磨具制造电解铝生产实践中脱极化爪问题的探索
吕玲洁;闫太网;邵鼎华
【期刊名称】《世界有金属》
【年(卷),期】2014(000)008
电力电子电容器【总页数】4页(P43-46)
【作 者】吕玲洁;闫太网;邵鼎华
【作者单位】山西华圣铝业有限公司;山西华圣铝业有限公司;山西华圣铝业有限公司
【正文语种】中 文
本文从阳极的维修、材质材型、阳极质量、组装质量以及工艺条件等方面阐述了造成阳极脱极化爪的问题，并提出解决措施，旨在改善阳极使用的稳定性，进一步降低成本，确保电解生产的正常有序进行。
炭阳极是铝电解槽重要的组成部分，阳极的消耗占吨铝总成本的8%～12%。因此，对于阳极的研究是不容忽视的。在近年来的铝电解生产实践中，许多电解铝厂家因组装、维修质量不达标和技术条件不稳定等因素，出现了大面积的阳极化爪、脱极的问题，原铝质量大幅度下降，生产运行不正常，钢爪损坏严重，导致钢爪消耗和阳极毛耗及电耗上升，生产成本随之升高，给电解铝生产造成了严重影响。 本文结合实际生产所遇到的问题，对阳极的化爪、脱极的问题进行研究，旨在改善阳极使用的稳定性，确保电解生产的正常有序进行。
阳极化爪的主要因素为焊接质量问题。电解铝用阳极组分为炭块和导杆组，导杆组由上至下的组成部分分别为：铝制导杆、爆炸焊块、钢爪组。其中需要焊接的有铁焊接（爆炸块钢面与钢爪组进行组装焊接），铝焊接（爆炸块铝面与铝制导杆进行组装焊接）以及钢爪头的焊接（更换）。铝铝焊接为氩弧焊，铝铁焊接为二保焊。公司焊接采用30mm×30°坡口焊接，爆炸块要求表面平整光滑无氧化，铁焊要求焊缝均匀，无气孔、夹渣、裂纹等。
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笔者将钢爪直径分为三个范围，并对各范围脱极情况进行统计（见表1）。由统计数据可以看出，随着钢爪直径的缩小，脱极情况逐渐增高。在大于14cm以上时，脱极情况较为少见；在小于14cm以后，每减少1厘米脱极概率升高5.4%；小于12cm时，脱极概率大幅上升。同时，钢爪直径与磷生铁需求呈反比关系，因此钢爪直径偏小将加大组装过程的操作难度，易出现磷铁环裂纹及二次浇注的发生。
在实际焊接、维修工作中，不同操作人员及不同情况均会导致焊接质量不稳定，经常会出现打坡口不到位，焊缝不均匀、出现裂纹等情况。如果阳极组带缺陷上槽，则极易出现脱极、化爪情况。
2 钢爪自身的影响女厕老式沟槽式厕所>agps
2.1 钢爪直径的影响
钢爪是炭阳极与铝导杆的连接体，它工作在500～900度的环境内，因此氧化情况较为严重，随着钢爪运行周期增加，钢爪直径逐渐减小，对炭块的抓附力减弱。
2.2 钢爪材型的影响
钢材内的杂质元素改变着钢的理化性能，较为重要的杂质元素为C、Si、S、Mn、P。杂质元素在钢内形成间隙固溶体和置换固溶体，这些固溶体直接影响金属的导电性。公司钢爪材质质量标准采用ZG235-450（见表2）。
C对钢性能的影响：C主要以碳化物形式存在于钢中，C是决定钢的强度的主要元素，同时影响钢的导电性能。C含量升高时，钢的强度、硬度提高，而塑性、韧性、冲击性和导电性能降低，焊接性能显著下降。
S对钢性能影响：S在钢中以FeS和MnS形态存在。S能显著降低钢的冲击韧性、抗腐蚀性、耐磨性。
Si对钢性能的影响：Si能显著提高强度，可提高钢的抗腐蚀能力和抗高温氧化能力。
Mn对钢性能的影响：Mn含量超过2%，钢材焊接性能持续下降。
从以上理论来看，杂质含量对钢爪的理化性能影响很大，直接影响钢爪的寿命，实际表现为氧化掉皮、变形断裂等。
在实际生产中，钢爪随着运行周期的增加，受钢爪横梁热应力的影响会导致钢爪内弯，导致无法进行浇铸组装。
因为钢爪在形变过程中受力并不均匀，因此会出现钢爪头高低不平（也有透底化爪的影响），组装后各爪头会出现质量差异，造成脱极。而在钢爪变形后，多数厂家会对内弯钢爪进行校正，校正过程中会发生钢爪头断裂的情况，笔者所在公司校正断爪率为50%左右。如果钢爪中C、Si杂质元素升高，则导致钢爪韧性进一步降低，加剧钢爪形变的可能，增加脱极化爪风险。
对于钢爪氧化掉皮情况，笔者进行了测量统计，发现S、Si合格的钢爪较不合格钢爪每周期平均掉皮厚度减少0.7mm。杂质合格钢爪每一周期掉皮厚度为1～2mm；不合格钢爪每一周期掉皮厚度为1～3mm，个别达到4mm以上。
按照统计结果测算，单从氧化掉皮方面考虑，杂质合格钢爪的寿命较不合格长一倍左右。材质不合格的钢爪，加速钢爪头变细过程，反应到其直径对脱极的影响，间接增加脱极、化爪风险。
因此，钢爪材质质量与脱极、化爪有着一定联系，材质的好坏直接影响着脱极概率的大小以及发生问题周期的长短。同时，还与焊接质量有一定关系，C、Mn的升高可导致钢爪焊接性能的下降。
3 炭块质量对阳极脱极的影响
因炭阳极在电解生产中的重要性及功能性，所以需要通过多项指标来对阳极质量进行判定，其中主要包括阳极密度、孔隙度、强度、反应性以及导电性等。阳极质量差在生产实践中主要表现为阳极出来残极窄小和断裂及电解槽内炭渣增多，导致现场脱极、化爪。公司采用阳极质量标准见表4。
阳极质量的主要影响因素包括原料质量、成分配比及阳极生产过程的影响。公司改质沥青比例约为16%，其中甲苯不溶物、喹啉不溶物、β-树脂的平均含量分别约为31%、10%、21%；残极配比约为15%。
从生产过程的角度来说，存在的主要问题是温度的控制。在焙烧阶段升温曲线不合理容易造成黏结剂扩散不均匀，在冷却阶段降温曲线不合理容易造成热应力不均匀。其直观反应便是阳极裂纹，对电解生产造成较大隐患。
从原材料方面来说主要是原材料中V、Na、S等杂质元素的影响，这些杂质元素在阳极内充当催化剂的角，增加炭块的空气反应性与炭块的选择性氧化行为。对于杂质元素对阳极掉渣影响的实践情况见表5。
从表中可以看出，炭渣量随着V含量的增高而增高，直观地反映了杂质含量与空气反应性的关系。所以V含量较高的某些阶段，现场易出现掉块、阳极窄小以及透底的情况，使钢爪浸泡于电解质内，导致化爪发生。
4 组装质量对阳极脱极的影响
炭块和导杆组是通过磷生铁浇铸连
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接的，在组装环节，磷生铁配比的不稳定是造成脱极、化爪的根本因素，浇铸的操作质量差是造成脱极、化爪的重要因素。所有问题最终均反映为钢爪对阳极炭块抓附力的问题。
磷生铁配比对于阳极组装的质量有着很大的影响，配比不当会导致磷生铁环炸裂、爪松动。C含量如果偏低，则会趋向于白口化，在组装后会导致磷生铁环炸裂；Si、Mn和S的配比不恰当则会导致钢爪松动。不管哪种情况，均会导致铁碳压降的升高，不仅浪费能耗，
而且产生脱极、化爪的隐患。
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