谈铝电解磷生铁改性剂的优化实验范文

摘要：本文研究了在用于电解铝阳极炭块和钢爪之间的浇铸磷生铁，在磷生铁的成分上加以改进，使得浇铸出的磷生铁具备更好的延展性和膨胀性，以此来取得炭块与钢爪之间的最适的连接状态。从炭块、钢爪进行模型建立与仿真模拟，到工业实验以及推广实验，结果证明了对磷生铁的适当改进，可以加强钢爪与炭块间的连接，减少阳极脱落情况，降低铁炭压降，减少生铁添加量，起到了节能减排的作用。

关键词：铝电解；磷生铁；仿真模拟

前言

铝在当代工业是很重要的原材料，高回收性和环保性也让铝工业成为我国有色金属中社会和国家贡献率最高的工业之一［1］。最近10年，国家大量冶金行业产能过剩，在这方面国家下了很大工夫，对铝电解行业也做出了重要批示［2］。在铝电解发展的初期，国外一些学者就探究了阳极与钢爪之间的接触电阻，并进一步进行了研究。MarcDupuis在TMS的会议上提出磷生铁对节能的巨大作用，但并没有对此进行过多的描述，国外另外一些学者对铁碳压降进行有限元分析，创建了2D模型。近些年在铝工业一线的技术员工的探索下，得出了可以降低铁炭压降的几个方法1）把钢爪充分除锈，将磷生铁里的粉尘处理；2）将碳碗清理干净；3）注重炭块的防潮以免二次浇注；4）将磷生铁里的硫含量严格控制。我们需要基于这些情况做出相应的改进，以达到降低铁碳压降的目的［3］。总结来说，对铝电解阳极接触电阻的研究大多是在工业试验的层面进行的，缺少适当的模拟和充足的理论支撑。所以，在工业试验的基础上建立高精度的数值模型是很有必要的［4-5］。

1模型建立

1.1阳极炭块和钢爪的模型铝电解的阳极是由炭块、钢爪和铝导杆组成。热量的传递路径是经由熔体经对流传热而向电解槽的内衬传播，最后热量会传递到电解槽的钢壳的表面，再经由电解槽钢壳表面与外部空间对流而散热。在整个铝电解的工业过程中，阳极的结构会跟随温度的变化而变化。阳极会随着温度的升高而发生膨胀，这样钢爪、磷生铁、炭块之间就会发生挤压，从而使整个阳极结构发生了变化。这里我们需要进一步分析膨胀现象相关原理，然后在模型上进行适当的简化，最后建立最吻合的数值模型［6］。

1.2数学模型建立1.2.1傅里叶方程查阅相关传热资料我们可知电解槽里热传导的原理可以用泊松方程来描述：上式中：kx，ky，kz分别是材料在xyz方向的导热系数，随着温度的变化而变化；q是单位体积上的产热率；T是温度。1.2.2导热方程的边界条件1）铝导杆的温度和外界温度以电解车间的实测温度为准；2）整个阳极与外界的对流换热和辐射传热总量热的衡量，总对流传热系数以自然对流换热系数和辐射换热系数之和为准。可以公式（2）表示总对流换热系数：hf=h0+σ0ε（T4s-T4b）／（Ts-Tb）（2）上式中：hf———阳极外表面总换热系数，W／（m2•K）；Ts———阳极外表面的温度，K；Tb———外部环境的温度，K；σ0———斯忒藩－玻耳兹曼常数，5.667×10-8W•K-4；ε———阳极外表面的黑体辐射系数；h0———阳极外表面与外界之间的对流换热系数，W／（m2•K）。3）阳极下表面与熔体之间的对流换热电解槽模拟的一大难题是界定内部的液-固传热系统，因为所处环境是高温腐蚀状态下，很难去具体确定，国内外的一些论文所给出的参数也有很大不同，在这里我们用铝液和炭块表面的对流换热系数来计算，采用Haupin经验公式：Nu=5+0.025Re0.8Pr0.8（3）铝液的流速现在尚没有准确的关系式来估算，查阅论文结合生产经验取5m／s。电解槽相关的结构参数见表1：

2仿真模拟

应用上述模型对阳极的电压、电流分布、温度分布和热平衡进行了数值模拟计算。图1~图4为所求得的1／4槽相对应部分的热场或结构场场分布图。由图1、2我们可以得出，阳极的最高温度为920℃，最低温度为47℃，最大应力是276MPa，最小应力是0.1MPa。炭块上的大致温度分布我们也能从图1中看出，炭块的最高温度920℃在底部，最低温度594℃在凸台处。从图1中我们还可以看出炭块侧边的温度也相对低一点，侧边的最高温度只有691℃，最低温度也只有563℃。而钢爪温度是由上至下升高的，其中最高温度为679℃，最低温度为114℃。阳极导杆温度沿杆身均匀分布，温度由低至高均匀变化，最高温度为115℃，最低温度为47℃。炭块上外面的最大应力54MPa，最小应力0.1MPa。炭块的中截面的应力分布和上外面相似。但是中截面的最大应力要比上外面大一点，为276MPa，最小应力与上表面相同为0.1MPa。而分析得炭碗的应力波动范围相对于整个炭块而言相对较小，但最大应力是180MPa，最小应力为13MPa，波动范围167MPa。钢爪最大应力为276MPa，最小应力为1.6MPa，压力波动比较大，最大应力在钢爪上表面和下表面，而最小应力在棱部。经过上述的计算与比对，我们得出炭块所受的应力小，所以虽然我们提高磷生铁的膨胀性就可以降低接触电阻，但是要首先考虑炭块所受到的应力，要使炭块可以承受住提高磷生铁膨胀性带来的应力提升。综上我们得到炭块表面的最大应力为54MPa。则炭块可许用应力极限取43.2MPa（保险系数=0.8），这个应力对应的磷生铁的线性膨胀系数则是1.06e-5。在这样的条件下，在这个范围内，我们研究并升级磷生铁配比并加入创新成分，最后达到减小铁-碳压降的目的。

3实验验证

现在有三种磷生铁配方，B是中南大学经过多年的研究所得出的配方，而C配方是在B的基础上经过对厂方实际的考察而改进得出的配方。1）配方A（厂方配方）：厂方现有的生产配方A熔炼，浇注。按照厂方自己正常行产时的配料和操作程序进行熔炼，浇注。然后在1350~1400℃液态情况下取3个分析试样，编号AZ-1，AZ-2，AZ-3，然后将铁水倒入抬包，再进行浇铸，一共要浇铸出10组对比极，编号A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8，A9，A10。2）配方B（校方标准配方）：B配方采用新鲜磷生铁、锰铁、磷铁、硅铁来配料，不加回炉铁。按照校方制定的熔炼工艺进行加料、熔炼与浇铸。熔炼工艺如下：在炉内我们先将配比好了的新鲜磷生铁、磷铁、锰铁、硅铁以及复合添加剂交替加入到炉中，然后按正常生产加热溶解，再扒渣；扒完渣后再持续搅拌大约30分钟，记录下温度，再加入除渣剂，在1300~1350℃的温度范围内保温至少20分钟以上，再取3个分析试样，编号BZ-1，BZ-2，BZ-3，然后将铁水倒入抬包，正常浇铸，也是浇铸10组试验极，编号B1，B2，B3，B4，B5，B6，B7，B8，B9，B10。3）配方C（校方推广用配方）C配方采用在现用磷生铁中加入少量复合改性剂的方法进行熔炼。根据现有磷生铁的物性参数及元素含量的不同情况，可进行三种不同程度的磷生铁改性剂熔炼工艺。

3.1添加5kg改性剂熔炼工艺1）中频炉内留300kg左右铁水（1／3），加入3公斤的复合改性剂及少量的配料铁，之后立即用300kg左右磷生铁覆盖其上；2）等回炉铁熔化后，再加入2公斤的复合改性剂，之后立即用300kg左右磷生铁覆盖其上；3）等铁水熔炼完毕，加入除渣剂，扒渣；4）倒入抬包内进行阳极浇铸；5）一直到炉子里铁水浇铸完即可。添加10kg改性剂熔炼工艺和20kg改性剂熔炼工艺和添加5kg改性剂熔炼工艺除了每次加入的量不同外，其他步骤一致，每次加入的量根据加入的总量成比例的添加。

3.2试验安排在铝电解厂根据厂方的时间协调一起，以正常生产时的阳极作对比极，加入了磷生铁改性剂的阳极作为对比极，浇铸完全后分别取B、C配方添加改性剂前试样化验结果如表2所示。同时上槽测试，一台电解槽保证有两个实验极和一个对比极。上槽后在一个周期内，跟踪测试Fe-C压降，等距压降，导杆温度，得出表3数据。经过整理得到图5。整理计算出等电流下的Fe-C压降对比，如图6所示。我们可以清楚的看出，不论是B组试验极还是C组试验极，铁-碳压降都远远小于A组对比试验极的铁-碳压降。根据数据表现，我们可以看出节能效果优异，而项目技术经济指标要求为15~20mv。C组较B组稳定性更好，波动幅度更小，对电解槽的槽况的稳定更好。

4结论

对铝电解钢爪进行仿真模拟可以精确的看出，炭碗与钢爪通过磷生铁浇铸连接，我们这里对磷生铁的改进提升了磷生铁的膨胀性，让炭块与钢爪之间的应力达到最优化，以加强炭块与钢爪之间的连接。在应力方面，我们使用的磷生铁在保证降低接触电阻的同时，也保证了碳块与钢爪连接的稳定性。工业上的实验也证明了改善磷生铁在铝电解厂是可行的，所以在铝电解厂，磷生铁对浇铸情况的改善带来好处：1）可以加强炭块与钢爪的连接；2）较好的延展性使得接触电阻减小，可以给企业带来不菲的收益。中南大学对铝电解磷生铁上面持续的研究也逐渐对磷生铁配方的优化提供了许多可供参考的资料。

参考文献：

［1］张勇，马思聪，董远霞.浅谈中国铝电解技术发展与进步［J］.世界有色金属，2008（1）：22-25.

［2］张宁，陈伟.电解铝生产节能减排技术探究［J］.中国金属通报，2017（11）：101-101.

［3］脱鹏.铝电解槽阳极铁-碳接触压降仿真与优化研究［D］.长沙：中南大学，2011.

［4］靳文军，任必军，李贺松，等.伊川铝厂阳极组装新型磷生铁配方的研究［J］.轻金属，2008（10）：30-33.

［5］王会全.改善磷生铁成分降低阳极铝炭压降［J］.有色冶金节能，2003，20（3）：27-29.

［6］王民，关湘.磷生铁复合改性剂降低铁碳压降的工业试验［J］.金属材料与冶金工程，2016（3）：46-51.

作者：姚勇 张林雨 单位：重庆旗能电铝有限公司