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預(yù)焙電解槽陽極鋼爪橫梁底表面分層脫落的原因分析

2014-09-03 10:54:12劉民章
有色設(shè)備 2014年4期
關(guān)鍵詞:炭塊鋁液爐料

劉民章,李 賢

(青海橋頭鋁電股份有限公司 技術(shù)中心,青海 西寧 810100)

預(yù)焙電解槽陽極鋼爪橫梁底表面分層脫落的原因分析

劉民章,李 賢

(青海橋頭鋁電股份有限公司 技術(shù)中心,青海 西寧 810100)

簡(jiǎn)要介紹了預(yù)焙電解槽陽極鋼爪的加工工藝,分析了陽極鋼爪橫梁底表面分層剝落的危害及其產(chǎn)生原因,提出了控制陽極鋼爪橫梁底表面分層剝落的措施。

預(yù)焙電解槽; 陽極鋼爪; 橫梁; 腐蝕; 分層剝落

0 前言

陽極是預(yù)焙鋁電解槽的“心臟”[1],這一觀念已經(jīng)得到廣大鋁電解工作者的共同認(rèn)可。預(yù)焙陽極主要由陽極鋁質(zhì)導(dǎo)桿、鋁鐵爆炸焊塊、陽極鋼爪和陽極炭塊等四個(gè)部分組成。陽極鋼爪承擔(dān)著連接陽極導(dǎo)桿和陽極炭塊以及相鋁電解槽中輸送電流的任務(wù),由此可以看出陽極鋼爪在鋁電解過程中的重要性。

根據(jù)陽極鋼爪的外觀形狀,可以大體將其劃分為:爆炸焊塊連接處、陽極鋼爪橫梁和連接陽極炭塊的鋼爪頭三個(gè)區(qū)域。而在這三個(gè)區(qū)域中,橫梁起著承上啟下的作用。因此,鋼爪橫梁的質(zhì)量好壞,對(duì)電解過程的進(jìn)行十分重要。

由于陽極鋼爪在電解過程的特殊環(huán)境中,既要承受高溫、高溫電解煙氣和水的腐蝕,還要承受吊運(yùn)過程中來自自身和陽極炭塊質(zhì)量產(chǎn)生的重力,同時(shí)不可避免地要承受電磁力、振動(dòng)力、熱應(yīng)力以及碰撞力,這些因素對(duì)于鋼爪橫梁都具有一定的破壞性。而這種破壞性直接影響鋼爪的使用壽命、鋁液的污染程度以及對(duì)電解槽運(yùn)行工況的正確判斷。因此研究探討陽極鋼爪橫梁在鋁電解槽中的腐蝕原因,對(duì)于延長陽極鋼爪使用壽命、降低鋁電解生產(chǎn)成本有著積極的意義。

本文結(jié)合某鋁冶煉廠420 kA系列鋁預(yù)焙電解鋁電解槽焙燒啟動(dòng)初期陽極鋼爪橫梁下表面出現(xiàn)的分層剝落現(xiàn)象,分析了分層剝落的危害、產(chǎn)生原因,提出了解決橫梁分層剝落的幾點(diǎn)措施。

1 陽極鋼爪的生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)介

陽極鋼爪是低碳鑄鋼材料,目前,國內(nèi)鋁電解行業(yè)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是ZG200- 400(GB/T11352—1989),其化學(xué)成分要求見表1[2]。

陽極鋼爪的加工工藝流程可以簡(jiǎn)要描述如下:

鋼液熔化→成分調(diào)整→脫氧靜置→澆鑄→打箱清理→鋼爪頭車削加工→爆炸焊接。

在完成與陽極導(dǎo)桿的爆炸焊接后,運(yùn)送到陽極組裝車間通過澆鑄高溫鐵液將鋼爪和預(yù)焙陽極炭塊連接在一起,就形成可以用于預(yù)焙電解槽的陽極。

表1 陽極鋼爪的化學(xué)成分

2 陽極鋼爪橫梁下表面的分層剝落

由某公司為西部水電公司生產(chǎn)的陽極鋼爪應(yīng)用于240 kA和420 kA預(yù)焙鋁電解槽上。然而,在電解槽(焦粒)焙燒啟動(dòng)后不久,就出現(xiàn)了陽極鋼爪橫梁下表面出現(xiàn)分層剝落現(xiàn)象,而且十分嚴(yán)重,見圖1。

對(duì)鋼爪橫梁下表面分層剝落物進(jìn)行化學(xué)分析,各種元素含量見表2。

根據(jù)表2分析結(jié)果,結(jié)合表1元素含量要求,可以看出,F(xiàn)e、Si、Mn、P燒損非常嚴(yán)重,而S含量則有了大幅度提高,約為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的10倍。同時(shí),出現(xiàn)了表1中沒有的幾種元素,且含量相當(dāng)高,如F含量30.2%,Na含量20.8%,Al含量5.89%。

結(jié)合圖1可以確定,鋼爪橫梁地表面產(chǎn)生這種嚴(yán)重分層剝落的主要原因是腐蝕造成的。

圖1 420 kA鋁電解槽用預(yù)焙陽極鋼爪橫梁分層剝落照片

表2 鋼爪橫梁下表面脫落物的化學(xué)成分

3 陽極鋼爪橫梁下表面分層剝落的危害

陽極鋼爪橫梁底表面出現(xiàn)嚴(yán)重的分層剝落后,其危害有以下幾方面:

(1)縮短陽極鋼爪的使用壽命,增加生產(chǎn)成本

陽極鋼爪橫梁承擔(dān)著連接陽極導(dǎo)桿、陽極鋼爪和預(yù)焙陽極炭塊的任務(wù)。陽極鋼爪橫梁的截面積是根據(jù)預(yù)焙電解槽的電流強(qiáng)度而確定的。當(dāng)電解槽的電流強(qiáng)度和所使用的陽極結(jié)構(gòu)(單陽極或雙陽極、陽極尺寸)確定后,陽極鋼爪衡量的截面積就已經(jīng)確定。鋼爪橫梁除了要具備良好的導(dǎo)電性,還必須具備足夠的強(qiáng)度以承受電解槽運(yùn)行過程中陽極炭塊的重量和換極拔殘極是承受的力量。因此,當(dāng)陽極鋼爪橫梁產(chǎn)生嚴(yán)重的分層剝落時(shí),就使得橫梁的有效面積減小。在鋁電解槽進(jìn)電電流強(qiáng)度不變的情況下,由于橫梁有效導(dǎo)電面積的減小,就會(huì)導(dǎo)致通過橫梁?jiǎn)挝幻娣e的電流強(qiáng)度增大,即電流密度變大。而電流密度越大,作為導(dǎo)電體的橫梁所發(fā)生的熱量就會(huì)增大,加之透過陽極覆蓋料由電解質(zhì)中不斷散發(fā)出的熱量對(duì)衡量的熱輻射和熱傳導(dǎo),在橫梁自身重量、陽極炭塊重量和陽極覆蓋料重量三者的作用下,就會(huì)使得橫梁產(chǎn)生蠕變變形,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致陽極導(dǎo)桿報(bào)廢。如果大批量產(chǎn)生鋼爪橫梁嚴(yán)重腐蝕剝落,必定會(huì)造成大量陽極鋼爪報(bào)廢,縮短陽極鋼爪的有效使用時(shí)間和鋼爪的更換周期,增加噸鋁生產(chǎn)成本。

(2)對(duì)鋁液造成污染,降低鋁液品位

當(dāng)預(yù)焙電解槽焙燒啟動(dòng)后,為了減少電解槽通過陽極的熱損失并減小陽極炭塊的氧化程度,必須在陽極上表面堆積由氧化鋁、冰晶石和錐冰晶石組成的不同粒度的陽極覆蓋料。當(dāng)陽極達(dá)到換極周期時(shí),必須將殘極由電解槽中拔出更換新的陽極上槽。在這個(gè)過程中,必定有一部分不同粒度的陽極覆蓋料掉入電解質(zhì)中。

當(dāng)陽極鋼爪橫梁下表面產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕分層剝落時(shí),就會(huì)有大量的含鐵物質(zhì)掉落在陽極覆蓋料中并在換極時(shí)隨覆蓋料一起進(jìn)入電解槽中。結(jié)果會(huì)造成鋁液中鐵含量的升高,使鋁液或由鋁液所鑄造重熔鋁錠的品位下降,對(duì)重熔鋁錠的市場(chǎng)售價(jià)產(chǎn)生不良影響,影響鋁冶煉廠的經(jīng)濟(jì)效益;另外,由于鋁液中鐵含量的升高,會(huì)對(duì)下游直接利用電解鋁液生產(chǎn)鋁產(chǎn)品的企業(yè)在配料時(shí)產(chǎn)生影響,當(dāng)Fe含量嚴(yán)重超標(biāo)時(shí),還會(huì)誘發(fā)許多產(chǎn)品缺陷,尤其是裂紋,導(dǎo)致批量性經(jīng)濟(jì)損失。

(3)會(huì)造成電解車間操作人員對(duì)槽況誤判斷

眾所周知,在電解鋁廠,通常是以電解槽中在產(chǎn)鋁液中Fe、Si含量的高低來判斷是否漏槽。在正常生產(chǎn)條件下,電解鋁液中的Fe含量在0.1~0.13%范圍。當(dāng)由嚴(yán)重腐蝕分層剝落的含鐵物質(zhì)(Fe>40%)進(jìn)入電解槽中,就會(huì)使鋁液中的Fe含量陡然升高。如果按照正常是否漏槽的標(biāo)準(zhǔn)判斷的話,就會(huì)據(jù)此做出該電解槽已經(jīng)漏鋁、并且必須立即停槽的決定。而非正常停槽引起的經(jīng)濟(jì)損失將會(huì)是非常巨大的。

4 陽極鋼爪橫梁下表面分層剝落的原因分析

由于在鋁電解槽正常運(yùn)行期間陽極鋼爪的服役環(huán)境很復(fù)雜,鋼爪橫梁不僅要承受熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流,還要承受力(重力、熱應(yīng)力、振動(dòng)力、碰撞力和電磁力等)的作用,此外,還要承受高溫含氟煙氣和一定量水蒸氣的腐蝕。因此,陽極鋼爪橫梁下表面分層剝落的原因也很復(fù)雜。下文就鋼爪鑄造所用爐料、鋼爪服役環(huán)境和使用過程中受力情況幾個(gè)方面進(jìn)行初步分析。

(1)鑄造陽極鋼爪所用爐料

通常,在陽極鋼爪鑄造時(shí),爐料應(yīng)以機(jī)械加工剩余的低碳鋼邊角料為主,為了降低生產(chǎn)成本并充分利用庫存的回收廢料,可以添加一定比例的廢舊鋼爪或澆冒口回爐料。但是,回爐料的比例應(yīng)控制在15%~20%,若比例過高,則會(huì)因?yàn)闋t料的遺傳性(冶金遺傳和組織遺傳)對(duì)產(chǎn)品性能產(chǎn)生影響。在熔煉過程中,根據(jù)爐前分析結(jié)果和成分要求,調(diào)整C、Si元素含量。

由剝落物分析結(jié)果可以看出,F(xiàn)含量高達(dá)30.2%,Na含量高達(dá)20.8%,S含量高達(dá)0.402%。這說明在鋼爪熔煉鑄造過程中,使用的廢舊鋼爪回爐料比例過高或全部使用了廢舊鋼爪回爐料。因?yàn)?,只有長期并反復(fù)使用的鋼爪,才能在鑄造后在產(chǎn)品中分析出如此高的氟含量,使用時(shí)間短或者循環(huán)次數(shù)少的爐料不可能達(dá)到如此高的含氟量。另外,20.8%的Na含量和0.402%的S含量也說明了這一現(xiàn)象。因?yàn)镚B/T11352—1989中規(guī)定的S含量?jī)H為0.04%,要達(dá)到0.4%的硫含量,并不是短時(shí)間、幾次熔煉可以累積到如此高的含量。高Na含量也是同樣的道理。

(2)爐料組織遺傳性的影響

陽極鋼爪的工作條件決定了廢舊鋼爪回爐料存在晶粒粗大的組織遺傳性。眾所周知,從陽極安裝到電解槽上一直到作為殘極被新陽極置換下來,要大約30天的時(shí)間。這期間,陽極由常溫(大約20 ℃)開始升溫。當(dāng)電解槽工作正常后,浸入電解質(zhì)的陽極下部溫度與電解質(zhì)之間達(dá)成了溫度平衡,也就是說,這一部分的陽極溫度和電解質(zhì)溫度相同,大約在590~960 ℃。由此向上,陽極的溫度之間降低,在陽極內(nèi)部形成一個(gè)自下而上逐漸減小的溫度梯度。但是,由于陽極保溫料的作用,鋼爪橫梁以下被保溫料掩埋的陽極上部溫度達(dá)到400~500 ℃,這一溫度一直將持續(xù)到換極。眾所周知,對(duì)金屬長期緩慢加熱,會(huì)導(dǎo)致金屬內(nèi)部結(jié)晶組織發(fā)生變化,也就是會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶晶粒長大,在合金內(nèi)部存在粗大的晶粒組織,而粗大晶粒組織的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致合金強(qiáng)度的大幅下降。當(dāng)再次或多次熔化這種回爐料是,由于金屬的組織遺傳性,所鑄造產(chǎn)品一定是具有粗大晶的粒組織,而且隨之重熔次數(shù)的增多,這種組織遺傳性愈來愈嚴(yán)重。

由于粗大組織的不均勻性,在陽極鋼爪受熱時(shí),必定會(huì)在鋼爪內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中。而應(yīng)力集中對(duì)于已經(jīng)吸收了大量氟的鋼爪橫梁表面的作用,就會(huì)導(dǎo)致已經(jīng)遭受腐蝕和氧化的橫梁底表面分層剝落。如果陽極鋼爪周期性處于這樣的環(huán)境中,那么這種腐蝕和剝落也會(huì)反復(fù)進(jìn)行下去,直至橫梁失去其應(yīng)有的功能。

(3)環(huán)境濕度的影響

在生活的環(huán)境空氣中,都含有一定量的水分。根據(jù)地區(qū)的不同,空氣中的水分含量也不同。有的地方空氣濕度大,有的地方空氣濕度小。正是由于空氣濕度的存在,電解槽砌筑、焙燒、啟動(dòng)以及正常生產(chǎn)中使用的原材料中都會(huì)吸收一定的水分。安裝在電解槽中的石墨、半石墨或石墨化陰極炭塊中含有水分,懸掛在電解槽上的陽極炭塊中含有水分,焦粒焙燒所使用的焦粒中含有水分,陽極覆蓋料中同樣有水分。分析這幾種材料的結(jié)構(gòu),無一例外它們都是多孔碳材料。在環(huán)境空氣中,這些多孔碳材料所吸收的水分與環(huán)境空氣濕度達(dá)成了一種濕度平衡。

當(dāng)這些材料在電解槽中加熱并達(dá)到100 ℃以上時(shí),吸附在碳材料孔隙中的水分就會(huì)變成水蒸氣,由下向上從孔洞、縫隙中逸出。當(dāng)水蒸氣與鋼爪橫梁底表面相遇時(shí),由于橫梁內(nèi)積聚了大量的氟離子,就會(huì)生成極具腐蝕性的氫氟酸(HF),氫氟酸與鐵反應(yīng),生成氟化鐵和氫氣。

同時(shí),由于鋼爪橫梁長期處于較高的溫度下,也會(huì)與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)生成Fe2O3:

由此可見,氫氟酸和氧氣的共同作用,加速了鋼爪橫梁的腐蝕。

(4)鋼爪受力的影響

當(dāng)鋼爪受到腐蝕時(shí),當(dāng)受到力(振動(dòng)、碰撞或變形應(yīng)力)的作用時(shí),一旦這種力超過FeF2和Fe2O3對(duì)鑄鋼橫梁本體的粘附力時(shí),F(xiàn)eF2和Fe2O3就會(huì)外力和自身重力的作用下,脫離橫梁本體,掉落在陽極覆蓋料上。

5 控制陽極鋼爪橫梁底表面分層剝落的途徑

以上分析了產(chǎn)生陽極鋼爪橫梁下表面分層剝落的主要原因,那么,從理論上講要控制分層剝落就必須從鋼爪鑄造原材料、電解槽焙燒啟動(dòng)用原材料、環(huán)境水分變化以及陽極使用過程中的鋼爪保護(hù)等方面入手。然而,在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中,除了鑄造原料以外,其他因素如焙燒啟動(dòng)用原材料(陽極、陰極等)、環(huán)境水分的控制是難以實(shí)現(xiàn)的,而且,目前關(guān)于陽極使用過程中鋼爪橫梁的保護(hù)措施如涂刷防腐蝕涂料尚未看到相關(guān)報(bào)道。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,能夠?qū)崿F(xiàn)且操作性強(qiáng)的措施就是通過合理搭配鋼爪鑄造用原材料的方法來控制鋼爪橫梁的腐蝕,減緩橫梁下表面的分層剝落問題。

首先,對(duì)鑄造過程中使用的廢舊鋼爪回爐料進(jìn)行拋丸處理,通過高速噴射鋼砂產(chǎn)生的巨大力量撞擊附著在鋼爪橫梁上的FeF2和Fe2O3,使其脫離回爐料本體,改善鋼爪回爐的清潔度,從而降低回爐料中的含氟量和含氧量;

其次,合理搭配爐料中新料與回爐料的比例,通過控制回爐料比例實(shí)現(xiàn)含氟量的控制。通常,以新料(低碳鋼邊角料)80%~85%+廢舊鋼爪回爐料15%~20%構(gòu)成新鋼爪的鑄造用爐料比較妥當(dāng)。這樣,不但可使鋼液中的含氟量控制在較低的水平,而且對(duì)于解決爐料遺傳性對(duì)陽極鋼爪使用性能的影響也是極為有利的。

6 結(jié)語

作為預(yù)焙陽極炭塊組裝的重要組成部分,陽極鋼爪橫梁對(duì)預(yù)焙陽極的使用性能有著重要的影響。陽極鋼爪的的質(zhì)量不僅影響原鋁的質(zhì)量和電解槽運(yùn)行過程中對(duì)槽況的判斷,而且其壽命的長短也在一定程度上影響原鋁成本。因此,研究探討陽極鋼爪的生產(chǎn)工藝、改善陽極鋼爪的質(zhì)量、提高其使用性能并延長其使用壽命,對(duì)于高效、低成本鋁電解過程有著重要意義。

[1] 任必軍,王兆文,石忠寧,班允剛,邱竹賢.大型鋁電解槽陽極開槽試驗(yàn)的研究[J].礦冶工程,2007,(3):61-63.

[2] 王從曾,趙天德,賈柏林,陳景龍,解世岳.提高陽極鋼爪導(dǎo)電性能的途徑[J].輕金屬,2002,(10):37-39.

ReasonAnalysisonLayeredPeelingoffoftheAnodicStubBottomSurfaceforPrebakedElectrolysingCell

LIU Min-zhang,LI Xian
(Technology Center, Qinghai Qiaotou Aluminium & Power Co., Ltd. Xining 810100, China)

The article briefly introduces fabrication process of anodic stub, analyses hazard and reasons of layered peeling off of the stub beams bottom surface, and proposes some measures to avoid layered peeling off.

prebaked electrolysing cell; anodic stub; beam; corrosion; layered peeling off

2014-02-21

劉民章(1961-),男,陜西大荔人,高級(jí)工程師,大學(xué)本科,主要從事鋁加工工藝技術(shù)研究,現(xiàn)任青海橋頭鋁電股份有限公司鋁加工研發(fā)工程師。

李賢(1980-),男,青海民和人,工程師,大學(xué)本科,主要從事鋁電解工藝技術(shù)研發(fā)工作,現(xiàn)為青海橋頭鋁電股份有限公司技術(shù)中心鋁電解研發(fā)工程師。

TF821

B

1003-8884(2014)04-0008-04

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