CN105839142B - 铝电解槽用阳极钢爪及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝电解槽用阳极钢爪及其制备方法，该阳极钢爪包括钢爪坯件，钢爪坯件包括钢爪横梁和焊接在钢爪横梁下部的钢爪支腿；在钢爪坯件的表面覆有金属复合层，金属复合层由Fe、Al、Cu、Ni和Cr复合而成，其中各组分的质量百分比为：Al：0.1～15%、Cu：0.1～2%、Ni：0.1～1.5%、Cr：0.1～8%、余量为Fe。该制备方法包括型钢加工、全截面熔焊、表面处理和覆设金属复合层的步骤。本发明阳极钢爪具有更高的耐腐蚀、耐高温性能，并且能够减少阳极钢爪支腿更换过程中的工作量和减少焊缝压降，从而降低阳极钢爪的维护成本和后期使用能耗，实现了降低电解铝生产成本的目的。
Description
技术领域
本发明涉及铝电解技术领域，具体涉及一种铝电解槽用阳极钢爪及其制备方法。
背景技术
在铝电解生产过程中，阳极被誉为“电解的心脏”，目前预焙电解槽阳极均采用铸钢阳极钢爪，主要是通过铝、钢复合爆炸块与铝导杆焊接，铝导杆和阳极钢爪起到传导电流和承载负载的作用。由于铸钢的电阻比较大，在铝电解过程中，阳极钢爪部分电压降较大，通常达50～80mV，甚至更高，损耗的功率也大，增加了电解铝的吨铝电耗和生产成本。并且阳极钢爪在工作过程中，由于工作环境恶劣，需要定期的更换焊接阳极钢爪支腿和更新阳极钢爪，通常阳极钢爪支腿的更换周期为1年、阳极钢爪的更换周期为3年。仅此一项，一个年产25万吨原铝的电解铝生产企业就需支出上千万元的阳极钢爪维护费用。因此，如何采用新型阳极钢爪生产工艺，减少目前铸钢阳极钢爪压降大产生的电能损耗，降低电解铝生产成本，对于电解铝企业来说是保证其市场竞争力的必要条件。
发明内容
本发明旨在解决现有的阳极钢爪在高温条件下易被氧化腐蚀、能耗高、更换周期短、维护成本高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种铝电解槽用阳极钢爪，包括钢爪坯件，所述钢爪坯件包括钢爪横梁和焊接在所述钢爪横梁下部的钢爪支腿；在所述钢爪坯件的表面覆有金属复合层，所述金属复合层由Fe、Al、Cu、Ni和Cr复合而成，其中各组分的质量百分比为：Al：0.1～15%、Cu：0.1～2%、Ni：0.1～1.5%、Cr：0.1～8%、余量为Fe。
优选的，所述金属复合层的厚度为0.01～5mm。
优选的，所述金属复合层的孔隙率≤5%。
优选的，所述金属复合层与所述钢爪坯件之间的结合强度＞50MPa。
优选的，所述金属复合层在800℃～1000℃的高温电解质熔融液体中，腐蚀速率≤0.01mm/d。
优选的，所述钢爪横梁与钢爪支腿之间的焊缝为立缝焊接的焊缝。
本发明还提供了一种上述铝电解槽用阳极钢爪的制备方法，包括如下步骤：
（1）型钢加工：将型钢材料按照钢爪横梁和钢爪支腿的尺寸进行切割，切割面平行度小于等于5°，得到制备钢爪坯件所需的钢爪横梁和钢爪支腿；
（2）全截面熔焊：将步骤（1）所得的钢爪支腿焊接于所述钢爪横梁上，首先使焊接面的平面度于等于5°，打磨清理焊缝两侧的氧化皮；固定工件和夹具，使两个焊接面的距离5～40mm，焊缝为立缝焊接；采用熔焊设备进行5～30min的焊接，待焊缝冷却后去除夹具；将全部钢爪支腿焊接于所述钢爪横梁上之后，即制得所述钢爪坯件；
（3）表面处理：将步骤（2）所得的钢爪坯件进行酸洗、除锈，所用酸洗液为硝酸和氢氟酸的混合溶液，其中，硝酸所占体积百分比为15～25%，氢氟酸所占百分比为2～8%，余量为水；将所述钢爪坯件浸入所述酸洗液中，浸泡8～12小时后取出，用清水对所述钢爪坯件表面进行清洗，然后将该钢爪坯件放入烘干炉进行烘干；
（4）覆设金属复合层：采用金属渗层技术或超音速电弧喷涂技术，在所述钢爪坯件的表面覆设金属复合层。
优选的，步骤（4）中所述采用金属渗层技术覆设金属复合层的方法为：
A.在铝液中按下列质量百分比添加金属元素：Cu：0.1～2%、Ni：0.1～1.5%、Cr：0.1～8%；
B.将所述钢爪坯件浸入到步骤A所得铝液中，并在渗铝炉内加热到730℃～880℃，保温10～60min；
C.将步骤B所得的铝液和钢爪坯件放入扩散炉，温度维持在820～880℃，使表面金属渗层向钢爪坯件内部扩散0.15～90min，即在所述钢爪坯件形成金属复合层。
优选的，步骤（4）中所述采用金属渗层技术覆设金属复合层的方法为：
a.在固体粉末渗铝剂中按下列质量百分比加入添加金属元素：Cu：0.1～2%、Ni：0.1～1.5%、Cr：0.1～8%；
b.将所述钢爪坯件埋入步骤a所得固体粉末渗铝剂中，并置于密封的渗铝箱内，使渗铝箱在3～6h内升温到700～850℃，保温3～6h；然后将渗铝箱冷却1～2h，温度降至400～600℃，即在所述钢爪坯件表面形成金属复合层。
优选的，步骤（4）中所述采用超音速电弧喷涂技术覆设金属复合层的方法为：将所述钢爪坯件置于喷涂房内，通过超音速电弧喷涂设备，将喷涂丝熔化后喷涂在所述钢爪坯件的表面，形成金属复合层；所述喷涂丝为Fe、Al、Cu、Ni、Cr复合金属丝，其中各金属元素所占质量百分比为：Al：0.1～15%、Cu：0.1～2%、Ni：0.1～1.5%、Cr：0.1～8%、余量为Fe。
本发明的有益效果在于：
1.本发明铝电解槽用阳极钢爪，在钢爪坯体表面覆设有金属复合层，使其自身具有更高的耐腐蚀、耐高温性能，在使用过程中耐高温氧化腐蚀、抗电解质冲刷，并且能够减少阳极钢爪支腿更换过程中的工作量和减少焊缝压降，从而降低阳极钢爪的维护成本和后期使用能耗，实现了降低电解铝生产成本的目的，对于电解铝技术的发展意义重大。
2.本发明铝电解槽用阳极钢爪的导电性能与现有的阳极钢爪相比大大提高，采用该阳极钢爪自身压降将减少17～25mV，相当于吨铝电耗降低60KW·h，再加上钢爪支腿维护采用大截面熔焊技术可减少人工焊接时引起的吨铝电耗增加约20KW·h，相当于电解槽吨铝电耗可降低约80KW·h；其使用寿命可以达到5年以上，其支腿的更换周期可以延长1年以上。
3.本发明铝电解槽用阳极钢爪采用“型钢+全截面熔焊+表面处理”的制备方法，其生产成本更低，同时能够有效降低阳极钢爪在使用过程中的维护成本；不论是在制造成本还是实际的功能效果上，本发明阳极钢爪及其制备方法与现有的“消失模”铸造钢爪的技术相比，都具备突出的优势和发展潜力；本发明阳极钢爪及其制备方法的推广，将十分有助于电解铝企业的节能降耗、降低生产成本，也有利于减少我国原生资源的消耗、降低碳排放，同时也必将为企业带来新的利润增长点。
附图说明
图1是本发明铝电解槽用阳极钢爪的结构示意图。
其中，1为钢爪横梁；2为金属复合层；3为焊缝；4为钢爪支腿。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1：一种铝电解槽用阳极钢爪，其包括钢爪坯件，钢爪坯件包括钢爪横梁1和焊接在钢爪横梁1下部的钢爪支腿4，钢爪横梁1与钢爪支腿4之间的焊缝3为立缝焊接的焊缝。钢爪横梁1采用方钢、钢爪支腿采用圆钢，二者材料采用力学性能优良的Q235型钢，也可采用力学性能优于Q235的其它型钢材料。在钢爪坯件的表面覆有金属复合层2，金属复合层2由Fe、Al、Cu、Ni和Cr复合而成，其中各组分的质量百分比为：Al：0.1～15%、Cu：0.1～2%、Ni：0.1～1.5%、Cr：0.1～8%、余量为Fe。该金属复合层中含有铁、铝、铜、镍、铬金属元素，具备优异的耐电解质冲刷侵蚀和抗高温氧化性能。
其中，金属复合层2的厚度为0.01～5mm、孔隙率≤5%，可耐1256℃高温；金属复合层2与钢爪坯件之间的结合强度＞50MPa，硬度HRC67-69，硬质相HRC78；耐腐蚀性能不大于0.45mg/y。金属复合层2在800℃～1000℃的高温电解质熔融液体中的腐蚀速率≤0.01mm/d，在900℃的高温环境下，裸露于空气中的氧化速率≤0.01mm/d。
实施例2：一种铝电解槽用阳极钢爪的制备方法，包括如下步骤：
（1）型钢加工：将型钢材料按照钢爪横梁和钢爪支腿的尺寸进行切割，切割面平行度小于等于5°，得到制备钢爪坯件所需的钢爪横梁和钢爪支腿；
（2）全截面熔焊：将步骤（1）所得的钢爪支腿焊接于钢爪横梁上，首先使焊接面的平面度于等于5°，打磨清理焊缝两侧的氧化皮；固定工件和夹具，使两个焊接面的距离5～40mm，焊缝为立缝焊接；采用熔焊设备进行5～30min的焊接，待焊缝冷却后去除夹具；将全部钢爪支腿焊接于钢爪横梁上之后，即制得钢爪坯件；
（3）表面处理：将步骤（2）所得的钢爪坯件进行酸洗、除锈，所用酸洗液为硝酸和氢氟酸的混合溶液，其中，硝酸所占体积百分比为15～25%，氢氟酸所占百分比为2～8%，余量为水；将钢爪坯件浸入酸洗液中，浸泡8～12小时后取出，用清水对钢爪坯件表面进行清洗，然后将该钢爪坯件放入烘干炉进行烘干；
（4）采用金属渗层技术覆设金属复合层：
A.在铝液中按下列质量百分比添加金属元素：Cu：0.1～2%、Ni：0.1～1.5%、Cr：0.1～8%；
B.将钢爪坯件浸入到步骤A所得铝液中，并在渗铝炉内加热到730℃～880℃，保温10～60min；
C.将步骤B所得的铝液和钢爪坯件放入扩散炉，温度维持在820～880℃，使表面金属渗层向钢爪坯件内部扩散0.15～90min，即在钢爪坯件形成金属复合层。
形成的金属复合层中，其成分包括铝液中的金属铝元素和向铝液中添加的铜、镍、铬金属元素，以及与钢爪支腿坯件表面结合而得到的金属铁元素。
实施例3：一种铝电解槽用阳极钢爪的制备方法，与实施例2的区别在于，步骤（4）中采用金属渗层技术覆设金属复合层的方法为：
a.在固体粉末渗铝剂中按下列质量百分比加入添加金属元素：Cu：0.1～2%、Ni：0.1～1.5%、Cr：0.1～8%；
b.将钢爪坯件埋入步骤a所得固体粉末渗铝剂中，并置于密封的渗铝箱内，使渗铝箱在3～6h内升温到700～850℃，保温3～6h；然后将渗铝箱冷却1～2h，温度降至400～600℃，即在钢爪坯件表面形成金属复合层。
形成的金属复合层中，其成分包括渗铝剂中的金属铝元素和向铝液中添加的铜、镍、铬金属元素，以及与钢爪支腿坯件表层结合而得到的金属铁元素。
实施例4：一种铝电解槽用阳极钢爪的制备方法，与实施例2的区别在于，步骤（4）中采用超音速电弧喷涂技术覆设金属复合层：将钢爪坯件置于喷涂房内，通过超音速电弧喷涂设备，将喷涂丝熔化后喷涂在钢爪坯件的表面，形成金属复合层；喷涂丝为Fe、Al、Cu、Ni、Cr复合金属丝，其中各金属元素所占质量百分比为：Al：0.1～15%、Cu：0.1～2%、Ni：0.1～1.5%、Cr：0.1～8%、余量为Fe。
采用超音速电弧喷涂技术喷涂时，两根丝状金属喷涂材料用送丝装置通过送丝轮均匀、连续地分别送进电弧喷涂枪中的导电嘴内，导电嘴分别接电源的正、负极，并保证两根丝材端部接触前的绝缘性。当两喷涂丝端部由于送进而互相接触时，在端部短路并产生电弧，使丝材端部瞬间熔化，压缩空气把熔融金属雾化成微熔滴，以很高的速度喷射到钢爪坯件的表面，形成金属复合层。
在以上实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的工业原料如无特别说明，均为市售常规工业原料。
本发明铝电解槽用阳极钢爪的制备方法采用“型钢+全截面熔焊+表面处理”的生产工艺，与传统“消失模”铸造钢爪的技术相比，本发明在制造成本、导电性能、使用寿命上均具有突出的优势，本发明阳极钢爪的制造成本每吨比“消失模”铸造钢爪每吨低40元；本发明阳极钢爪的使用寿命可以达到5年以上，其支腿的更换周期可以延长1年以上；本发明阳极钢爪的导电性能与“消失模”铸造的钢爪相比大大提高，采用本发明阳极钢爪自身压降将减少17～25mV，相当于吨铝电耗降低60KW·h，再加上钢爪支腿维护采用大截面熔焊技术可减少人工焊接时引起的吨铝电耗增加约20KW·h，相当于电解槽吨铝电耗可降低约80KW·h。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。
Claims (8)
1.一种铝电解槽用阳极钢爪，其特征在于，包括钢爪坯件，所述钢爪坯件包括钢爪横梁和焊接在所述钢爪横梁下部的钢爪支腿；在所述钢爪坯件的表面覆有金属复合层，所述金属复合层由Fe、Al、Cu、Ni和Cr复合而成，其中各组分的质量百分比为：Al：0.1～15%、Cu：0.1～2%、Ni：0.1～1.5%、Cr：0.1～8%、余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的铝电解槽用阳极钢爪，其特征在于，所述金属复合层的厚度为0.01～5mm。
3.根据权利要求1所述的铝电解槽用阳极钢爪，其特征在于，所述金属复合层的孔隙率≤5%。
4.根据权利要求1所述的铝电解槽用阳极钢爪，其特征在于，所述金属复合层与所述钢爪坯件之间的结合强度＞50MPa。
5.根据权利要求1所述的铝电解槽用阳极钢爪，其特征在于，所述金属复合层在800℃～1000℃的高温电解质熔融液体中，腐蚀速率≤0.01mm/d。
6.根据权利要求1所述的铝电解槽用阳极钢爪，其特征在于，所述钢爪横梁与钢爪支腿之间的焊缝为立缝焊接的焊缝。
7.一种权利要求1所述铝电解槽用阳极钢爪的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）型钢加工：将型钢材料按照钢爪横梁和钢爪支腿的尺寸进行切割，切割面平行度小于等于5°，得到制备钢爪坯件所需的钢爪横梁和钢爪支腿；
（2）全截面熔焊：将步骤（1）所得的钢爪支腿焊接于所述钢爪横梁上，首先使焊接面的平面度小于等于5°，打磨清理焊缝两侧的氧化皮；固定工件和夹具，使两个焊接面的距离5～40mm，焊缝为立缝焊接；采用熔焊设备进行5～30min的焊接，待焊缝冷却后去除夹具；将全部钢爪支腿焊接于所述钢爪横梁上之后，即制得所述钢爪坯件；
（3）表面处理：将步骤（2）所得的钢爪坯件进行酸洗、除锈，所用酸洗液为硝酸和氢氟酸的混合溶液，其中，硝酸所占体积百分比为15～25%，氢氟酸所占百分比为2～8%，余量为水；将所述钢爪坯件浸入所述酸洗液中，浸泡8～12小时后取出，用清水对所述钢爪坯件表面进行清洗，然后将该钢爪坯件放入烘干炉进行烘干；
（4）覆设金属复合层：采用金属渗层技术或超音速电弧喷涂技术，在所述钢爪坯件的表面覆设金属复合层；
所述金属渗层技术为①或②，其中①为
A.在铝液中按下列质量百分比添加金属元素：Cu：0.1～2%、Ni：0.1～1.5%、Cr：0.1～8%；
B.将所述钢爪坯件浸入到步骤A所得铝液中，并在渗铝炉内加热到730℃～880℃，保温10～60min；
C.将步骤B所得的铝液和钢爪坯件放入扩散炉，温度维持在820～880℃，使表面金属渗层向钢爪坯件内部扩散0.15～90min，即在所述钢爪坯件形成金属复合层；
②为
a.在固体粉末渗铝剂中按下列质量百分比加入添加金属元素：Cu：0.1～2%、Ni：0.1～1.5%、Cr：0.1～8%；
b.将所述钢爪坯件埋入步骤a所得固体粉末渗铝剂中，并置于密封的渗铝箱内，使渗铝箱在3～6h内升温到700～850℃，保温3～6h；然后将渗铝箱冷却1～2h，温度降至400～600℃，即在所述钢爪坯件表面形成金属复合层。
8.根据权利要求7所述的铝电解槽用阳极钢爪制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述采用超音速电弧喷涂技术覆设金属复合层的方法为：将所述钢爪坯件置于喷涂房内，通过超音速电弧喷涂设备，将喷涂丝熔化后喷涂在所述钢爪坯件的表面，形成金属复合层；所述喷涂丝为Fe、Al、Cu、Ni、Cr复合金属丝，其中各金属元素所占质量百分比为：Al：0.1～15%、Cu：0.1～2%、Ni：0.1～1.5%、Cr：0.1～8%、余量为Fe。
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