肖述兵



复杂电解质体系下新型炭阳极导杆组的研究

肖述兵

（黄河鑫业有限公司，青海湟中，811600）

国内铝电解槽壳面硬度高，在调极和换极时，导杆爆炸焊块部位受到的拉力较大，很容易造成该部位开焊、开裂。同时，电解是高耗能工业,随着目前电价的高企以及产能过剩导致的原铝价格偏低,如何有效实现节能降耗是整个行业所关注的问题。本文研制了一种新型铝导杆组，以提高强度和降低能耗。

电解；新型；导杆研究；应用

前言

国内Al2O3原料的杂质含量高，电解过程中使铝电解质中锂盐和钾盐富集，从而引起铝电解质组分和物化性质显著变化。引起电解温度过低、氧化铝溶解性能差、电流效率降低、炉底状况变差等问题。为了保持生产稳定，建立高效节能铝电解工艺，利用高分子比电解质电导率高的特点,可有效缓解以上现象，但高分子比，也增加了壳面硬度[1]，在调极和换极时，导杆爆炸焊块部位受到的拉力较大，很容易造成该部位开焊、开裂，如图1所示。某铝电解企业2017年下线率在12.73%，其中爆炸焊、有色焊开焊占比40.6%，既由此造成的下线率为5.2%。

图1 钢爪开裂、开焊图

电解是高耗能工业,随着目前电价的高企以及产能过剩导致的原铝价格偏低,如何有效实现节能降耗是整个行业所关注的问题。降低电解槽各部位的接触压降是电解生产降低能耗的有效途径，阳极导杆与钢爪体之间的铝铁压降在35mv以上，此处能耗在100kw.h/t-Al以上。

2 技术方案

铝为银白色轻金属，相对密度2.70，熔点660℃，其轻、良好的导电和导热性能，热膨胀系数23.6×10-6mm/℃，强度100Mpa,电阻率2.83×10-8Ω.m，经济电流密度3A/mm2。

铁是白色或者银白色的，有金属光泽，熔点1538℃，热膨胀系数11.8×10-6mm/℃,强度400Mpa ，电阻率9.78×10-8Ω.m，经济电流密度1.6A/mm2。

铝铁爆炸焊块熔接面大于98%，接触面抗拉强度大于137MPa，接触面抗剪强度大于80MPa，耐热不小于400℃。电阻率8.16×10-8Ω.m。

三者均具有良好的导电性和耐热性能，且散热良好，具有较高的强度，成本在金属材料中相对较低，是制作阳极导杆的理想材料[2]。

在阳极导杆两侧分别焊一块爆炸块，然后用16mm后的钢板将爆炸块与钢爪横梁连接，如图2所示。

图2 导杆加固图

3 强度、电阻、电流理论计算

3.1 强度核算

3.1.1 爆炸块结合面强度

新增加的两块爆炸块结合面受到的是剪切力，其强度为160Mpa，大于原爆炸块所受的抗拉强度137Mpa，该处强度提高了1.17倍。

3.1.2 钢板焊缝强度

4块加强钢板焊缝总长度为1408mm，原爆炸块与钢爪焊缝长度为800mm，两者焊缝高度相等，则焊缝强度提高了1.76倍。

3.2 电阻核算

3.2.1 爆炸块电阻计算

3.2.2 加固钢板组电阻计算

已知单块钢板长度515mm，宽度160mm，厚度16mm。

式中：电阻率（Ω.m），

：长度（m），

：截面积（m2），

3.2.3 总电阻计算

加固钢板组与原爆炸块并联，则总电阻

3.3 电流分布

3.3.1 原钢爪电流分布

图3 原导杆电阻、电压、电流分布图

3.3.2 新导杆电流分布

图4 新导杆电阻、电压、电流分布图

4 产生的经济效益

4.1 投资概算

钢板总重量50kg，按材料费与加工费5元/kg计算，钢板费用250元/组；2块爆炸块材料费240元，组焊费用50元，则总费用540元/组，572台槽全部实施费用为1482.6万元。

4.2 降低的电耗费用

4.3 爆炸块维修费

爆炸块最低强度提升1.17倍，根据可靠性与强度的平方成正比的理论[3]，则该处开焊、开裂的概率降低了4.7倍，既由原来的破坏率5.2%降低到1.1%，降低4.1个百分点。每年导杆周转量约30万组，每组维修费用约261元，则每年节省维修费：30×0.041×261=321万元。

4.4 收益率

年节省总费用796+321=1117万元，投资收益率为75%，既1.3年即可收回投资。

4.5 间接效益

从导杆通过的电流被加固钢板分流，钢板分流40%，钢爪电流偏流率从50%降低到25%，如图5所示。到钢爪的电流更平衡，温度也平衡，温差降低，热应力引起的爪体和横梁变形也随之降低。

图5 新旧导杆钢爪电流发布图

4.6 环保效益

每年节省电量为2486.4万kw.h，则：

减少二氧化碳排放：2486.4×104×0.997kg/kw.h= 2.48万吨；

减少碳粉尘排放：2486.4×104×0.272kg/kw.h= 0.68万吨；

减少二氧化硫排放：2486.4×104×0.03kg/kw.h= 0.075万吨；

减少氮氧化物排放：2486.4×104×0.015kg/kw.h= 0.037万吨；

5 结束语

新型铝导杆组，可以提高强度和降低能耗，其效益表现在

（1）刚性连接增大导电面积，降低铝铁压降，可降低14mv；

（2）爆炸块处结构强度提高一倍多，破坏率降低4.7倍；

（3）爆炸块处分流40%，钢爪电流偏流率从50%降低到25%。

（4）年节省费用1117万元，投资收益率为75%。

[1] 田应甫. 大型预焙铝电解槽生产实践. 长沙：中南工业大学出版社， 2003.3

[2] 英若采.焊接原理及金属材料焊接.第2版.北京：机械工业出版社，2000.

[3] 梅启智.系统可靠性工程基础.北京：科学出版社，1987.

[4] 罗忠臣 冀惠芳 魏秀明.预焙阳极碳块最佳配方的选择及实践[J].轻金属.

[5] 常先恩李刚刘瑞.增大原料粒度提高炭阳极质量的试验研究

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，湖南省临湘市人，大学学历，高级工程师，工作于黄河鑫业有限公司，从事生产、设备管理工作。E-mail：1076627149@qq.com