【導(dǎo)讀】蘭州中鋁工業(yè)服務(wù)有限公司。4萬(wàn)組結(jié)構(gòu)陽(yáng)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(xiàng)目。中國(guó)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(jì)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(qiáng)。機(jī)械張逢春卯紅霞。凈化薛富強(qiáng)代春秀。水道張志華朱永華。預(yù)算張凱秾薛贇斌。環(huán)?？祫t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(yáng)極鋼爪項(xiàng)目技術(shù)改造的背景和必要性..............27

　　

【正文】 多少 ? 陽(yáng)極電流密度是單位截面積的陽(yáng)極上，通過(guò)的電流強(qiáng)度，陽(yáng)極電流密度以 d陽(yáng)表示，它的單位是 A/cm2 d 陽(yáng) =通過(guò)陽(yáng)極的電流強(qiáng)度 /陽(yáng)極截面積 (A/cm2) 500KA系列的陽(yáng)極的長(zhǎng)度為 155cm，寬 55cm，高 60cm。 每組陽(yáng)極的截面積為 155179。 55=8525 cm2 每臺(tái)電解槽上有陽(yáng)極 20 組，截面積總計(jì)為： 8525179。20=170500cm2 通過(guò)電解槽的平均電流強(qiáng)度為 300KA， 則陽(yáng)極電流密度為： 300000A/170500 cm2=。 ? (1)要換的陽(yáng)極爪頭不能霹出炭塊底掌。 (2)相鄰兩組不能連續(xù)換新陽(yáng)極，如確實(shí)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(yáng)極。 (3)換陽(yáng)極必須找平陽(yáng)極底掌，陽(yáng)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(yáng)極不得超過(guò)二組，二組相隔要在 8 小時(shí)以上。 (6)新陽(yáng)極安裝前，陽(yáng)極底掌下面的大塊氧化鋁結(jié)殼以及槽底過(guò)量沉淀都要扒到槽邊部爐幫處帖好； (7)新陽(yáng)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(yáng)極后槽電壓要比正常槽高出 0． 1 伏， 1 小時(shí)后降到正常。 ，怎樣處理 ? 異常換陽(yáng)極包括：陽(yáng)極斷層、掉塊、裂紋、脫落、長(zhǎng)包、涮化爪頭等 。 處理方法： (1)對(duì)陽(yáng)極斷層、裂紋、脫落、涮化鋼爪的陽(yáng)極，根據(jù)使用天數(shù)，確定使用殘極或新極。原則是已超過(guò)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(yáng)極更換順序正常執(zhí)行。 (2)長(zhǎng)包的陽(yáng)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(yáng)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(yáng) 極是電解槽的心臟，因此陽(yáng)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(yáng)極壓槽，則電解槽發(fā)熱變病槽，陽(yáng)極坐的過(guò)深，則容易使電流短路，電壓擺，造成效率 嚴(yán)重降低；陽(yáng)極坐的過(guò)淺，則極距過(guò)高，槽電壓升高，浪費(fèi)電能；37 舊陽(yáng)極未及時(shí)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(guò)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(yáng)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(shí)價(jià)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(yáng)極組裝是將陽(yáng) 極鋁導(dǎo)桿、鋼爪和預(yù)焙陽(yáng)極炭塊組合為一體的工藝過(guò)程。導(dǎo)桿和鋼爪以焊接的形式、鋼爪頭和預(yù)焙陽(yáng)極炭塊以磷生鐵澆注的形式連接在一起。 預(yù)焙陽(yáng)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(yùn)行．而且對(duì)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(duì)電流效率的影響 陽(yáng)極電阻增大導(dǎo)致槽電壓升高，陽(yáng)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(yáng)極工作過(guò)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(guò)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(huì)引起電解槽爐幫過(guò)空，水平電流增大，造成電流空耗而降低電流效率；炭渣過(guò)多聚集在陽(yáng)極周圍的電解質(zhì)中，嚴(yán)重時(shí)在陽(yáng)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(shí)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(duì)電耗的影響 陽(yáng)極電能消耗約占鋁電解電能消耗的 10％左右。一般情況下陽(yáng)極質(zhì)量的變化，引起陽(yáng)極電阻的變化幅度為 20％ 30％。如陽(yáng)極電阻 75μΩ m 降為 50μΩ m 時(shí)，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(shí)，電解槽運(yùn)行中陽(yáng)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(shí)，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(duì)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(dòng)強(qiáng)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(yáng)極破損及脫落，導(dǎo)致化爪，也會(huì)使鋁液中鐵含量增加，降低鋁的品位。 一直以來(lái)，陽(yáng)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(kuò)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(rùn)時(shí)代。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外鋁價(jià)持續(xù)下跌，在 2020年下半年出現(xiàn)了 9700元 /噸的歷史低價(jià)，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(duì)陽(yáng)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(wèn)題，致使下線率偏高；同時(shí)，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(wèn)題，鋼爪的維修效果也不佳。 項(xiàng)目采用新型結(jié)構(gòu)陽(yáng)極鋼爪加工工藝及維保工藝技術(shù)和鋁灰陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極鋼爪加工制造生產(chǎn)線，配套建設(shè)年產(chǎn)110 萬(wàn)付（折合鋁灰 4000噸）鋁灰陽(yáng)極保護(hù)環(huán)生產(chǎn)線。同時(shí)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(yáng)極保護(hù)環(huán)保護(hù)等方法，對(duì)現(xiàn)有鋁導(dǎo)桿維修保護(hù)、陽(yáng)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(yáng)極鋼爪的加工制 造由原來(lái)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(lái)的碳粉替換為電解鋁末次鋁灰，實(shí)現(xiàn)陽(yáng)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(xiàng)目突出特點(diǎn)是采用結(jié)構(gòu)陽(yáng)極鋼爪及鋁灰陽(yáng)極保護(hù)環(huán)，生產(chǎn)工藝科學(xué)、簡(jiǎn)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(qiáng)、導(dǎo)電性好等有點(diǎn)。生產(chǎn)工作環(huán)境條件良好，生產(chǎn)自動(dòng)化程度較高，并且在陽(yáng)極保護(hù)過(guò)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(guó)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(duì)導(dǎo)桿、鋼爪、爆炸焊塊的要求 1. 鋼爪：導(dǎo)電好，強(qiáng)度高，雜質(zhì)少，無(wú)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(qiáng)度高，壓降小。工作溫度不高41 于 400℃，否則強(qiáng)度急劇降低。 在生產(chǎn)中要求澆鑄用的磷生鐵具有流動(dòng)性能好、熱膨脹性強(qiáng)、電阻率低、冷態(tài)下易脆裂等特點(diǎn)。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(shí)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(yáng)極組裝工序中的功能是：將新的陽(yáng)極碳?jí)K和導(dǎo)桿組連接在一起 ,連接部位是導(dǎo)桿組的鋼爪與碳?jí)K的碗間隙之間，盛裝在臺(tái)包中的熔融狀態(tài)的磷生鐵水，借助于澆注機(jī)將其注入到鋼爪與碳碗間隙之間冷卻后使導(dǎo)桿組與碳?jí)K結(jié)合為一體，運(yùn)入電解工序使用。 磷生鐵在陽(yáng)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(yáng)極組裝質(zhì)量?jī)?yōu)劣，進(jìn)而影響著電解槽42 電流效率變化及鐵碳?jí)航等盗蟹€(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(yáng)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(diǎn)： a 對(duì)鋼爪材質(zhì)和碳素質(zhì)均有良好的粘結(jié)強(qiáng)度，保證在電解過(guò)程中避免陽(yáng)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(yáng)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(diǎn)、作用及影響 a 碳和硅元素是強(qiáng)烈的石墨化元素，含碳越高，析出的石墨越高，而硅又是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素，并且與鐵原子結(jié)合力極強(qiáng)，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(yáng)極組裝澆注要求澆注的磷生鐵環(huán)的強(qiáng)度，硬度適中為佳。 b 磷元素在磷生鐵中顧名思義是陽(yáng)極組裝澆注中的關(guān)鍵元素，由于陽(yáng)極組裝澆注采用間斷性方式，要求鐵水的流動(dòng)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(diǎn)溫度為 1050 攝氏度，可知明顯提高鐵水的流動(dòng)性硬度大，脆性強(qiáng)，易碎等。磷含量過(guò)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(dòng)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(wú)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(shí)要生成硫化鐵，這種低熔點(diǎn)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(shí)硫的存在還阻礙了石墨化過(guò)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(guò)撈渣即可消除，同時(shí)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(qiáng)度、硬度適中。 e 磷生鐵與磷生鐵環(huán)在使用過(guò)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(huì)造成不良因素。 （ 3）使用磷生鐵的好處 按照鋁鎂設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)磷生鐵，同時(shí)也通過(guò)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(dòng)性，鐵環(huán)的易拖性，對(duì)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(shí)也避免了在天長(zhǎng)日久的人工配料過(guò)程中的計(jì)量錯(cuò)誤。 （ 4）如何循環(huán)使用磷生鐵環(huán) 磷生鐵使用過(guò)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(guò)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(guò)程中，各元素都有新的變化，同時(shí)可根據(jù)各元素變化的多少來(lái)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(lái)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(dòng)性又能保證磷生鐵各元素有較理想的指標(biāo)，還能對(duì)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(shí)，金屬表面與溶液之間就會(huì)建立起一個(gè)電位，腐蝕電化學(xué)中把這個(gè)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(huì)發(fā)生變化，這個(gè)現(xiàn)象稱為極化。所通電流為正電流時(shí)。金屬 作為陽(yáng)極其電位向正方向變化的過(guò)程稱作陽(yáng)極極化；反之，通過(guò)的電流為負(fù)電流時(shí)，金屬作為陽(yáng)極其電位向負(fù)方向變化的過(guò)程稱為陰極極化。把電位與電流密度之間 對(duì)應(yīng)的關(guān)系畫(huà)成曲線叫做極化曲線。具有鈍性傾向的金屬在進(jìn)行陽(yáng)極極化時(shí)，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(yáng)極保護(hù)的基本原理。 鋁 電解工藝對(duì)陽(yáng)極鋼爪保護(hù)環(huán)的質(zhì)量有著嚴(yán)格的要求：足夠的強(qiáng)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(duì)原鋁質(zhì)量不會(huì)產(chǎn)生影響；足夠低的比電阻，使其對(duì)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