500KA鋁電解槽結(jié)構(gòu)型陽極鋼爪電渣焊性能研究

（甘肅酒鋼集團(tuán)西部重工股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

鋁電解生產(chǎn)供電系統(tǒng)是直流、低電壓、大電流回路，在電解槽供電回路中采用低電阻值設(shè)計(jì)，以降低電解槽外部電壓降是鋁電解節(jié)能的先決條件之一[1]。作為主要導(dǎo)電裝置之一的陽極鋼爪和鋁導(dǎo)桿的電阻值應(yīng)越小越好，只有這樣才能降低電流在傳導(dǎo)過程中的損耗?，F(xiàn)在通用的鋁電解陽極鋼爪是采用低碳鑄鋼鑄造而成，采用鋁鋼復(fù)合爆炸焊片過渡與鋁導(dǎo)桿焊接組合成為陽極導(dǎo)電裝置，主要起傳導(dǎo)電流和承載陽極碳?jí)K重量的作用，以導(dǎo)電為主。原設(shè)計(jì)鑄鋼陽極鋼爪、爆炸焊片和鋁導(dǎo)桿在鋁電解生產(chǎn)傳導(dǎo)電流的過程中，在不同的區(qū)位形成電壓降，導(dǎo)致電流損耗。

目前，我國大部分鋁廠使用的仍是鑄造鋼爪，由于鑄造鋼爪的檢測和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)缺失。使用合格材料生產(chǎn)鑄造鋼爪價(jià)格較高缺泛市場竟?fàn)幜?，價(jià)格較低的鑄造鋼爪卻是由廢鋼、雜鋼以及報(bào)廢舊鋼爪直接再重熔而成，其電能損耗大，使用壽命短[2]。為了盡量降低生產(chǎn)單位電耗，研制和應(yīng)用低電阻值節(jié)能型鋁鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)陽極鋼爪就是一種有效措施。

1 電渣焊技術(shù)焊接結(jié)構(gòu)型陽極鋼爪

結(jié)構(gòu)型節(jié)能陽極鋼爪橫梁及鋼爪腿的材質(zhì)采用低碳鋼：鋼爪橫梁使用熱軋厚板，按照現(xiàn)行鑄造鋼爪的橫梁尺寸進(jìn)行切割成鋼爪橫梁，鋼爪腿材料選擇軋制型材，將鋼爪腿與鋼爪橫梁置于專用結(jié)晶器中進(jìn)行結(jié)構(gòu)型節(jié)能陽極鋼爪橫梁、鋼爪腿圓鋼及電渣焊口材質(zhì)均為Q235，經(jīng)電渣焊接，三者充分熔合為一個(gè)整體，整個(gè)鋼爪力學(xué)性能導(dǎo)電性能完全一致，鋼爪腿與腿之間、批與批之間無質(zhì)量差異。

電渣焊接釆用材質(zhì)為Q235，厚度為10mm的鋼板為自耗電極。自耗電極熔化并穿過熔融熔渣，金屬上的氧化物、雜質(zhì)、夾渣等溶解到熔渣中，金屬得到提純，所以電渣焊接部位的金屬組織無氣孔無夾渣，組織更純凈，力學(xué)性能導(dǎo)電性能均優(yōu)于自耗電極材料[3]。

將鋼爪橫梁及鋼爪腿組裝于研發(fā)的結(jié)晶器內(nèi)，確保鋼爪外形尺寸準(zhǔn)確的前提下，克服電渣焊晶粒粗大，通過快速冷卻凝固，得到高質(zhì)量細(xì)結(jié)晶組織。

2 結(jié)構(gòu)型節(jié)能陽極鋼爪與鑄造鋼爪壓降對(duì)比試驗(yàn)

制作了100件結(jié)構(gòu)性節(jié)能陽極鋼爪和普通鑄造鋼爪分別放在2250#槽和2251#槽，17日測得2251#槽電壓為3.97V，電流強(qiáng)度為499.7KA，2250#槽電壓為3.974V，電流強(qiáng)度為496.1KA。18日測得2251#槽電壓為3.987V，電流強(qiáng)度為500.1KA，2250#槽電壓為4.002V，電流強(qiáng)度為499.6KA，19日測得2251#槽電壓為4.000V，電流強(qiáng)度為500.6KA，2250#槽電壓為3.981V，電流強(qiáng)度為500.6KA。2251#槽設(shè)定電壓平均保持在3.985V，平均電流強(qiáng)度保持在500.1333KA，2250#槽設(shè)定電壓平均保持在3.985V,平均電流強(qiáng)度保持在498.7667KA。試驗(yàn)過程中分別對(duì)鋁導(dǎo)桿到陽極炭塊壓降進(jìn)行了測試，2250#結(jié)構(gòu)型陽極鋼爪鋁導(dǎo)桿到陽極炭塊壓降平均值為：149mv，166mv，165mv，2251#鑄造鋼爪鋁導(dǎo)桿到陽極炭塊壓降平均值為：172mv，219mv，202mv。鑄造鋼爪比結(jié)構(gòu)性節(jié)能鋼爪壓降平均高37.67mv，因此結(jié)構(gòu)型陽極鋼爪的節(jié)能效果優(yōu)于鑄造鋼爪。

3 結(jié)構(gòu)型鋼爪與鑄造鋼爪和純鐵鋼爪性能對(duì)比試驗(yàn)

（1）力學(xué)性能對(duì)比。表1為結(jié)構(gòu)型鋼爪、鑄造鋼爪、純鐵鋼爪的力學(xué)性能，主要測試其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率。

表1 結(jié)構(gòu)型鋼爪、鑄造鋼爪、純鐵鋼爪力學(xué)性能

從力學(xué)性能上可以得知，鑄造鋼爪的抗拉強(qiáng)度最大，而純鐵鋼爪的抗拉強(qiáng)度最??；三種鋼爪延伸率的對(duì)比得知鑄造鋼爪最差，而純鐵和結(jié)構(gòu)鋼爪基本相同，因此鑄造鋼爪由于延伸率低，強(qiáng)度高，在使用過程中最容易發(fā)生斷裂；純鐵鋼爪的延伸率最高，然而其強(qiáng)度低，使用過程中容易發(fā)生變形；結(jié)構(gòu)型熔焊部位的強(qiáng)度較高，其余部位強(qiáng)度和延伸率適中，所以綜合下來結(jié)構(gòu)型鋼爪的力學(xué)性能最好。

（2）對(duì)三種鋼爪進(jìn)行金相組織分析，圖1為結(jié)構(gòu)型鋼爪腿部與梁部的金相組織，其組織主要為鐵素體+少量珠光體組織，并交替出現(xiàn)帶狀組織。圖2為結(jié)構(gòu)鋼爪電渣焊焊縫組織，組織為少量鐵素體+珠光體組織，電渣焊焊接的主要問題是熱輸入大，晶粒粗大，為了避免粗晶組織在焊接的過程中采用結(jié)晶器強(qiáng)迫快速冷卻，從而得到細(xì)晶粒組織。圖3為鑄造鋼爪金相組織，灰色基體為珠光體組織，鑄造鋼爪主要采用消失模鑄造，晶粒粗大，凝固過程中晶界處最后凝固，常伴有顯微縮孔和夾雜物存在，因此晶界處成為薄弱的截面，在使用過程中其塑性較差，容易斷裂。圖4為純鐵鋼爪的金相組織，其組織為鐵素體，具有良好的塑性，其強(qiáng)度很低。

圖1 結(jié)構(gòu)型鋼爪腿部與梁部金相

圖2 結(jié)構(gòu)型鋼爪焊縫金相

圖3 鑄造鋼爪金相組織

圖4 純鐵鋼爪金相組織

4 金相組織對(duì)導(dǎo)電性的影響

電解鋁陽極電流由鋁導(dǎo)桿經(jīng)鋼爪進(jìn)入碳?jí)K，其中鋼爪的露出碳?jí)K的部位中電流是通過軸截面，而進(jìn)入碳?jí)K的部位中電流直接透過鋼爪與碳?jí)K的接觸面進(jìn)入碳?jí)K。

4.1 純鐵鋼爪電流分布

純鐵鋼爪作為導(dǎo)體，軸向和徑向晶體趨向相同，而且導(dǎo)電截面上組織都為純鐵素體導(dǎo)體，電流傳到過程中不受任何阻礙，電導(dǎo)率最高。

4.2 結(jié)構(gòu)鋼爪軋制部位電流

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，因此其導(dǎo)電性不如純鐵鋼爪。

4.3 結(jié)構(gòu)鋼爪焊縫處電流

焊縫處軸向和徑向晶粒趨向相同，有大量的珠光體存在，電流通過鐵素體和珠光體中的鐵素體進(jìn)行傳導(dǎo)，而在Fe3C中電流受到阻礙，因此結(jié)構(gòu)鋼爪焊縫處的導(dǎo)電性不如純鐵鋼爪的導(dǎo)電性。

4.4 鑄造鋼爪電流

鑄造鋼爪的金相為珠光體和鐵素體的磷共晶組成（如圖3），其中起導(dǎo)電作用的只有珠光體中的鐵素體，顯然電流在即為微小的通道中傳導(dǎo)，導(dǎo)電率最差。因此在鋁電解生產(chǎn)過程中，局部電壓降值較高，電流損耗最大。

5 抗內(nèi)彎對(duì)比

在后續(xù)的使用過程中，我們對(duì)結(jié)構(gòu)型鋼爪與鑄造鋼爪進(jìn)行抗內(nèi)彎試驗(yàn)對(duì)比，使用第一個(gè)周期（一個(gè)月）之后，結(jié)構(gòu)型陽極鋼爪相對(duì)于鑄造鋼爪容易變形，對(duì)變形的結(jié)構(gòu)型鋼爪進(jìn)行矯直，優(yōu)于結(jié)構(gòu)型鋼爪采用低碳鋼制造，有良好的塑性，因此在矯直過程中容易矯直，且不需要加熱。使用第二個(gè)周期之后結(jié)構(gòu)型陽極鋼爪沒有發(fā)生變形，這樣可以說明第一個(gè)周期變形的主要原因是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)型陽極鋼爪在制造過程中，尤其是焊接過程中有一定的應(yīng)力存在，在使用之前沒有采取消除應(yīng)力措施，應(yīng)力導(dǎo)致在使用過程中產(chǎn)生變形，應(yīng)力消除之后，其抗內(nèi)彎性能優(yōu)于鑄造鋼爪，而且即使彎曲變形，也易于矯直。通過抗內(nèi)彎試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)型陽極鋼爪制造過程中產(chǎn)生較大應(yīng)力，因此在出廠之前應(yīng)采取措施消除應(yīng)力，防止其在使用過程中的變形。

6 結(jié)語

結(jié)構(gòu)型陽極鋼爪采用采用大型鋼廠生產(chǎn)的型鋼加工成所需尺寸，利用電渣熔焊技術(shù)進(jìn)行全截面冶金熔合而成。在整個(gè)生產(chǎn)過程中無任何煙塵和有害氣體產(chǎn)生，避免鑄造鋼爪生產(chǎn)過程中各工序（冶煉、造型、打箱、清理等）等所產(chǎn)生環(huán)境污染。并且其節(jié)能性、力學(xué)性能、導(dǎo)電性都優(yōu)于鑄造鋼爪。