节能型钢壳铝芯阳极爪节电效果.pdf

第6 3 卷第1 期 2 0I1 年2 月 有色金属 N o n f e t r o l l sM e t a l s V 0 1 ．6 3 ，N o ．I F e b ．20Il D O 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 0 2 1 1 ．2 0 1 1 ．0 1 ．0 2 3 节能型钢壳铝芯阳极爪节电效果 王晓鸣，肖运红，王学超 广西壮族自治区农业机械研究院，南宁5 7 0 0 0 3 摘要分析钢壳锝j 芯阳极爪结构和制造工艺．对比L 三推广应用钢壳铝芯R I 饭爪与铸钢爪的节电效果。对存在的问题提出了 解决方法并取得r 良好效果。 关键词冶金技术；钢壳铝芯R I 擞爪；渗铝；节电 中图分类号T F 8 2 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 I 2 0 1 I 0 1 0 0 9 7 0 3 电耗是电解铝企业生产成本的主要部分之一。 为降低生产成本，提高经济效益，各电解铝企业在铝 电解预培槽提高电能利用率方面，努力研究各种节 能降耗措施。研究中，对铝电解预培槽阳极的节能 型钢壳铝芯阳极爪结构与节电效果进行深入探讨。 钢壳铝芯阳极爪结构设计为铝、钢异种材料复合结 构，使其具有铝的良好导电、导热性能和保持钢的强 度性能，采用热浸渗铝技术与铸造技术相结合的制 造工艺，使铝芯与钢壳内表匾} 实现渗铝合金粘结，充 分保障铝、钢结合界面的导电性能。着重分析钢壳 钢壳银芯 筋板 铝芯阳极爪的结构设计和制造工艺原理以及实际使 用的节电效果和存在的问题。 ＼ 1结构设计 钢壳铝芯阳极爪由钢壳铝笆 横梁和钢爪头组 成，如图l 所示。铝芯采用渗铝粘结铸造工艺填充 在钢壳体内腔实现铝钢粘结而铸造成钢壳铝芯横 梁，使阳极爪横梁由铸钢结构改变成为铝钢复合材 料结构。钢壳铝芯横梁铸造件铸成后再与钢爪头焊 接构成钢壳铝芯阳极爪。 图1 钢壳铝芯阳极爪横梁结构原理 F i g ．I S c h e m eo fs t r u c t u r a lp r i n c i p l eo fc r o s s b e a mo fa n o d ec l a ww i t hs t e e ls h e l la n da l u m i n u mc o r e 钢壳铝芯横梁铸造件上面设有与铝导杆面、面 焊接的铝芯凸头平台，实现铝导杆与钢壳铝芯阳极 爪的直接焊接，取消传统阳极组装必须的爆炸片连 接。钢壳铝芯阳极爪充分利用了钢的强度性能和铝 优良的导电性能，既能够保证阳极爪使用对强度性 能的要求，又利用了铝芯的优良导电性能达到降低 阳极爪电压降的目的。 收稿日期2 0 1 0 0 9 2 9 作者简介f 晓鸣 1 9 5 4 一 ．男．天津蓟县人．高级I 程师．主要从 事铝电解槽刚极装置节．能技术等办面的研究。 表l铝和铁导电材料性能指标 T a b l eI C o n d u c t i v i t yo fa l u m i n u mm a t e r i a la n di r o nm a t e r i a l 可以看出，在室温状态下，相I 司截面铝的导电性 能是钢的3 倍以上，而且在许町的使用温度下，钢的 电阻温度变化系数大于铝电阻温度变化系数，钢随 温度增高其电冈t 值增大速率高于铝。从公式V 融 ， R 暇 m y 可以看出，当流经电解槽阳极电流强度 万方数据 有色金属 第6 3 卷 ， 一定时，随着阳极钢爪电阻变小，阳极钢爪的电 压降降低．式中y m 一阳极钢爪电压降 m v ；，一阳 极钢爪电流强度 A ；R 日一阳极钢爪电阻 p n 。 钢壳铝芯阳极爪正是通过降低阳极爪电压降的方法 来达到节电的目的。 2 制造I 艺 铝与钢可以通过焊台、化合、机械结合等方式连 接。采用普通的铸造『艺，将铅液浇铸进钢壳而形 成钢壳铝芯结构。通过解剖钢壳铝芯横梁．观察分 析剖面结构发现铝芯与锕壳内表面没有粘结．铝芯． 钢壳界面有一道清析的缝隙。2 0 0 3 年，采用普通的 铸造工艺制作r2 0 组钢壳铝芯 4 爪 阳极钢爪，提 供给某铝业公刮崔排上槽进行试验．但铜爪压降过 高．厂方及时更换F 槽。试验结果表明．采用浇铸铸 造工艺制作钢壳铝芯阳极爪逃不到降低钢爪电压降 的目的。为实现钢壳与铝芯的耕接，必须采用渗铝 粘接铸造工艺方法。 渗铝粘接铸造工艺的主要特点是将经过除油、 除锈的钢壳仲进行助渗处理．进一步改善铁基与铝 液之问附着力的界面浸润，吸附、溶解界面氧化物． 加大铝液层对铁基的附着力。钢壳件完成渗铝前处 理后，浸人铝液 铝液温度 7 2 0 ℃ 中保持一定时 间，铝液在钢壳表面上扩敞，形成铝、铁固溶体，铝原 子渗人铁基与铁原子生成F e A I ，和F e A I 、等金属间 化台物，完成渗铝后，把钢壳件从铝液中取出，钢壳 内腔允满铝蒗，经冷却后形成铝芯，铝芯与钢壳内表 面通过铝、铁周溶体、F e A l 合金层形成紧密牯结。 渗层组织如图2 所示。 图2 钢壳热渗错层组织金相图 F i g ．2M e m l l o g r a p hf o ra l u m i n i z e dl a y e ro fs t e e ls h e l l 由图2 可见，渗铝组织为带状，且十分致密，渗 层组织沿铁基方向有舌状凸起，铝的含量在铝基中 最高．浸人固溶体区域后，铝的古量降低致一定水平 并维持相对稳定，进人合会层后沿铁基的方向延伸， 铝的含量逐步降低并消失。铁含量的分析图谱与铝 的相反。铝芯与钢壳之间金相图谱结构为富铝层 H 周溶体H A l F e 合金层一富铁层。铁基与铝基通 过冶金化台的方式使钢壳与铝芯紧密粘结为一体， 消除了钢壳铝芯之间因产牛缝隙和氧化物而导致阳 极横粱电阻增大的现象，有效降低钢壳铝芯| 耵极爪 的电压降，结粜见表2 ，测试类型为四爪钢爪，测试 条件为1 7 0 k A 电解槽，B S S J - D C 4 3 6T E 2 0 0 高度精 度回路电阻测试仪，1 0 0 m A ，1 0 s 。 裹2 渗铝粘结铸造与普通浇铸铸造的 钢壳铝芯阳极爪性能对比 T a b l e2P e f f o 硼a n c ec o m p a r i s o no f ＆n o d ec l a w sw i t hs l e e I s h e l la n da l u m i n u mc o F ec a s l e db ya l u m i n i z e d b o n d i n ga ．dI h a lb yo r d i n a r ／c “t i n gt e c h n i q u e 镕r 2 而丽而意罢‰而i 面 落 镕铸m 58 23 04 4 昔№浇饽铸镕 I8 2 7 86 3 爆炸焊片的取消 铸钢阳极爪要实现铝导杆与钢爪的洼接，必须 采用堞炸焊块作为过渡焊接，使得阳极电压降巾增 加了铝导杆一钢爪连接压降。钢壳铝芯阳极爪通过 渗铝铸造设置的铝芯洼接平台可直接实现与铝导杆 的焊接，取消r 爆炸焊块的使用．既消除了爆炸焊块 带来的电压降，进一步提高钢壳铝芯阳极爪的节电 效果．也有利于提高电解铝企业的阳极组装效率。 4 实用节电效果 2 0 0 3 年1 0 月至2 0 1 0 年8 月．先后给闻内r 多 家电解铝企业提供了七万套各型钢壳铝芯阳极爪， 备企业安排上槽使用后，均与铸钢阳极爪进行了对 比测试。日前使用时间最长的1 0 0 0 组钢壳铝芯阳 极爪，使用期限已超过6 年，产品使用情况良好，测 试数据见表3 。 衰3 厂寒对两种阳极爪对比舅试数据 T a b l e3 C o m p a r i s o nt e 日Ed a t ao ft W Od i f f e r e n t h i n d so f ⋯o dc l a w sI nf a e I o f l e s 万方数据 第1 期王晓鸣等节能型钢壳铝芯阳极爪节电效果 从表3 数据对比分析可看出，钢壳铝芯阳极爪 比同型号的铸钢阳极爪电压降平均降低1 5 2 6 ．8 m V 以上，钢壳铝芯阳极爪强度满足电解铝生 产要求。通过对比使用证明，使用钢壳铝芯阳极爪， 电解槽平均电压最低可以降低1 5 m V 以上，电耗降 低5 0 k W h ／t A I ，按年产量1 0 万t 电解铝产能计 算，每年最低可为企业节约用电5 G W h ，经济效益 可观。同时取消了爆炸焊块，可以节省爆炸焊块的 采购费用，提高阳极组装效率。 5 存在的问题与对策 在对国内十多家企业多年使用钢壳铝芯阳极爪 的使用情况跟踪调查后发现目前大多数企业的钢 壳铝芯阳极爪使用情况良好，节电效果稳定，能满足 企业的要求，同时部分钢壳铝芯阳极爪在使用过程 中出现了以下问题。 1 钢壳铝芯横梁出现漏铝现象。由于电解槽 温度较高，当电解槽保温料覆盖过高时 保温料覆 盖超过钢爪横梁上部 ，铝芯受热膨胀，导致钢壳焊 缝开裂，当横梁温度超过铝的熔点，铝芯熔化后铝液 就沿裂缝处外流，出现漏铝现象。在设计时加强了 钢板和焊缝的厚度，同时要求电解铝企业按照操作 规范生产，禁止保温料覆盖超过钢壳铝芯横梁中部。 采取上述措施后钢壳铝芯横梁漏铝现象得到解决。 2 钢爪头出现脱落现象。某厂家钢壳铝芯阳 极爪在进行换极和压脱残极时，出现部分钢爪头脱 参考文献 落的现象，经调查分析后发现，主要是由于钢爪头焊 接时未按照工艺要求操作，部分采用填焊的方法进 行钢爪头坡口焊接，导致焊缝质鼍下降，钢爪头焊缝 连接存在假焊现象，焊缝拉抗强度降低，造成钢爪头 脱落。因此，必须严格控制焊缝质量，制定规范、合 理的操作工艺、强化各工序质慑检验措施，可有效保 证产品质鼍，防止发生上述及其他质量问题。 3 个别厂家使用的产品出现电压降升高现 象。钢壳铝芯阳极爪上槽使用一段时f a J 后，检测电 压降值较高，没有到达节电效果。部分钢爪电压降 值甚至高于普通铸钢爪的电压降值，及时对该批钢 爪进行解剖、切片分析，并对铝材、钢材、铸钢材质分 别进行化验，发现造成产品质量问题的主要原因是 因为铸钢件表面粘有消失模涂料，外协生产制作单 位未对铸钢件进行喷沙处理，而渗铝前处理工序不 能去除该层涂料层，造成渗铝操作时无法形成铝铁 合金。切片观察发现铝、钢界面虽然紧密贴合，而涂 料层的存在起到隔绝作用，最终导致钢壳铝芯阳极 爪电压降值升高。因此，对于外协铸钢件，充分考虑 了验检措施，对铸件的材质、表面氧化层检测均采用 了严格的验收方法，防止不合格的铸钢件的进入生 产环节。经过设计部门的努力，目前对各型钢壳铝 芯阳极爪均完成了改型设计，取消了对铸钢件的使 用。有效避免因铸钢件质量问题而带来的钢壳铝芯 阳极爪电压降升高现象。 [ 1 ] 田应甫．大型预培铝电解槽生产实践[ M ] ．长沙中南工业大学出版社。2 0 0 5 1 6 0 1 6 1 ． [ 2 ] 王晓呜，肖运红，王学超，等．钢壳铝芯阳极爪渗铝粘结铸造工艺方法中国．z L0 3 1 3 4 6 3 8 ．3 [ P ] ．2 0 0 3 - 0 9 - 3 0 [ 3 ] 顾国成，刘帮津．热浸度[ M ] ．北京化学工业出版社。1 9 9 8 6 9 ． [ 4 ] 何僳祥．朱斌．渗铝[ M ] ．北京机械工业出版社．1 9 5 9 4 4 4 5 ． [ 5 ] 肖运红．钢壳铝芯构件热浸渗铝粘结铸造[ J ] ．中国铸造装备与技术，2 0 0 7 ． 5 1 6 一1 8 ． E n e r g y - s a v i n gA n o d eC l a wA p p l i c a t i o ni nA l u m i n u mE l e c t r o l y s i s W A N GX i a o r u i n g 。X I A 0Y u n h o n g ，W A N GX u e 。c h a o A g r i c u l t u r a lM a c h i n e r yI n s t i t u t eo fG u a n g x iZ h u a n gA u t o n o m o u JR e g i o n ，N a n n i n g5 7 0 0 0 3 。C h i n a A b s t r a c t T h es t r u c t u r e sa n dc a s t i n gt e c h n i q u e so fa n o d ec l a ww i t hs t e e ls h e l la n da l u m i n u mc o r ea r ea n a l y z e d ，a n dt h e e l e c t r i ce n e r g y s a v i n ge f f e c t o fa n o d ec l a ww i t hs t e e l s h e l la n da l u m i n u mc o r ea n dt h eo r i g i n a lc a s ts t e e lc l a wa r e c o m p a r e d ．T h es o l u t i o n st oe x i s t e dp r o b l e m sa r ed e s c r i b e da n dt h eg o o de f f e c t sa r eg a i n e d ． K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；a n o d ec l a w w i t hs t e e ls h e l la n da l u m i n u mc o r e ；a l u m i n i z e db o n d i n g ； e n e r g y - s a v i n g 万方数据