關于鋁電解槽鑄鐵澆鑄陰極的常溫鐵碳壓降-爐底壓降的分析

陳金輝,劉銘恩,李廣彬,王 旋

(1.廣西百礦鋁業有限公司,廣西 百色 533000；2.沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

鑄鐵澆鑄陰極是指陰極鋼棒與陰極炭塊通過澆鑄液態熔融鐵水連接的陰極組。澆鑄陰極有助于降低電解槽陰極壓降,降低電解槽電壓[3-4]。鑄鐵澆鑄陰極的陰極壓降(CVD)主要由以下五部分構成:鋼棒壓降、陰極炭塊與鋼棒的接觸壓降、陰極炭塊壓降、陰極炭塊與鋁液之間的接觸壓降、金屬鋁的壓降[1],其中金屬鋁的壓降和陰極炭塊與鋁液之間的接觸壓降非常小[2],因此,陰極鋼棒與陰極炭塊的接觸壓降將直接影響陰極壓降。在實際澆鑄過程中,澆鑄陰極的澆鑄質量與陰極炭塊的材質、鑄鐵的成分、澆鑄過程的工藝參數、炭塊及鋼棒預熱的溫度及分布、澆鑄的順序等因素密切相關[5],澆鑄后的陰極組質量表征目前暫無非常明確的指標或參數,本文通過分析項目A、項目B兩個500 kA電解系列的鑄鐵澆鑄陰極的常溫鐵碳壓降及實測爐底壓降,判斷兩者的相關性,分析影響澆鑄陰極常溫鐵碳壓降的主要因素及其對爐底壓降的影響關系。

1 實驗方法

1.1 常溫鐵碳壓降測試設備及測試方法

測試設備:鐵碳壓降測試儀。

測試方法:陰極組澆鑄后冷卻至室溫(25 ℃),測試時將澆鑄面陰極炭塊中間位置和陰極鋼棒端面(1#～4#鋼棒)作為測試點,分別與鐵碳壓降測試儀的正負極連接,連接后打開鐵碳壓降測試儀電源,此時陰極組兩個測試點之間通過200 A的直流電流,測量過程中炭塊中間的連接點保持不變,僅調整與陰極鋼棒的連接點位置,按照陰極鋼棒從1#～4#的順序依此進行測量,記錄電壓測量值。圖1 為陰極炭塊組常溫鐵碳壓降測試示意圖。

圖1 常溫鐵碳壓降測量示意圖

1.2 爐底壓降測試設備及測量方法

測試設備:數字萬用表,鋼釬,連接導線等。

測試方法:測試前先將一端與鋼釬連接,另一端與數字萬用表正負極連接。在電解槽正常生產條件下,將其中一個鋼釬插入電解槽內的液態鋁液中,另一個鋼釬接至與該陰極對應的陰極軟帶與爆炸焊塊的連接處,讀取萬用表顯示電壓值,并記錄電壓測量值。圖2為電解槽爐底壓降測量示意圖。

圖2 電解槽爐底壓降測量示意圖

2 實驗結果

2.1 澆鑄陰極材料及澆鑄工藝參數

項目A、項目B兩個鋁廠的陰極炭塊及陰極鋼棒的設計尺寸相同,分別對兩個鋁廠的陰極澆鑄過程進行了跟蹤記錄,兩個澆鑄現場采用相同的預組裝工藝,均采用燃氣預熱爐進行鋼棒及炭塊的預熱,每爐次加熱兩組陰極組,加熱方式為多點加熱。澆鑄過程中單個鋼棒槽一次澆鑄完成,兩組陰極共8個鋼棒槽依此澆鑄,澆鑄順序相同。澆鑄后冷卻方式均為空冷。兩個鋁廠的其他澆鑄過程參數及鑄鐵成分分別如表1及表2所示,陰極鋼棒成分及陰極炭塊電阻率分別如表3、表4所示。

表1 鑄鐵澆鑄參數對比

表2 兩個現場的鑄鐵成分對比 %

表3 兩個現場的陰極鋼棒成分對比 %

表4 兩個現場的陰極炭塊電阻率對比 Ω·mm2/m

2.2 常溫鐵碳壓降測量結果對比分析

待澆鑄后陰極冷卻至室溫(～25 ℃),分別測量統計了兩個500 kA電解系列的澆鑄后陰極炭塊組的常溫鐵碳壓降,每組陰極組的鐵碳壓降值為四個鋼棒位置測量值的平均值。其中項目A統計的陰極組數量為1440組,項目B統計的陰極組數量為1920組。圖3、圖4分別給出了兩個澆鑄現場澆鑄后陰極炭塊組的鐵碳壓降分布對比圖及箱線圖。

從圖3可以看出項目A陰極炭塊組的鐵碳壓降主要分布在40～60 mV,該區間的比例約占到總量的85.1%,小于40 mV的比例約占3.5%,剩余的比例約11.4%的陰極組壓降在60～90 mV。

圖3 常溫鐵碳壓降分布對比圖

項目B陰極炭塊組的鐵碳壓降主要分布在60～120 mV,該區間的比例約占到總量的84.4%,小于60 mV的比例約占4.5%,約10%的陰極組壓降在120～200 mV,約1.1%的陰極炭塊組壓降在200 mV以上。

圖4給出了兩個項目陰極炭塊組的鐵碳壓降分布箱線圖,項目A陰極炭塊組的鐵碳壓降中位數約50 mV,項目B陰極炭塊組的鐵碳壓降中位數約90 mV,約是項目A陰極炭塊組鐵碳壓降的1.8倍。

圖4 陰極炭塊組鐵碳壓降箱線圖

由于陰極炭塊材質、陰極鋼棒及鑄鐵成分、預熱溫度等因素的不同,兩個現場陰極組常溫鐵碳壓降存在一定差別, A現場的澆鑄陰極常溫鐵碳壓降明顯低于B現場的壓降值。

2.3 電解槽爐底壓降對比分析

澆鑄后的陰極組經過搗打料填充、糊料填充、錨固件焊接、防滲澆注料澆注等工序后,完成成品陰極組的組裝。同時每組陰極組根據常溫鐵碳壓降的測量結果進行編號,電解槽筑爐時將鐵碳壓降值接近的陰極組安裝在同一臺電解槽中,在同一電解槽內,壓降小的陰極組放在電解槽兩端。電解槽筑爐結束并完成上部結構及母線的安裝,經通電焙燒啟動并穩定正常生產后,測量電解槽爐底壓降并記錄。兩個現場的系列運行電流均為500 kA,爐底壓降測量時間為啟動并穩定運行三個月。

圖5、圖6分別為項目A及項目B的電解槽爐底壓降分布對比圖及箱線圖,兩個現場的電解槽爐底壓降分布規律基本接近。項目A電解槽爐底壓降主要分布在210～260 mV,占比達到91.7%,其余分布在260 mV以上。項目B電解槽爐底壓降主要分布在210～260 mV,占比達到89.1%,其余主要分布在260 mV以上。

圖5 電解槽爐底壓降分布對比圖

圖6 電解槽爐底壓降箱線圖

項目B爐底壓降統計數據上下邊緣值略高于項目A爐底壓降上下邊緣值。兩個項目電解槽平均爐底壓降分別為234 mV、236 mV。

從爐底壓降測量結果可以看出兩個現場的爐底壓降的分布規律基本類似,平均值基本相同,并未呈現出明顯的差別。

3 實驗結果對比分析

從圖1～圖6的鑄鐵澆鑄陰極的常溫鐵碳壓降與電解槽爐底壓降分布可以看出,項目B陰極炭塊組的鐵碳壓降均值約為項目A陰極炭塊組常溫鐵碳壓降2倍,而投產后的電解槽爐底壓降分布二者接近,均值基本相同。由此可見,陰極炭塊組常溫鐵碳壓降與生產中的爐底壓降未呈現明顯的對應關系。即在常溫鐵碳壓降較高的情況下,在電解槽的投產運行后并未呈現高爐底壓降。

兩個現場的陰極炭塊組的結構形式及設計尺寸規格均相同,主要區別為陰極炭塊、陰極鋼棒材質、鑄鐵成分的不同以及炭塊和鋼棒預熱溫度的不同,常溫鐵碳壓降及爐底壓降均為上述因素綜合影響的結果。項目B采用高石墨質陰極炭塊,其常溫電阻率(20 ℃)及高溫電阻率(1000 ℃)較項目A陰極炭塊的電阻率均要低,二者的常溫電阻率差異約在6.8%左右,高溫電阻率(1000 ℃)差異約在14.7%左右。項目A陰極鋼棒的電阻率要高于項目B陰極鋼棒的電阻率,二者差異約在23%左右。即從材料性能方面,項目B所使用陰極炭塊及陰極鋼棒較項目A均具有更好的導電性。

鑄鐵澆鑄陰極生產過程是一個高溫生產過程,而常溫鐵碳壓降為冷態下的測量結果,澆鑄后的鑄鐵與鋼棒及炭塊間由于熱脹冷縮的原因通常會出現一定間隙,由于兩個項目的鑄鐵成分以及預熱溫度的不同,項目A陰極炭塊與陰極鋼棒之間填充鑄鐵后的鑄鐵壓降及其與鋼棒及炭塊之間的接觸壓降較項目B要低,最終項目A陰極組常溫鐵碳壓降較項目B要低。而成品陰極炭塊組進入電解槽后的生產溫度將達到900 ℃以上,陰極炭塊、鋼棒及鑄鐵又會發生膨脹,彼此之間將充分接觸,此時兩個項目的爐底壓降基本相同,在生產的高溫環境下,項目A的陰極炭塊組的接觸壓降部分升高的較項目B更大,導致兩個項目最終的爐底壓降基本接近。

4 結 論

(1)項目A陰極炭塊組的鐵碳壓降主要分布在40～60 mV,爐底壓降主要分布在210～250 mV。項目B陰極炭塊組的鐵碳壓降主要分布在60～120 mV,電解槽爐底壓降主要分布在210～260 mV。常溫鐵碳壓降和生產狀態下的爐底壓降并無明顯的對應關系。

(2)項目B所使用陰極炭塊及陰極鋼棒較項目A均具有更好的導電性,而項目B陰極組常溫鐵碳壓降較項目A要高,即項目A陰極炭塊與陰極鋼棒之間填充鑄鐵后的鑄鐵壓降及其與鋼棒及炭塊之間的接觸壓降較項目B要低。隨著溫度所升高,項目B的鑄鐵壓降及其與陰極鋼棒與陰極炭塊之間的接觸壓降較項目A升高小,最終兩個項目爐底壓降分布基本相同。

(3)陰極澆鑄過程中陰極炭塊及鋼棒的預熱溫度、加熱速度、陰極炭塊保溫的時間、鑄鐵的成分、澆鑄溫度等每個生產過程的質量控制都將影響最終澆鑄質量,而澆鑄質量的好壞主要體現在炭塊是否出現裂紋、鋼棒是否變形等方面,并不能體現在冷態下的鐵碳壓降的高低。

(4)陰極鋼棒-鑄鐵-陰極炭塊兩兩之間的接觸壓降受到材料成分、尺寸、形狀以及預熱溫度等諸多因素的影響,且焙燒啟動后的爐底壓降也受到多方面生產因素的影響,因此上述數據采集的不確定性,不同鋁廠數據的可比性等也存在深入探討的空間,下一步將通過模擬仿真、現場生產數據跟蹤、分析更多鋁廠數據等方式對相互之間的關系進行進一步分析研究。