一种电解铝用阳极钢爪的制作方法

本发明涉及电解铝设备技术领域，更具体地，涉及一种电解铝用阳极钢爪。

背景技术：

中国是世界上最大的电解铝生产国。2015年中国电解铝产量为3111万吨，约占全球产量的50％。中国电解铝产量分布主要集中在新疆、河南、内蒙古、青海、山东、甘肃等能源大省。电解铝行业是耗能大户，电力成本占铝生产成本40％，因此节能节电是电解铝行业的主要改进趋势。

电解铝生产的主要过程是采用电解反应原理，在电解槽中利用碳作为阳极和阴极，约950℃下直流电解冰晶石-氧化铝熔盐电解质体系，从而将氧化铝还原为金属铝。其反应式为：

化学反应式：2Al₂O₃+3C→4Al+3CO₂↑

阳极：2O^2-+C-4e^-→CO₂↑

阴极：Al³⁺+3e^-→Al

其中，阴极碳块平铺于铝电解槽的底部，被高温电解质和电解产生的铝液所覆盖；阳极碳块悬挂于电解槽的上部，使用时降下，与高温电解质接触，从而发生电解反应。

采用阳极钢爪来吊装固定阳极炭块。阳极钢爪承担着连接阳极导杆和阳极碳块以及向铝电解槽中输送电流的任务。阳极钢爪的材质要求为ZG230-450(或Q235B)，该钢属于一般工程用铸造碳钢，GB11352～89规定了其成分。

然而，实践证明采用这种钢材存在以下缺陷：普通碳素钢由于在铁晶格中存在间隙原子，会产生晶格畸变，并且随着溶质原子(C、Si、Mn、S、P、Cr、Cu、Ni、Mo)溶入的数量增加，金属的电阻逐渐升高。

并且，绝大多数金属属于多晶体结构，晶粒之间存在晶界，S、P等杂质均富集于晶界。晶界处原子排列不规则，产生畸变，造成电阻增大。

尽管阳极钢爪并不与冰晶石-氧化铝熔盐直接接触，但在铝电解槽内依旧承受着高温、高温电解烟气和水的腐蚀等，经过一定的使用周期，其爪头直径逐渐剥蚀变小，电阻增加，发热量也相应地增加。初步计算，当爪头直径由14cm缩减至12cm，则单爪的电流密度由0.115A/mm²增加到0.124A/mm²，按每个电解槽有20个单爪被腐蚀，则300kA电流下，248台电解槽每日多耗电达96604kW/h，电费近3万元。

因此，迫切需要改善阳极钢爪的耐腐性，降低其电阻率，以提高其使用周期，节约电能，达到节能减排，降低成本的目的。

技术实现要素：

[技术问题]

本发明致力于开发一种电解铝用阳极钢爪材料以及采用该材料制得的阳极钢爪，根据本发明的阳极钢爪能够提高导电性和耐腐蚀性，使得阳极电极在使用中整体压降减少，从而达到节约电能，提高钢爪的使用寿命的目的。

[技术方案]

为实现上述目的，本发明一个方面提供了一种电解铝用阳极钢爪，其中，在所述阳极钢爪中，满足以下元素含量范围：

当本发明的阳极钢爪的元素含量满足以上范围时，其电阻率可明显降低至0.13μΩ·m，甚至低至0.121μΩ·m，相比于现有技术的ZG230-450材质(电阻率0.169μΩ·m)，电阻率下降约23.1-28.4％。

优选地，所述阳极钢爪采用铸造纯铁制造。

为使所述阳极钢爪实现如上所述的元素含量范围，可优选采用满足如下元素含量范围的铸造纯铁作为原料来制造本发明所述的阳极钢爪：

根据本发明的一个实施方式，提供了一种由上述电解铝用阳极钢爪材料制得的阳极钢爪。

本发明的阳极钢爪可采用本领域常规的方法制造。

根据本发明的一个实施方式，可进一步对本发明的阳极钢爪进行热处理，以使钢爪的晶粒增大，进一步减少晶界的影响，提高导电性能。所述热处理的具体过程为：以70-100℃/h的速率将所述阳极钢爪加热至700-1000℃，保持此温度3-5小时，然后随炉冷却至300-500℃，再空气冷却至室温。优选地，以80℃/h的速率将所述阳极钢爪加热至850℃，保持此温度4小时，然后随炉冷却至400℃，再空气冷却至室温。

根据本发明的一个实施方式，可采用消失模铸造技术生产本发明所述的阳极钢爪。

优选地，在利用消失模铸造技术生产所述阳极钢爪的过程中，可在所述阳极钢爪中内置螺纹钢作为内冷铁，以增加钢爪强度。

根据本发明的一个实施方式，本发明所述的阳极钢爪的外形不作特别的限定，只要其可适用于电解铝装置中即可。优选地，所述阳极钢爪的形状可以是平行的、立体的、双阳极型的等等，爪的数目可以是单爪、双爪、三爪、四爪、六爪、八爪等等。

本发明的另一个方面提供了一种铸造纯铁用于铸造电解铝用阳极钢爪的用途，其中，所述铸造纯铁满足如下的元素含量：

本发明的另一个方面提供了一种铝电解槽装置，其采用了本发明所述的阳极钢爪。

[有益效果]

根据本发明的阳极钢爪采用特定的铸造纯铁制造，提高了导电率并具有优良的耐腐蚀性，在使用中能够提高钢爪的使用寿命并且节约电能，从而大大节约了成本。

附图说明

图1示意性图示了根据本发明的一个实施方式的阳极钢爪的立体图。

图2示意性图示了根据本发明的一个实施方式的阳极钢爪的剖面图。

具体实施方式

下文中，将参照附图和具体实施例来描述本发明，但应当注意的是，本发明所提供的附图和实施例仅用作示例说明，而非旨在限制本发明的技术精神和核心元素和操作。在不脱离本发明的技术精神和范围的前提下，本发明的示例性实施例可作出各种形式的改变。

常规阳极钢爪ZG230-450的部分元素含量和电阻率如以下表1所示。

表1

根据本发明的一个实施方式提供了一种电解铝用阳极钢爪材料，其中，所述阳极钢爪包含如下含量的元素：

当本发明的阳极钢爪材料满足以上元素含量范围时，其电阻率可明显降低至0.13μΩ·m，甚至低至0.121μΩ·m，相比于现有技术的ZG230-450材质(如表1所示)，电阻率下降约23.1-28.4％。

为使所述阳极钢爪材料实现如上所述的元素含量范围，可优选采用如下元素含量范围的铸造纯铁作为原料来制造本发明所述的阳极钢爪材料：

根据本发明的一个实施方式，提供了由上述电解铝用阳极钢爪材料制得的阳极钢爪。

工业试验表明根据本发明制得的的阳极钢爪的电极压降比现有技术降低约40mv，吨铝节电32.8元。若采用上述本发明的铸造纯铁制作的阳极钢爪可节约电能在0.5％以上，可使80万吨铝厂最低节约电能3360万度，降低成本约1008万元，经济效益十分显著。

根据本发明的一个实施方式，可进一步对本发明的阳极钢爪进行热处理，以使钢爪的晶粒增大，进一步减少晶界的影响，提高导电性能。所述热处理的具体过程为：以70-100℃/h的速率将所述阳极钢爪加热至700-1000℃，保持此温度3-5小时，然后随炉冷却至300-500℃，再空气冷却至室温。优选地，以80℃/h的速率将所述阳极钢爪加热至850℃，保持此温度4小时，然后随炉冷却至400℃，再空气冷却至室温。

根据本发明的一个实施方式，可采用消失模铸造技术生产本发明所述的阳极钢爪。所述消失模铸造技术包括以下步骤：制型、刷涂料、干燥、装箱、振实、真空吸气、熔炼、化学检验、浇注、开箱、清理、热处理、检验以及成品入库。

优选地，在利用消失模铸造技术生产所述阳极钢爪的过程中，可在所述阳极钢爪中内置螺纹钢作内冷铁，以增加钢爪强度。

根据本发明的一个实施方式，本发明所述的阳极钢爪的外形不作特别的限定，只要其可适用于电解铝装置中即可。优选地，所述阳极钢爪的形状可以是平行的、立体的、双阳极型的等等，爪的数目可以是单爪、双爪、三爪、四爪、六爪、八爪等等。

本发明的另一个方面提供了一种铸造纯铁用于铸造电解铝用阳极钢爪材料的用途，其中，所述铸造纯铁满足如下的元素含量：

本发明的另一个方面提供了一种铝电解槽装置，其采用了本发明所述的阳极钢爪。

实施例

实施例1

采用如下元素含量范围的铸造纯铁作为原料来制造本发明所述的阳极钢爪：C 0.0075％、Si 0.004％、Mn 0.015％、P 0.0071％、S 0.0048％、Cr 0.0033％、Ni 0.0088％、V 0.0020％、Cu 0.0054％、Al 0.0030％以及Fe 99.81％。

上述铸造纯铁采用消失模铸造技术浇注后，制得的阳极钢爪的杂质含量如下：C 0.0065％、Si 0.006％、Mn 0.023％、P 0.0076％、S 0.0088％、Cr 0.0033％、Ni 0.0088％、V 0.0019％、Cu 0.0059％、Al 0.0029％以及Fe 99.80％，并且该阳极钢爪的电阻率为0.121μΩ·m。

实施例2

采用如下元素含量范围的铸造纯铁作为原料来制造本发明所述的阳极钢爪：C 0.0095％、Si 0.0077％、Mn 0.038％、P 0.01％、S 0.0012％、Cr 0.0018％、Ni 0.01％、V 0.0020％、Cu 0.0051％、Al 0.0030％以及Fe 99.83％。

上述铸造纯铁采用消失模铸造技术浇注后，制得的阳极钢爪包含如下含量的元素：C 0.01％、Si 0.008％、Mn 0.039％、P 0.011％、S 0.013％、Cr 0.017％、Ni 0.013％、V 0.0023％、Cu 0.0048％、Al 0.0037％以及Fe 99.82％，并且该阳极钢爪的电阻率为0.130μΩ·m。

实施例3

采用如下元素含量范围的铸造纯铁作为原料来制造本发明所述的阳极钢爪：C 0.0185％、Si 0.0045％、Mn 0.016％、P 0.011％、S 0.009％、Cr 0.0093％、Ni 0.0088％、V 0.0017％、Cu 0.0034％、Al 0.0035％以及Fe 99.87％。

上述铸造纯铁采用消失模铸造技术浇注后，制得的阳极钢爪包含如下含量的元素：C 0.02％、Si 0.005％、Mn 0.02％、P 0.012％、S 0.012％、Cr 0.01％、Ni 0.009％、V 0.0022％、Cu 0.004％、Al 0.004％以及Fe 99.81％，并且该阳极钢爪的电阻率为0.129μΩ·m。

实施例4

采用如下元素含量范围的铸造纯铁作为原料来制造本发明所述的阳极钢爪：C 0.0083％、Si 0.0074％、Mn 0.03％、P 0.0079％、S 0.0088％、Cr 0.021％、Ni 0.0068％、V 0.0010％、Cu 0.0054％、Al 0.0011％以及Fe 99.53％。

上述铸造纯铁采用消失模铸造技术浇注后，制得的阳极钢爪包含如下含量的元素：C 0.01％、Si 0.0076％、Mn 0.033％、P 0.0088％、S 0.0097％、Cr 0.02％、Ni 0.0077％、V 0.0009％、Cu 0.0055％、Al 0.0016％以及Fe 99.85％，并且该阳极钢爪的电阻率为0.128μΩ·m。

进一步对上述的阳极钢爪进行热处理：以80℃/h的速率将所述阳极钢爪加热至850℃，保持此温度4小时，然后随炉冷却至400℃，再空气冷却至室温。得到的阳极钢爪的电阻率为0.123μΩ·m。

实施例5

采用如下元素含量范围的铸造纯铁作为原料来制造本发明所述的阳极钢爪：C 0.015％、Si 0.0064％、Mn 0.016％、P 0.0091％、S 0.0098％、Cr 0.023％、Ni 0.01％、V 0.0007％、Cu 0.0014％、Al 0.0038％以及Fe 99.90％。

上述铸造纯铁采用消失模铸造技术浇注后，制得的阳极钢爪包含如下含量的元素：C 0.018％、Si 0.0067％、Mn 0.018％、P 0.0097％、S 0.012％、Cr 0.029％、Ni 0.011％、V 0.0014％、Cu 0.0022％、Al 0.0044％以及Fe 99.85％，并且该阳极钢爪的电阻率为0.129μΩ·m。

实施例6

采用如下元素含量范围的铸造纯铁作为原料来制造本发明所述的阳极钢爪：C 0.0185％、Si 0.004％、Mn 0.026％、P 0.0076％、S 0.0088％、Cr 0.018％、Ni 0.0068％、V 0.0007％、Cu 0.0055％、Al 0.001％以及Fe 98.81％。

上述铸造纯铁采用消失模铸造技术浇注后，制得的阳极钢爪包含如下含量的元素：C 0.01％、Si 0.005％、Mn 0.033％、P 0.0088％、S 0.0098％、Cr 0.02％、Ni 0.0069％、V 0.001％、Cu 0.0057％、Al 0.0014％以及Fe 97.60％，并且该阳极钢爪的电阻率为0.127μΩ·m。

进一步对上述阳极钢爪进行热处理：以80℃/h的速率将所述阳极钢爪加热至850℃，保持此温度4小时，然后随炉冷却至400℃，再空气冷却至室温。得到的阳极钢爪的电阻率为0.125μΩ·m。