用于稀土電解的小盒卡具應(yīng)用技術(shù)研究

陳炎鑫， 彭少華， 周愛國

（贛州有色冶金研究所冶金研究室，江西 贛州 341000）

用于稀土電解的小盒卡具應(yīng)用技術(shù)研究

陳炎鑫， 彭少華， 周愛國

（贛州有色冶金研究所冶金研究室，江西 贛州 341000）

對大型稀土電解槽用陽極卡具進(jìn)行分析研究，介紹了小盒卡具的安裝方法及工作過程，再與傳統(tǒng)楔形卡具進(jìn)行了對比分析，得出小盒卡具在使用過程中不發(fā)熱、不變形、不松脫，具有緊固壓力大、導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)，為改善陽極壓接方式收到了良好的效果.

稀土電解槽；小盒卡具；楔形卡具；陽極

0 前 言

在稀土電解行業(yè)中，陽極與銅排之間的連接方式有多種多樣，比較普遍的是楔形卡子，在爐蓋板上焊接固定架，把陽極安裝上去后，陽極導(dǎo)電板與導(dǎo)電銅排或鋼板接觸，上面用楔形卡子卡緊.在使用過程中會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，即當(dāng)使用一段時(shí)間后，由于它是楔形的、橫截面積小、電流大，容易輕脫，并且其本身通過的電流密度就大，容易發(fā)熱、燒紅變形以及冒火花，銅排與陽極導(dǎo)電板間起弧放電，接觸面容易燒壞，造成接觸電阻增大[1-3].設(shè)計(jì)中充分考慮了陽極工作過程，為使其更換方便，操作簡單快捷，增加壓接強(qiáng)度，使用了X字造型設(shè)計(jì)，通過一根有兩段反向螺紋的螺桿進(jìn)行進(jìn)退操作，卡具可達(dá)到松緊的效果.本卡具具有結(jié)構(gòu)簡單小巧、強(qiáng)度大、緊固壓力大、操作方便等特點(diǎn).

1 工作原理

小盒卡具是X字型，中間部位為軸，上下部分可以合攏和分開.當(dāng)用叉動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)外銷軸成反向運(yùn)動(dòng)，中心軸桿上升到掛鉤位置時(shí)，側(cè)板帶動(dòng)下面的焊接板運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了壓緊和松開動(dòng)作[4-5].由于叉動(dòng)絲桿是兩段反向螺紋，絲桿與銷軸成90°夾角，所以有自鎖功能，在工作時(shí)不會(huì)有絲毫的松脫.

卡具的高度、寬度以及掛鉤的高度存在以下關(guān)系：

其中：h為掛鉤內(nèi)高，/mm；L為卡具高度，/mm；d1為銅排厚度，/mm；d2為陽極導(dǎo)電板厚度，/mm；α為卡具兩側(cè)板夾角，/（°）；r為套筒半徑，/mm.

選材：一般采用45#鋼，厚度在14～20 mm之間，關(guān)鍵部件采用特殊材料和特殊處理.

2 設(shè)計(jì)及安裝

（1）卡具的結(jié)構(gòu)與組成.卡具的結(jié)構(gòu)主要由中心軸、掛鉤、側(cè)板等9個(gè)部件組成，詳見圖1所示.

圖1 小盒卡具結(jié)構(gòu)圖

（2）主要零件設(shè)計(jì).叉動(dòng)絲桿是核心部件，由45#鋼鍛件制作，還需表面熱處理及調(diào)質(zhì)處理，如圖2.左端為左旋T形螺紋，螺距4 mm，中間為右旋T形螺紋，螺距4 mm，最右端為六角頭部.螺紋長度、叉動(dòng)絲桿長度和卡具高度之間關(guān)系式如下：

其中：L為卡具高度，/mm；L1為左旋T型螺紋長度，/mm；L2為右旋 T型螺紋長度，/mm；D1為左旋 T型螺紋直徑，/mm；D2為右旋T型螺紋直徑，/mm；D3為六角頭部外接圓直徑，/mm.

圖2 叉動(dòng)絲桿

中心軸桿和套筒是用40Cr鍛件制作，起到高強(qiáng)度耐磨的作用.焊接板如圖3，是由3 mm厚的45#鋼板彎制而成.掛鉤是用45#鋼機(jī)械加工制作，彎鉤弧度不能過大，不然小盒卡具裝卸困難.

圖3 焊接板

（3）卡具的安裝.將各零部件加工好后，先將叉動(dòng)絲桿6與外銷軸4和內(nèi)銷軸5安裝起來，調(diào)整叉動(dòng)絲桿6螺紋處于它們之間，再加上銷軸、中心軸桿1和套筒9，然后用焊接板與側(cè)板焊接，最后涂上銀粉漆.

（4）卡具的使用方法.掛鉤2焊接于爐蓋板上，導(dǎo)電銅排橫向平鋪于爐蓋板上掛鉤2之內(nèi)，然后陽極放置于爐內(nèi)，其導(dǎo)電板放于銅排上表面，最后小盒卡具處于最松狀態(tài)放于陽極導(dǎo)電板上，中必軸桿1隨著卡具的緊固頂住掛鉤2，這樣就能達(dá)到緊固的效果.當(dāng)要松脫時(shí)，用扳手旋轉(zhuǎn)絲桿6，松脫卡具，當(dāng)中心軸桿脫離掛鉤2時(shí)，可把卡具取出，陽極也可以取出更換.

（5）卡具的工作環(huán)境.由于稀土熔鹽電解屬于高溫作業(yè)，爐口溫度約1000℃，熔鹽為氟化物體系，卡具工作位置在爐口約200 mm處，所以需要耐高溫耐腐蝕的要求.本卡具在制作過程中，經(jīng)過了多種特殊處理，比如鍛打、表面熱處理、調(diào)質(zhì)處理以及刷防護(hù)漆處理等，所以能夠在這樣的環(huán)境下正常工作.

3 與傳統(tǒng)陽極卡具對比

（1）傳統(tǒng)陽極卡具在樣式上大同小異，下面是南方某稀土金屬廠使用的卡具，示意圖如圖4：

圖4 楔形卡具

使用方法：首先安裝好銅排，然后把兩個(gè)3 U型卡鉤焊接于爐蓋板上，放上陽極其導(dǎo)電板壓在銅排上，最后用榔頭把楔形卡具捶緊.換陽極時(shí)，把楔形卡具松脫即可.

（2）壓力測試.在相同條件下，對楔形卡具及小盒卡具進(jìn)行4次緊固壓力測試，測試結(jié)果見表1.

從表1可以看出，小盒卡具能夠產(chǎn)生的卡緊壓力約在199.9 MPa，是楔形卡具的4倍，這對銅排與陽極導(dǎo)電板間的面面接觸起到了高強(qiáng)度的固定作用.在其工作時(shí)，面面接觸就不容易產(chǎn)生電弧，也就不容易冒火花，導(dǎo)電接觸比較好.

（3）壓接點(diǎn)電壓降測試.眾所周知，電流通過兩塊拼接導(dǎo)體時(shí)，根據(jù)拼接效果不同會(huì)產(chǎn)生不同程度的壓接電阻.比如兩根導(dǎo)線擰在一起，如果不夠牢固，容易起火花.在稀土熔鹽電解生產(chǎn)中，陽極是日常消耗品，它通過導(dǎo)電銅排與整流設(shè)備正極相連，單塊陽極通過的電流大約在1000 A，所以屬于大電流作業(yè).當(dāng)陽極導(dǎo)電板（45#鋼）與導(dǎo)電銅排（銅）壓接不夠牢固時(shí)，就會(huì)在壓接界面上起弧放電，產(chǎn)生耀眼的火花，在兩界面上留下燒傷疤痕，甚至燒毀導(dǎo)電板和銅排，這對電解生產(chǎn)是不利的，久而久之壓接電阻增大，槽壓上升，電耗增大[6-7].

表1 4次壓力測試結(jié)果

采用毫伏表測得各壓接點(diǎn)電壓降，結(jié)果見表2、表3和表4.

表2 鋼板與鋼板間的壓接點(diǎn)電壓降

表3 鋼板與銅排間的壓接點(diǎn)電壓降

表4 銅排之間的壓接點(diǎn)電壓降

根據(jù)歐姆定律可知，U壓接=R壓接I,當(dāng)經(jīng)過的電流一定時(shí)，隨著壓接電阻R值的變化，壓接電壓也不同.從表2～表4可以看出，不管是在相同材料還是不同材料的面面壓接時(shí)，不同的壓接工具所產(chǎn)生的壓接電阻也不同，小盒卡具的壓接效果比楔形卡具要好很多，銅－銅的壓接電壓損耗最小.稀土電解中陽極與銅排壓接屬于鋼－銅間的壓接，小盒卡具比楔形卡具減少了約170 mV的電壓降.不管是哪種材料相互壓接，其壓接電壓損耗是無法消除的，但是可以通過一定的方式盡可能地降低.

由此可見，小盒卡具在上述方面具有較大的優(yōu)勢，為降低壓接點(diǎn)電壓損耗可起到關(guān)鍵作用.

4 結(jié)束語

楔形卡具在稀土電解行業(yè)中普遍使用，由于它存在著容易松脫、發(fā)熱、燒紅變形以及冒火花等缺點(diǎn)，就需要尋求更好的陽極卡具.而小盒卡具實(shí)用性強(qiáng)，可適用于小型、中型以及大型稀土電解槽，通過修改部分零件尺寸，可滿足各種槽型的需要.通過生產(chǎn)實(shí)踐證明，本卡具在使用過程中不發(fā)熱、不變形、不松脫，具有緊固壓力大、導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)，為改善陽極壓接方式取得了良好的效果.

[1]任永紅.稀土電解槽的電場計(jì)算與槽電壓分析[J].包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào),2003,22（4）：313－317.

[2]張曉霞.小盒卡具壓板用焊接夾具[J].模具制造，2006（12）：30－31.

[3]徐光憲.稀土：第2版[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1995.

[4]尹小東.稀土熔鹽電解槽電磁場、流場的研究及節(jié)能降耗的探討[D].包頭：包頭鋼鐵學(xué)院，2002.

[5]石 富.稀土電解槽的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國稀土學(xué)報(bào),2007（25）：70－76.

[6]劉奎仁,魏緒鈞.釹電解陽極臨界電流密度的研究[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2001,11(11):99.

[7]邱竹賢.鋁電解：第2版[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1995.

The application of small box-fastener in rare earth electrolysis

CHEN Yan-xin,PENG Shao-hua,ZHOU Ai-guo

(Metallurgical laboratory，Ganzhou Nonferrous Metallurgy Research Institute,Ganzhou 341000，China)

This paper introduces the installation method and working process of Small Box-Fastener based on the analysis of the arge rare earth electrolysis cell anode clamp.Comparisons are performed on the working of Small Box-Fastener and the traditional wedge-shaped fixtures.The results show the Small Box-Fastener enjoys the advantages of heat-free,deformation-free,good electrical conductivity.

rare earth electrolytic tank；small box-fastener；wedge-shope fixtures；anode

TF845.6

A

1674-9669（2012）01-0049-04

2011-12-02

江西省重大科技專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目（2010AZD00100）；四川江銅稀土有限公司科技服務(wù)項(xiàng)目

陳炎鑫（1983- ），男，助工，主要從事稀土冶金技術(shù)研究，E－mail:277677516@qq.com.