500KA鋁電解槽結構型陽極鋼爪電渣焊性能研究

（甘肅酒鋼集團西部重工股份有限公司，甘肅 嘉峪關 735100）

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

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收標準缺失。使用合格材料生產鑄造鋼爪價格較高缺泛市場竟爭力，價格較低的鑄造鋼爪卻是由廢鋼、雜鋼以及報廢舊鋼爪直接再重熔而成，其電能損耗大，使用壽命短[2]。為了盡量降低生產單位電耗，研制和應用低電阻值節能型鋁鋼復合結構陽極鋼爪就是一種有效措施。

1 電渣焊技術焊接結構型陽極鋼爪

結構型節能陽極鋼爪橫梁及鋼爪腿的材質采用低碳鋼：鋼爪橫梁使用熱軋厚板，按照現行鑄造鋼爪的橫梁尺寸進行切割成鋼爪橫梁，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晶器中進行結構型節能陽極鋼爪橫梁、鋼爪腿圓鋼及電渣焊口材質均為Q235，經電渣焊接，三者充分熔合為一個整體，整個鋼爪力學性能導電性能完全一致，鋼爪腿與腿之間、批與批之間無質量差異。

電渣焊接釆用材質為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、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，力學性能導電性能均優于自耗電極材料[3]。

將鋼爪橫梁及鋼爪腿組裝于研發的結晶器內，確保鋼爪外形尺寸準確的前提下，克服電渣焊晶粒粗大，通過快速冷卻凝固，得到高質量細結晶組織。

2 結構型節能陽極鋼爪與鑄造鋼爪壓降對比試驗

制作了100件結構性節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，電流強度為499.7KA，2250#槽電壓為3.974V，電流強度為496.1KA。18日測得2251#槽電壓為3.987V，電流強度為500.1KA，2250#槽電壓為4.002V，電流強度為499.6KA，19日測得2251#槽電壓為4.000V，電流強度為500.6KA，2250#槽電壓為3.981V，電流強度為500.6KA。2251#槽設定電壓平均保持在3.985V，平均電流強度保持在500.1333KA，2250#槽設定電壓平均保持在3.985V,平均電流強度保持在498.7667KA。試驗過程中分別對鋁導桿到陽極炭塊壓降進行了測試，2250#結構型陽極鋼爪鋁導桿到陽極炭塊壓降平均值為：149mv，166mv，165mv，2251#鑄造鋼爪鋁導桿到陽極炭塊壓降平均值為：172mv，219mv，202mv。鑄造鋼爪比結構性節能鋼爪壓降平均高37.67mv，因此結構型陽極鋼爪的節能效果優于鑄造鋼爪。

3 結構型鋼爪與鑄造鋼爪和純鐵鋼爪性能對比試驗

（1）力學性能對比。表1為結構型鋼爪、鑄造鋼爪、純鐵鋼爪的力學性能，主要測試其屈服強度、抗拉強度和伸長率。

表1 結構型鋼爪、鑄造鋼爪、純鐵鋼爪力學性能

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

（2）對三種鋼爪進行金相組織分析，圖1為結構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，并交替出現帶狀組織。圖2為結構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晶器強迫快速冷卻，從而得到細晶粒組織。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，其強度很低。

圖1 結構型鋼爪腿部與梁部金相

圖2 結構型鋼爪焊縫金相

圖3 鑄造鋼爪金相組織

圖4 純鐵鋼爪金相組織

4 金相組織對導電性的影響

電解鋁陽極電流由鋁導桿經鋼爪進入碳塊，其中鋼爪的露出碳塊的部位中電流是通過軸截面，而進入碳塊的部位中電流直接透過鋼爪與碳塊的接觸面進入碳塊。

4.1 純鐵鋼爪電流分布

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

4.2 結構鋼爪軋制部位電流

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，而珠光體中有導電性差的Fe3C的存在，幾乎不參與傳導電流，因此其導電性不如純鐵鋼爪。

4.3 結構鋼爪焊縫處電流

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行傳導，而在Fe3C中電流受到阻礙，因此結構鋼爪焊縫處的導電性不如純鐵鋼爪的導電性。

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，導電率最差。因此在鋁電解生產過程中，局部電壓降值較高，電流損耗最大。

5 抗內彎對比

在后續的使用過程中，我們對結構型鋼爪與鑄造鋼爪進行抗內彎試驗對比，使用第一個周期（一個月）之后，結構型陽極鋼爪相對于鑄造鋼爪容易變形，對變形的結構型鋼爪進行矯直，優于結構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。使用第二個周期之后結構型陽極鋼爪沒有發生變形，這樣可以說明第一個周期變形的主要原因是因為結構型陽極鋼爪在制造過程中，尤其是焊接過程中有一定的應力存在，在使用之前沒有采取消除應力措施，應力導致在使用過程中產生變形，應力消除之后，其抗內彎性能優于鑄造鋼爪，而且即使彎曲變形，也易于矯直。通過抗內彎試驗我們發現，結構型陽極鋼爪制造過程中產生較大應力，因此在出廠之前應采取措施消除應力，防止其在使用過程中的變形。

6 結語

結構型陽極鋼爪采用采用大型鋼廠生產的型鋼加工成所需尺寸，利用電渣熔焊技術進行全截面冶金熔合而成。在整個生產過程中無任何煙塵和有害氣體產生，避免鑄造鋼爪生產過程中各工序（冶煉、造型、打箱、清理等）等所產生環境污染。并且其節能性、力學性能、導電性都優于鑄造鋼爪。