降低阳极炭块压降方法初探

摘要：本文主要介绍了降低阳极炭块压降的方法，提出了在具有四爪双排排列结构的阳极钢爪炭块，表面中间空余处开出一道凹槽，增大横截面积，从而减低电阻，减低压降。最终达到延长钢爪寿命，方便阳极炭块组组装，阳极消耗均匀，更加容易处理残极，降低工人劳动强度等目的。

关键词：阳极炭块 压降 方法初探

一、预焙阳极及降低炭块压降方法概述

1.预焙阳极概述

预焙阳极是以石油焦、沥青焦为骨料，煤沥青为黏结剂制造而成，用作预焙铝电解槽作阳极材料。习惯上也将其称为铝电解用炭阳极。代化的大型铝电解槽就是用预焙阳极炭块作阳极的铝电解槽，简称预焙槽。

预焙阳极炭块是铝电解生产中的一种重要原材料，它在铝电解的生产中起着重要的作用，阳极炭块内在质量和各项技术参数的设计直接影响着电解生产工艺，其中阳极压降是一项重要指标，阳极组装的质量越高，阳极压降越低，即所消耗的电能越少，阳极压降由炭块本身压降、铁—碳压降、钢爪压降、爆炸焊块压降、铝导杆压降等部分组成。

2.降低炭块压降的方法概述

2.1降低磷生铁自身压降

降低磷生铁自身压降的主要途径是：优化磷生铁配方和改善磷生铁浇铸工艺。优化配方的主要方法是：合理调整磷生铁中C、Si、P、Mn、S五大元素的含量，提高C含量，降低Si，P含量，除S，使用增碳剂、新型脱硫剂，选用合适的熔炼炉和炉衬；用滚筒等方法将黏附在磷铁环上的残炭、氟盐和氧化皮清理干净后再重熔，尽量减少回收铁的使用量以降低原材料中的硫含量。改善磷生铁浇铸性能的主要方法是：防止阳极炭碗潮湿，将炭碗清理干净，控制好铁水浇铸温度，选用全机械化操作[1]。目前只有少数铝电解企业采用全机械化操作全过程。即用链轮悬挂阳极导杆，在输送过程中自动完成校直、砂洗、涂石墨等工艺。当与轨道输送机运送的阳极炭块同步后，爪头自动进入炭碗，并由浇注机自动向几个炭碗定量浇铸。

2.2优化钢爪铸造工艺

如果钢爪铸造工艺控制不好，表面易存在气孔、砂眼，内部有夹杂、缩松等缺陷，则爪头受热应力易弯曲，表面附着的铁锈和电解质会降低钢爪和磷铁间的结合力，钢—炭接触电阻增大。目前，大部分电解铝企业已采用消失模铸造工艺代替了砂型铸造工艺。

消失模铸造，其模型采用的是与铸件尺寸形状相似的泡沫聚苯乙烯，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中震动紧实，无砂芯、无粘接剂，在负压下浇铸，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的一种无型腔铸造新工艺。与传统砂型铸造相比，采用消失模铸造工艺生产的阳极钢爪，外观质量较高，无夹砂和飞边等缺陷，降低了钢爪和磷铁的界面压降，劳动强度也有明显减低，在技术、经济、环保三个方面有明显的优势。

2.3有效清理钢爪

有效清除钢爪表面的铁锈和电解质，能增加磷铁与钢爪的结合力，降低接触电阻，防止炭块脱落，减少电解槽吨铝能耗。钢爪清理设备有抛丸清理机、钢丝清刷机、钢丝绳清理机等。抛丸清理机是利用钢球在钢爪上的机械碰撞和冲击达到清理目的，结构复杂，生产连续性差，效率低，故障率高。钢丝清刷机是通过特制钢丝刷与钢爪的撞击和接触摩擦等作用达到清理目的，效率高，故障率低，但极易磨损，使用寿命短，费用较高[2]。钢丝绳清理机是借助各清刷绳以不同方向高速旋转，在离心力的作用下撞击和摩擦钢爪达到清理目的，结构简单，效率高，生产连续性好，故障率低，清刷力可调节，清刷区域大小可调整，耐磨耐用耗。

二、降低炭块压降新方法-炭碗内部开竖槽

1.炭碗内部开竖槽

在炭碗部连贯中心线上开一条横槽，形成炭碗连通沟槽，槽宽40mm，槽深100mm。炭碗连通后，在炭素厂进行浇铸，在一工段进行组装上槽，在换极后第3天开始测量钢—炭压降，每个数据测量三次，取平均值，同时进行对比试验。

新型阳极结构炭块上槽使用后，应用效果良好，没有出现异常和不良现象， 槽子整个运行也比较稳定，特别是阳极使用27天后吊出来的残极，外观形状很好，中间开出的一道凹槽明显可见而且没有损坏，证明新型阳极炭块确实好用。

2.炭碗内部开竖槽的优势

2.1降低铁—炭压降

导体的电阻公式R=P×L/S式中，P为电阻率，是材料固有的性质L为导体材料的长度S为导体材料的截面积，从上述公式可知，导体的电阻和其截面积成反比。相邻炭碗连通开槽之后，铁—炭接触面积增大，铁—炭压降降低，则钢—炭压降降低。

2.2阳极组装方便，劳动强度降低，浇铸质量提高

炭碗之间相互开槽后，工人浇铸时只需在一个碗内浇注铁水，其它几个炭碗都会浇满，既减轻了劳动强度，又提高了浇铸速度，浇铸表面质量明显改善，浇铸过程中铁水泼洒到炭块表面的现象很少。

2.3从根本上克服钢爪弯曲变形

钢爪的变形弯曲是由于钢爪梁和炭块的热膨胀系数不同。在电解高温下，两者形成了热膨胀的位移差。在钢爪头发红变软的情况下，造成了钢爪的弯曲变形。如果将炭碗之间相互开槽，则浇铸的铁环将四个爪头连在一起，而铁环和钢梁的膨胀性是一样的，所以克服了炭块膨胀不足对钢爪造成的变形，省去了钢爪变形的校直维修费用，延长了钢爪寿命[3]。

2.4阳极炭块消耗均匀，残极处理更加容易

四个铁环通过磷铁连在一起，使电流分布更加均匀，电解槽运行更加平稳炭块消耗均匀，底部平整，不容易因电流偏流形成铁环粘爪现象。

2.5增大磷铁与炭块的紧固力，降低炭块压降

在400-960℃温度范围内，磷生铁与钢爪的线膨胀系数约为（15.0—16.0） × 10-5/℃，炭块线膨胀系数约为（3.7—4.0） ×10-6/℃。磷生铁与炭块的线膨胀系数相差约30倍以上，温度越高，磷铁膨胀总量差越大。随着时间的延长和温度的升高，磷铁的热膨胀会对炭块产生压缩应力。磷铁环越厚，热膨胀率越大，磷铁与炭块之间的压缩应力越大，则磷铁与炭块之间缝隙越小，接触更加紧密，接触电阻减小，铁—炭接触压降减小，钢—炭压降降低。

三、结论

阳极炭块炭碗连通后，钢—炭压降显著降低，钢爪弯曲变形等问题得到解决，钢爪寿命延长，磷铁浇铸质量提高，阳极炭块组组装方便，阳极消耗均匀，处理残极时更加容易，工人劳动强度降低。因此在炭碗内部开竖槽，也是降低钢—炭压降的主要途径。

参考文献

[1]沈泽方.铝电解[M].有色金属工人技术理论教材（修订版）， 1988.

[2]霍庆发.铝电解工业技术与装备[J].辽宁出版社，2002.

[3]代玲枝，李崇虎.阳极钢爪内弯曲现象的分析[J].青海科技，2009，（4）：43-45.