渣池助熔技術(shù)制備陽(yáng)極鋼爪材料的性能研究

陸 磊，陸德平，鄒 晉，漆艷軍，付青峰，周 喆，王日昕，饒?jiān)聘?/p>

(1.江西省科學(xué)院應(yīng)用物理研究所，330029，南昌；2.南昌大學(xué)，330031，南昌；2.江西世星新材料科技有限公司，330100，南昌)

渣池助熔技術(shù)制備陽(yáng)極鋼爪材料的性能研究

陸 磊1，陸德平1，鄒 晉1，漆艷軍2，付青峰1，周 喆1，王日昕1，饒?jiān)聘?

(1.江西省科學(xué)院應(yīng)用物理研究所，330029，南昌；2.南昌大學(xué)，330031，南昌；2.江西世星新材料科技有限公司，330100，南昌)

引入電渣冶金技術(shù)，利用助熔劑渣池保護(hù)技術(shù)制造方法，制備陽(yáng)極再生材料。利用金相、SEM、熱膨脹儀等手段對(duì)再生陽(yáng)極的性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，得到再生材料的抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電性優(yōu)于現(xiàn)有的焊接技術(shù)修復(fù)的陽(yáng)極鋼爪材料，所制備的鋼爪實(shí)現(xiàn)了再生材料與導(dǎo)電桿的全截面連接，大大降低電解鋁生產(chǎn)的電能和陽(yáng)極鋼爪消耗。

陽(yáng)極再制造；陽(yáng)極鋼爪；電阻率；抗拉強(qiáng)度

0 引言

現(xiàn)代電解鋁工業(yè)生產(chǎn)采用冰晶石-氧化鋁電解熔鹽的霍爾-埃魯特法生產(chǎn)金屬鋁，它的電路特點(diǎn)是低電壓、強(qiáng)直流，回路當(dāng)中任何一個(gè)導(dǎo)電的部件都會(huì)影響電解效率。電路采用低電阻值設(shè)計(jì)，以降低電解槽外部電壓降，減少能耗。電解用陽(yáng)極鋼爪是電解槽關(guān)鍵導(dǎo)電部件，設(shè)計(jì)的陽(yáng)極爪頭有4、6、8頭以適應(yīng)不同的功率的電解槽。當(dāng)電解開(kāi)始時(shí)，鋼爪通過(guò)強(qiáng)大直流電流，同時(shí)受到高溫熔融電解液侵蝕，長(zhǎng)期的腐蝕，鋼爪腿部位逐步侵蝕變細(xì)，接觸面變小，電阻值變大，強(qiáng)電流通過(guò)產(chǎn)生熱量增加，從而加劇陽(yáng)極電能消耗，鋼爪支撐碳?jí)K強(qiáng)度下降。因此，陽(yáng)極鋼爪失效后，需要及時(shí)更換，以保證電解的電路特性。陽(yáng)極鋼爪既是電解槽重要的導(dǎo)電部件，又是電解鋁生產(chǎn)的關(guān)鍵易耗件，因此它的強(qiáng)度與導(dǎo)電性能直接影響到電解鋁企業(yè)的材料消耗、能耗和生產(chǎn)效率[1-2]。

多年來(lái)圍繞鋼爪導(dǎo)電性能影響因素展開(kāi)研究與實(shí)踐，提出了多種設(shè)計(jì)、成形工藝等方法。企業(yè)為降低材料消耗，采用電焊的方式修復(fù)電解鋁陽(yáng)極鋼爪，即先從陽(yáng)極鋼爪上將鋼爪腿腐蝕變細(xì)的部位去除，然后用一段材質(zhì)和直徑均與鋼爪腿相同的新鋼棒通過(guò)電焊的方法焊接到鋼爪腿上，修復(fù)之后的鋼爪腿長(zhǎng)度恢復(fù)到新鋼爪的鋼爪腿的長(zhǎng)度，使之可以再度用于電解鋁的生產(chǎn)[3-4]。

本文引入電渣冶金技術(shù)[5-8]，利用助熔劑渣池保護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)再生材料與陽(yáng)極鋼爪母材全接截面冶金結(jié)合，在最大程度上保證陽(yáng)極鋼爪截面與導(dǎo)桿最大的結(jié)合。再生陽(yáng)極材料與陽(yáng)極鋼爪結(jié)合截面積越大，電阻值越小，電流密度越小，能耗就越低；同時(shí)，結(jié)合面強(qiáng)度與結(jié)合面成正比關(guān)系，當(dāng)結(jié)合面越大，結(jié)合強(qiáng)度也就越高，陽(yáng)極的支撐強(qiáng)度更高。

1 再生陽(yáng)極制備實(shí)驗(yàn)方法

本文利用助熔焊接全截面再生陽(yáng)極技術(shù)，對(duì)所制備的再生陽(yáng)極與殘余陽(yáng)極母材結(jié)合組織結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度特性與導(dǎo)電性能進(jìn)行測(cè)試分析。實(shí)驗(yàn)材料制備方法如下，將陽(yáng)極鋼棒與導(dǎo)桿分別作為導(dǎo)電熔池的2個(gè)電極，在助熔渣的保護(hù)下自耗電極與殘余陽(yáng)鋼爪產(chǎn)生高溫電弧，通過(guò)控制供電參數(shù)，將助熔渣池溫度保持在1 700～1 860 ℃，自耗電極采用與殘余陽(yáng)極成分相同材料，再生陽(yáng)極以消耗自耗電極的方式經(jīng)過(guò)助熔池以熔滴態(tài)與殘余陽(yáng)極面結(jié)合，并在兩者結(jié)合面形成再生陽(yáng)極材料，由于自耗電極不斷消耗以補(bǔ)充熔池形成全面接觸以達(dá)到全截面結(jié)合，從而制得再生陽(yáng)極[5-8](如圖1)。圖1下方為殘余陽(yáng)極，上端為再生材料陽(yáng)極。圖中實(shí)驗(yàn)材料從再生材料(含結(jié)合面)與陽(yáng)極母材結(jié)合部分選取，材料牌號(hào)Q235A，利用帶鋸切取試樣，進(jìn)行化學(xué)成分、金相組織、材料膨脹系數(shù)、電阻率及拉伸強(qiáng)度測(cè)試。

材料組織觀察使用4%硝酸酒精溶液腐蝕試樣，侵蝕時(shí)間約為45-60 s，分別采用Leica DMI3000M萬(wàn)能材料顯微鏡、FEI quanta 200型掃描電鏡觀察組織；力學(xué)性能測(cè)定是在SANS萬(wàn)能電子材料試驗(yàn)機(jī)上采用φ10標(biāo)樣，跨距為115 mm進(jìn)行多樣拉伸試驗(yàn)；通過(guò)掃描電鏡觀察拉伸試樣的斷口形貌，分析材料的斷裂機(jī)理；材料物理性能測(cè)試：采用的20 mm×3 mm×3 mm試樣，在PCY型高溫臥式膨脹儀上進(jìn)行材料熱膨脹系數(shù)測(cè)定；以LX-9853通用導(dǎo)體電阻夾具夾持，在QJ57直流雙臂電橋進(jìn)行電阻率測(cè)試。

圖1 再生陽(yáng)極鋼爪

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1化學(xué)成分分析

化學(xué)成分分析取自結(jié)合面的兩邊再生長(zhǎng)區(qū)和殘余陽(yáng)極，對(duì)取樣區(qū)域進(jìn)行碳、硅、錳、磷、硫元素分析，其主要的化學(xué)元素成分碳、硅、錳含量非常接近。材料中的磷、硫測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 化學(xué)元素磷、硫測(cè)試結(jié)果

采用渣池保護(hù)熔融再生方法實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極鋼爪制造，由于再生材料組熔渣池的作用，材料中的碳、硅、錳元素仍保持，而材料中其硫元素的含量經(jīng)化學(xué)分析測(cè)試，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于殘陽(yáng)極材料中的硫元素含量；材料在再生過(guò)程中經(jīng)過(guò)渣洗過(guò)程，并且進(jìn)行快速冷卻，材料的致密度高于鑄造成型的殘余陽(yáng)極[5]。

2.2材料組織形貌

實(shí)驗(yàn)材料成份為Q235取自包括再生材料(含結(jié)合面)與殘余陽(yáng)極，試樣中間為二者的結(jié)合面。圖2為再生材料與殘余陽(yáng)極結(jié)合SEM照片。圖2、圖3中B區(qū)均為再生材料，A為陽(yáng)極母材，A與B交界處為接合處。A區(qū)與B區(qū)組織形貌差異較大，A區(qū)形貌多為針狀結(jié)構(gòu)，A區(qū)多為針狀滲碳體；B區(qū)顯示組織有明顯的晶界，其顯微組織為魏氏體組織。由于A區(qū)為陽(yáng)極母材是經(jīng)澆鑄加工成形，組織保持原有組織特征;B區(qū)是通過(guò)二次冶金獲得，主要是二次熔融生長(zhǎng)熱量大，形成粗晶，而在成形生長(zhǎng)時(shí)冷卻快，鐵素體主要沿晶界析出而成，還有少部分從晶界按切變機(jī)制向晶內(nèi)析出，如圖3SEM中C區(qū)。A、B區(qū)組織明顯差異主要原因是兩者的成形工藝不同，A區(qū)組織繼承殘余陽(yáng)極材料的澆鑄態(tài)組織，而B(niǎo)區(qū)經(jīng)過(guò)渣洗再生熔鑄。

圖2 試樣結(jié)合區(qū)金相顯微組織

圖3 試樣結(jié)合區(qū)域SEM組織

2.3材料拉伸強(qiáng)度

材料拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中陽(yáng)極母材和再生材料(含結(jié)合面)拉伸強(qiáng)度均值為417 MPa。帶有結(jié)合區(qū)的再生材料試樣拉伸斷口位置均處于陽(yáng)極母材部分，結(jié)合處完好。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中母材(Q235A)型材的拉伸強(qiáng)度下限為375 MPa，制備的材料試樣的拉伸強(qiáng)度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖4為拉伸斷口完整形貌照片，圖5為斷口放大形貌掃描照片，放大區(qū)域倍數(shù)為1 000倍。從形貌照片看，斷面顏色灰暗，金屬光澤弱。照片中基本沒(méi)有纖維區(qū)。圖5所示斷口表面的晶界有大小不一的數(shù)量較多的圓形或橢圓形韌窩。斷口分析機(jī)理說(shuō)明是顯微空洞生核、長(zhǎng)大、連接的結(jié)果，進(jìn)一步提示材質(zhì)疏松或有第二相雜質(zhì)。

圖4 拉伸試樣斷口完整形貌

圖5 斷口區(qū)放大形貌

試樣的斷口位置均處于母材中，這充分說(shuō)明，由于再生陽(yáng)極結(jié)合面強(qiáng)度高于陽(yáng)極母材。金相組織證明，再生長(zhǎng)區(qū)材質(zhì)純凈、非金屬夾雜、偏析等缺陷少。化學(xué)成份分析結(jié)果也表明材料中不利材料拉伸強(qiáng)度的元素P、S元素在再生材料部分遠(yuǎn)低于陽(yáng)極母材。

2.4材料熱膨脹性能

為比較再生材料(含結(jié)合面)與陽(yáng)極材料結(jié)合，實(shí)驗(yàn)采用結(jié)合材料與陽(yáng)極母材進(jìn)行熱膨脹系數(shù)測(cè)定，測(cè)試環(huán)境溫度從100～500 ℃。圖6為平均線膨脹系數(shù)-溫度曲線關(guān)系曲線。

從圖6可見(jiàn)，隨溫度的升高，焊接試樣及母材的平均熱膨脹系數(shù)逐漸增大。100～200 ℃時(shí)，焊接試樣熱膨脹系數(shù)隨溫度增大速度較快，曲線斜率大于母材，溫度大于200 ℃，母材與焊接試樣曲線斜率相近。圖5結(jié)果可見(jiàn)，再生材料與母材在各個(gè)溫度區(qū)間平均線膨脹系數(shù)非常接近，隨著溫度的升高，陽(yáng)極母材與再生試樣材料熱膨脹系數(shù)較接近，接近材料工作溫度區(qū)間400～500 ℃位移量相近，內(nèi)應(yīng)力變化非常小。說(shuō)明含結(jié)合面的材料與母材熱形變相近。從而保證了工作時(shí)的結(jié)合強(qiáng)度。

2.5導(dǎo)電性能

試驗(yàn)方法采用四接點(diǎn)接線方式和雙電橋結(jié)構(gòu)的凱爾文電橋，排除接觸電阻和導(dǎo)線附加的電阻影響，對(duì)再生試樣(含結(jié)合面)與母材的電阻率進(jìn)行測(cè)定，將待測(cè)低電阻和已知的標(biāo)準(zhǔn)電阻相比較，從而精確測(cè)出低電阻，得出陽(yáng)極母材和再生材料(含結(jié)合面)的電阻率分別為0.168 22和0.167 22 Ω·mm2/m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，再生材料(含結(jié)合面)比陽(yáng)極母材的電阻率要小，說(shuō)明再生材料區(qū)的P、S元素含量，尤其是S含量遠(yuǎn)低于鋼爪鑄鋼母材，不僅提高了材料的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)改善了材料的導(dǎo)電性能。

圖6 平均線膨脹系數(shù)-溫度曲線

利用本文方法制備了一批再生陽(yáng)極鋼爪，經(jīng)鋁廠電解槽現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，陽(yáng)極鋼爪再制造技術(shù)修復(fù)的鋼爪壓降值平均降下2.47 mV，小于全新鋼爪陽(yáng)極電壓壓降值。

3 結(jié)論

陽(yáng)極鋼爪渣池保護(hù)全截面熔焊再制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了再生陽(yáng)極材料與殘余陽(yáng)極全截面結(jié)合。再生陽(yáng)極區(qū)組織P、S含量低于陽(yáng)極母材，組織均勻，再生結(jié)合陽(yáng)極鋼爪的拉伸強(qiáng)度及導(dǎo)電性均優(yōu)于母材。再生結(jié)合區(qū)陽(yáng)極材料的熱膨脹系數(shù)與陽(yáng)極材料在400～500 ℃工作溫度區(qū)間非常接近，減少因熱脹產(chǎn)生的材料結(jié)合內(nèi)應(yīng)力。本文研發(fā)的電解鋁陽(yáng)極鋼爪再制造技術(shù)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，可以大大降低電解鋁生產(chǎn)的電能和陽(yáng)極鋼爪消耗，可獲得顯著的節(jié)能降耗效果。

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[8]李正邦.電渣冶金原理及應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1996.

StudyontheRemanufacturingMaterialPropertiesofAnodeSteelClawMadebytheSlagProtectionTechnology

LU Lei1,LU Deping1,ZOU Jin1,QI Yanjun2,FU Qingfeng1,ZHOU Zhe1,WANG Rixin1,RAO Yunfu3

(1.Institute of Applied Physics,Jiangxi Academy of Sciences,330029,Nanchang,PRC;2.Nanchang University,330031,Nanchang,PRC;2.Jiangxi Shi Star New Material Technology Co.Ltd,330100,Nanchang,PRC)

The method of special slag protection metallurgy technology is applied in remanufacture that it is make the renewable material anode steel claw in Electrolytic aluminum industry.The mechanism of material properties are also investigated by metallography,SEM,and thermal expansion instrument testing etc.The results show that the tensile strength of recycled materials and electrical conductivity is superior to the existing anode claw materials.It will greatly reduce the consumption of electricity and material of the anode steel claw in electrolytic aluminum production by this remanufacturing technology.

remanufacturing technology;anode steel claw;electrical conductivity;tensile strength

2014-10-20;

2014-11-28

陸 磊(1967-)，男，研究員，從事金屬材料方面的研究工作。

江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BBE50032)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.06.002

TF141

A

1001-3679(2014)06-0756-04