鋁電解槽用陽極鋼爪及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種鋁電解槽用陽極鋼爪及其制備方法，該陽極鋼爪包括鋼爪坯件，鋼爪坯件包括鋼爪橫梁和焊接在鋼爪橫梁下部的鋼爪支腿；在鋼爪坯件的表面覆有金屬復合層，金屬復合層由Fe、Al、Cu、Ni和Cr復合而成，其中各組分的質量百分比為：Al：0.1～15%、Cu：0.1～2%、Ni：0.1～1.5%、Cr：0.1～8%、余量為Fe。該制備方法包括型鋼加工、全截面熔焊、表面處理和覆設金屬復合層的步驟。本發明陽極鋼爪具有更高的耐腐蝕、耐高溫性能，并且能夠減少陽極鋼爪支腿更換過程中的工作量和減少焊縫壓降，從而降低陽極鋼爪的維護成本和后期使用能耗，實現了降低電解鋁生產成本的目的。
【專利說明】
鋁電解槽用陽極鋼爪及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及鋁電解技術領域，具體涉及一種鋁電解槽用陽極鋼爪及其制備方法。
【背景技術】
[0002]在鋁電解生產過程中，陽極被譽為“電解的心臟”，目前預焙電解槽陽極均采用鑄鋼陽極鋼爪，主要是通過鋁、鋼復合爆炸塊與鋁導桿焊接，鋁導桿和陽極鋼爪起到傳導電流和承載負載的作用。由于鑄鋼的電阻比較大，在鋁電解過程中，陽極鋼爪部分電壓降較大，通常達50?80mV，甚至更高，損耗的功率也大，增加了電解鋁的噸鋁電耗和生產成本。并且陽極鋼爪在工作過程中，由于工作環境惡劣，需要定期的更換焊接陽極鋼爪支腿和更新陽極鋼爪，通常陽極鋼爪支腿的更換周期為I年、陽極鋼爪的更換周期為3年。僅此一項，一個年產25萬噸原鋁的電解鋁生產企業就需支出上千萬元的陽極鋼爪維護費用。因此，如何采用新型陽極鋼爪生產工藝，減少目前鑄鋼陽極鋼爪壓降大產生的電能損耗，降低電解鋁生產成本，對于電解鋁企業來說是保證其市場競爭力的必要條件。
【發明內容】
[0003]本發明旨在解決現有的陽極鋼爪在高溫條件下易被氧化腐蝕、能耗高、更換周期短、維護成本高的技術問題。
[0004]為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案:
設計一種鋁電解槽用陽極鋼爪，包括鋼爪坯件，所述鋼爪坯件包括鋼爪橫梁和焊接在所述鋼爪橫梁下部的鋼爪支腿;在所述鋼爪坯件的表面覆有金屬復合層，所述金屬復合層由卩6、六1、01、祖和0復合而成，其中各組分的質量百分比為^1:0.1?15%、01:0.1?2%、祖:0.I ?I.5%、Cr: 0.I ?8%、余量為Fe。
[0005]優選的，所述金屬復合層的厚度為0.01?5mm。
[0006]優選的，所述金屬復合層的孔隙率<5%。
[0007]優選的，所述金屬復合層與所述鋼爪坯件之間的結合強度>50MPa。
[0008]優選的，所述金屬復合層在800°C?1000°C的高溫電解質熔融液體中，腐蝕速率<
0.01mm/d。
[0009]優選的，所述鋼爪橫梁與鋼爪支腿之間的焊縫為立縫焊接的焊縫。
[0010]本發明還提供了一種上述鋁電解槽用陽極鋼爪的制備方法，包括如下步驟:
(1)型鋼加工:將型鋼材料按照鋼爪橫梁和鋼爪支腿的尺寸進行切割，切割面平行度小于等于5°，得到制備鋼爪坯件所需的鋼爪橫梁和鋼爪支腿；
(2)全截面熔焊:將步驟(I)所得的鋼爪支腿焊接于所述鋼爪橫梁上，首先使焊接面的平面度于等于5°，打磨清理焊縫兩側的氧化皮；固定工件和夾具，使兩個焊接面的距離5?40mm，焊縫為立縫焊接;采用熔焊設備進行5?30min的焊接，待焊縫冷卻后去除夾具;將全部鋼爪支腿焊接于所述鋼爪橫梁上之后，即制得所述鋼爪坯件；
(3)表面處理:將步驟(2)所得的鋼爪坯件進行酸洗、除銹，所用酸洗液為硝酸和氫氟酸的混合溶液，其中，硝酸所占體積百分比為15?25%，氫氟酸所占百分比為2?8%，余量為水；將所述鋼爪坯件浸入所述酸洗液中，浸泡8?12小時后取出，用清水對所述鋼爪坯件表面進行清洗，然后將該鋼爪坯件放入烘干爐進行烘干；
(4)覆設金屬復合層:采用金屬滲層技術或超音速電弧噴涂技術，在所述鋼爪坯件的表面覆設金屬復合層。
[0011 ]優選的，步驟(4)中所述采用金屬滲層技術覆設金屬復合層的方法為:
A.在鋁液中按下列質量百分比添加金屬元素:Cu: 0.1?2%、N1: 0.1?1.5%、Cr: 0.1?
8%；
B.將所述鋼爪坯件浸入到步驟A所得鋁液中，并在滲鋁爐內加熱到730°C?880°C，保溫10?60min;
C.將步驟B所得的鋁液和鋼爪坯件放入擴散爐，溫度維持在820?8800C，使表面金屬滲層向鋼爪還件內部擴散0.15?90min，即在所述鋼爪還件形成金屬復合層。
[0012]優選的，步驟(4)中所述采用金屬滲層技術覆設金屬復合層的方法為:
a.在固體粉末滲招劑中按下列質量百分比加入添加金屬元素:Cu:0.1?2%、N1: 0.1?1.5%、Cr:0.1?8%;
b.將所述鋼爪坯件埋入步驟a所得固體粉末滲鋁劑中，并置于密封的滲鋁箱內，使滲鋁箱在3?6h內升溫到700?850 °C，保溫3?6h;然后將滲鋁箱冷卻I?2h，溫度降至400?600°C，即在所述鋼爪坯件表面形成金屬復合層。
[0013]優選的，步驟(4)中所述采用超音速電弧噴涂技術覆設金屬復合層的方法為:將所述鋼爪坯件置于噴涂房內，通過超音速電弧噴涂設備，將噴涂絲熔化后噴涂在所述鋼爪坯件的表面，形成金屬復合層;所述噴涂絲為Fe、Al、Cu、N1、Cr復合金屬絲，其中各金屬元素所占質量百分比為:Al: 0.I ?15%、Cu: 0.I ?2%、N1: 0.I ?I.5%、Cr: 0.I ?8%、余量為Fe。
[0014]本發明的有益效果在于:
1.本發明鋁電解槽用陽極鋼爪，在鋼爪坯體表面覆設有金屬復合層，使其自身具有更高的耐腐蝕、耐高溫性能，在使用過程中耐高溫氧化腐蝕、抗電解質沖刷，并且能夠減少陽極鋼爪支腿更換過程中的工作量和減少焊縫壓降，從而降低陽極鋼爪的維護成本和后期使用能耗，實現了降低電解鋁生產成本的目的，對于電解鋁技術的發展意義重大。
[0015]2.本發明鋁電解槽用陽極鋼爪的導電性能與現有的陽極鋼爪相比大大提高，采用該陽極鋼爪自身壓降將減少17?25mV，相當于噸鋁電耗降低60KW.h，再加上鋼爪支腿維護采用大截面熔焊技術可減少人工焊接時引起的噸鋁電耗增加約20KW.h，相當于電解槽噸鋁電耗可降低約80KW.h;其使用壽命可以達到5年以上，其支腿的更換周期可以延長I年以上。
[0016]3.本發明鋁電解槽用陽極鋼爪采用“型鋼+全截面熔焊+表面處理”的制備方法，其生產成本更低，同時能夠有效降低陽極鋼爪在使用過程中的維護成本;不論是在制造成本還是實際的功能效果上，本發明陽極鋼爪及其制備方法與現有的“消失模”鑄造鋼爪的技術相比，都具備突出的優勢和發展潛力;本發明陽極鋼爪及其制備方法的推廣，將十分有助于電解鋁企業的節能降耗、降低生產成本，也有利于減少我國原生資源的消耗、降低碳排放，同時也必將為企業帶來新的利潤增長點。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明鋁電解槽用陽極鋼爪的結構示意圖。
[0018]其中，I為鋼爪橫梁;2為金屬復合層;3為焊縫;4為鋼爪支腿。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和實施例來說明本發明的【具體實施方式】，但以下實施例只是用來詳細說明本發明，并不以任何方式限制本發明的范圍。
[0020]實施例1: 一種鋁電解槽用陽極鋼爪，其包括鋼爪坯件，鋼爪坯件包括鋼爪橫梁I和焊接在鋼爪橫梁I下部的鋼爪支腿4，鋼爪橫梁I與鋼爪支腿4之間的焊縫3為立縫焊接的焊縫。鋼爪橫梁I采用方鋼、鋼爪支腿采用圓鋼，二者材料采用力學性能優良的Q235型鋼，也可采用力學性能優于Q235的其它型鋼材料。在鋼爪坯件的表面覆有金屬復合層2，金屬復合層2由？6、六1、01、祖和0復合而成，其中各組分的質量百分比為:六1:0.1?15%、01:0.1?2%、N1:0.1?1.5%、Cr:0.1?8%、余量為Fe。該金屬復合層中含有鐵、鋁、銅、鎳、鉻金屬元素，具備優異的耐電解質沖刷侵蝕和抗高溫氧化性能。
[0021]其中，金屬復合層2的厚度為0.01?5mm、孔隙率<5%，可耐1256°C高溫;金屬復合層2與鋼爪坯件之間的結合強度>50MPa，硬度HRC67-69，硬質相HRC78;耐腐蝕性能不大于
0.45mg/y。金屬復合層2在800°C?1000°C的高溫電解質熔融液體中的腐蝕速率< 0.01mm/d，在900°C的高溫環境下，裸露于空氣中的氧化速率< 0.01mm/d。
[0022]實施例2:—種鋁電解槽用陽極鋼爪的制備方法，包括如下步驟:
(1)型鋼加工:將型鋼材料按照鋼爪橫梁和鋼爪支腿的尺寸進行切割，切割面平行度小于等于5°，得到制備鋼爪坯件所需的鋼爪橫梁和鋼爪支腿；
(2)全截面熔焊:將步驟(I)所得的鋼爪支腿焊接于鋼爪橫梁上，首先使焊接面的平面度于等于5°，打磨清理焊縫兩側的氧化皮；固定工件和夾具，使兩個焊接面的距離5?40mm，焊縫為立縫焊接;采用熔焊設備進行5?30min的焊接，待焊縫冷卻后去除夾具;將全部鋼爪支腿焊接于鋼爪橫梁上之后，即制得鋼爪坯件；
(3)表面處理:將步驟(2)所得的鋼爪坯件進行酸洗、除銹，所用酸洗液為硝酸和氫氟酸的混合溶液，其中，硝酸所占體積百分比為15?25%，氫氟酸所占百分比為2?8%，余量為水；將鋼爪坯件浸入酸洗液中，浸泡8?12小時后取出，用清水對鋼爪坯件表面進行清洗，然后將該鋼爪坯件放入烘干爐進行烘干；
(4)采用金屬滲層技術覆設金屬復合層:
A.在鋁液中按下列質量百分比添加金屬元素:Cu: 0.1?2%、N1: 0.1?1.5%、Cr: 0.1?
8%；
B.將鋼爪坯件浸入到步驟A所得鋁液中，并在滲鋁爐內加熱到730°C?880°C，保溫10?60min；
C.將步驟B所得的鋁液和鋼爪坯件放入擴散爐，溫度維持在820?8800C，使表面金屬滲層向鋼爪還件內部擴散0.15?90min，即在鋼爪還件形成金屬復合層。
[0023]形成的金屬復合層中，其成分包括鋁液中的金屬鋁元素和向鋁液中添加的銅、鎳、鉻金屬元素，以及與鋼爪支腿坯件表面結合而得到的金屬鐵元素。
[0024]實施例3:—種鋁電解槽用陽極鋼爪的制備方法，與實施例2的區別在于，步驟(4)中采用金屬滲層技術覆設金屬復合層的方法為:
a.在固體粉末滲招劑中按下列質量百分比加入添加金屬元素:Cu:0.1?2%、N1: 0.1?
1.5%、Cr:0.1?8%;
b.將鋼爪坯件埋入步驟a所得固體粉末滲鋁劑中，并置于密封的滲鋁箱內，使滲鋁箱在3?6h內升溫到700?850°C，保溫3?6h;然后將滲鋁箱冷卻I?2h，溫度降至400?600°C，SP在鋼爪坯件表面形成金屬復合層。
[0025]形成的金屬復合層中，其成分包括滲鋁劑中的金屬鋁元素和向鋁液中添加的銅、鎳、鉻金屬元素，以及與鋼爪支腿坯件表層結合而得到的金屬鐵元素。
[0026]實施例4:一種鋁電解槽用陽極鋼爪的制備方法，與實施例2的區別在于，步驟(4)中采用超音速電弧噴涂技術覆設金屬復合層:將鋼爪坯件置于噴涂房內，通過超音速電弧噴涂設備，將噴涂絲熔化后噴涂在鋼爪坯件的表面，形成金屬復合層;噴涂絲為Fe、Al、Cu、N1、Cr復合金屬絲，其中各金屬元素所占質量百分比為:Al:0.1?15%、Cu:0.1?2%、N1:0.1?I.5%、Cr: 0.I ?8%、余量為Fe。
[0027]采用超音速電弧噴涂技術噴涂時，兩根絲狀金屬噴涂材料用送絲裝置通過送絲輪均勻、連續地分別送進電弧噴涂槍中的導電嘴內，導電嘴分別接電源的正、負極，并保證兩根絲材端部接觸前的絕緣性。當兩噴涂絲端部由于送進而互相接觸時，在端部短路并產生電弧，使絲材端部瞬間熔化，壓縮空氣把熔融金屬霧化成微熔滴，以很高的速度噴射到鋼爪還件的表面，形成金屬復合層。
[0028]在以上實施例中所涉及的儀器設備如無特別說明，均為常規儀器設備;所涉及的工業原料如無特別說明，均為市售常規工業原料。
[0029]本發明鋁電解槽用陽極鋼爪的制備方法采用“型鋼+全截面熔焊+表面處理”的生產工藝，與傳統“消失模”鑄造鋼爪的技術相比，本發明在制造成本、導電性能、使用壽命上均具有突出的優勢，本發明陽極鋼爪的制造成本每噸比“消失模”鑄造鋼爪每噸低40元;本發明陽極鋼爪的使用壽命可以達到5年以上，其支腿的更換周期可以延長I年以上;本發明陽極鋼爪的導電性能與“消失模”鑄造的鋼爪相比大大提高，采用本發明陽極鋼爪自身壓降將減少17?25mV，相當于噸鋁電耗降低60KW.h，再加上鋼爪支腿維護采用大截面熔焊技術可減少人工焊接時引起的噸鋁電耗增加約20KW.h，相當于電解槽噸鋁電耗可降低約80KW.h0
[0030]上面結合附圖和實施例對本發明作了詳細的說明，但是，所屬技術領域的技術人員能夠理解，在不脫離本發明宗旨的前提下，還可以對上述實施例中的各個具體參數進行變更，形成多個具體的實施例，均為本發明的常見變化范圍，在此不再一一詳述。
【主權項】
1.一種鋁電解槽用陽極鋼爪，其特征在于，包括鋼爪坯件，所述鋼爪坯件包括鋼爪橫梁和焊接在所述鋼爪橫梁下部的鋼爪支腿;在所述鋼爪坯件的表面覆有金屬復合層，所述金屬復合層由Fe、Al、Cu、Ni和Cr復合而成，其中各組分的質量百分比為:Al:0.1?15%、Cu:0.1?2%、N1: 0.I ?I.5%、Cr: 0.I ?8%、余量為Fe。2.根據權利要求1所述的鋁電解槽用陽極鋼爪，其特征在于，所述金屬復合層的厚度為0.0l?5mm03.根據權利要求1所述的鋁電解槽用陽極鋼爪，其特征在于，所述金屬復合層的孔隙率< 5% ο4.根據權利要求1所述的鋁電解槽用陽極鋼爪，其特征在于，所述金屬復合層與所述鋼爪坯件之間的結合強度> 50MPa。5.根據權利要求1所述的鋁電解槽用陽極鋼爪，其特征在于，所述金屬復合層在800°C?1000 0C的高溫電解質熔融液體中，腐蝕速率<0.0lmm/d。6.根據權利要求1所述的鋁電解槽用陽極鋼爪，其特征在于，所述鋼爪橫梁與鋼爪支腿之間的焊縫為立縫焊接的焊縫。7.—種權利要求1所述鋁電解槽用陽極鋼爪的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)型鋼加工:將型鋼材料按照鋼爪橫梁和鋼爪支腿的尺寸進行切割，切割面平行度小于等于5°，得到制備鋼爪坯件所需的鋼爪橫梁和鋼爪支腿； (2)全截面熔焊:將步驟(I)所得的鋼爪支腿焊接于所述鋼爪橫梁上，首先使焊接面的平面度于等于5°，打磨清理焊縫兩側的氧化皮；固定工件和夾具，使兩個焊接面的距離5?40mm，焊縫為立縫焊接;采用熔焊設備進行5?30min的焊接，待焊縫冷卻后去除夾具;將全部鋼爪支腿焊接于所述鋼爪橫梁上之后，即制得所述鋼爪坯件； (3)表面處理:將步驟(2)所得的鋼爪坯件進行酸洗、除銹，所用酸洗液為硝酸和氫氟酸的混合溶液，其中，硝酸所占體積百分比為15?25%，氫氟酸所占百分比為2?8%，余量為水；將所述鋼爪坯件浸入所述酸洗液中，浸泡8?12小時后取出，用清水對所述鋼爪坯件表面進行清洗，然后將該鋼爪坯件放入烘干爐進行烘干； (4)覆設金屬復合層:采用金屬滲層技術或超音速電弧噴涂技術，在所述鋼爪坯件的表面覆設金屬復合層。8.根據權利要求7所述的鋁電解槽用陽極鋼爪制備方法，其特征在于，步驟(4)中所述采用金屬滲層技術覆設金屬復合層的方法為: A.在鋁液中按下列質量百分比添加金屬元素:Cu:0.1?2%、N1: 0.1?1.5%、Cr: 0.1?8%； B.將所述鋼爪坯件浸入到步驟A所得鋁液中，并在滲鋁爐內加熱到730°C?880°C，保溫10?60min; C.將步驟B所得的鋁液和鋼爪坯件放入擴散爐，溫度維持在820?880°C，使表面金屬滲層向鋼爪還件內部擴散0.15?90min，即在所述鋼爪還件形成金屬復合層。9.根據權利要求7所述的鋁電解槽用陽極鋼爪制備方法，其特征在于，步驟(4)中所述采用金屬滲層技術覆設金屬復合層的方法為: a.在固體粉末滲招劑中按下列質量百分比加入添加金屬元素:Cu: 0.1?2%、N1: 0.1?1.5%、Cr:0.1?8%; b.將所述鋼爪坯件埋入步驟a所得固體粉末滲鋁劑中，并置于密封的滲鋁箱內，使滲鋁箱在3?6h內升溫到700?850 °C，保溫3?6h;然后將滲鋁箱冷卻I?2h，溫度降至400?600°C，即在所述鋼爪坯件表面形成金屬復合層。10.根據權利要求7所述的鋁電解槽用陽極鋼爪制備方法，其特征在于，步驟(4)中所述采用超音速電弧噴涂技術覆設金屬復合層的方法為:將所述鋼爪坯件置于噴涂房內，通過超音速電弧噴涂設備，將噴涂絲熔化后噴涂在所述鋼爪坯件的表面，形成金屬復合層;所述噴涂絲為?6、六1、(:11、祖、0復合金屬絲，其中各金屬元素所占質量百分比為:Al:0.1?15%、Cu: 0.1 ?2%、N1: 0.1 ?1.5%、Cr: 0.1 ?8%、余量為Fe。
【文檔編號】C23C10/26GK105839142SQ201610359426
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月27日
【發明人】王旭東, 曹國法, 馮曉強, 曹志偉
【申請人】鄭州斯迪新材料有限公司