10kA稀土電解爐鎢陰極堆焊技術研究

徐明鐘，饒 寧，蘇 嚴

（四川江銅稀土有限責任公司，四川 西昌 615000）

1 引言

隨著氟化物體系氧化物電解技術在稀土行業的推廣，上插鎢陰極電解爐得到長足的發展和應用［1］。鎢陰極因其化學性能穩定、熔點高（3422℃）、蒸汽壓低、抗張強度高（1650℃）、耐腐蝕性強等特點作為必備耗材，在氟化物體系氧化物稀土電解爐得到廣泛應用。在實際生產中鎢陰極在爐口部分腐蝕嚴重，使用周期小于6個月，單耗成本居高不下。

2 原因分析

氟化物體系氧化物稀土電解上插式陰極爐口溫度高（1050～1150℃）散熱量大、熱腐蝕嚴重；同時電解過程中會產生大量的含氟氣體（HF和F2）加速對陰極的腐蝕，造成液面以上100～170mm范圍嚴重腐蝕（見圖1）。隨著腐蝕的加劇，陰極在液面以上100～170mm范圍逐漸變細，強度降低，電流密度明顯增大，極易發紅斷裂［2］。

圖1 10kA級稀土電解槽鎢陰極腐蝕位置示意圖

3 技術難點

鎢陰極堆焊技術難度大，同時要滿足負載電流大，耐高溫，耐腐蝕等特性，目前國內還沒有相應的技術，國內幾家大型稀土生產企業曾開展相關研究，但都因母材和焊材熔接效果差無法通過大電流，焊接處高溫易熔化和腐蝕等問題，未能實現陰極補焊技術，不能滿足生產使用條件［3-6］。

鎢焊條和陰極熔點溫度相差很大（焊材主要為碳化鎢焊條，其熔點為1700℃，而母材的熔點為3380℃），因熔點溫度相差大，堆焊處熔接效果不理想，在熱應力作用下熔接面易產生裂紋，導電性能差，通過大電流易發紅，強度低容易斷裂。焊接部位在低于1000℃條件下即出現熔化現象，加速腐蝕，溶體掉進爐內影響金屬質量。

4 采取的措施

4.1 工藝步驟

步驟1：在陰極腐蝕部位（見圖2）先進行打磨拋光，使整個焊接面呈現母材的金屬光澤；

步驟2：堆焊準備，在陰極腐蝕部位進行堆焊前，先將陰極加熱至1080～1120℃；

步驟3：在陰極腐蝕部位進行堆焊，采用直流電弧堆焊，確保熔深達到要求，在整個焊接過程中，須同時進行母材加熱和焊接，焊接過程中不能間斷，保證一次成型；

步驟4：焊接完成后（見圖3），將陰極放石灰中保溫緩慢冷卻，避免急冷產生裂紋。

圖2 鎢陰極腐蝕圖

圖3 鎢陰極堆焊后示意圖圖

4.2 工藝參數

為了提高焊接效果，步驟2中，陰極的加熱溫度為1080～1120℃。陰極的加熱溫度非常重要，其直接影響到木材和焊材的熔接效果，例如，當陰極的加熱溫度過低，母材與焊材的熔接溫度相差較大，焊材熔化時，母材還未熔化，導致母材與焊材的熔接界面變差，進而無法解決傳統堆焊方式所面臨的技術難題，若陰極的加熱溫度過高，導致母材熔深過深，焊材還未熔化，母材先熔化，進而使母材與焊材的熔接界面依然較差，依然無法解決傳統堆焊方式所面臨的技術難題，通過大量實驗和研究得出，只有陰極的加熱溫度在接近焊材熔化溫度時，母材和焊材的熔接性才是最佳，母材與焊材的熔接界面結合良好，進而能夠有效解決傳統堆焊方式所面臨的技術難題，因此，陰極的加熱溫度宜在1080～1120℃范圍內，其具體數值則需要根據現場堆焊環境來決定。

為了進一步提高焊接效果，步驟3中，直流電弧堆焊的直流參數為260～300A。傳統的堆焊方式均是在一般較低的直流電流下進行操作，進而導致母材的熔深過低，使焊條的焊接溫度過低，進而無法克服母材和焊材之間的熔點溫度相差較大的問題，也就無法解決母材和焊材熔接性差的技術難題，本發明則是一改傳統思維，采用260～300A大電流直流焊接，使焊接溫度達到設計要求，母材熔深合適，母材和焊材的熔接界面結合良好，進而有效解決母材和焊材熔接性差的問題，但是，并不是電流越大越好，經過大量實驗得出，當焊接電流超過260～300A時，母材熔深較深，母材消耗較快，導致焊后的焊接部位會出現裂紋，進而使陰極的使用壽命縮短，起不到提高陰極使用壽命的技術效果，而低于260～300A時，則會出現與傳統堆焊工藝的相同問題——熔接性差，至于為什么會在260～300A之間，目前原理尚不清楚，260～300A的電流范圍是在進行大量實驗和試錯后得到的一個范圍。步驟4中，焊后的陰極的保溫時間至少為24h，以確保焊接部位不應急速冷卻產生裂紋。

5 結論

（1）堆焊部位經高溫探傷無裂紋產生，熔接效果好，確保了導電性能和機械強度，攻克了現有陰極堆焊不相熔的技術難題；

（2）堆焊部位加熱到1150℃無熔化現象，確保了陰極在高溫條件下能夠正常使用，焊接效果顯著；

（3）通過載流量實驗，電流13500～14000A，電流密度4.26～4.42A/cm2運行90天無發紅現象，再通過稀土電解腐蝕試驗，單根堆焊后的陰極可連續使用90天；

（4）陰極堆焊部位腐蝕后，進行再堆焊，實現了陰極循環利用，焊接成本低，降低了陰極使用成本90%。

［1］石富.稀土電解槽的研究現狀及發展趨勢[J].中國稀土學報, 2005,25(增刊):70-74.

［2］薛娟琴,郭忠源,唐長斌,等.熔鹽液面上鎢陰極快速腐蝕研究[J].熱加工工藝, 2015(2):88-93.

［3］劉會杰.焊接冶金與焊接性[J].北京:機械工業出版社, 2007:28-42.

［4］唐伯鋼.低碳鋼與低合金鋼焊接材料[J].北京:機械工業出版社,1987:35-55.

［5］王宗杰.熔焊方法與設備[J].北京:機械工業出版社, 2006:133-165.

［6］張文鉞.焊接冶金學[J].北京:機械工業出版社, 1999:99-107.