談鋁電解磷生鐵改性劑的優化實驗范文

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摘要：本文研究了在用于電解鋁陽極炭塊和鋼爪之間的澆鑄磷生鐵，在磷生鐵的成分上加以改進，使得澆鑄出的磷生鐵具備更好的延展性和膨脹性，以此來取得炭塊與鋼爪之間的最適的連接狀態。從炭塊、鋼爪進行模型建立與仿真模擬，到工業實驗以及推廣實驗，結果證明了對磷生鐵的適當改進，可以加強鋼爪與炭塊間的連接，減少陽極脫落情況，降低鐵炭壓降，減少生鐵添加量，起到了節能減排的作用。

關鍵詞：鋁電解；磷生鐵；仿真模擬

前言

鋁在當代工業是很重要的原材料，高回收性和環保性也讓鋁工業成為我國有色金屬中社會和國家貢獻率最高的工業之一［1］。最近10年，國家大量冶金行業產能過剩，在這方面國家下了很大工夫，對鋁電解行業也做出了重要批示［2］。在鋁電解發展的初期，國外一些學者就探究了陽極與鋼爪之間的接觸電阻，并進一步進行了研究。MarcDupuis在TMS的會議上提出磷生鐵對節能的巨大作用，但并沒有對此進行過多的描述，國外另外一些學者對鐵碳壓降進行有限元分析，創建了2D模型。近些年在鋁工業一線的技術員工的探索下，得出了可以降低鐵炭壓降的幾個方法1）把鋼爪充分除銹，將磷生鐵里的粉塵處理；2）將碳碗清理干凈；3）注重炭塊的防潮以免二次澆注；4）將磷生鐵里的硫含量嚴格控制。我們需要基于這些情況做出相應的改進，以達到降低鐵碳壓降的目的［3］。總結來說，對鋁電解陽極接觸電阻的研究大多是在工業試驗的層面進行的，缺少適當的模擬和充足的理論支撐。所以，在工業試驗的基礎上建立高精度的數值模型是很有必要的［4-5］。

1模型建立

1.1陽極炭塊和鋼爪的模型鋁電解的陽極是由炭塊、鋼爪和鋁導桿組成。熱量的傳遞路徑是經由熔體經對流傳熱而向電解槽的內襯傳播，最后熱量會傳遞到電解槽的鋼殼的表面，再經由電解槽鋼殼表面與外部空間對流而散熱。在整個鋁電解的工業過程中，陽極的結構會跟隨溫度的變化而變化。陽極會隨著溫度的升高而發生膨脹，這樣鋼爪、磷生鐵、炭塊之間就會發生擠壓，從而使整個陽極結構發生了變化。這里我們需要進一步分析膨脹現象相關原理，然后在模型上進行適當的簡化，最后建立最吻合的數值模型［6］。

1.2數學模型建立1.2.1傅里葉方程查閱相關傳熱資料我們可知電解槽里熱傳導的原理可以用泊松方程來描述：上式中：kx，ky，kz分別是材料在xyz方向的導熱系數，隨著溫度的變化而變化；q是單位體積上的產熱率；T是溫度。1.2.2導熱方程的邊界條件1）鋁導桿的溫度和外界溫度以電解車間的實測溫度為準；2）整個陽極與外界的對流換熱和輻射傳熱總量熱的衡量，總對流傳熱系數以自然對流換熱系數和輻射換熱系數之和為準。可以公式（2）表示總對流換熱系數：hf=h0+σ0ε（T4s-T4b）／（Ts-Tb）（2）上式中：hf———陽極外表面總換熱系數，W／（m2•K）；Ts———陽極外表面的溫度，K；Tb———外部環境的溫度，K；σ0———斯忒藩－玻耳茲曼常數，5.667×10-8W•K-4；ε———陽極外表面的黑體輻射系數；h0———陽極外表面與外界之間的對流換熱系數，W／（m2•K）。3）陽極下表面與熔體之間的對流換熱電解槽模擬的一大難題是界定內部的液-固傳熱系統，因為所處環境是高溫腐蝕狀態下，很難去具體確定，國內外的一些論文所給出的參數也有很大不同，在這里我們用鋁液和炭塊表面的對流換熱系數來計算，采用Haupin經驗公式：Nu=5+0.025Re0.8Pr0.8（3）鋁液的流速現在尚沒有準確的關系式來估算，查閱論文結合生產經驗取5m／s。電解槽相關的結構參數見表1：

2仿真模擬

應用上述模型對陽極的電壓、電流分布、溫度分布和熱平衡進行了數值模擬計算。圖1~圖4為所求得的1／4槽相對應部分的熱場或結構場場分布圖。由圖1、2我們可以得出，陽極的最高溫度為920℃，最低溫度為47℃，最大應力是276MPa，最小應力是0.1MPa。炭塊上的大致溫度分布我們也能從圖1中看出，炭塊的最高溫度920℃在底部，最低溫度594℃在凸臺處。從圖1中我們還可以看出炭塊側邊的溫度也相對低一點，側邊的最高溫度只有691℃，最低溫度也只有563℃。而鋼爪溫度是由上至下升高的，其中最高溫度為679℃，最低溫度為114℃。陽極導桿溫度沿桿身均勻分布，溫度由低至高均勻變化，最高溫度為115℃，最低溫度為47℃。炭塊上外面的最大應力54MPa，最小應力0.1MPa。炭塊的中截面的應力分布和上外面相似。但是中截面的最大應力要比上外面大一點，為276MPa，最小應力與上表面相同為0.1MPa。而分析得炭碗的應力波動范圍相對于整個炭塊而言相對較小，但最大應力是180MPa，最小應力為13MPa，波動范圍167MPa。鋼爪最大應力為276MPa，最小應力為1.6MPa，壓力波動比較大，最大應力在鋼爪上表面和下表面，而最小應力在棱部。經過上述的計算與比對，我們得出炭塊所受的應力小，所以雖然我們提高磷生鐵的膨脹性就可以降低接觸電阻，但是要首先考慮炭塊所受到的應力，要使炭塊可以承受住提高磷生鐵膨脹性帶來的應力提升。綜上我們得到炭塊表面的最大應力為54MPa。則炭塊可許用應力極限取43.2MPa（保險系數=0.8），這個應力對應的磷生鐵的線性膨脹系數則是1.06e-5。在這樣的條件下，在這個范圍內，我們研究并升級磷生鐵配比并加入創新成分，最后達到減小鐵-碳壓降的目的。

3實驗驗證

現在有三種磷生鐵配方，B是中南大學經過多年的研究所得出的配方，而C配方是在B的基礎上經過對廠方實際的考察而改進得出的配方。1）配方A（廠方配方）：廠方現有的生產配方A熔煉，澆注。按照廠方自己正常行產時的配料和操作程序進行熔煉，澆注。然后在1350~1400℃液態情況下取3個分析試樣，編號AZ-1，AZ-2，AZ-3，然后將鐵水倒入抬包，再進行澆鑄，一共要澆鑄出10組對比極，編號A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8，A9，A10。2）配方B（校方標準配方）：B配方采用新鮮磷生鐵、錳鐵、磷鐵、硅鐵來配料，不加回爐鐵。按照校方制定的熔煉工藝進行加料、熔煉與澆鑄。熔煉工藝如下：在爐內我們先將配比好了的新鮮磷生鐵、磷鐵、錳鐵、硅鐵以及復合添加劑交替加入到爐中，然后按正常生產加熱溶解，再扒渣；扒完渣后再持續攪拌大約30分鐘，記錄下溫度，再加入除渣劑，在1300~1350℃的溫度范圍內保溫至少20分鐘以上，再取3個分析試樣，編號BZ-1，BZ-2，BZ-3，然后將鐵水倒入抬包，正常澆鑄，也是澆鑄10組試驗極，編號B1，B2，B3，B4，B5，B6，B7，B8，B9，B10。3）配方C（校方推廣用配方）C配方采用在現用磷生鐵中加入少量復合改性劑的方法進行熔煉。根據現有磷生鐵的物性參數及元素含量的不同情況，可進行三種不同程度的磷生鐵改性劑熔煉工藝。

3.1添加5kg改性劑熔煉工藝1）中頻爐內留300kg左右鐵水（1／3），加入3公斤的復合改性劑及少量的配料鐵，之后立即用300kg左右磷生鐵覆蓋其上；2）等回爐鐵熔化后，再加入2公斤的復合改性劑，之后立即用300kg左右磷生鐵覆蓋其上；3）等鐵水熔煉完畢，加入除渣劑，扒渣；4）倒入抬包內進行陽極澆鑄；5）一直到爐子里鐵水澆鑄完即可。添加10kg改性劑熔煉工藝和20kg改性劑熔煉工藝和添加5kg改性劑熔煉工藝除了每次加入的量不同外，其他步驟一致，每次加入的量根據加入的總量成比例的添加。

3.2試驗安排在鋁電解廠根據廠方的時間協調一起，以正常生產時的陽極作對比極，加入了磷生鐵改性劑的陽極作為對比極，澆鑄完全后分別取B、C配方添加改性劑前試樣化驗結果如表2所示。同時上槽測試，一臺電解槽保證有兩個實驗極和一個對比極。上槽后在一個周期內，跟蹤測試Fe-C壓降，等距壓降，導桿溫度，得出表3數據。經過整理得到圖5。整理計算出等電流下的Fe-C壓降對比，如圖6所示。我們可以清楚的看出，不論是B組試驗極還是C組試驗極，鐵-碳壓降都遠遠小于A組對比試驗極的鐵-碳壓降。根據數據表現，我們可以看出節能效果優異，而項目技術經濟指標要求為15~20mv。C組較B組穩定性更好，波動幅度更小，對電解槽的槽況的穩定更好。

4結論

對鋁電解鋼爪進行仿真模擬可以精確的看出，炭碗與鋼爪通過磷生鐵澆鑄連接，我們這里對磷生鐵的改進提升了磷生鐵的膨脹性，讓炭塊與鋼爪之間的應力達到最優化，以加強炭塊與鋼爪之間的連接。在應力方面，我們使用的磷生鐵在保證降低接觸電阻的同時，也保證了碳塊與鋼爪連接的穩定性。工業上的實驗也證明了改善磷生鐵在鋁電解廠是可行的，所以在鋁電解廠，磷生鐵對澆鑄情況的改善帶來好處：1）可以加強炭塊與鋼爪的連接；2）較好的延展性使得接觸電阻減小，可以給企業帶來不菲的收益。中南大學對鋁電解磷生鐵上面持續的研究也逐漸對磷生鐵配方的優化提供了許多可供參考的資料。

參考文獻：

［1］張勇，馬思聰，董遠霞.淺談中國鋁電解技術發展與進步［J］.世界有色金屬，2008（1）：22-25.

［2］張寧，陳偉.電解鋁生產節能減排技術探究［J］.中國金屬通報，2017（11）：101-101.

［3］脫鵬.鋁電解槽陽極鐵-碳接觸壓降仿真與優化研究［D］.長沙：中南大學，2011.

［4］靳文軍，任必軍，李賀松，等.伊川鋁廠陽極組裝新型磷生鐵配方的研究［J］.輕金屬，2008（10）：30-33.

［5］王會全.改善磷生鐵成分降低陽極鋁炭壓降［J］.有色冶金節能，2003，20（3）：27-29.

［6］王民，關湘.磷生鐵復合改性劑降低鐵碳壓降的工業試驗［J］.金屬材料與冶金工程，2016（3）：46-51.

作者：姚勇 張林雨 單位：重慶旗能電鋁有限公司