用于稀土电解的小盒卡具应用技术研究

陈炎鑫， 彭少华， 周爱国

（赣州有色冶金研究所冶金研究室，江西 赣州 341000）

用于稀土电解的小盒卡具应用技术研究

陈炎鑫， 彭少华， 周爱国

（赣州有色冶金研究所冶金研究室，江西 赣州 341000）

对大型稀土电解槽用阳极卡具进行分析研究，介绍了小盒卡具的安装方法及工作过程，再与传统楔形卡具进行了对比分析，得出小盒卡具在使用过程中不发热、不变形、不松脱，具有紧固压力大、导电性好等优点，为改善阳极压接方式收到了良好的效果.

稀土电解槽；小盒卡具；楔形卡具；阳极

0 前 言

在稀土电解行业中，阳极与铜排之间的连接方式有多种多样，比较普遍的是楔形卡子，在炉盖板上焊接固定架，把阳极安装上去后，阳极导电板与导电铜排或钢板接触，上面用楔形卡子卡紧.在使用过程中会出现这样的现象，即当使用一段时间后，由于它是楔形的、横截面积小、电流大，容易轻脱，并且其本身通过的电流密度就大，容易发热、烧红变形以及冒火花，铜排与阳极导电板间起弧放电，接触面容易烧坏，造成接触电阻增大[1-3].设计中充分考虑了阳极工作过程，为使其更换方便，操作简单快捷，增加压接强度，使用了X字造型设计，通过一根有两段反向螺纹的螺杆进行进退操作，卡具可达到松紧的效果.本卡具具有结构简单小巧、强度大、紧固压力大、操作方便等特点.

1 工作原理

小盒卡具是X字型，中间部位为轴，上下部分可以合拢和分开.当用叉动丝杆转动时，内外销轴成反向运动，中心轴杆上升到挂钩位置时，侧板带动下面的焊接板运动，从而实现了压紧和松开动作[4-5].由于叉动丝杆是两段反向螺纹，丝杆与销轴成90°夹角，所以有自锁功能，在工作时不会有丝毫的松脱.

卡具的高度、宽度以及挂钩的高度存在以下关系：

其中：h为挂钩内高，/mm；L为卡具高度，/mm；d1为铜排厚度，/mm；d2为阳极导电板厚度，/mm；α为卡具两侧板夹角，/（°）；r为套筒半径，/mm.

选材：一般采用45#钢，厚度在14～20 mm之间，关键部件采用特殊材料和特殊处理.

2 设计及安装

（1）卡具的结构与组成.卡具的结构主要由中心轴、挂钩、侧板等9个部件组成，详见图1所示.

图1 小盒卡具结构图

（2）主要零件设计.叉动丝杆是核心部件，由45#钢锻件制作，还需表面热处理及调质处理，如图2.左端为左旋T形螺纹，螺距4 mm，中间为右旋T形螺纹，螺距4 mm，最右端为六角头部.螺纹长度、叉动丝杆长度和卡具高度之间关系式如下：

其中：L为卡具高度，/mm；L1为左旋T型螺纹长度，/mm；L2为右旋 T型螺纹长度，/mm；D1为左旋 T型螺纹直径，/mm；D2为右旋T型螺纹直径，/mm；D3为六角头部外接圆直径，/mm.

图2 叉动丝杆

中心轴杆和套筒是用40Cr锻件制作，起到高强度耐磨的作用.焊接板如图3，是由3 mm厚的45#钢板弯制而成.挂钩是用45#钢机械加工制作，弯钩弧度不能过大，不然小盒卡具装卸困难.

图3 焊接板

（3）卡具的安装.将各零部件加工好后，先将叉动丝杆6与外销轴4和内销轴5安装起来，调整叉动丝杆6螺纹处于它们之间，再加上销轴、中心轴杆1和套筒9，然后用焊接板与侧板焊接，最后涂上银粉漆.

（4）卡具的使用方法.挂钩2焊接于炉盖板上，导电铜排横向平铺于炉盖板上挂钩2之内，然后阳极放置于炉内，其导电板放于铜排上表面，最后小盒卡具处于最松状态放于阳极导电板上，中必轴杆1随着卡具的紧固顶住挂钩2，这样就能达到紧固的效果.当要松脱时，用扳手旋转丝杆6，松脱卡具，当中心轴杆脱离挂钩2时，可把卡具取出，阳极也可以取出更换.

（5）卡具的工作环境.由于稀土熔盐电解属于高温作业，炉口温度约1000℃，熔盐为氟化物体系，卡具工作位置在炉口约200 mm处，所以需要耐高温耐腐蚀的要求.本卡具在制作过程中，经过了多种特殊处理，比如锻打、表面热处理、调质处理以及刷防护漆处理等，所以能够在这样的环境下正常工作.

3 与传统阳极卡具对比

（1）传统阳极卡具在样式上大同小异，下面是南方某稀土金属厂使用的卡具，示意图如图4：

图4 楔形卡具

使用方法：首先安装好铜排，然后把两个3 U型卡钩焊接于炉盖板上，放上阳极其导电板压在铜排上，最后用榔头把楔形卡具捶紧.换阳极时，把楔形卡具松脱即可.

（2）压力测试.在相同条件下，对楔形卡具及小盒卡具进行4次紧固压力测试，测试结果见表1.

从表1可以看出，小盒卡具能够产生的卡紧压力约在199.9 MPa，是楔形卡具的4倍，这对铜排与阳极导电板间的面面接触起到了高强度的固定作用.在其工作时，面面接触就不容易产生电弧，也就不容易冒火花，导电接触比较好.

（3）压接点电压降测试.众所周知，电流通过两块拼接导体时，根据拼接效果不同会产生不同程度的压接电阻.比如两根导线拧在一起，如果不够牢固，容易起火花.在稀土熔盐电解生产中，阳极是日常消耗品，它通过导电铜排与整流设备正极相连，单块阳极通过的电流大约在1000 A，所以属于大电流作业.当阳极导电板（45#钢）与导电铜排（铜）压接不够牢固时，就会在压接界面上起弧放电，产生耀眼的火花，在两界面上留下烧伤疤痕，甚至烧毁导电板和铜排，这对电解生产是不利的，久而久之压接电阻增大，槽压上升，电耗增大[6-7].

表1 4次压力测试结果

采用毫伏表测得各压接点电压降，结果见表2、表3和表4.

表2 钢板与钢板间的压接点电压降

表3 钢板与铜排间的压接点电压降

表4 铜排之间的压接点电压降

根据欧姆定律可知，U压接=R压接I,当经过的电流一定时，随着压接电阻R值的变化，压接电压也不同.从表2～表4可以看出，不管是在相同材料还是不同材料的面面压接时，不同的压接工具所产生的压接电阻也不同，小盒卡具的压接效果比楔形卡具要好很多，铜－铜的压接电压损耗最小.稀土电解中阳极与铜排压接属于钢－铜间的压接，小盒卡具比楔形卡具减少了约170 mV的电压降.不管是哪种材料相互压接，其压接电压损耗是无法消除的，但是可以通过一定的方式尽可能地降低.

由此可见，小盒卡具在上述方面具有较大的优势，为降低压接点电压损耗可起到关键作用.

4 结束语

楔形卡具在稀土电解行业中普遍使用，由于它存在着容易松脱、发热、烧红变形以及冒火花等缺点，就需要寻求更好的阳极卡具.而小盒卡具实用性强，可适用于小型、中型以及大型稀土电解槽，通过修改部分零件尺寸，可满足各种槽型的需要.通过生产实践证明，本卡具在使用过程中不发热、不变形、不松脱，具有紧固压力大、导电性好等优点，为改善阳极压接方式取得了良好的效果.

[1]任永红.稀土电解槽的电场计算与槽电压分析[J].包头钢铁学院学报,2003,22（4）：313－317.

[2]张晓霞.小盒卡具压板用焊接夹具[J].模具制造，2006（12）：30－31.

[3]徐光宪.稀土：第2版[M].北京：冶金工业出版社,1995.

[4]尹小东.稀土熔盐电解槽电磁场、流场的研究及节能降耗的探讨[D].包头：包头钢铁学院，2002.

[5]石 富.稀土电解槽的研究现状及发展趋势[J].中国稀土学报,2007（25）：70－76.

[6]刘奎仁,魏绪钧.钕电解阳极临界电流密度的研究[J].中国有色金属学报,2001,11(11):99.

[7]邱竹贤.铝电解：第2版[M].北京：冶金工业出版社,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

江西省重大科技专项计划项目（2010AZD00100）；四川江铜稀土有限公司科技服务项目

陈炎鑫（1983- ），男，助工，主要从事稀土冶金技术研究，E－mail:277677516@qq.com.