xiàn)象。焊接面應(yīng)打磨出新鮮金屬表面。

自耗電極用與陽極鋼爪相同材質(zhì)的鋼板切割制成，尺寸為：20mm×80mm,焊接在假電極頭上，其用量應(yīng)能保證熔焊一組鋼爪腿使用（根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的鋼爪四爪、六爪、八爪），確保自耗電極和假電極的焊縫部分不能熔化進(jìn)入渣池。

（2）渣量

化渣前應(yīng)調(diào)好石墨電極，保證整個化渣過程中電極位于結(jié)晶器中心，并加入第一批渣料。以電渣熔焊生產(chǎn)140mm鋼爪為例，化渣供電制度電壓為45V，電流為1500～2000A。盡管焊縫口尺寸140mm×40mm，但實際熔焊區(qū)不只發(fā)生在焊縫口的范圍內(nèi)，而是在140mm×（60～100）mm，因此。為保證正常電渣過程，渣量G是一個關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)按照式（1）確定：

          （1）                                      

         （2）

               （3）

式（1）中 ，

則，因此，對于單個鋼爪腿的熔焊，渣量應(yīng)為1～1.5Kg。

（3）熔焊電流與電壓

熔焊電流可以按照式（4）平均線電流密度與金屬熔池直徑的乘積來計算，平均線電流密度可以取經(jīng)驗值200。使用的熔渣為ANF-6，熔焊電壓可以按照其經(jīng)驗公式（5）來進(jìn)行計算。

               （4）

                （5）

則熔焊電流的計算值為2389A，熔焊電壓為32.78V。而在實際生產(chǎn)中液態(tài)熔渣進(jìn)入結(jié)晶器后，手動調(diào)整電流為1200～2500A，電壓為36V；正式進(jìn)入熔焊階段，電流穩(wěn)定在2500A，設(shè)備自動運行，電壓為38V。單個鋼爪腿熔焊完成后，手動停止下降電極，等電流到零位后，手動控制移開電極，水冷仍持續(xù)進(jìn)行。將自耗電極移至下一個熔焊位置，準(zhǔn)備下次焊接。

3 電渣熔焊鋼爪

經(jīng)過反復(fù)的試生產(chǎn)摸索，電渣熔焊140mm電解鋁陽極鋼爪取得了成功。對電渣熔焊工藝生產(chǎn)的電解鋁陽極鋼爪進(jìn)行了多項檢測均優(yōu)于普通鑄造鋼爪和人工電焊鋼爪，對比結(jié)果如下：

（1）橫切剖面對比見圖3，由圖中可以清晰的看到，電渣熔焊實現(xiàn)了鋼爪腿與鋼爪橫梁的全截面焊接，而人工焊接的鋼爪腿與鋼爪橫梁間有一條明顯的未焊接面。

圖4：電渣熔焊（左）與人工電焊（右）生產(chǎn)的陽極鋼爪腿剖面

（2）使用超聲波探傷儀對焊縫進(jìn)行檢測，按規(guī)定的測量方法以探頭的移動距離測得的缺陷長度，如果底波波形超過AVG曲線，則判定焊縫有缺陷。圖4（左）中是對電渣熔焊鋼爪進(jìn)行超聲波探傷檢測的波形圖，從左到右的三條底波依次為焊接區(qū)域上表面回波、焊接區(qū)域下表面回波、地面波，三條波形均未超過AVG曲線，據(jù)此可以判定焊接效果良好；圖4（右）中是對人工電焊鋼爪進(jìn)行超聲波探傷檢測的波形圖，焊接區(qū)域上表面和下表面回波均超過AVG曲線，據(jù)此可以判定焊接區(qū)域內(nèi)存在缺陷。超聲波探傷檢測的波形圖與鋼爪橫切剖面的結(jié)果相對應(yīng)，因此以上方法可以作為超聲波探傷判斷電渣熔焊陽極鋼爪焊接質(zhì)量的依據(jù)。

圖5：電渣熔焊（左）與人工電焊（右）生產(chǎn)的陽極鋼爪腿超聲波探傷波形圖

（3）力學(xué)性能對比見表2，對電渣熔焊工藝焊接的鋼爪腿與普通鑄造工藝生產(chǎn)的鋼爪腿各5組進(jìn)行對比測試，矩形拉伸試樣的尺寸為2mm×10mm×70mm，由表中的數(shù)據(jù)可見，電渣熔焊的陽極鋼爪焊縫位置的力學(xué)性能要好于普通鑄造工藝生產(chǎn)的陽極鋼爪。

（4）導(dǎo)電性能對比見表3，對電渣熔焊工藝生產(chǎn)的鋼爪與普通鑄造工藝生產(chǎn)的四爪170mm鋼爪各10組，使用鐵碳壓降儀對每個鋼爪腿的導(dǎo)電性能進(jìn)行對比測試，測試電流為200A，持續(xù)時間10S，測試時氣溫-5℃。由表中數(shù)據(jù)可見，電渣熔焊的陽極鋼爪其導(dǎo)電性能要明顯優(yōu)于普通鑄造工藝生產(chǎn)的陽極鋼爪。

表2 兩種不同焊接方法焊接截面的力學(xué)性能對比

表3 電渣熔焊鋼爪與普通鑄造鋼爪導(dǎo)電性能對比

4 結(jié)論

（1）電渣熔焊工藝操作簡單、方便、工藝穩(wěn)定、技術(shù)先進(jìn)，為電解鋁陽極鋼爪的生產(chǎn)制造開辟了一條新路。

（2）相對與人工電焊，電渣熔焊選擇合理的工藝制度，可以避免氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，實現(xiàn)全截面熔焊，獲得質(zhì)量優(yōu)良的焊縫。

（3）相對于普通鑄造工藝，電渣熔焊工藝生產(chǎn)的陽極鋼爪的屈服強度和抗拉強度都有明顯提高，導(dǎo)電性能方面也有較大幅度的提升。

（4）經(jīng)相關(guān)電解鋁企業(yè)試用，電渣熔焊工藝生產(chǎn)的電解鋁陽極鋼爪完全達(dá)到設(shè)計要求。今后還需進(jìn)一步完善其生產(chǎn)工藝，逐步適應(yīng)各種型號陽極鋼爪的生產(chǎn)制造，進(jìn)而徹底替代傳統(tǒng)鑄造和人工電焊工藝。

參考文獻(xiàn)

[1] 廖乘駒,隋明章. 用大功率板級電渣焊焊接厚大鍛件的試驗研究[J]. 大型鑄鍛件,1999,4(3):11-16.

[2] 張振國. 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.

[3] 姜興渭. 電渣重熔工藝參數(shù)的確定及其諾模圖[J]. 24-45

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

[5] 王從曾,趙天德,賈柏林,等. 提高陽極鋼爪導(dǎo)電性能的途經(jīng)[J]. 輕金屬,2002,10(7):37-39.

[6] Daniel Richard, Mario Fafard, René Lacroix, Pascal Cléry, Yves Maltais. Aluminum reduction cell anode stub hole design using weakly coupled thermo-electro-mechanical finite element models, Finite Elements in Analysis and Design, Volume 37, Issue 4, April 2001, Pages 287-304, ISSN 0168-874X.