復(fù)雜電解質(zhì)體系下新型炭陽極導(dǎo)桿組的研究

肖述兵

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復(fù)雜電解質(zhì)體系下新型炭陽極導(dǎo)桿組的研究

肖述兵

（黃河鑫業(yè)有限公司，青海湟中，811600）

國內(nèi)鋁電解槽殼面硬度高，在調(diào)極和換極時，導(dǎo)桿爆炸焊塊部位受到的拉力較大，很容易造成該部位開焊、開裂。同時，電解是高耗能工業(yè),隨著目前電價的高企以及產(chǎn)能過剩導(dǎo)致的原鋁價格偏低,如何有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗是整個行業(yè)所關(guān)注的問題。本文研制了一種新型鋁導(dǎo)桿組，以提高強(qiáng)度和降低能耗。

電解；新型；導(dǎo)桿研究；應(yīng)用

前言

國內(nèi)Al2O3原料的雜質(zhì)含量高，電解過程中使鋁電解質(zhì)中鋰鹽和鉀鹽富集，從而引起鋁電解質(zhì)組分和物化性質(zhì)顯著變化。引起電解溫度過低、氧化鋁溶解性能差、電流效率降低、爐底狀況變差等問題。為了保持生產(chǎn)穩(wěn)定，建立高效節(jié)能鋁電解工藝，利用高分子比電解質(zhì)電導(dǎo)率高的特點(diǎn),可有效緩解以上現(xiàn)象，但高分子比，也增加了殼面硬度[1]，在調(diào)極和換極時，導(dǎo)桿爆炸焊塊部位受到的拉力較大，很容易造成該部位開焊、開裂，如圖1所示。某鋁電解企業(yè)2017年下線率在12.73%，其中爆炸焊、有色焊開焊占比40.6%，既由此造成的下線率為5.2%。

圖1 鋼爪開裂、開焊圖

電解是高耗能工業(yè),隨著目前電價的高企以及產(chǎn)能過剩導(dǎo)致的原鋁價格偏低,如何有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗是整個行業(yè)所關(guān)注的問題。降低電解槽各部位的接觸壓降是電解生產(chǎn)降低能耗的有效途徑，陽極導(dǎo)桿與鋼爪體之間的鋁鐵壓降在35mv以上，此處能耗在100kw.h/t-Al以上。

2 技術(shù)方案

鋁為銀白色輕金屬，相對密度2.70，熔點(diǎn)660℃，其輕、良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，熱膨脹系數(shù)23.6×10-6mm/℃，強(qiáng)度100Mpa,電阻率2.83×10-8?.m，經(jīng)濟(jì)電流密度3A/mm2。

鐵是白色或者銀白色的，有金屬光澤，熔點(diǎn)1538℃，熱膨脹系數(shù)11.8×10-6mm/℃,強(qiáng)度400Mpa ，電阻率9.78×10-8?.m，經(jīng)濟(jì)電流密度1.6A/mm2。

鋁鐵爆炸焊塊熔接面大于98%，接觸面抗拉強(qiáng)度大于137MPa，接觸面抗剪強(qiáng)度大于80MPa，耐熱不小于400℃。電阻率8.16×10-8?.m。

三者均具有良好的導(dǎo)電性和耐熱性能，且散熱良好，具有較高的強(qiáng)度，成本在金屬材料中相對較低，是制作陽極導(dǎo)桿的理想材料[2]。

在陽極導(dǎo)桿兩側(cè)分別焊一塊爆炸塊，然后用16mm后的鋼板將爆炸塊與鋼爪橫梁連接，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)桿加固圖

3 強(qiáng)度、電阻、電流理論計(jì)算

3.1 強(qiáng)度核算

3.1.1 爆炸塊結(jié)合面強(qiáng)度

新增加的兩塊爆炸塊結(jié)合面受到的是剪切力，其強(qiáng)度為160Mpa，大于原爆炸塊所受的抗拉強(qiáng)度137Mpa，該處強(qiáng)度提高了1.17倍。

3.1.2 鋼板焊縫強(qiáng)度

4塊加強(qiáng)鋼板焊縫總長度為1408mm，原爆炸塊與鋼爪焊縫長度為800mm，兩者焊縫高度相等，則焊縫強(qiáng)度提高了1.76倍。

3.2 電阻核算

3.2.1 爆炸塊電阻計(jì)算

3.2.2 加固鋼板組電阻計(jì)算

已知單塊鋼板長度515mm，寬度160mm，厚度16mm。

式中：電阻率（?.m），

：長度（m），

：截面積（m2），

3.2.3 總電阻計(jì)算

加固鋼板組與原爆炸塊并聯(lián)，則總電阻

3.3 電流分布

3.3.1 原鋼爪電流分布

圖3 原導(dǎo)桿電阻、電壓、電流分布圖

3.3.2 新導(dǎo)桿電流分布

圖4 新導(dǎo)桿電阻、電壓、電流分布圖

4 產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

4.1 投資概算

鋼板總重量50kg，按材料費(fèi)與加工費(fèi)5元/kg計(jì)算，鋼板費(fèi)用250元/組；2塊爆炸塊材料費(fèi)240元，組焊費(fèi)用50元，則總費(fèi)用540元/組，572臺槽全部實(shí)施費(fèi)用為1482.6萬元。

4.2 降低的電耗費(fèi)用

4.3 爆炸塊維修費(fèi)

爆炸塊最低強(qiáng)度提升1.17倍，根據(jù)可靠性與強(qiáng)度的平方成正比的理論[3]，則該處開焊、開裂的概率降低了4.7倍，既由原來的破壞率5.2%降低到1.1%，降低4.1個百分點(diǎn)。每年導(dǎo)桿周轉(zhuǎn)量約30萬組，每組維修費(fèi)用約261元，則每年節(jié)省維修費(fèi)：30×0.041×261=321萬元。

4.4 收益率

年節(jié)省總費(fèi)用796+321=1117萬元，投資收益率為75%，既1.3年即可收回投資。

4.5 間接效益

從導(dǎo)桿通過的電流被加固鋼板分流，鋼板分流40%，鋼爪電流偏流率從50%降低到25%，如圖5所示。到鋼爪的電流更平衡，溫度也平衡，溫差降低，熱應(yīng)力引起的爪體和橫梁變形也隨之降低。

圖5 新舊導(dǎo)桿鋼爪電流發(fā)布圖

4.6 環(huán)保效益

每年節(jié)省電量為2486.4萬kw.h，則：

減少二氧化碳排放：2486.4×104×0.997kg/kw.h= 2.48萬噸；

減少碳粉塵排放：2486.4×104×0.272kg/kw.h= 0.68萬噸；

減少二氧化硫排放：2486.4×104×0.03kg/kw.h= 0.075萬噸；

減少氮氧化物排放：2486.4×104×0.015kg/kw.h= 0.037萬噸；

5 結(jié)束語

新型鋁導(dǎo)桿組，可以提高強(qiáng)度和降低能耗，其效益表現(xiàn)在

（1）剛性連接增大導(dǎo)電面積，降低鋁鐵壓降，可降低14mv；

（2）爆炸塊處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高一倍多，破壞率降低4.7倍；

（3）爆炸塊處分流40%，鋼爪電流偏流率從50%降低到25%。

（4）年節(jié)省費(fèi)用1117萬元，投資收益率為75%。

[1] 田應(yīng)甫. 大型預(yù)焙鋁電解槽生產(chǎn)實(shí)踐. 長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社， 2003.3

[2] 英若采.焊接原理及金屬材料焊接.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3] 梅啟智.系統(tǒng)可靠性工程基礎(chǔ).北京：科學(xué)出版社，1987.

[4] 羅忠臣 冀惠芳 魏秀明.預(yù)焙陽極碳塊最佳配方的選擇及實(shí)踐[J].輕金屬.

[5] 常先恩李剛劉瑞.增大原料粒度提高炭陽極質(zhì)量的試驗(yàn)研究

Study on a new type of carbon anode guide rod group under mass system

Xiao Shubing

(Yellow River Xinye Co., Ltd., Qinghai Yuzhong, 811600)

The hardness of the shell surface of domestic aluminum electrolysis cell is high. When the pole is poled and the pole is changed, the tensile force of the lead rod of the guide rod is greatly affected, which is easy to cause the part to be welded and cracked. At the same time, electrolysis is a high-energy-consuming industry. With the current high price of electricity and the low price of primary aluminum caused by overcapacity, how to effectively achieve energy conservation and consumption reduction is a concern of the whole industry. This paper developed a new type of aluminum guide rod to improve strength and reduce energy consumption.

electrolysis, new guide rod, research, application

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2019.03.016

TN98

A

1672-9129(2019)03-0045-04

肖述兵，(1972-),男，湖南省臨湘市人，大學(xué)學(xué)歷，高級工程師，工作于黃河鑫業(yè)有限公司，從事生產(chǎn)、設(shè)備管理工作。E-mail：1076627149@qq.com