10kA稀土电解炉钨阴极堆焊技术研究

2018-03-22徐明钟

铜业工程 2018年1期

徐明钟，饶宁，苏严

（四川江铜稀土有限责任公司，四川西昌 615000）

1 引言

随着氟化物体系氧化物电解技术在稀土行业的推广，上插钨阴极电解炉得到长足的发展和应用［1］。钨阴极因其化学性能稳定、熔点高（3422℃）、蒸汽压低、抗张强度高（1650℃）、耐腐蚀性强等特点作为必备耗材，在氟化物体系氧化物稀土电解炉得到广泛应用。在实际生产中钨阴极在炉口部分腐蚀严重，使用周期小于6个月，单耗成本居高不下。

2 原因分析

氟化物体系氧化物稀土电解上插式阴极炉口温度高（1050～1150℃）散热量大、热腐蚀严重；同时电解过程中会产生大量的含氟气体（HF和F2）加速对阴极的腐蚀，造成液面以上100～170mm范围严重腐蚀（见图1）。随着腐蚀的加剧，阴极在液面以上100～170mm范围逐渐变细，强度降低，电流密度明显增大，极易发红断裂［2］。

图1 10kA级稀土电解槽钨阴极腐蚀位置示意图

3 技术难点

钨阴极堆焊技术难度大，同时要满足负载电流大，耐高温，耐腐蚀等特性，目前国内还没有相应的技术，国内几家大型稀土生产企业曾开展相关研究，但都因母材和焊材熔接效果差无法通过大电流，焊接处高温易熔化和腐蚀等问题，未能实现阴极补焊技术，不能满足生产使用条件［3-6］。

钨焊条和阴极熔点温度相差很大（焊材主要为碳化钨焊条，其熔点为1700℃，而母材的熔点为3380℃），因熔点温度相差大，堆焊处熔接效果不理想，在热应力作用下熔接面易产生裂纹，导电性能差，通过大电流易发红，强度低容易断裂。焊接部位在低于1000℃条件下即出现熔化现象，加速腐蚀，溶体掉进炉内影响金属质量。

4 采取的措施

4.1 工艺步骤

步骤1：在阴极腐蚀部位（见图2）先进行打磨抛光，使整个焊接面呈现母材的金属光泽；

步骤2：堆焊准备，在阴极腐蚀部位进行堆焊前，先将阴极加热至1080～1120℃；

步骤3：在阴极腐蚀部位进行堆焊，采用直流电弧堆焊，确保熔深达到要求，在整个焊接过程中，须同时进行母材加热和焊接，焊接过程中不能间断，保证一次成型；

步骤4：焊接完成后（见图3），将阴极放石灰中保温缓慢冷却，避免急冷产生裂纹。

图2 钨阴极腐蚀图

图3 钨阴极堆焊后示意图图

4.2 工艺参数

为了提高焊接效果，步骤2中，阴极的加热温度为1080～1120℃。阴极的加热温度非常重要，其直接影响到木材和焊材的熔接效果，例如，当阴极的加热温度过低，母材与焊材的熔接温度相差较大，焊材熔化时，母材还未熔化，导致母材与焊材的熔接界面变差，进而无法解决传统堆焊方式所面临的技术难题，若阴极的加热温度过高，导致母材熔深过深，焊材还未熔化，母材先熔化，进而使母材与焊材的熔接界面依然较差，依然无法解决传统堆焊方式所面临的技术难题，通过大量实验和研究得出，只有阴极的加热温度在接近焊材熔化温度时，母材和焊材的熔接性才是最佳，母材与焊材的熔接界面结合良好，进而能够有效解决传统堆焊方式所面临的技术难题，因此，阴极的加热温度宜在1080～1120℃范围内，其具体数值则需要根据现场堆焊环境来决定。

为了进一步提高焊接效果，步骤3中，直流电弧堆焊的直流参数为260～300A。传统的堆焊方式均是在一般较低的直流电流下进行操作，进而导致母材的熔深过低，使焊条的焊接温度过低，进而无法克服母材和焊材之间的熔点温度相差较大的问题，也就无法解决母材和焊材熔接性差的技术难题，本发明则是一改传统思维，采用260～300A大电流直流焊接，使焊接温度达到设计要求，母材熔深合适，母材和焊材的熔接界面结合良好，进而有效解决母材和焊材熔接性差的问题，但是，并不是电流越大越好，经过大量实验得出，当焊接电流超过260～300A时，母材熔深较深，母材消耗较快，导致焊后的焊接部位会出现裂纹，进而使阴极的使用寿命缩短，起不到提高阴极使用寿命的技术效果，而低于260～300A时，则会出现与传统堆焊工艺的相同问题——熔接性差，至于为什么会在260～300A之间，目前原理尚不清楚，260～300A的电流范围是在进行大量实验和试错后得到的一个范围。步骤4中，焊后的阴极的保温时间至少为24h，以确保焊接部位不应急速冷却产生裂纹。