劉民章 田 偉 李 賢

(青海橋頭鋁電股份有限公司， 青海 西寧 810100)

0 前言

鑄鐵是工業(yè)生產(chǎn)中應用最為廣泛的一種鑄造金屬材料。在一般機械制造、冶金礦山、石油化工、交通運輸和國防工業(yè)各部門中，鑄鐵件約占整個機器(機械)重量的45%～90%[1-3]。鑄鐵之所以獲得廣泛的應用和發(fā)展，因為其作為機械制造用的材料，具有其他金屬材料所不及的優(yōu)良性能，如生產(chǎn)成本低、鑄造性能好、便于切削加工、減振性及耐磨性好、缺口敏感性低以及良好的熱處理性能。基于這些特點，在目前以鋁代鐵的情況下，許多行業(yè)仍然對鑄鐵材料的研究方興未艾。鑄鐵是以鐵為基礎的鐵基合金，可為分白口鑄鐵、灰鑄鐵麻口鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵[4]。其中，應用最為廣泛的是灰鑄鐵和球墨鑄鐵。

在鋁電解企業(yè)，鑄鐵材料也有一些應用。然而，迄今為止，國內(nèi)外關于鋁電解過程中鑄鐵材料應用研究的報道并不多見。因此，了解掌握鑄鐵材料在鋁電解各環(huán)節(jié)中的應用及其對于電解各環(huán)節(jié)的影響十分重要。本文根據(jù)目前鋁電解、重熔鋁錠鑄造過程中鑄鐵材料的應用情況，分析了鑄鐵材料的應用原理，并就鑄鐵材料在鋁電解企業(yè)的應用提出一些參考建議。

1 鑄鐵材料在鋁電解企業(yè)的應用現(xiàn)狀

通過對河南中孚、山東茌平、青海鋁業(yè)等鋁電解企業(yè)進行調(diào)研，詳細了解了鑄鐵材料的應用情況。目前鋁電解企業(yè)主要在真空抬包的吸鋁管、重熔鋁錠鑄造生產(chǎn)中所使用的鑄模、鋁液攪拌車的扒渣板、預焙陽極與陽極鋼爪連接處的磷鐵環(huán)、陰極碳塊與陰極鋼棒之間的間隙密封等環(huán)節(jié)應用鑄鐵材料。

1.1 真空抬包的吸鋁管

吸鋁管是真空抬包的重要組成部分。當鋁電解槽中的鋁液達到一定高度時，就必須在壓縮空氣作用下將電解槽中的鋁液抽至真空抬包中。在這個過程中，真空抬包的吸鋁管通過電解質(zhì)熔體插入鋁液中，不僅要承受高溫鋁液的熱沖擊和鋁液流動對吸鋁管內(nèi)壁的沖刷，而且要承受鋁液、電解質(zhì)對管壁的腐蝕(電解質(zhì)、鋁液中含有一定濃度的氟離子)。就這一點而言，吸鋁管的使用環(huán)境可以概括為高溫(約950 ℃)、腐蝕性(氟離子腐蝕)和流動沖刷。

1.2 重熔鋁錠鑄造生產(chǎn)中使用的鑄模

鑄模是鑄造生產(chǎn)線上重熔鋁錠鑄造成型的模具，高溫鋁液經(jīng)溜槽、船型澆包、鋁液分配器至鑄模，在循環(huán)水的冷卻下，鋁錠凝固成型。重熔鋁錠鑄造過程中鑄模首先要承受高溫鋁液帶來的熱沖擊，還要承受具有一定流速鋁液的沖刷，此外，隨著鑄造機運行，還要承受周期性的冷卻- 加熱- 再加熱- 再冷卻過程。就重熔鋁錠鑄造的特點而言，鑄模一直工作在周而復始的冷卻與加熱的熱疲勞狀態(tài)中。

1.3 鋁液攪拌車的扒渣板

眾所周知，由電解槽內(nèi)吸出的高溫鋁液要轉(zhuǎn)化為鋁產(chǎn)品，其主要途徑是將鋁液轉(zhuǎn)注到混合爐或熔煉爐內(nèi)，經(jīng)過熔煉、精煉、在線處理和鑄造(或鑄軋)轉(zhuǎn)變?yōu)橹厝垆X錠、鋁合金扁錠或鑄軋卷。無論加工成何種產(chǎn)品，都要在爐內(nèi)進行熔體攪拌和扒渣處理，將漂浮在熔體表面的浮渣除去。而扒渣板就是用來除去熔體表面浮渣的專用機械器具。通過扒渣板在熔體內(nèi)的升降和往復移動實現(xiàn)對熔體的攪拌和扒渣。根據(jù)扒渣板在鋁液中的運動形式可以看出，扒渣板不僅要受到高溫鋁液的浸蝕和流動鋁液的沖刷，而且要承受周期性熱沖擊。因為每隔幾個小時扒渣板要經(jīng)歷一次高溫到室溫的熱沖擊，尤其在冬季這種熱沖擊非常明顯。

1.4 預焙陽極與陽極鋼爪連接處的磷鐵環(huán)

鋁電解槽用的陽極由陽極導桿、鋼爪、預焙陽極炭塊組成，而且預焙陽極炭塊必須與陽極導桿連接在一起才能應用在鋁電解槽上。陽極導桿與鋼爪之間通過焊接進行連接，陽極炭塊和陽極導桿的連接方法是將高溫鑄鐵熔液澆注到鋼爪頭和陽極鋼爪孔之間的間隙中，這個間隙的尺寸通常為8～10 mm。在鋁電解槽中，用鑄鐵澆注組裝的預焙陽極炭塊通過再次受熱(吸收由電解質(zhì)中傳遞的熱量)，鑄鐵基體中的石墨產(chǎn)生膨脹，使得陽極組裝過程中所澆注的鑄鐵產(chǎn)生膨脹，這種受熱膨脹能夠有效減小由于高溫鑄鐵冷卻凝固在陽極孔和鑄鐵環(huán)之間產(chǎn)生的間隙，從而使得鑄鐵環(huán)與陽極炭塊之間的接觸壓力增加，達到二者之間的良好接觸，最終實現(xiàn)降低陽極鋼爪、鑄鐵環(huán)、陽極炭塊連接壓降的目的。

1.5 使用鑄鐵密封陰極碳塊與陰極鋼棒之間的間隙

在鋁電解企業(yè)生產(chǎn)過程中，鑄鐵材料除了上述幾方面的應用外，還可以代替陰極鋼棒糊(包括熱搗糊和冷搗糊)用于密封陰極碳塊與陰極鋼棒之間的間隙[5]。

傳統(tǒng)電解槽陰極炭塊與陰極鋼棒的密封，是將用炭骨料和瀝青調(diào)制的熱搗糊和冷搗糊人工填充到鋼棒與陰極塊的兩側間隙中(每側間隙大約10 mm)，通過人工搗實，使陰極炭塊、陰極鋼棒及陰極鋼棒糊緊密接觸形成一個整體的電導體[6]。使用熱搗糊時，需要對鋼棒、炭塊以及糊料進行加熱才能填充搗實。當溫度超過200 ℃時，糊料中的瀝青揮發(fā)分大量排出，導致糊料骨料間產(chǎn)生大量孔洞，引起局部結構疏松、孔隙度增加，糊料與炭塊間的接觸壓力減小，導致陰極鋼棒與陰極炭塊的接觸壓降增加[7]，而且加劇了生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境的污染，影響電解車間操作工人的健康。

隨著鋁電解技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)階段鋁電解企業(yè)逐步試驗應用鑄鐵密封陰極炭塊與陰極鋼棒，該密封方法解決了陰極鋼棒糊料密封的電解槽焙燒啟動過程中存在的上述問題，并且有效保持兩者在電解槽運行過程中的接觸壓力，降低接觸壓降。

2 鋁電解企業(yè)鑄鐵材質(zhì)的選擇

不同的鑄鐵材料所具有的材料特性和結構特點不同，所以，在鋁電解企業(yè)生產(chǎn)過程中，應根據(jù)需要使用鑄鐵材料的環(huán)節(jié)所面臨的使用環(huán)境，選擇適合的鑄鐵材料。

2.1 吸鋁管、鑄模和扒渣板鑄鐵材質(zhì)的選擇

2.1.1 使用環(huán)境

吸鋁管、鑄模和扒渣板的使用環(huán)境基本相同： 使用溫度范圍是720～900 ℃；相對鋁液都是動態(tài)的，要承受高溫鋁液的沖刷和浸蝕；都是周期性使用；都要經(jīng)歷周期性熱沖擊。其中最重要的是流動鋁液對鑄鐵材料的腐蝕。

2.1.2 不同鑄鐵材質(zhì)的耐腐蝕性

Sidhu M S 等人[8]研究了灰鑄鐵、鑄鋼和球墨鑄鐵在靜態(tài)和動態(tài)鋁液中的腐蝕速度，結果表明：

1)靜態(tài)腐蝕(鋁液流動速度等于0)。當鋁液溫度為850 ℃時，球墨鑄鐵的溶解速度比灰鑄鐵大約快13%，鑄鋼溶解大約比灰鑄鐵快3倍；當鋁液溫度為950 ℃時，灰鑄鐵的溶解速度是鋁液溫度為850 ℃時的2倍，同時鑄鋼和球墨鑄鐵的溶解速度也大約增加了3倍。即在靜態(tài)條件下，隨著鋁液溫度的提高，灰鑄鐵溶解速度受到的影響最小。

2)動態(tài)腐蝕(鋁液具有一定流動速度)。鋁液溫度為850 ℃、速度由靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)(0.48 m/s)時，球墨鑄鐵的溶解速度比灰鑄鐵高2倍，鑄鋼的溶解速度比灰鑄鐵高12.5倍；當速度由0.48 m/s提高到0.68m /s時，鑄鐵的溶解速度也大幅提高，但灰鑄鐵受到的影響最小。在鋁液溫度為950 ℃，鋁液流速相同時，3種鑄鐵顯示了同850 ℃類似的趨勢，而且溶解速度稍微提高，鑄鋼試樣幾乎完全浸蝕。

綜上所述，灰鑄鐵的耐腐蝕性最好，球墨鑄鐵次之，鑄鋼的耐腐蝕性最差。這是由3種鐵基合金的微觀組織(圖1)決定的：灰鑄鐵試樣有分布于珠光體基體中的石墨片，珠光體基體中含有6%～8%的滲碳體；球墨鑄鐵試樣中的含碳量稍高于灰鑄鐵，球狀石墨分布在鐵素體- 珠光體基體中；鑄鋼試樣是以鉬、鉻為主要合金元素的低碳鋼，其基體以鐵素體為主，還有一些貝氏體?；诣T鐵溶解比球墨鑄鐵慢得多，這種差別可以用在3種材質(zhì)中灰鑄鐵的鐵素體分數(shù)最低的事實來解釋，因為在鋁液中鐵素體比珠光體、滲碳體或石墨溶解的更快。此外，灰鑄鐵有著相互連接的石墨片網(wǎng)絡，與球墨鑄鐵中的球狀石墨相比，難以由基體中退出。所以，灰鑄鐵具有分布在珠光體和滲碳體基體中片狀石墨的額外優(yōu)勢。

圖1 鐵基合金的微觀組織

結合鋁電解企業(yè)吸鋁管、鑄模和扒渣板的使用環(huán)境與灰鑄鐵、鑄鋼和球墨鑄鐵的材質(zhì)結構，最終選用的鑄鐵材料為灰鑄鐵。

2.2 預焙陽極與陽極鋼爪連接處鑄鐵材質(zhì)的選擇

鋁電解企業(yè)使用含磷灰鑄鐵連接陽極鋼爪和陽極炭塊，這是利用了亞共晶含磷灰鑄鐵在陽極鋼爪孔中凝固所發(fā)揮的機械、熱以及電連接作用。

Nofal A等人[9]研究了不同碳當量CE(3.9、4.3和4.5)鑄鐵對鋼爪-陽極連接處電壓降的影響，發(fā)現(xiàn)決定鑄鐵與陽極界面電壓降的不是接觸表面，而是接觸壓力。接觸壓力在很大程度上取決于較高碳當量鑄鐵共晶反應期間石墨析出引起的凝固膨脹。在一定程度上，也是由較低碳當量值鑄鐵環(huán)加熱期間碳化物分解引起的膨脹力決定的。因此，要使得運行狀態(tài)下陽極鋼爪、鑄鐵環(huán)、陽極炭塊之間保持較高的接觸壓力(低接觸壓降)，陽極組裝用生鐵應當為亞共晶鑄鐵，即碳當量小于4.3(共晶成分)。因為，在預焙陽極工作條件下，亞共晶鑄鐵組織中的萊氏體析出發(fā)生石墨化相變，顯示出了更大的體積膨脹(≈300%)，從而使得陽極鋼爪、鑄鐵環(huán)、陽極炭塊之間保持較高的接觸壓力，達到降低接觸電阻的目的。

2.3 陰極鋼棒和陰極炭塊間隙密封鑄鐵材質(zhì)的選擇

用于密封陰極鋼棒和陰極炭塊之間間隙的鑄鐵材質(zhì)的選擇原理與用于連接陽極鋼爪、陽極炭塊之間間隙的鑄鐵相同。

3 結束語

鋁電解企業(yè)生產(chǎn)過程中，要在充分了解、掌握和分析鑄鐵部件使用環(huán)境的前提下，正確選擇和使用

鑄鐵材料。對于在鋁液溫度較高、流動條件下的用途，如吸鋁管、鑄模和扒渣板，選擇使用灰鑄鐵較為合適；而對于需要在工作條件下產(chǎn)生相對大接觸壓力和相對小接觸壓降的用途，如連接陽極炭塊與陽極鋼爪的鑄鐵環(huán)、密封陰極碳塊與陰極鋼棒之間間隙的鑄鐵密封，選擇亞共晶含磷灰鑄鐵較為合適。只有這樣，才能充分利用各種鑄鐵材料的固有性能，并使得其在工作環(huán)境中發(fā)揮更好的效能，體現(xiàn)出較低的使用成本和較高的經(jīng)濟效益。