鑄鐵材料在鋁電解企業(yè)的應(yīng)用

劉民章 田 偉 李 賢

(青海橋頭鋁電股份有限公司， 青海 西寧 810100)

0 前言

鑄鐵是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種鑄造金屬材料。在一般機(jī)械制造、冶金礦山、石油化工、交通運(yùn)輸和國(guó)防工業(yè)各部門中，鑄鐵件約占整個(gè)機(jī)器(機(jī)械)重量的45%～90%[1-3]。鑄鐵之所以獲得廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，因?yàn)槠渥鳛闄C(jī)械制造用的材料，具有其他金屬材料所不及的優(yōu)良性能，如生產(chǎn)成本低、鑄造性能好、便于切削加工、減振性及耐磨性好、缺口敏感性低以及良好的熱處理性能?；谶@些特點(diǎn)，在目前以鋁代鐵的情況下，許多行業(yè)仍然對(duì)鑄鐵材料的研究方興未艾。鑄鐵是以鐵為基礎(chǔ)的鐵基合金，可為分白口鑄鐵、灰鑄鐵麻口鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵[4]。其中，應(yīng)用最為廣泛的是灰鑄鐵和球墨鑄鐵。

在鋁電解企業(yè)，鑄鐵材料也有一些應(yīng)用。然而，迄今為止，國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋁電解過程中鑄鐵材料應(yīng)用研究的報(bào)道并不多見。因此，了解掌握鑄鐵材料在鋁電解各環(huán)節(jié)中的應(yīng)用及其對(duì)于電解各環(huán)節(jié)的影響十分重要。本文根據(jù)目前鋁電解、重熔鋁錠鑄造過程中鑄鐵材料的應(yīng)用情況，分析了鑄鐵材料的應(yīng)用原理，并就鑄鐵材料在鋁電解企業(yè)的應(yīng)用提出一些參考建議。

1 鑄鐵材料在鋁電解企業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

通過對(duì)河南中孚、山東茌平、青海鋁業(yè)等鋁電解企業(yè)進(jìn)行調(diào)研，詳細(xì)了解了鑄鐵材料的應(yīng)用情況。目前鋁電解企業(yè)主要在真空抬包的吸鋁管、重熔鋁錠鑄造生產(chǎn)中所使用的鑄模、鋁液攪拌車的扒渣板、預(yù)焙陽(yáng)極與陽(yáng)極鋼爪連接處的磷鐵環(huán)、陰極碳?jí)K與陰極鋼棒之間的間隙密封等環(huán)節(jié)應(yīng)用鑄鐵材料。

1.1 真空抬包的吸鋁管

吸鋁管是真空抬包的重要組成部分。當(dāng)鋁電解槽中的鋁液達(dá)到一定高度時(shí)，就必須在壓縮空氣作用下將電解槽中的鋁液抽至真空抬包中。在這個(gè)過程中，真空抬包的吸鋁管通過電解質(zhì)熔體插入鋁液中，不僅要承受高溫鋁液的熱沖擊和鋁液流動(dòng)對(duì)吸鋁管內(nèi)壁的沖刷，而且要承受鋁液、電解質(zhì)對(duì)管壁的腐蝕(電解質(zhì)、鋁液中含有一定濃度的氟離子)。就這一點(diǎn)而言，吸鋁管的使用環(huán)境可以概括為高溫(約950 ℃)、腐蝕性(氟離子腐蝕)和流動(dòng)沖刷。

1.2 重熔鋁錠鑄造生產(chǎn)中使用的鑄模

鑄模是鑄造生產(chǎn)線上重熔鋁錠鑄造成型的模具，高溫鋁液經(jīng)溜槽、船型澆包、鋁液分配器至鑄模，在循環(huán)水的冷卻下，鋁錠凝固成型。重熔鋁錠鑄造過程中鑄模首先要承受高溫鋁液帶來的熱沖擊，還要承受具有一定流速鋁液的沖刷，此外，隨著鑄造機(jī)運(yùn)行，還要承受周期性的冷卻- 加熱- 再加熱- 再冷卻過程。就重熔鋁錠鑄造的特點(diǎn)而言，鑄模一直工作在周而復(fù)始的冷卻與加熱的熱疲勞狀態(tài)中。

1.3 鋁液攪拌車的扒渣板

眾所周知，由電解槽內(nèi)吸出的高溫鋁液要轉(zhuǎn)化為鋁產(chǎn)品，其主要途徑是將鋁液轉(zhuǎn)注到混合爐或熔煉爐內(nèi)，經(jīng)過熔煉、精煉、在線處理和鑄造(或鑄軋)轉(zhuǎn)變?yōu)橹厝垆X錠、鋁合金扁錠或鑄軋卷。無論加工成何種產(chǎn)品，都要在爐內(nèi)進(jìn)行熔體攪拌和扒渣處理，將漂浮在熔體表面的浮渣除去。而扒渣板就是用來除去熔體表面浮渣的專用機(jī)械器具。通過扒渣板在熔體內(nèi)的升降和往復(fù)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)熔體的攪拌和扒渣。根據(jù)扒渣板在鋁液中的運(yùn)動(dòng)形式可以看出，扒渣板不僅要受到高溫鋁液的浸蝕和流動(dòng)鋁液的沖刷，而且要承受周期性熱沖擊。因?yàn)槊扛魩讉€(gè)小時(shí)扒渣板要經(jīng)歷一次高溫到室溫的熱沖擊，尤其在冬季這種熱沖擊非常明顯。

1.4 預(yù)焙陽(yáng)極與陽(yáng)極鋼爪連接處的磷鐵環(huán)

鋁電解槽用的陽(yáng)極由陽(yáng)極導(dǎo)桿、鋼爪、預(yù)焙陽(yáng)極炭塊組成，而且預(yù)焙陽(yáng)極炭塊必須與陽(yáng)極導(dǎo)桿連接在一起才能應(yīng)用在鋁電解槽上。陽(yáng)極導(dǎo)桿與鋼爪之間通過焊接進(jìn)行連接，陽(yáng)極炭塊和陽(yáng)極導(dǎo)桿的連接方法是將高溫鑄鐵熔液澆注到鋼爪頭和陽(yáng)極鋼爪孔之間的間隙中，這個(gè)間隙的尺寸通常為8～10 mm。在鋁電解槽中，用鑄鐵澆注組裝的預(yù)焙陽(yáng)極炭塊通過再次受熱(吸收由電解質(zhì)中傳遞的熱量)，鑄鐵基體中的石墨產(chǎn)生膨脹，使得陽(yáng)極組裝過程中所澆注的鑄鐵產(chǎn)生膨脹，這種受熱膨脹能夠有效減小由于高溫鑄鐵冷卻凝固在陽(yáng)極孔和鑄鐵環(huán)之間產(chǎn)生的間隙，從而使得鑄鐵環(huán)與陽(yáng)極炭塊之間的接觸壓力增加，達(dá)到二者之間的良好接觸，最終實(shí)現(xiàn)降低陽(yáng)極鋼爪、鑄鐵環(huán)、陽(yáng)極炭塊連接壓降的目的。

1.5 使用鑄鐵密封陰極碳?jí)K與陰極鋼棒之間的間隙

在鋁電解企業(yè)生產(chǎn)過程中，鑄鐵材料除了上述幾方面的應(yīng)用外，還可以代替陰極鋼棒糊(包括熱搗糊和冷搗糊)用于密封陰極碳?jí)K與陰極鋼棒之間的間隙[5]。

傳統(tǒng)電解槽陰極炭塊與陰極鋼棒的密封，是將用炭骨料和瀝青調(diào)制的熱搗糊和冷搗糊人工填充到鋼棒與陰極塊的兩側(cè)間隙中(每側(cè)間隙大約10 mm)，通過人工搗實(shí)，使陰極炭塊、陰極鋼棒及陰極鋼棒糊緊密接觸形成一個(gè)整體的電導(dǎo)體[6]。使用熱搗糊時(shí)，需要對(duì)鋼棒、炭塊以及糊料進(jìn)行加熱才能填充搗實(shí)。當(dāng)溫度超過200 ℃時(shí)，糊料中的瀝青揮發(fā)分大量排出，導(dǎo)致糊料骨料間產(chǎn)生大量孔洞，引起局部結(jié)構(gòu)疏松、孔隙度增加，糊料與炭塊間的接觸壓力減小，導(dǎo)致陰極鋼棒與陰極炭塊的接觸壓降增加[7]，而且加劇了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的污染，影響電解車間操作工人的健康。

隨著鋁電解技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)階段鋁電解企業(yè)逐步試驗(yàn)應(yīng)用鑄鐵密封陰極炭塊與陰極鋼棒，該密封方法解決了陰極鋼棒糊料密封的電解槽焙燒啟動(dòng)過程中存在的上述問題，并且有效保持兩者在電解槽運(yùn)行過程中的接觸壓力，降低接觸壓降。

2 鋁電解企業(yè)鑄鐵材質(zhì)的選擇

不同的鑄鐵材料所具有的材料特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，所以，在鋁電解企業(yè)生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)需要使用鑄鐵材料的環(huán)節(jié)所面臨的使用環(huán)境，選擇適合的鑄鐵材料。

2.1 吸鋁管、鑄模和扒渣板鑄鐵材質(zhì)的選擇

2.1.1 使用環(huán)境

吸鋁管、鑄模和扒渣板的使用環(huán)境基本相同： 使用溫度范圍是720～900 ℃；相對(duì)鋁液都是動(dòng)態(tài)的，要承受高溫鋁液的沖刷和浸蝕；都是周期性使用；都要經(jīng)歷周期性熱沖擊。其中最重要的是流動(dòng)鋁液對(duì)鑄鐵材料的腐蝕。

2.1.2 不同鑄鐵材質(zhì)的耐腐蝕性

Sidhu M S 等人[8]研究了灰鑄鐵、鑄鋼和球墨鑄鐵在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)鋁液中的腐蝕速度，結(jié)果表明：

1)靜態(tài)腐蝕(鋁液流動(dòng)速度等于0)。當(dāng)鋁液溫度為850 ℃時(shí)，球墨鑄鐵的溶解速度比灰鑄鐵大約快13%，鑄鋼溶解大約比灰鑄鐵快3倍；當(dāng)鋁液溫度為950 ℃時(shí)，灰鑄鐵的溶解速度是鋁液溫度為850 ℃時(shí)的2倍，同時(shí)鑄鋼和球墨鑄鐵的溶解速度也大約增加了3倍。即在靜態(tài)條件下，隨著鋁液溫度的提高，灰鑄鐵溶解速度受到的影響最小。

2)動(dòng)態(tài)腐蝕(鋁液具有一定流動(dòng)速度)。鋁液溫度為850 ℃、速度由靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài)(0.48 m/s)時(shí)，球墨鑄鐵的溶解速度比灰鑄鐵高2倍，鑄鋼的溶解速度比灰鑄鐵高12.5倍；當(dāng)速度由0.48 m/s提高到0.68m /s時(shí)，鑄鐵的溶解速度也大幅提高，但灰鑄鐵受到的影響最小。在鋁液溫度為950 ℃，鋁液流速相同時(shí)，3種鑄鐵顯示了同850 ℃類似的趨勢(shì)，而且溶解速度稍微提高，鑄鋼試樣幾乎完全浸蝕。

綜上所述，灰鑄鐵的耐腐蝕性最好，球墨鑄鐵次之，鑄鋼的耐腐蝕性最差。這是由3種鐵基合金的微觀組織(圖1)決定的：灰鑄鐵試樣有分布于珠光體基體中的石墨片，珠光體基體中含有6%～8%的滲碳體；球墨鑄鐵試樣中的含碳量稍高于灰鑄鐵，球狀石墨分布在鐵素體- 珠光體基體中；鑄鋼試樣是以鉬、鉻為主要合金元素的低碳鋼，其基體以鐵素體為主，還有一些貝氏體?；诣T鐵溶解比球墨鑄鐵慢得多，這種差別可以用在3種材質(zhì)中灰鑄鐵的鐵素體分?jǐn)?shù)最低的事實(shí)來解釋，因?yàn)樵阡X液中鐵素體比珠光體、滲碳體或石墨溶解的更快。此外，灰鑄鐵有著相互連接的石墨片網(wǎng)絡(luò)，與球墨鑄鐵中的球狀石墨相比，難以由基體中退出。所以，灰鑄鐵具有分布在珠光體和滲碳體基體中片狀石墨的額外優(yōu)勢(shì)。

圖1 鐵基合金的微觀組織

結(jié)合鋁電解企業(yè)吸鋁管、鑄模和扒渣板的使用環(huán)境與灰鑄鐵、鑄鋼和球墨鑄鐵的材質(zhì)結(jié)構(gòu)，最終選用的鑄鐵材料為灰鑄鐵。

2.2 預(yù)焙陽(yáng)極與陽(yáng)極鋼爪連接處鑄鐵材質(zhì)的選擇

鋁電解企業(yè)使用含磷灰鑄鐵連接陽(yáng)極鋼爪和陽(yáng)極炭塊，這是利用了亞共晶含磷灰鑄鐵在陽(yáng)極鋼爪孔中凝固所發(fā)揮的機(jī)械、熱以及電連接作用。

Nofal A等人[9]研究了不同碳當(dāng)量CE(3.9、4.3和4.5)鑄鐵對(duì)鋼爪-陽(yáng)極連接處電壓降的影響，發(fā)現(xiàn)決定鑄鐵與陽(yáng)極界面電壓降的不是接觸表面，而是接觸壓力。接觸壓力在很大程度上取決于較高碳當(dāng)量鑄鐵共晶反應(yīng)期間石墨析出引起的凝固膨脹。在一定程度上，也是由較低碳當(dāng)量值鑄鐵環(huán)加熱期間碳化物分解引起的膨脹力決定的。因此，要使得運(yùn)行狀態(tài)下陽(yáng)極鋼爪、鑄鐵環(huán)、陽(yáng)極炭塊之間保持較高的接觸壓力(低接觸壓降)，陽(yáng)極組裝用生鐵應(yīng)當(dāng)為亞共晶鑄鐵，即碳當(dāng)量小于4.3(共晶成分)。因?yàn)?，在預(yù)焙陽(yáng)極工作條件下，亞共晶鑄鐵組織中的萊氏體析出發(fā)生石墨化相變，顯示出了更大的體積膨脹(≈300%)，從而使得陽(yáng)極鋼爪、鑄鐵環(huán)、陽(yáng)極炭塊之間保持較高的接觸壓力，達(dá)到降低接觸電阻的目的。

2.3 陰極鋼棒和陰極炭塊間隙密封鑄鐵材質(zhì)的選擇

用于密封陰極鋼棒和陰極炭塊之間間隙的鑄鐵材質(zhì)的選擇原理與用于連接陽(yáng)極鋼爪、陽(yáng)極炭塊之間間隙的鑄鐵相同。

3 結(jié)束語

鋁電解企業(yè)生產(chǎn)過程中，要在充分了解、掌握和分析鑄鐵部件使用環(huán)境的前提下，正確選擇和使用

鑄鐵材料。對(duì)于在鋁液溫度較高、流動(dòng)條件下的用途，如吸鋁管、鑄模和扒渣板，選擇使用灰鑄鐵較為合適；而對(duì)于需要在工作條件下產(chǎn)生相對(duì)大接觸壓力和相對(duì)小接觸壓降的用途，如連接陽(yáng)極炭塊與陽(yáng)極鋼爪的鑄鐵環(huán)、密封陰極碳?jí)K與陰極鋼棒之間間隙的鑄鐵密封，選擇亞共晶含磷灰鑄鐵較為合適。只有這樣，才能充分利用各種鑄鐵材料的固有性能，并使得其在工作環(huán)境中發(fā)揮更好的效能，體現(xiàn)出較低的使用成本和較高的經(jīng)濟(jì)效益。