CN109898101A - 一种新型节能防腐电解铝用阳极钢爪及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电解铝设备技术领域，公开了一种新型节能防腐电解铝用阳极钢爪及设计方法，利用计算机对半钢爪工作时设计承受的最大力为F_max，安全系数为α，钢爪的有效横截面积为S₀，材料的屈服强度为R_eL，进行模拟计算，获取半钢爪材料的最优比例组份；利用计算机对半钢爪、半铝爪使用中的压降进行计算分析，获得最优复合爪压降数值。本发明通过采用半钢爪和半铝爪进行并联设计，减低阳极压降乃至节约电能；在整个阳极爪外部涂覆的石墨烯薄层能有效的防止电解液和腐蚀气氛对阳极爪的高温腐蚀，提高阳极爪的使用寿命，阳极爪不被腐蚀，导电横截面积得到有效保持也能使电能大大节约。

Description

一种新型节能防腐电解铝用阳极钢爪及设计方法

技术领域

本发明属于电解铝设备技术领域，尤其涉及一种新型节能防腐电解铝用阳极钢爪及设计方法。

背景技术

目前，业内最接近的现有技术：

铝电解生产的吨铝电耗与电解槽的平均压降成正比，因此改善电解槽压降的最有效措施是降低阳极压降，钢爪是电解铝阳极的重要组成部分，降低钢爪压降是使电解铝吨铝电耗下降不可避免要解决的关键科学问题。根据安培定律，在电流一定的情况下，钢爪压降与钢爪电阻成线性关系，而在结构一致的情况下材料的电阻率是影响构件电阻的决定性因素，因此降低钢爪材料的电阻率是降低钢爪压降的关键问题；同时因为钢爪受电解液的冲刷腐蚀和电解液气氛的腐蚀作用使得导电的横截面积减小使得电阻率增大也是增加吨铝电耗的主要因素。因此降低钢爪压降主要围绕着以下方面进行：一、从工艺方面降低钢爪中阻碍自由电子的运动的内部缺陷和夹杂等；二、在满足力学性能要求的基础上从选材方面尽量选择材料自身自由电子数量大，晶格结构对自由电子运动阻碍小的材料、合金或其复合材料；三、从表面处理方面增强钢爪的耐腐蚀性进而提高钢爪的使用寿命，使钢爪在使用中能够保持大的有效导电横截面积从而保持良好的导电效果的同时提高钢爪的使用寿命，降低钢爪维修和更换的成本消耗。

目前，在降低钢爪的电阻率和提高钢爪的耐腐蚀性方面科研人员做了大量的研究，其中比较值得一提的是以下三种技术方案：

一、一种钢-铜复合阳极钢爪采用钢质横梁下端连接铜质钢爪，该技术存在铜与连接石墨的磷生铁难以连接的弊端；

二、一种铝钢复合结构阳极钢爪，该方法是在钢架内部加工浇注口，使熔融的铝液直接浇注到钢体内部，此法解决了爆炸焊接和摩擦焊接的导电性差的问题，但是常规浇注技术存在的缺陷以及浇注过程中气体的外排技术都是难以克服的问题；

三、目前解决钢爪防腐蚀常用的方法一是使用粉状氧化铝，该方法不能有效解决钢爪被电解烟气的氧化腐蚀；二是使用阳极碳素保护环，该方法也无法解决裸露在外部的钢爪被电解烟气的氧化腐蚀；三是在钢爪表面制备Al2O3陶瓷涂层，该方法较方法一和方法二有较大进步，但如涂层的均匀性和结合力控制不好也会出现局部过早腐蚀破坏降低工件使用寿命的情况发生。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有的电解铝用阳极钢爪的电阻率偏高，导致需要较高的电压，浪费电能；

(2)容易受到电解烟气的氧化腐蚀，影响阳极钢爪的使用寿命。

解决上述技术问题的难度：

在现有的降低钢爪的电阻率和提高钢爪的耐腐蚀性方法有：

一种钢-铜复合阳极钢爪采用钢质横梁下端连接铜质钢爪，该技术存在铜与连接石墨的磷生铁难以连接的弊端；

一种铝钢复合结构阳极钢爪，该方法是在钢架内部加工浇注口，使熔融的铝液直接浇注到钢体内部，此法解决了爆炸焊接和摩擦焊接的导电性差的问题，但是常规浇注技术存在的缺陷以及浇注过程中气体的外排技术都是难以克服的问题；

目前解决钢爪防腐蚀常用的方法一是使用粉状氧化铝，该方法不能有效解决钢爪被电解烟气的氧化腐蚀；二是使用阳极碳素保护环，该方法也无法解决裸露在外部的钢爪被电解烟气的氧化腐蚀；三是在钢爪表面制备Al2O3陶瓷涂层，该方法较方法一和方法二有较大进步，但如涂层的均匀性和结合力控制不好也会出现局部过早腐蚀破坏降低工件使用寿命的情况发生。

解决上述技术问题的意义：

目前我国电解铝的综合电耗约为14000kW.h/t-Al,而国外的吨铝电耗在13000kW.h/t-Al左右，降低吨铝电耗是节约能源的重要研究课题，同时也是提高我国电解铝行业竞争力的重要手段。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型节能防腐电解铝用阳极钢爪及设计方法。本发明综合运用宏观结构设计、复合爪体材料及冶炼工艺设计、镀层材料及沉积工艺设计以及焊接材料及焊接工艺设计等多种设计方法。

本发明是这样实现的，一种新型节能防腐电解铝用阳极钢爪的设计方法，所述新型节能防腐电解铝用阳极钢爪的设计方法包括：

利用计算机对半钢爪工作时设计承受的最大力为F_max，安全系数为α，钢爪的有效横截面积为S₀，材料的屈服强度为R_eL，进行模拟计算，获取半钢爪材料的最优比例组份；

利用理论计算对半钢爪、半铝爪使用中的压降进行计算分析，获得理想复合爪压降数值。

进一步，所述新型节能防腐电解铝用阳极钢爪的设计方法进一步包括：

在阳极爪外部涂覆的石墨烯薄层；

通过顶部铜片与铝母线、半钢爪、半铝爪进行焊接连接，降低钢-铝的爆炸焊造成的电压降；

顶部铜片与上部铝母线和下部半钢爪以及半铝爪进行全截面熔化焊，使阳极母线和阳极爪实现冶金结合；

半钢爪和半铝爪进行并联；

在阳极爪底部通过底部铜片和底部钢片与铝半爪进行焊接，使磷生铁环与阳极石墨块连接。

进一步，半钢爪材料的最优比例组份为：

C含量不大于0.18％、Si含量不大于0.50％、Mn含量不大于1.70％、P含量不大于0.010％、S含量不大于0.010％、Cr含量不大于0.30％、Ni含量不大于0.50％、Mo含量不大于0.10％、V含量不大于0.15％、Cu含量不大于0.30％和Al含量不大于0.015％。

进一步，获取半钢爪材料的最优比例组份的计算机计算方法包括：

钢爪工作时设计承受的最大力为F_max，安全系数为α，钢爪的有效横截面积为S₀，材料的屈服强度为R_eL，有如下关系：

F_max＝R_eL·S₀·α，其中对于ZG230-450，R_eL＝230Mpa；

所用半钢爪的屈服强度R_eL为χMpa，满足结构要求有如下关系式：

χ＝E_钢·ε_钢；

σ_铝＝E_铝·ε_钢；

E_钢≈3E_铝；

整理得：

χ＝345Mpa。

进一步，获得最优复合爪压降数值中，计算机计算方法包括：

半钢爪部分电阻R_半钢，有效面积为电阻率ρ_半钢＝20×10^-8Ω·m，电阻率温度系数0.0065℃^-1；

半铝爪部分电阻R_半铝，有效面积为电阻率ρ_半铝＝2.65×10^-8Ω·m，电阻率温度系数0.0043℃^-1；

工作温度700℃，有效长度均为L,总电阻为R_总，总压降ΔV_总；

ΔV_总＝I·R_总；

计算得：

ΔV_总＝8.6eV。

本发明的另一目的在于提供一种新型节能防腐电解铝用阳极钢爪设置有：

钢爪本体；

所述钢爪本体左端设置有半钢爪，半钢爪右端焊接有半铝爪；

所述钢爪本体上端焊接有顶部铜片，钢爪本体外侧涂覆有石墨烯镀层。

进一步，所述顶部铜片和半钢爪、半铝爪之间通过全截面熔化焊焊接。

进一步，所述半铝爪下端焊接有底部铜片，底部铜片下端焊接有底部钢片。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明通过采用半钢爪和半铝爪进行并联设计，由于铝的电导率远大于钢，因此该并联设计使电阻大大降低，进而减低阳极压降乃至节约电能；在阳极爪底部涂覆的石墨烯薄层能替代蘸石墨工艺，有利于阳极石墨块的更换，在整个阳极爪外部涂覆的石墨烯薄层能有效的防止电解液和腐蚀气氛对阳极爪的高温腐蚀，提高阳极爪的使用寿命，阳极爪不被腐蚀，导电横截面积得到有效保持也能使电能大大节约。

本发明即能降低阳极爪的电压降节省电能、又能保持阳极爪的力学性能满足结构要求，同时设计的石墨烯镀层还能从根本上解决阳极爪被电解液和气体腐蚀现象并免去阳极爪底部蘸石墨工序，从而达到提高阳极爪的使用寿命并降低阳极爪的电能损耗的积极效果。

本发明通过顶部铜片与上部铝母线和下部半钢爪以及半铝爪进行全截面熔化焊，使得阳极母线和阳极爪实现冶金结合，较以前的铝和钢之间的机械爆炸焊具有更好的导电效果。

本发明通过在底部设置底部铜片和底部钢片，进而达到可以通过磷生铁环与阳极石墨块进行连接，防止钢爪本体底部半铝爪与磷生铁环连接不良。

本发明从结构设计、选材方面、表面处理方面提供一种能够大大降低钢爪压降提高钢爪耐腐蚀性且能满足力学性能要求综合方案，该方案能一并解决以上方案存在的不足，即能降低阳极爪的电压降节省电能、又能保持阳极爪的力学性能满足结构要求，同时设计的石墨烯镀层还能从根本上解决阳极爪被电解液和气体腐蚀现象并免去阳极爪底部蘸石墨工序，从而达到提高阳极爪的使用寿命并降低阳极爪的电能损耗的积极效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的新型节能防腐电解铝用阳极钢爪结构示意图；

图2是本发明实施例提供的半铝爪结构示意图；

图3是本发明实施例提供的底部铜片和底部钢片结构示意图；

图中：1、顶部铜片；2、半钢爪；3、石墨烯镀层；4、半铝爪；5、底部铜片；6、底部钢片。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

如图1至图3所示，本发明实施例提供的新型节能防腐电解铝用阳极钢爪包括：顶部铜片1、半钢爪2、石墨烯镀层3、半铝爪4、底部铜片5、底部钢片6。

钢爪本体左端设置有半钢爪2，半钢爪2右端焊接有半铝爪4；

钢爪本体上端焊接有顶部铜片1，钢爪本体外侧涂覆有石墨烯镀层3。

作为优选，顶部铜片1和半钢爪2、半铝爪4之间之间通过全截面熔化焊焊接。

作为优选，半铝爪4下端焊接有底部铜片5，底部铜片5下端焊接有底部钢片6。

半钢爪2为按照正常工艺生产的钢质钢爪沿纵向二分之一剖面一剖二半形成。

半铝爪4为按照正常工艺生产的铝质阳极爪(爪部比规定尺寸短20cm，用于焊接底部铜片5和底部钢片6)沿纵向二分之一剖面一剖二半形成。

本发明通过顶部铜片1用于与铝母线、半钢爪2、半铝爪4进行焊接连接，可以降低原来钢-铝的爆炸焊造成的电压降过大引起的电能浪费；顶部铜片1与上部铝母线和下部半钢爪2以及半铝爪4进行全截面熔化焊，使得阳极母线和阳极爪实现冶金结合，较以前的铝和钢之间的机械爆炸焊具有更好的导电效果；

采用半钢爪2和半铝爪4进行并联设计，铝的电导率远大于钢因此该并联设计使电阻大大降低，进而减低阳极压降乃至节约电能；

为防止阳极爪底部铝半爪与磷生铁环连接不良，在底部设计通过底部铜片5和底部钢片6进行焊接，进而达到可以通过磷生铁环与阳极石墨块进行连接；

在设计的阳极爪底部涂覆的石墨烯薄层能替代蘸石墨工艺，有利于阳极石墨块的更换，在整个阳极爪外部涂覆的石墨烯薄层能有效的防止电解液和腐蚀气氛对阳极爪的高温腐蚀，提高阳极爪的使用寿命，阳极爪不被腐蚀，导电横截面积得到有效保持也能使电能大大节约。

本发明实施例提供的新型节能防腐电解铝用阳极钢爪的设计方法，所述新型节能防腐电解铝用阳极钢爪的设计方法包括：

利用计算机对半钢爪工作时设计承受的最大力为F_max，安全系数为α，钢爪的有效横截面积为S₀，材料的屈服强度为R_eL，进行模拟计算，获取半钢爪材料的最优比例组份；

利用理论计算对半钢爪、半铝爪使用中的压降进行计算分析，获得理想复合爪压降数值。

在本发明实施例中，在阳极爪外部涂覆的石墨烯薄层。

通过顶部铜片与铝母线、半钢爪、半铝爪进行焊接连接，降低钢-铝的爆炸焊造成的电压降；

顶部铜片与上部铝母线和下部半钢爪以及半铝爪进行全截面熔化焊，使阳极母线和阳极爪实现冶金结合；

半钢爪和半铝爪进行并联；

在阳极爪底部通过底部铜片和底部钢片与铝半爪进行焊接，使磷生铁环与阳极石墨块连接。

半钢爪材料的最优比例组份为：

C含量不大于0.18％、Si含量不大于0.50％、Mn含量不大于1.70％、P含量不大于0.010％、S含量不大于0.010％、Cr含量不大于0.30％、Ni含量不大于0.50％、Mo含量不大于0.10％、V含量不大于0.15％、Cu含量不大于0.30％和Al含量不大于0.015％。

下面结合设计方法及实施例对本发明作进一步描述。

实施例

目前钢爪采用ZG230-450材质居多，以此为例进行设计替代该材质设计：

假设钢爪工作时设计承受的最大力为F_max，安全系数为α，钢爪的有效横截面积为S₀，材料的屈服强度为R_eL，有如下关系：

F_max＝R_eL·S₀·α，其中对于ZG230-450，R_eL＝230Mpa；

假设本专利所用半钢爪的屈服强度R_eL为χMpa，为满足结构要求有如下关系式：

χ＝E_钢·ε_钢

σ_铝＝E_铝·ε_钢

E_钢≈3E_铝

整理得：

χ＝345Mpa

因此本设计的半钢爪使用Q345E钢+电渣重熔+稀土渣脱氧一次浇注成型，最终钢中成分控制要求如下：

本发明能大大节省电能损耗，数据统计，目前用ZG230-450制作钢爪的平均压降约为50eV,随着钢爪使用损耗，压降在后期平均值达到70eV。

铸钢爪电阻为R_铸，有效面积为S₀，电阻率ρ_铸＝20×10^-8Ω·m，电阻率温度系数0.0065℃^-1，阳极爪工作温度为700℃，有效长度L.

根据ΔV＝I·R得：

本发明设计复合爪压降计算：

半钢爪部分电阻R_半钢，有效面积为电阻率ρ_半钢＝20×10^-8Ω·m，电阻率温度系数0.0065℃^-1。

半铝爪部分电阻R_半铝，有效面积为电阻率ρ_半铝＝2.65×10^-8Ω·m，电阻率温度系数0.0043℃^-1

工作温度700℃，有效长度均为L,总电阻为R_总，总压降ΔV_总。

ΔV_总＝I·R_总

经计算得：

ΔV_总＝8.6eV

节约电压降：V_节约＝(50-8.6)＝41.4eV，吨铝节约电能约为125千瓦时，对于年产30万吨铝厂，节约价值为1875万元。

耐腐蚀镀层解决钢爪横截面积缩小解决压降为20eV，吨铝节约电能约为60千瓦时，对于年产30万吨铝厂，节约价值为900万元。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种新型节能防腐电解铝用阳极钢爪的设计方法，其特征在于，所述新型节能防腐电解铝用阳极钢爪的设计方法包括：

利用计算机对半钢爪工作时设计承受的最大力为F_max，安全系数为α，钢爪的有效横截面积为S₀，材料的屈服强度为R_eL，进行模拟计算，获取半钢爪材料的最优比例组份；

利用理论计算对半钢爪、半铝爪使用中的压降进行计算分析，获得理想复合爪压降数值。

2.如权利要求1所述的新型节能防腐电解铝用阳极钢爪的设计方法，其特征在于，所述新型节能防腐电解铝用阳极钢爪的设计方法进一步包括：

在阳极爪外部涂覆的石墨烯薄层；

通过顶部铜片与铝母线、半钢爪、半铝爪进行焊接连接，降低钢-铝的爆炸焊造成的电压降；

顶部铜片与上部铝母线和下部半钢爪以及半铝爪进行全截面熔化焊，使阳极母线和阳极爪实现冶金结合；

半钢爪和半铝爪进行并联；

在阳极爪底部通过底部铜片和底部钢片与铝半爪进行焊接，使磷生铁环与阳极石墨块连接。

3.如权利要求1所述的新型节能防腐电解铝用阳极钢爪的设计方法，其特征在于，半钢爪材料的最优比例组份为：

C含量不大于0.18％、Si含量不大于0.50％、Mn含量不大于1.70％、P含量不大于0.010％、S含量不大于0.010％、Cr含量不大于0.30％、Ni含量不大于0.50％、Mo含量不大于0.10％、V含量不大于0.15％、Cu含量不大于0.30％和Al含量不大于0.015％。

4.如权利要求1所述的新型节能防腐电解铝用阳极钢爪的设计方法，其特征在于，获取半钢爪材料的最优比例组份的计算机计算方法包括：

钢爪工作时设计承受的最大力为F_max，安全系数为α，钢爪的有效横截面积为S₀，材料的屈服强度为R_eL，有如下关系：

F_max＝R_eL·S₀·α，其中对于ZG230-450，R_eL＝230Mpa；

所用半钢爪的屈服强度R_eL为χMpa，满足结构要求有如下关系式：

χ＝E_钢·ε_钢；

σ_铝＝E_铝·ε_钢；

E_钢≈3E_铝；

整理得：

χ＝345Mpa。

5.如权利要求1所述的新型节能防腐电解铝用阳极钢爪的设计方法，其特征在于，获得理想复合爪压降数值中，计算方法包括：

半钢爪部分电阻R_半钢，有效面积为电阻率ρ_半钢＝20×10^-8Ω·m，电阻率温度系数0.0065℃^-1；

半铝爪部分电阻R_半铝，有效面积为电阻率ρ_半铝＝2.65×10^-8Ω·m，电阻率温度系数0.0043℃^-1；

工作温度700℃，有效长度均为L,总电阻为R_总，总压降ΔV_总；

ΔV_总＝I·R_总；

计算得：

ΔV_总＝8.6eV。

6.一种利用权利要求1～5任意一项所述新型节能防腐电解铝用阳极钢爪的设计方法的新型节能防腐电解铝用阳极钢爪，其特征在于，所述新型节能防腐电解铝用阳极钢爪设置有：

钢爪本体；

所述钢爪本体左端设置有半钢爪，半钢爪右端焊接有半铝爪；

所述钢爪本体上端焊接有顶部铜片，钢爪本体外侧涂覆有石墨烯镀层。

7.如权利要求6所述的新型节能防腐电解铝用阳极钢爪，其特征在于，所述顶部铜片和半钢爪、半铝爪之间通过全截面熔化焊焊接。

8.如权利要求6所述的新型节能防腐电解铝用阳极钢爪，其特征在于，所述半铝爪下端焊接有底部铜片，底部铜片下端焊接有底部钢片。