用鑄鐵聯(lián)接鋁電解槽陰極炭塊與陰極鋼棒的探討

馬曉藝， 李 賢， 李 戩

(1.青海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 青海 西寧 810016；2.青海橋頭鋁電有限公司， 青海 大通 810100)

中國(guó)有色冶金

用鑄鐵聯(lián)接鋁電解槽陰極炭塊與陰極鋼棒的探討

馬曉藝1， 李 賢2， 李 戩1

(1.青海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 青海 西寧 810016；2.青海橋頭鋁電有限公司， 青海 大通 810100)

介紹了炭糊搗固和澆注熔融鑄鐵兩種鋁電解槽陰極炭塊的組裝方法，對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析。

鋁電解槽； 陰極炭塊組裝； 陰極鋼棒； 鑄鐵聯(lián)接

鋁電解槽是將氧化鋁通過霍爾法還原成金屬鋁的主要設(shè)備。電解槽主要由以下幾部分構(gòu)成：上部結(jié)構(gòu)、陽極及其升降系統(tǒng)、爐膛以及與之配套的供電系統(tǒng)等。電解槽爐膛中主要包含各種內(nèi)襯或陰極材料，其中陰極炭塊是爐膛底部的電導(dǎo)體，其通過與之裝配在一起的陰極鋼棒將電流輸送到電解槽中，對(duì)電解過程起著至關(guān)重要的作用。陰極炭塊與陰極鋼棒之間的聯(lián)接，直接決定著鋁電解槽的爐底壓降(又稱陰極電壓)，陰極炭塊與陰極鋼棒組裝好，電阻率小，產(chǎn)生的爐底壓降較??；反之，陰極炭塊與陰極鋼棒聯(lián)接壓降就會(huì)增大，導(dǎo)致爐底壓降升高。鋁電解工業(yè)為高耗能產(chǎn)業(yè)，在能源緊缺、國(guó)家采取限制性發(fā)展政策的今天，企業(yè)都在通過各種途徑降低槽電壓，以達(dá)到節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本的目的。爐底壓降是槽電壓的重要組成部分，因此，研究開發(fā)降低爐底陰極電阻、降低陰極電壓的方法，對(duì)于鋁電解行業(yè)減少能源消耗、降低生產(chǎn)成本有著重要的意義。

1 傳統(tǒng)的陰極炭塊組裝方式

1.1 傳統(tǒng)的陰極炭塊組裝方式

傳統(tǒng)的電解槽陰極炭塊組裝方式是：用天然氣燒嘴或兩臺(tái)烘爐分別將陰極炭塊和陰極鋼棒加熱至120～130 ℃，然后將陰極鋼棒放置于陰極炭塊的溝槽之中，將炭骨料和瀝青調(diào)制的熱扎糊人工填充到鋼棒與陰極炭塊的兩側(cè)間隙(每側(cè)間隙大約10 mm)中，人工搗實(shí)，使糊料與鋼棒和炭塊緊密接觸，從而形成一個(gè)電導(dǎo)體。近幾年發(fā)展起來的冷軋糊技術(shù)使得陰極組裝程序變得更為簡(jiǎn)化，所使用的冷軋糊對(duì)陰極鋼棒和陰極炭塊的溫度要求并不嚴(yán)格，甚至在室溫下就可以進(jìn)行陰極鋼棒與陰極炭塊的組裝。傳統(tǒng)的陰極炭塊與陰極鋼棒的組裝如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)陰極炭塊與陰極鋼棒組裝圖

1.2 傳統(tǒng)組裝方式的缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的組裝方式是通過向陰極鋼棒- 陰極炭塊間隙中填充熱扎糊或冷軋糊完成的，而這兩種糊料則是由炭骨料與瀝青調(diào)制而成。使用熱扎糊時(shí)，需要對(duì)鋼棒、炭塊以及糊料進(jìn)行加熱才能填充搗實(shí)。電解槽焙燒時(shí)，當(dāng)陰極鋼棒兩端部溫度達(dá)到200 ℃，鑲嵌于陰極炭塊中的鋼棒溫度則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于200 ℃。進(jìn)入正常生產(chǎn)的電解槽，陰極鋼棒中部的最高溫度高達(dá)900～950 ℃。當(dāng)溫度高于200 ℃時(shí)，扎固糊中的瀝青揮發(fā)分大量排出，導(dǎo)致糊料骨料間產(chǎn)生大量孔洞，引起局部結(jié)構(gòu)疏松，孔隙度增大，糊料與炭塊間的接觸壓力減小，糊料與炭塊間的接觸壓降增加[1]。同時(shí)，瀝青揮發(fā)分的大量排出，加劇了電解車間空氣的污染，對(duì)電解工人身體造成傷害。

2 陰極炭塊與陰極鋼棒的鑄鐵聯(lián)接

為了克服傳統(tǒng)組裝方式對(duì)槽電壓造成的負(fù)面影響并降低瀝青煙氣大量排出對(duì)操作環(huán)境造成的污染，一種新型陰極炭塊與陰極鋼棒的聯(lián)接方式——鑄鐵聯(lián)接應(yīng)運(yùn)而生。Erik A. Jensen等人[2]對(duì)用磷鑄鐵聯(lián)接陰極鋼棒與陰極炭塊進(jìn)行了研究，但未給出用鑄鐵聯(lián)接陰極鋼棒與炭塊對(duì)陰極壓降的降低值。

鑄鐵聯(lián)接就是在陰極炭塊與陰極鋼棒組裝時(shí)，先分別或同時(shí)預(yù)熱陰極炭塊和鋼棒到一定溫度，然后將熔融鑄鐵澆注在陰極溝槽中的鋼棒與陰極塊間隙中，通過高溫鐵液與鋼棒的熔合以及隨后凝固冷卻過程中的石墨化膨脹，使得鋼棒與陰極炭塊緊密地裝配在一起，如圖2所示。

圖2 陰極炭塊與陰極鋼棒鑄鐵聯(lián)連圖

2.1 鑄鐵材質(zhì)的選擇

通常，在陽極組裝過程中，鋼爪和炭塊之間是用磷生鐵澆注粘結(jié)而成的，而聯(lián)接陰極炭塊與陰極鋼棒所選用的鑄鐵材質(zhì)為高磷鑄鐵(磷鑄鐵屬于灰鑄鐵)。磷生鐵成分如表1所示，高磷鑄鐵化學(xué)成分如表2所示。對(duì)比磷生鐵與灰鑄鐵的五個(gè)主要成分( 碳、硅、錳、硫、磷)，除了磷的含量差別較大外，其余四個(gè)元素的含量基本相同。

表1 聯(lián)接陽極炭塊與陽極鋼爪所用磷生鐵化學(xué)成分 %

表2 聯(lián)接陰極炭塊與陰極鋼棒所用高磷鑄鐵化學(xué)成分 %

碳當(dāng)量CE=4.3的鑄鐵屬于共晶合金。

2.2 各種元素在高磷鑄鐵中的作用

磷鑄鐵屬于灰鑄鐵。用磷鑄鐵聯(lián)接陰極炭塊與陰極鋼棒主要是利用灰鑄鐵良好的鑄造性能。影響灰鑄鐵鑄造性能的主要因素是化學(xué)成分與澆注溫度。

灰鑄鐵在正常澆注溫度下，具有良好的流動(dòng)性。碳和硅是影響共晶度的主要元素，增加碳、硅含量可以提高鑄鐵流動(dòng)性，這是由于鑄鐵更接近于共晶成分，凝固溫度范圍較小，初生奧氏體枝晶不發(fā)達(dá)。這也是為什么選擇C 3.0%～3.5%、Si 1.8%～3.0%的緣故。

磷和硅一樣，也能影響鑄鐵的共晶度，磷含量提高，鑄鐵的共晶度增加。此外，磷在鑄鐵中易于形成低熔點(diǎn)共晶體，并能降低鑄鐵的液相線溫度，使得磷能很有效地提高鑄鐵的流動(dòng)性[3]。正是基于這一點(diǎn)，在選擇聯(lián)連鑄鐵合金成分時(shí)，選擇了較高的磷含量0.5%～1.6%。

錳和硫?qū)簿Ф扔绊懖淮?，但它們?cè)阼F液中會(huì)形成夾雜物，從而對(duì)鑄鐵的流動(dòng)性產(chǎn)生不良影響。當(dāng)形成硫化錳時(shí)，由于其熔點(diǎn)高達(dá)1 650 ℃，并以固態(tài)形式存在于鐵液中，降低了鐵液的流動(dòng)性。

2.3 溫度對(duì)高磷鑄鐵流動(dòng)性的影響

影響磷鑄鐵流動(dòng)性的另一個(gè)重要因素是鐵液的澆注溫度。通常，當(dāng)考慮其他條件不變時(shí)，澆注溫度每提高10 ℃,斷面為50 mm2的螺線型試樣長(zhǎng)度可增加4 cm。Bjarte Oye等人[4]研究了溫度對(duì)磷鑄鐵流動(dòng)性的影響。他們用化學(xué)成分C 3.5%、Si 2.5%、Mn 0.43%、P 0.5%，碳當(dāng)量CE=4.45的高磷鐵液，在截面4×1 mm2的螺線型石英砂型中，分別在1 250 ℃和1 350 ℃進(jìn)行了流動(dòng)性試驗(yàn)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，溫度對(duì)于流動(dòng)性的影響比合金成分更為重要。在1 350 ℃所測(cè)試的流動(dòng)長(zhǎng)度是1 250 ℃流動(dòng)長(zhǎng)度的兩倍。在1 350 ℃，螺線長(zhǎng)度在61～75 mm之間，而在1 250 ℃，螺線長(zhǎng)度則減少到30～35 mm。因此，在陽極生產(chǎn)中，通常根據(jù)各種不同的鑄件壁厚及形狀選擇不同的澆注溫度。像陽極- 鋼爪連接磷生鐵以及陰極炭塊- 陰極鋼棒磷鑄鐵澆注壁厚僅有8～20 mm，因此大多數(shù)廠家都選擇較高的澆注溫度，通常根據(jù)所用磷生鐵的重復(fù)次數(shù)，選擇1 350～1 420 ℃。Erik A. Jensen等人[5]所進(jìn)行的試驗(yàn)的澆注溫度為1 430～1 460 ℃。

2.4高磷鑄鐵用于聯(lián)連陰極炭塊與陰極鋼棒的原理分析

Bjarte Oye等人[4]對(duì)1 250 ℃和1 350 ℃所澆注的高磷鑄鐵試樣進(jìn)行了重新加熱，分析了它們?cè)谥匦录訜崆闆r下的熱膨脹情況。結(jié)果表明，在1 350 ℃澆注的試樣，由于受熱，組織在800 ℃以下鐵素體開始轉(zhuǎn)變成珠光體。由于相轉(zhuǎn)變導(dǎo)致試樣膨脹的密度變化，在含磷鑄鐵情況下，膨脹大約開始于600 ℃，膨脹是形成于鑄鐵微觀組織中共晶晶包間磷化物相的熔化造成的。

用高磷鐵液澆注陰極炭塊與陰極鋼棒，在澆注溫度(約1 400 ℃)下，鐵液澆入陰極炭塊- 陰極鋼棒間隙，造成鋼棒表面熔化，與鐵液熔合在一起，在隨后的冷卻過程中，磷鑄鐵收縮，在鑄鐵與陰極炭塊之間形成間隙。密封后的陰極炭塊與陰極鋼棒組裝件裝配在電解槽上，通電開始工作時(shí)，陰極炭塊又經(jīng)歷了一次重新加熱的過程，陰極鋼棒的溫度可達(dá)到900 ℃[5]。在該溫度下，鑄鐵基體中的鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，并發(fā)生晶間磷化物相的熔化，導(dǎo)致鑄鐵體積膨脹，而這個(gè)體積膨脹恰好使鑄鐵冷卻過程中所形成的收縮間隙得以彌合，并在鑄鐵與陰極炭塊之間產(chǎn)生較大的接觸壓力。接觸壓力越大，接觸電阻越小，而接觸電阻的減小直接使得陰極壓降降低。

2.5高磷鑄鐵聯(lián)接陰極炭塊與陰極鋼棒的關(guān)鍵技術(shù)

據(jù)文獻(xiàn)[2]介紹，用鑄鐵聯(lián)接陰極塊炭與陰極鋼棒，首先要對(duì)兩者進(jìn)行預(yù)熱。加熱陰極鋼棒和陰極炭塊的目的是將可能的陰極炭塊裂紋以及陰極炭塊中水蒸氣的快速膨脹降至最低。加熱鋼棒和陰極炭塊的另一個(gè)目的是防止熔融鑄鐵的蒸汽回吹。陰極炭塊易受到起始于溝槽角部的裂紋以及位于鋼棒長(zhǎng)度中點(diǎn)附近橫向裂紋的影響。用鑄鐵組裝期間，由于鐵液溫度高達(dá)1 350～1 450 ℃，如果預(yù)熱溫度差異過大，強(qiáng)烈的熱沖擊會(huì)導(dǎo)致陰極炭塊產(chǎn)生裂紋。因此，任何不恰當(dāng)?shù)募訜岫伎赡軐?dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。通常鋼棒的預(yù)熱溫度控制在600～700 ℃，陰極炭塊的預(yù)熱溫度控制在200～300 ℃。

3 總結(jié)

(1)傳統(tǒng)炭糊聯(lián)連的陰極炭塊與陰極鋼棒，在電解槽通電受熱后，糊料瀝青中的揮發(fā)性物質(zhì)大量排出，造成與鋼棒接觸表面結(jié)構(gòu)疏松，并形成大量多孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致接觸電阻增加進(jìn)而接觸壓降增加；

(2)用炭糊聯(lián)接的陰極炭塊與陰極鋼棒，由于使用過程中揮發(fā)性物質(zhì)大量排出，一定程度上加劇了電解車間的污染，影響操作工人的身體健康。

(3)用高磷鑄鐵聯(lián)接陰極炭塊與陰極鋼棒間隙，充分利用高磷鑄鐵良好的鑄造性能完成薄壁(8～20 mm)間隙密封。

(4)用高磷鑄鐵聯(lián)接的陰極塊炭與陰極鋼棒，電解槽上使用過程中隨著溫度的升高，所澆注的高磷鑄鐵經(jīng)歷了一次重新加熱的過程，而這一過程中的體積膨脹正是導(dǎo)致磷鑄鐵與陰極塊接觸壓降降低的主要原因。

(5)用高磷鑄鐵澆注陰極炭塊與陰極鋼棒間隙的關(guān)鍵操作要點(diǎn)，是澆注磷鑄鐵之前對(duì)陰極炭塊與陰極鋼棒的預(yù)熱。

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Discussingonconnectingcathodecarbonblockandsteelbarofaluminumreductioncellwithmoltencastiron

MA Xiao-yi ，LI Xian，LI Jian

This paper presented two methods of cathode carbon block assembling, including paste tamping and molten cast iron. In addition, the characteristics of the two methods were compared and analyzed.

aluminum reduction cell; cathode carbon block assembling; cathode steel bar; cast iron connection

馬曉藝(1984—)，女，青海樂都人，碩士，講師，主要從事有色金屬冶金方面的教學(xué)與科研工作。

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