陳金輝,劉銘恩,李廣彬,王 旋

(1.廣西百礦鋁業(yè)有限公司,廣西 百色 533000；2.沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110001)

鑄鐵澆鑄陰極是指陰極鋼棒與陰極炭塊通過(guò)澆鑄液態(tài)熔融鐵水連接的陰極組。澆鑄陰極有助于降低電解槽陰極壓降,降低電解槽電壓[3-4]。鑄鐵澆鑄陰極的陰極壓降(CVD)主要由以下五部分構(gòu)成:鋼棒壓降、陰極炭塊與鋼棒的接觸壓降、陰極炭塊壓降、陰極炭塊與鋁液之間的接觸壓降、金屬鋁的壓降[1],其中金屬鋁的壓降和陰極炭塊與鋁液之間的接觸壓降非常小[2],因此,陰極鋼棒與陰極炭塊的接觸壓降將直接影響陰極壓降。在實(shí)際澆鑄過(guò)程中,澆鑄陰極的澆鑄質(zhì)量與陰極炭塊的材質(zhì)、鑄鐵的成分、澆鑄過(guò)程的工藝參數(shù)、炭塊及鋼棒預(yù)熱的溫度及分布、澆鑄的順序等因素密切相關(guān)[5],澆鑄后的陰極組質(zhì)量表征目前暫無(wú)非常明確的指標(biāo)或參數(shù),本文通過(guò)分析項(xiàng)目A、項(xiàng)目B兩個(gè)500 kA電解系列的鑄鐵澆鑄陰極的常溫鐵碳?jí)航导皩?shí)測(cè)爐底壓降,判斷兩者的相關(guān)性,分析影響澆鑄陰極常溫鐵碳?jí)航档闹饕蛩丶捌鋵?duì)爐底壓降的影響關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 常溫鐵碳?jí)航禍y(cè)試設(shè)備及測(cè)試方法

測(cè)試設(shè)備:鐵碳?jí)航禍y(cè)試儀。

測(cè)試方法:陰極組澆鑄后冷卻至室溫(25 ℃),測(cè)試時(shí)將澆鑄面陰極炭塊中間位置和陰極鋼棒端面(1#～4#鋼棒)作為測(cè)試點(diǎn),分別與鐵碳?jí)航禍y(cè)試儀的正負(fù)極連接,連接后打開(kāi)鐵碳?jí)航禍y(cè)試儀電源,此時(shí)陰極組兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)之間通過(guò)200 A的直流電流,測(cè)量過(guò)程中炭塊中間的連接點(diǎn)保持不變,僅調(diào)整與陰極鋼棒的連接點(diǎn)位置,按照陰極鋼棒從1#～4#的順序依此進(jìn)行測(cè)量,記錄電壓測(cè)量值。圖1 為陰極炭塊組常溫鐵碳?jí)航禍y(cè)試示意圖。

圖1 常溫鐵碳?jí)航禍y(cè)量示意圖

1.2 爐底壓降測(cè)試設(shè)備及測(cè)量方法

測(cè)試設(shè)備:數(shù)字萬(wàn)用表,鋼釬,連接導(dǎo)線等。

測(cè)試方法:測(cè)試前先將一端與鋼釬連接,另一端與數(shù)字萬(wàn)用表正負(fù)極連接。在電解槽正常生產(chǎn)條件下,將其中一個(gè)鋼釬插入電解槽內(nèi)的液態(tài)鋁液中,另一個(gè)鋼釬接至與該陰極對(duì)應(yīng)的陰極軟帶與爆炸焊塊的連接處,讀取萬(wàn)用表顯示電壓值,并記錄電壓測(cè)量值。圖2為電解槽爐底壓降測(cè)量示意圖。

圖2 電解槽爐底壓降測(cè)量示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 澆鑄陰極材料及澆鑄工藝參數(shù)

項(xiàng)目A、項(xiàng)目B兩個(gè)鋁廠的陰極炭塊及陰極鋼棒的設(shè)計(jì)尺寸相同,分別對(duì)兩個(gè)鋁廠的陰極澆鑄過(guò)程進(jìn)行了跟蹤記錄,兩個(gè)澆鑄現(xiàn)場(chǎng)采用相同的預(yù)組裝工藝,均采用燃?xì)忸A(yù)熱爐進(jìn)行鋼棒及炭塊的預(yù)熱,每爐次加熱兩組陰極組,加熱方式為多點(diǎn)加熱。澆鑄過(guò)程中單個(gè)鋼棒槽一次澆鑄完成,兩組陰極共8個(gè)鋼棒槽依此澆鑄,澆鑄順序相同。澆鑄后冷卻方式均為空冷。兩個(gè)鋁廠的其他澆鑄過(guò)程參數(shù)及鑄鐵成分分別如表1及表2所示,陰極鋼棒成分及陰極炭塊電阻率分別如表3、表4所示。

表1 鑄鐵澆鑄參數(shù)對(duì)比

表2 兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的鑄鐵成分對(duì)比 %

表3 兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的陰極鋼棒成分對(duì)比 %

表4 兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的陰極炭塊電阻率對(duì)比 Ω·mm2/m

2.2 常溫鐵碳?jí)航禍y(cè)量結(jié)果對(duì)比分析

待澆鑄后陰極冷卻至室溫(～25 ℃),分別測(cè)量統(tǒng)計(jì)了兩個(gè)500 kA電解系列的澆鑄后陰極炭塊組的常溫鐵碳?jí)航?每組陰極組的鐵碳?jí)航抵禐樗膫€(gè)鋼棒位置測(cè)量值的平均值。其中項(xiàng)目A統(tǒng)計(jì)的陰極組數(shù)量為1440組,項(xiàng)目B統(tǒng)計(jì)的陰極組數(shù)量為1920組。圖3、圖4分別給出了兩個(gè)澆鑄現(xiàn)場(chǎng)澆鑄后陰極炭塊組的鐵碳?jí)航捣植紝?duì)比圖及箱線圖。

從圖3可以看出項(xiàng)目A陰極炭塊組的鐵碳?jí)航抵饕植荚?0～60 mV,該區(qū)間的比例約占到總量的85.1%,小于40 mV的比例約占3.5%,剩余的比例約11.4%的陰極組壓降在60～90 mV。

圖3 常溫鐵碳?jí)航捣植紝?duì)比圖

項(xiàng)目B陰極炭塊組的鐵碳?jí)航抵饕植荚?0～120 mV,該區(qū)間的比例約占到總量的84.4%,小于60 mV的比例約占4.5%,約10%的陰極組壓降在120～200 mV,約1.1%的陰極炭塊組壓降在200 mV以上。

圖4給出了兩個(gè)項(xiàng)目陰極炭塊組的鐵碳?jí)航捣植枷渚€圖,項(xiàng)目A陰極炭塊組的鐵碳?jí)航抵形粩?shù)約50 mV,項(xiàng)目B陰極炭塊組的鐵碳?jí)航抵形粩?shù)約90 mV,約是項(xiàng)目A陰極炭塊組鐵碳?jí)航档?.8倍。

圖4 陰極炭塊組鐵碳?jí)航迪渚€圖

由于陰極炭塊材質(zhì)、陰極鋼棒及鑄鐵成分、預(yù)熱溫度等因素的不同,兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)陰極組常溫鐵碳?jí)航荡嬖谝欢ú顒e, A現(xiàn)場(chǎng)的澆鑄陰極常溫鐵碳?jí)航得黠@低于B現(xiàn)場(chǎng)的壓降值。

2.3 電解槽爐底壓降對(duì)比分析

澆鑄后的陰極組經(jīng)過(guò)搗打料填充、糊料填充、錨固件焊接、防滲澆注料澆注等工序后,完成成品陰極組的組裝。同時(shí)每組陰極組根據(jù)常溫鐵碳?jí)航档臏y(cè)量結(jié)果進(jìn)行編號(hào),電解槽筑爐時(shí)將鐵碳?jí)航抵到咏年帢O組安裝在同一臺(tái)電解槽中,在同一電解槽內(nèi),壓降小的陰極組放在電解槽兩端。電解槽筑爐結(jié)束并完成上部結(jié)構(gòu)及母線的安裝,經(jīng)通電焙燒啟動(dòng)并穩(wěn)定正常生產(chǎn)后,測(cè)量電解槽爐底壓降并記錄。兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的系列運(yùn)行電流均為500 kA,爐底壓降測(cè)量時(shí)間為啟動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行三個(gè)月。

圖5、圖6分別為項(xiàng)目A及項(xiàng)目B的電解槽爐底壓降分布對(duì)比圖及箱線圖,兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的電解槽爐底壓降分布規(guī)律基本接近。項(xiàng)目A電解槽爐底壓降主要分布在210～260 mV,占比達(dá)到91.7%,其余分布在260 mV以上。項(xiàng)目B電解槽爐底壓降主要分布在210～260 mV,占比達(dá)到89.1%,其余主要分布在260 mV以上。

圖5 電解槽爐底壓降分布對(duì)比圖

圖6 電解槽爐底壓降箱線圖

項(xiàng)目B爐底壓降統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上下邊緣值略高于項(xiàng)目A爐底壓降上下邊緣值。兩個(gè)項(xiàng)目電解槽平均爐底壓降分別為234 mV、236 mV。

從爐底壓降測(cè)量結(jié)果可以看出兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的爐底壓降的分布規(guī)律基本類似,平均值基本相同,并未呈現(xiàn)出明顯的差別。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

從圖1～圖6的鑄鐵澆鑄陰極的常溫鐵碳?jí)航蹬c電解槽爐底壓降分布可以看出,項(xiàng)目B陰極炭塊組的鐵碳?jí)航稻导s為項(xiàng)目A陰極炭塊組常溫鐵碳?jí)航?倍,而投產(chǎn)后的電解槽爐底壓降分布二者接近,均值基本相同。由此可見(jiàn),陰極炭塊組常溫鐵碳?jí)航蹬c生產(chǎn)中的爐底壓降未呈現(xiàn)明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。即在常溫鐵碳?jí)航递^高的情況下,在電解槽的投產(chǎn)運(yùn)行后并未呈現(xiàn)高爐底壓降。

兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的陰極炭塊組的結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)尺寸規(guī)格均相同,主要區(qū)別為陰極炭塊、陰極鋼棒材質(zhì)、鑄鐵成分的不同以及炭塊和鋼棒預(yù)熱溫度的不同,常溫鐵碳?jí)航导盃t底壓降均為上述因素綜合影響的結(jié)果。項(xiàng)目B采用高石墨質(zhì)陰極炭塊,其常溫電阻率(20 ℃)及高溫電阻率(1000 ℃)較項(xiàng)目A陰極炭塊的電阻率均要低,二者的常溫電阻率差異約在6.8%左右,高溫電阻率(1000 ℃)差異約在14.7%左右。項(xiàng)目A陰極鋼棒的電阻率要高于項(xiàng)目B陰極鋼棒的電阻率,二者差異約在23%左右。即從材料性能方面,項(xiàng)目B所使用陰極炭塊及陰極鋼棒較項(xiàng)目A均具有更好的導(dǎo)電性。

鑄鐵澆鑄陰極生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)高溫生產(chǎn)過(guò)程,而常溫鐵碳?jí)航禐槔鋺B(tài)下的測(cè)量結(jié)果,澆鑄后的鑄鐵與鋼棒及炭塊間由于熱脹冷縮的原因通常會(huì)出現(xiàn)一定間隙,由于兩個(gè)項(xiàng)目的鑄鐵成分以及預(yù)熱溫度的不同,項(xiàng)目A陰極炭塊與陰極鋼棒之間填充鑄鐵后的鑄鐵壓降及其與鋼棒及炭塊之間的接觸壓降較項(xiàng)目B要低,最終項(xiàng)目A陰極組常溫鐵碳?jí)航递^項(xiàng)目B要低。而成品陰極炭塊組進(jìn)入電解槽后的生產(chǎn)溫度將達(dá)到900 ℃以上,陰極炭塊、鋼棒及鑄鐵又會(huì)發(fā)生膨脹,彼此之間將充分接觸,此時(shí)兩個(gè)項(xiàng)目的爐底壓降基本相同,在生產(chǎn)的高溫環(huán)境下,項(xiàng)目A的陰極炭塊組的接觸壓降部分升高的較項(xiàng)目B更大,導(dǎo)致兩個(gè)項(xiàng)目最終的爐底壓降基本接近。

4 結(jié) 論

(1)項(xiàng)目A陰極炭塊組的鐵碳?jí)航抵饕植荚?0～60 mV,爐底壓降主要分布在210～250 mV。項(xiàng)目B陰極炭塊組的鐵碳?jí)航抵饕植荚?0～120 mV,電解槽爐底壓降主要分布在210～260 mV。常溫鐵碳?jí)航岛蜕a(chǎn)狀態(tài)下的爐底壓降并無(wú)明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2)項(xiàng)目B所使用陰極炭塊及陰極鋼棒較項(xiàng)目A均具有更好的導(dǎo)電性,而項(xiàng)目B陰極組常溫鐵碳?jí)航递^項(xiàng)目A要高,即項(xiàng)目A陰極炭塊與陰極鋼棒之間填充鑄鐵后的鑄鐵壓降及其與鋼棒及炭塊之間的接觸壓降較項(xiàng)目B要低。隨著溫度所升高,項(xiàng)目B的鑄鐵壓降及其與陰極鋼棒與陰極炭塊之間的接觸壓降較項(xiàng)目A升高小,最終兩個(gè)項(xiàng)目爐底壓降分布基本相同。

(3)陰極澆鑄過(guò)程中陰極炭塊及鋼棒的預(yù)熱溫度、加熱速度、陰極炭塊保溫的時(shí)間、鑄鐵的成分、澆鑄溫度等每個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制都將影響最終澆鑄質(zhì)量,而澆鑄質(zhì)量的好壞主要體現(xiàn)在炭塊是否出現(xiàn)裂紋、鋼棒是否變形等方面,并不能體現(xiàn)在冷態(tài)下的鐵碳?jí)航档母叩汀?/p>

(4)陰極鋼棒-鑄鐵-陰極炭塊兩兩之間的接觸壓降受到材料成分、尺寸、形狀以及預(yù)熱溫度等諸多因素的影響,且焙燒啟動(dòng)后的爐底壓降也受到多方面生產(chǎn)因素的影響,因此上述數(shù)據(jù)采集的不確定性,不同鋁廠數(shù)據(jù)的可比性等也存在深入探討的空間,下一步將通過(guò)模擬仿真、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)跟蹤、分析更多鋁廠數(shù)據(jù)等方式對(duì)相互之間的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步分析研究。