【導(dǎo)讀】蘭州中鋁工業(yè)服務(wù)有限公司。4萬組結(jié)構(gòu)陽極鋼爪加工制造維修保護(hù)。及組裝生產(chǎn)線節(jié)能技術(shù)改造項目。中國鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司。河南華慧有色工程設(shè)計有限公司。工藝張維民湛衛(wèi)華。自控吳建偉楊鵬鴻。電力姚海峰岑建軍。電氣魏建敏黃繼強。機械張逢春卯紅霞。凈化薛富強代春秀。水道張志華朱永華。預(yù)算張凱秾薛贇斌。環(huán)保康則雙王永紅。能源梁東梅張新隴。信息張亞波郭建宏。人力資源李建勝馬濟(jì)彪。工程經(jīng)濟(jì)明廷山焦生虎。新型結(jié)構(gòu)陽極鋼爪項目技術(shù)改造的背景和必要性..............27

　　

【正文】 多少 ? 陽極電流密度是單位截面積的陽極上，通過的電流強度，陽極電流密度以 d陽表示，它的單位是 A/cm2 d 陽 =通過陽極的電流強度 /陽極截面積 (A/cm2) 500KA系列的陽極的長度為 155cm，寬 55cm，高 60cm。 每組陽極的截面積為 155179。 55=8525 cm2 每臺電解槽上有陽極 20 組，截面積總計為： 8525179。20=170500cm2 通過電解槽的平均電流強度為 300KA， 則陽極電流密度為： 300000A/170500 cm2=。 ? (1)要換的陽極爪頭不能霹出炭塊底掌。 (2)相鄰兩組不能連續(xù)換新陽極，如確實需要的話，必須從其它槽上調(diào)換一組正常良好工作狀態(tài)下的熱陽極。 (3)換陽極必須找平陽極底掌，陽極換好后炭塊底掌不得傾斜。 (4)卡具必須打緊，卡具電壓不得高于所要求的規(guī)定值。 (5)在一晝夜內(nèi)電解槽更換新陽極不得超過二組，二組相隔要在 8 小時以上。 (6)新陽極安裝前，陽極底掌下面的大塊氧化鋁結(jié)殼以及槽底過量沉淀都要扒到槽邊部爐幫處帖好； (7)新陽極安裝好以后立即加蓋保溫料，吊出的殘極要清凈36 其上的熱料。 (8)換完陽極后槽電壓要比正常槽高出 0． 1 伏， 1 小時后降到正常。 ，怎樣處理 ? 異常換陽極包括：陽極斷層、掉塊、裂紋、脫落、長包、涮化爪頭等 。 處理方法： (1)對陽極斷層、裂紋、脫落、涮化鋼爪的陽極，根據(jù)使用天數(shù)，確定使用殘極或新極。原則是已超過二分之一周期的可用殘極換上，否則必須換上新極，以保證陽極更換順序正常執(zhí)行。 (2)長包的陽極，經(jīng)吊出槽外檢查，確認(rèn)打掉包后能繼續(xù)使用者，可以打包后繼續(xù)使用，不能使用者，則根據(jù)上條原則換陽極． (3)取出脫落極，碎裂者，用漏鏟撈凈全部碎炭塊。 (4)異常換極除上述原則和操作外，其它操作程序同正常換極相同。 ? 陽 極是電解槽的心臟，因此陽極工作好壞直接影響到電流效率、電耗和原鋁質(zhì)量，如：邊部陽極壓槽，則電解槽發(fā)熱變病槽，陽極坐的過深，則容易使電流短路，電壓擺，造成效率 嚴(yán)重降低；陽極坐的過淺，則極距過高，槽電壓升高，浪費電能；37 舊陽極未及時換掉而易化、涮、齊爪頭則嚴(yán)重污染原鋁質(zhì)量。 在鋁電解過程中，高溫且具有很大侵蝕性的冰晶石熔液直接同電極接觸。作為導(dǎo)電的陰陽兩極的各種材料中，既能良好導(dǎo)電，又能耐高溫，抗腐蝕、同時價格又低廉的唯有炭素材料。因此鋁工業(yè)生產(chǎn)都采用炭素材料作兩極。 陽極組裝是將陽 極鋁導(dǎo)桿、鋼爪和預(yù)焙陽極炭塊組合為一體的工藝過程。導(dǎo)桿和鋼爪以焊接的形式、鋼爪頭和預(yù)焙陽極炭塊以磷生鐵澆注的形式連接在一起。 預(yù)焙陽極是鋁電解槽的“心臟”。它的質(zhì)量和工作狀況不僅影響電解生產(chǎn)的正常運行．而且對電解質(zhì)溫度、電流效率、電能消耗和鋁液質(zhì)量等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)都有很大影響。 (一 )對電流效率的影響 陽極電阻增大導(dǎo)致槽電壓升高，陽極塊增加的電壓降，以熱量的形式進(jìn)入電解質(zhì)，使電解溫度升高；陽極工作過程中產(chǎn)生的裂縫、掉塊、脫極，炭渣增多等現(xiàn)象造成頻繁處理，使電解槽沉淀增加，過多的沉淀使?fàn)t底返熱導(dǎo)致電解槽溫度升 高；電解槽炭渣增多，會引起電解槽爐幫過空，水平電流增大，造成電流空耗而降低電流效率；炭渣過多聚集在陽極周圍的電解質(zhì)中，嚴(yán)重時在陽極底掌燒結(jié)成餅發(fā)育成包，并直接接觸鋁液，造成電流短路，由此產(chǎn)生的熱量進(jìn)入電解質(zhì)和鋁液中，使電解槽爐膛溫度迅速升高。在電解生產(chǎn)中，溫度與電流效率的關(guān)系最為密切，影響最大。實踐證明，電解質(zhì)溫度每升高 10℃，電38 流效率大約降低 ％一 ％。 (二 )對電耗的影響 陽極電能消耗約占鋁電解電能消耗的 10％左右。一般情況下陽極質(zhì)量的變化，引起陽極電阻的變化幅度為 20％ 30％。如陽極電阻 75μΩ m 降為 50μΩ m 時，每噸鋁可節(jié)電 500kw178。 h以上，而電耗約占生產(chǎn)成本的 35％以上。 同時，電解槽運行中陽極炭塊的裂縫、碎塊脫落等生成大量炭渣。當(dāng)炭渣量增加 3%～ 5％時，電流效率降低約 ％，使電解槽電耗增加約 100kw． h／ t以 I；生成的炭渣量在 5％ 20％，電流效率下降約 ％一 2％，噸鋁直流電耗明顯增加約 150—500kw178。 h／ t— AI。 (三 )對電解正常生產(chǎn)的影響 電解槽炭渣增多。增大了電解工的勞動強度，打亂了正常的工作秩序，也不利于職工的身心健康和企業(yè)的和諧發(fā)展；增大了氟化鹽的揮發(fā)和損耗， 增加了生產(chǎn)成本；陽極破損及脫落，導(dǎo)致化爪，也會使鋁液中鐵含量增加，降低鋁的品位。 一直以來，陽極鋼爪的生產(chǎn)方式都是采用鑄造的方式，為電解鋁的生產(chǎn)起到了積極的作用。隨著規(guī)模的不斷擴大，電解鋁行業(yè)已經(jīng)呈現(xiàn)出一定的供需矛盾，行業(yè)逐漸告別了高利潤時代。近年來國內(nèi)外鋁價持續(xù)下跌，在 2020年下半年出現(xiàn)了 9700元 /噸的歷史低價，電解鋁行業(yè)大面積額虧損。隨著成本壓力的增大，電解鋁生產(chǎn)對陽極鋼爪提出了更高的要求。鑄造技術(shù)因其自身固有的局限性，鑄造鋼爪在電解鋁生產(chǎn)中呈現(xiàn)出諸如：39 材料性能不夠穩(wěn)定，存在砂眼、夾渣、裂紋、氣孔、 縮松等缺陷，不僅影響電解鋁生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)，還產(chǎn)生成本壓力。鋼爪容易產(chǎn)生折斷、變形、內(nèi)彎等問題，致使下線率偏高；同時，產(chǎn)生的電解壓降可達(dá) 20 毫伏以上，不利于電解生產(chǎn)。因鑄造材質(zhì)的問題，鋼爪的維修效果也不佳。 項目采用新型結(jié)構(gòu)陽極鋼爪加工工藝及維保工藝技術(shù)和鋁灰陽極保護(hù)環(huán)專利技術(shù)，利用蘭州連城鋁業(yè)有限責(zé)任公司所屬蘭州中鋁工業(yè)服務(wù)有限公司廢舊廠房、現(xiàn)有陽極鋼爪生產(chǎn)工位、設(shè)備，電解鋁末次鋁灰等，改造現(xiàn)有年產(chǎn) 40000 組（折合鋼材10000 噸）鋁電解用陽極鋼爪加工制造生產(chǎn)線，配套建設(shè)年產(chǎn)110 萬付（折合鋁灰 4000噸）鋁灰陽極保護(hù)環(huán)生產(chǎn)線。同時融合普遍采用的壓力校直、氬弧鋁焊、 CO2 保護(hù)焊、氣割角磨、陽極保護(hù)環(huán)保護(hù)等方法，對現(xiàn)有鋁導(dǎo)桿維修保護(hù)、陽極鋼爪維修保護(hù)、導(dǎo)桿組組裝及炭塊組裝等工藝進(jìn)行深度整合 ,使陽極鋼爪的加工制 造由原來的鑄造工藝改變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)焊接工藝，保護(hù)環(huán)材料由原來的碳粉替換為電解鋁末次鋁灰，實現(xiàn)陽極鋼爪加工制造、維修保護(hù)中的能源消耗大幅降低以及電解鋁末次鋁灰循環(huán)綜合利用減量化、再利用、資源化。 項目突出特點是采用結(jié)構(gòu)陽極鋼爪及鋁灰陽極保護(hù)環(huán)，生產(chǎn)工藝科學(xué)、簡易，產(chǎn)品具有材料性能穩(wěn)定、尺寸精度可靠、可修復(fù)性強、導(dǎo)電性好等有點。生產(chǎn)工作環(huán)境條件良好，生產(chǎn)自動化程度較高，并且在陽極保護(hù)過程中，完美地處理了電解鋁末次鋁灰，將廢物全部資源化回收利用，資源環(huán)境效益和經(jīng)40 濟(jì)效益均十分顯著，完全符合國家政策發(fā)展要求，因此進(jìn)行技術(shù)改 造是必須的。 電解生產(chǎn)對導(dǎo)桿、鋼爪、爆炸焊塊的要求 1. 鋼爪：導(dǎo)電好，強度高，雜質(zhì)少，無夾渣氣孔。導(dǎo)電密度＜ ㎜ ：導(dǎo)電良好。導(dǎo)電密度＜ ㎜ 2. ：結(jié)合緊密，強度高，壓降小。工作溫度不高41 于 400℃，否則強度急劇降低。 在生產(chǎn)中要求澆鑄用的磷生鐵具有流動性能好、熱膨脹性強、電阻率低、冷態(tài)下易脆裂等特點。在澆注磷生鐵前，鋼爪預(yù)先在石墨液中浸沾，其作用是防止?jié)踩腓F水時鐵水侵蝕鋼爪，并改善鋼爪與鑄鐵之間的接觸狀態(tài)，還有利于脫磷鐵環(huán)。 磷生鐵在陽極組裝工序中的功能是：將新的陽極碳塊和導(dǎo)桿組連接在一起 ,連接部位是導(dǎo)桿組的鋼爪與碳塊的碗間隙之間，盛裝在臺包中的熔融狀態(tài)的磷生鐵水，借助于澆注機將其注入到鋼爪與碳碗間隙之間冷卻后使導(dǎo)桿組與碳塊結(jié)合為一體，運入電解工序使用。 磷生鐵在陽極組裝工藝中，該澆注工序是組裝的最關(guān)鍵的一道工序，直接關(guān) 系到陽極組裝質(zhì)量優(yōu)劣，進(jìn)而影響著電解槽42 電流效率變化及鐵碳壓降全系列穩(wěn)定等關(guān)鍵指標(biāo)，因此磷生鐵的組成及配方，使用方法是保證陽極組裝質(zhì)量最為關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一。 （ 1）磷生鐵技術(shù)特點： a 對鋼爪材質(zhì)和碳素質(zhì)均有良好的粘結(jié)強度，保證在電解過程中避免陽極的脫落。 b 具有良好的導(dǎo)電性能，保證電流在各爪之間的均勻分布。 c 用后的陽極組裝在磷鐵環(huán)壓脫工序中，要求磷鐵環(huán)要有一定脆性，以利于磷鐵環(huán)壓脫。 d 磷生鐵澆注前后的熱膨脹系數(shù)和冷態(tài)收縮系數(shù)小，避免磷生鐵與鋼爪和碳碗之間形成間隙。 （ 2）磷生鐵各化學(xué)元素的特 點、作用及影響 a 碳和硅元素是強烈的石墨化元素，含碳越高，析出的石墨越高，而硅又是強烈促進(jìn)石墨化的元素，并且與鐵原子結(jié)合力極強，碳以石墨形式存在，碳與硅含量的調(diào)整可以使金屬鑄件內(nèi)部金屬組織改變，陽極組裝澆注要求澆注的磷生鐵環(huán)的強度，硬度適中為佳。 b 磷元素在磷生鐵中顧名思義是陽極組裝澆注中的關(guān)鍵元素，由于陽極組裝澆注采用間斷性方式，要求鐵水的流動性較好，磷元素存在可以降低鐵水的粘度，磷與鐵二元素相結(jié)合所形成的晶體熔點溫度為 1050 攝氏度，可知明顯提高鐵水的流動性硬度大，脆性強，易碎等。磷含量過大可導(dǎo)致磷 生鐵環(huán)的冷43 脆性增大，使?jié)沧⒑蟮蔫F環(huán)產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重者導(dǎo)致脫落等狀況。因此，既要保證磷元素足夠的含量，使鐵水有良好的流動性，又要使磷生鐵環(huán)產(chǎn)生斷紋，磷生鐵中磷的適宜含量應(yīng)控制在%之間。 c 硫元素：硫是公認(rèn)的有害性元素，也是在金屬物質(zhì)中存在的元素，由于硫在熔融鐵水中無限溶解，而在固體鐵中溶解度很小，因此，當(dāng)含硫的鐵水冷凝時要生成硫化鐵，這種低熔點的晶體即鐵銹，在這種晶粒間聚集使鑄鐵物產(chǎn)生裂紋斷裂，同時硫的存在還阻礙了石墨化過程，能增大鐵環(huán)的收縮性。 d 錳元素：在磷生鐵中使溶解在鐵水中的硫元素生成 硫化錳MnS，硫化錳 MnS 的溶解度比硫化鐵 FeS在鐵水中溶解度小，這樣保證了向不熔物質(zhì)（渣）硫向轉(zhuǎn)移，由熱力學(xué)分析可知，錳Mn與硫 S化學(xué)親和力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵 Fe與硫 S的化學(xué)親和力（例如，人們都知道生鐵表面的鐵銹比錳鐵表面的鐵銹表現(xiàn)極為明顯，但并不一定生鐵里面的硫含量高于鐵里面硫的含量）正如鐵水在錳 Mn 與硫 S將產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng) Mn+S— MnS 可知浮于渣中的硫化錳 MnS，通過撈渣即可消除，同時錳元素在磷生鐵化學(xué)成分范圍內(nèi)可以形成穩(wěn)定的西化珠光體能使磷生鐵環(huán)的強度、硬度適中。 e 磷生鐵與磷生鐵環(huán)在使用過程中各元素的變化 磷生鐵與磷生鐵環(huán)各元素在 1300176。 C 的高溫下各元素?zé)龘p量不同，碳和硅元素?zé)龘p量一般在 — %，磷和錳元素一般在 — %，硫元素的變化不定，如果控制除硫辦法，就能把44 硫元素控制在范圍內(nèi)，否則起相反作用，硫上升標(biāo)準(zhǔn)超限，就會造成不良因素。 （ 3）使用磷生鐵的好處 按照鋁鎂設(shè)計院給各電解鋁廠的磷生鐵標(biāo)準(zhǔn)以及大部分電解鋁廠技術(shù)人員的提示與要求自主研試開發(fā)磷生鐵，同時也通過大部分電解鋁廠的使用證明具有良好的導(dǎo)電性、鐵水的流動性，鐵環(huán)的易拖性，對生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定、節(jié)能降耗、車間環(huán)保衛(wèi)生起到較好的幫 助作用，同時也避免了在天長日久的人工配料過程中的計量錯誤。 （ 4）如何循環(huán)使用磷生鐵環(huán) 磷生鐵使用過程中循環(huán)周期后的磷生鐵環(huán)，前三周期的磷生鐵環(huán)在使用過程中可直接投入使用，不增添任何物質(zhì)元素；循環(huán)三遍后的磷生鐵環(huán)，根據(jù)每爐化學(xué)分析各元素的含量后再進(jìn)行調(diào)整，使各元素保持在規(guī)定的指標(biāo)范圍內(nèi)；若干次后的使用也能使磷生鐵環(huán)保持正常狀態(tài)，在每次高溫熔化過程中，各元素都有新的變化，同時可根據(jù)各元素變化的多少來調(diào)控新磷生鐵和磷生鐵環(huán)的投爐循環(huán)使用比例，可根據(jù)磷生鐵環(huán)各元素的含量來配比與投放新磷生鐵的比例。比如： 2： 3： 4： 5： 5 或 8： 7： 6： 4??這樣既能保證鐵水有較好的流動性又能保證磷生鐵各元素有較理想的指標(biāo)，還能對企業(yè)起到節(jié)能降耗的作用。 45 當(dāng)某種金屬浸入電解質(zhì)溶液時，金屬表面與溶液之間就會建立起一個電位，腐蝕電化學(xué)中把這個電位稱為自然腐蝕電位。不 同的金屬在一定溶液中的電位是不一樣的。而同一種金屬的電位由于其各部分之間存在著電化學(xué)中不均一性而造成不同的部位間產(chǎn)生一定電位差值，正是這種電位差 值導(dǎo)致了金屬在電解質(zhì)溶液中的電化學(xué)腐蝕。 向浸在電解質(zhì)溶液中的金屬施加直 流電，金屬的自然腐蝕電位會發(fā)生變化，這個現(xiàn)象稱為極化。所通電流為正電流時。金屬 作為陽極其電位向正方向變化的過程稱作陽極極化；反之，通過的電流為負(fù)電流時，金屬作為陽極其電位向負(fù)方向變化的過程稱為陰極極化。把電位與電流密度之間 對應(yīng)的關(guān)系畫成曲線叫做極化曲線。具有鈍性傾向的金屬在進(jìn)行陽極極化時，如果電流達(dá)到足夠的數(shù)值，在金屬表面上能夠生成一層具有很高耐蝕性能的鈍化膜而使 電流減少，金屬表面呈鈍態(tài)。繼續(xù)施較小的電流就可以維持這種鈍化狀態(tài)，鈍態(tài)金屬表面溶解量很小從而防止了金屬的腐蝕，這就是陽極保護(hù)的基本原理。 鋁 電解工藝對陽極鋼爪保護(hù)環(huán)的質(zhì)量有著嚴(yán)格的要求：足夠的強度，使其免受電解質(zhì)的沖刷和換極作業(yè)的影響；足夠的抗氧化和抗汽化能力，使其不易掉渣，不致影響電解生產(chǎn)；足夠低的灰分，使其對原鋁質(zhì)量不會產(chǎn)生影響；足夠低的比電阻，使其對降低接觸壓降更有利；足夠的整體性，使其免受換極作業(yè)的影響。 46 （ 1）鋁導(dǎo)桿彎曲