復雜電解質體系下新型炭陽極導桿組的研究

肖述兵

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復雜電解質體系下新型炭陽極導桿組的研究

肖述兵

（黃河鑫業有限公司，青海湟中，811600）

國內鋁電解槽殼面硬度高，在調極和換極時，導桿爆炸焊塊部位受到的拉力較大，很容易造成該部位開焊、開裂。同時，電解是高耗能工業,隨著目前電價的高企以及產能過剩導致的原鋁價格偏低,如何有效實現節能降耗是整個行業所關注的問題。本文研制了一種新型鋁導桿組，以提高強度和降低能耗。

電解；新型；導桿研究；應用

前言

國內Al2O3原料的雜質含量高，電解過程中使鋁電解質中鋰鹽和鉀鹽富集，從而引起鋁電解質組分和物化性質顯著變化。引起電解溫度過低、氧化鋁溶解性能差、電流效率降低、爐底狀況變差等問題。為了保持生產穩定，建立高效節能鋁電解工藝，利用高分子比電解質電導率高的特點,可有效緩解以上現象，但高分子比，也增加了殼面硬度[1]，在調極和換極時，導桿爆炸焊塊部位受到的拉力較大，很容易造成該部位開焊、開裂，如圖1所示。某鋁電解企業2017年下線率在12.73%，其中爆炸焊、有色焊開焊占比40.6%，既由此造成的下線率為5.2%。

圖1 鋼爪開裂、開焊圖

電解是高耗能工業,隨著目前電價的高企以及產能過剩導致的原鋁價格偏低,如何有效實現節能降耗是整個行業所關注的問題。降低電解槽各部位的接觸壓降是電解生產降低能耗的有效途徑，陽極導桿與鋼爪體之間的鋁鐵壓降在35mv以上，此處能耗在100kw.h/t-Al以上。

2 技術方案

鋁為銀白色輕金屬，相對密度2.70，熔點660℃，其輕、良好的導電和導熱性能，熱膨脹系數23.6×10-6mm/℃，強度100Mpa,電阻率2.83×10-8?.m，經濟電流密度3A/mm2。

鐵是白色或者銀白色的，有金屬光澤，熔點1538℃，熱膨脹系數11.8×10-6mm/℃,強度400Mpa ，電阻率9.78×10-8?.m，經濟電流密度1.6A/mm2。

鋁鐵爆炸焊塊熔接面大于98%，接觸面抗拉強度大于137MPa，接觸面抗剪強度大于80MPa，耐熱不小于400℃。電阻率8.16×10-8?.m。

三者均具有良好的導電性和耐熱性能，且散熱良好，具有較高的強度，成本在金屬材料中相對較低，是制作陽極導桿的理想材料[2]。

在陽極導桿兩側分別焊一塊爆炸塊，然后用16mm后的鋼板將爆炸塊與鋼爪橫梁連接，如圖2所示。

圖2 導桿加固圖

3 強度、電阻、電流理論計算

3.1 強度核算

3.1.1 爆炸塊結合面強度

新增加的兩塊爆炸塊結合面受到的是剪切力，其強度為160Mpa，大于原爆炸塊所受的抗拉強度137Mpa，該處強度提高了1.17倍。

3.1.2 鋼板焊縫強度

4塊加強鋼板焊縫總長度為1408mm，原爆炸塊與鋼爪焊縫長度為800mm，兩者焊縫高度相等，則焊縫強度提高了1.76倍。

3.2 電阻核算

3.2.1 爆炸塊電阻計算

3.2.2 加固鋼板組電阻計算

已知單塊鋼板長度515mm，寬度160mm，厚度16mm。

式中：電阻率（?.m），

：長度（m），

：截面積（m2），

3.2.3 總電阻計算

加固鋼板組與原爆炸塊并聯，則總電阻

3.3 電流分布

3.3.1 原鋼爪電流分布

圖3 原導桿電阻、電壓、電流分布圖

3.3.2 新導桿電流分布

圖4 新導桿電阻、電壓、電流分布圖

4 產生的經濟效益

4.1 投資概算

鋼板總重量50kg，按材料費與加工費5元/kg計算，鋼板費用250元/組；2塊爆炸塊材料費240元，組焊費用50元，則總費用540元/組，572臺槽全部實施費用為1482.6萬元。

4.2 降低的電耗費用

4.3 爆炸塊維修費

爆炸塊最低強度提升1.17倍，根據可靠性與強度的平方成正比的理論[3]，則該處開焊、開裂的概率降低了4.7倍，既由原來的破壞率5.2%降低到1.1%，降低4.1個百分點。每年導桿周轉量約30萬組，每組維修費用約261元，則每年節省維修費：30×0.041×261=321萬元。

4.4 收益率

年節省總費用796+321=1117萬元，投資收益率為75%，既1.3年即可收回投資。

4.5 間接效益

從導桿通過的電流被加固鋼板分流，鋼板分流40%，鋼爪電流偏流率從50%降低到25%，如圖5所示。到鋼爪的電流更平衡，溫度也平衡，溫差降低，熱應力引起的爪體和橫梁變形也隨之降低。

圖5 新舊導桿鋼爪電流發布圖

4.6 環保效益

每年節省電量為2486.4萬kw.h，則：

減少二氧化碳排放：2486.4×104×0.997kg/kw.h= 2.48萬噸；

減少碳粉塵排放：2486.4×104×0.272kg/kw.h= 0.68萬噸；

減少二氧化硫排放：2486.4×104×0.03kg/kw.h= 0.075萬噸；

減少氮氧化物排放：2486.4×104×0.015kg/kw.h= 0.037萬噸；

5 結束語

新型鋁導桿組，可以提高強度和降低能耗，其效益表現在

（1）剛性連接增大導電面積，降低鋁鐵壓降，可降低14mv；

（2）爆炸塊處結構強度提高一倍多，破壞率降低4.7倍；

（3）爆炸塊處分流40%，鋼爪電流偏流率從50%降低到25%。

（4）年節省費用1117萬元，投資收益率為75%。

[1] 田應甫. 大型預焙鋁電解槽生產實踐. 長沙：中南工業大學出版社， 2003.3

[2] 英若采.焊接原理及金屬材料焊接.第2版.北京：機械工業出版社，2000.

[3] 梅啟智.系統可靠性工程基礎.北京：科學出版社，1987.

[4] 羅忠臣 冀惠芳 魏秀明.預焙陽極碳塊最佳配方的選擇及實踐[J].輕金屬.

[5] 常先恩李剛劉瑞.增大原料粒度提高炭陽極質量的試驗研究

Study on a new type of carbon anode guide rod group under mass system

Xiao Shubing

(Yellow River Xinye Co., Ltd., Qinghai Yuzhong, 811600)

The hardness of the shell surface of domestic aluminum electrolysis cell is high. When the pole is poled and the pole is changed, the tensile force of the lead rod of the guide rod is greatly affected, which is easy to cause the part to be welded and cracked. At the same time, electrolysis is a high-energy-consuming industry. With the current high price of electricity and the low price of primary aluminum caused by overcapacity, how to effectively achieve energy conservation and consumption reduction is a concern of the whole industry. This paper developed a new type of aluminum guide rod to improve strength and reduce energy consumption.

electrolysis, new guide rod, research, application

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2019.03.016

TN98

A

1672-9129(2019)03-0045-04

肖述兵，(1972-),男，湖南省臨湘市人，大學學歷，高級工程師，工作于黃河鑫業有限公司，從事生產、設備管理工作。E-mail：1076627149@qq.com