АНОДНОЕ УСТРОЙСТВО АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

Изобретение относится к цветной металлургии и предназначается для использования в токоподводящем анодном устройстве алюминиевого электролизера.
Известна конструкция токоподводящего анодного устройства алюминиевого электролизера (Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия. - М.: Металлургия, 1971. - С.178-182), в которой колодка выполнена монолитной из алюминия, а стальной штырь выполнен составным, снабженным медной рубашкой для улучшения контакта с алюминиевой колодкой и снижения перепада напряжения, причем для экономии меди рубашка может быть выполнена комбинированной: одна ее половина по окружности штыря выполнена из меди (медная вставка), а вторая - из стали.
Недостатком данной конструкции является низкая прочность и снижение срока службы, связанные с постепенным деформированием колодки и уменьшением ее площади контакта с медно-стальным штырем из-за невозможности очень пластичной алюминиевой колодки, имеющей низкую твердость, противостоять воздействию значительных и длительных по времени прижимных усилий, необходимых для обеспечения плотного контакта. Другим недостатком данной конструкции являются значительные расходы, идущие на изготовление составного штыря, что связано с применением большой по массе дефицитной медной вставки (около 6 кг) и дорогостоящей сварочной проволоки (около 1 кг) для приварки медной вставки к стальному штырю.
Известна конструкция токоподводящего анодного устройства алюминиевого электролизера (пат. РФ №2153028, МПК С25С 3/16, опуб. 20.07.2000), когда колодка и прижимной рычаг выполнены из антимагнитного материала.
Недостатком данной конструкции является высокое переходное электросопротивление вследствие отсутствия плотного контакта колодки со штырем и возможности его быстрого загрязнения и окисления в процессе эксплуатации, так как рычаг не позволяет создавать необходимых для хорошего контакта больших прижимных усилий и обеспечивает лишь поверхностный менее плотный контакт по сравнению с традиционным болтовым соединением. Кроме того, снижается срок службы анодного устройства из-за постепенного деформирования и наличия высокого переходного электросопротивления, что характерно для разъемного контакта типа стальантимагнитный материал, переходное электросопротивление которого значительно больше, чем, например, наиболее предпочтительного контакта медь-алюминий, а значит это может привести к перегреву контакта и преждевременному выходу из строя всей конструкции.
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция токоподводящего анодного устройства алюминиевого электролизера (пат. РФ №2232831, МПК С25С 3/16, опуб. 20.07.2004 Бюл. №20), в котором штырь выполнен монолитным стальным, а колодка выполнена биметаллической медно-алюминиевой с толщиной медного слоя 1,2-1,5 мм, который соединен с алюминиевым слоем сваркой взрывом по всему радиусу и на участках уклона колодки, где ширина медного слоя составляет не менее 0,6 ширины уклона.
Недостатком данной конструкции является снижение прочности и переходного электросопротивления, связанные с длительным воздействием высоких температур на анодное устройство (согласно ТУ период эксплуатации узла составляет не менее 5 лет), что приводит к развитию диффузионных процессов и образованию на границе соединения алюминий-медь хрупких интерметаллидов, резко снижающих прочность и электропроводность соединения, что является характерным для данной пары металлов, склонной к образованию химических соединений при ее высокотемпературном нагреве. К другим недостаткам данной конструкции следует отнести увеличение стоимости изготовления колодки, связанные с дополнительными расходами дорогостоящей меди и взрывчатого вещества, необходимые для приварки взрывом меди к алюминию на участках уклона колодки, а также не возможность получения высококачественного сварного соединения по всей площади контакта алюминия с медью из-за образования на участках уклона колодки большого количества хрупкого оплавленного металла, что связано с применением в этих традиционно трудносвариваемых криволинейных участках дополнительных инициаторов детонации из отрезков детонирующего шнура, обладающего стабильной скоростью детонации, но сверхвысоким бризантным действием (скорость детонации детонирующего шнура составляет ~ 6500 м/с, а оптимальная скорость детонации при сварке взрывом меди и алюминия должна находиться в диапазоне 1800-2500 м/с).
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении изобретения, - это увеличение прочности и срока службы анодного устройства, а также снижение переходного электросопротивления.
Поставленный технический результат достигается тем, что в анодном устройстве алюминиевого электролизера, содержащем алюминиевую шину, монолитный стальной штырь и соединенную сваркой взрывом медно-алюминиевую колодку, выполненную трехслойной, в которой между алюминиевым и медным слоями установлена антидиффузионная прослойка из азотированной стали толщиной 0,5-0,8 мм, причем все слои соединены между собой по всей цилиндрической площади колодки одновременной сваркой взрывом.
В отличие от прототипа в заявляемом объекте колодка выполнена трехслойной, что позволяет увеличить прочность и срок службы анодного узла за счет введения третьего термостойкого и более прочного (по сравнению с алюминием и медью) материала, способного успешно противостоять длительным по времени эксплуатационным термодеформационным нагрузкам.
Выполнение антидиффузионной прослойки из азотированной стали позволяет повысить термическую прочность и сохранить низкое переходное электросопротивление за счет создания диффузионного барьера в виде азотированного слоя, что не даст в условиях термического воздействия на колодку возможности образования между алюминием и медью хрупких интерметаллидов, резко снижающих прочность и электропроводность композита.
Выполнение антидиффузионной прослойки из азотированной стали толщиной 0,5-0,8 мм позволяет повысить прочность и срок службы анодного узла за счет создания возможности успешно противостоять значительным давлениям от прижимного усилия, необходимого для обеспечения плотного контакта колодки со стальным штырем, не пластичным медно-алюминиевым слоям колодки, а более прочному композиту медь-сталь-алюминий, что позволит исключить возможность деформирования такой усиленной композиционной колодки и тем самым обеспечить постоянство исходных размеров колодки, а значит и постоянство электроконтакта "колодка-штырь" в процессе длительного периода эксплуатации узла. При выполнении толщины прослойки из азотированной стали меньше 0,5 мм происходит снижение прочности соединения вследствие образования сварочных дефектов в виде прожогов и непроваров из-за действия кумулятивного эффекта, что является характерным при сварке взрывом металлов малых толщин. Выполнение толщины прослойки из азотированной стали больше 0,8 мм нецелесообразно экономически из-за повышенного расхода азотированной стали, а также возможности деформирования колодки вследствие увеличения высоты заряда взрывчатого вещества, а, следовательно - и его мощности.
Выполнение соединений всех слоев между собой по всей цилиндрической площади колодки позволяет повысить прочность соединения за счет упрощения формы контактного медного слоя и тем самым исключения его приварки взрывом на трудносвариваемых участках уклона колодки, имеющих большое количество оплавленного металла. Также существенно уменьшатся расходы дорогостоящей меди и взрывчатого вещества (более чем на 20%) за счет исключения медного слоя и взрывчатого вещества, необходимых в случае сварки взрывом на участках уклона колодки.
Выполнение соединений всех слоев колодки одновременной сваркой взрывом позволяет получить высокую прочность и качество сварного соединения за счет отсутствия сварочных дефектов типа прожогов, непроваров, оплавленного металла, так как, например, при последовательной сварки взрывом каждого слоя колодки (за две взрывные операции) возможно образование дефектов типа прожогов, непроваров, хрупких оплавов и др. Кроме этого, одновременная сварка взрывом позволяет уменьшить трудоемкость изготовления и расход взрывчатых материалов (взрывчатого вещества, электродеторов, детонационного провода) за счет применения только одной взрывной операции.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид токоподводящего анодного устройства алюминиевого электролизера, на фиг.2 - то же, вид сверху.
Анодное устройство алюминиевого электролизера состоит из алюминиевой шины 1, стального штыря 2 и трехслойной колодки, состоящей из основного алюминиевого слоя 3, контактного медного слоя 5 и промежуточной антидиффузионной прослойки из азотированной стали 4 толщиной 0,5-0,8 мм, причем все слои соединены между собой по всей цилиндрической площади колодки одновременной сваркой взрывом, при этом колодка прижимается к штырю с помощью накладки 6, шпилек 7 и гаек 8, что позволяет повысить прочность, срок службы анодного устройства и снизить переходное электросопротивление за счет создания диффузионного барьера в виде азотированного слоя, что не даст в условиях термического воздействия на колодку возможности образования между алюминием и медью хрупких интерметаллидов, резко снижающих прочность и электропроводность композита, а также - снизить трудоемкость изготовления и уменьшить расходы дорогостоящей меди и взрывчатого вещества за счет упрощения формы контактного медного слоя.
Работа анодного устройства алюминиевого электролизера происходит следующим образом. От общей электрической цепи ток подается на алюминиевую шину 1, затем ток проходит по трехслойной колодке сначала по основному алюминиевому слою 3, далее через промежуточную антидиффузионную прослойку из азотированной стали 4 и медный слой 5 ток подается на стальной штырь 2, который погружен в анодную массу самообжигающегося анода. В процессе эксплуатации анодного узла колодка постоянно подвергается длительному воздействию механических нагрузок в условиях при высоких температурах. Поэтому к конструкции токоподводящего анодного устройства алюминиевого электролизера предъявляются повышенные требования, заключающиеся в обеспечении высокой прочности, долговечности при минимальном переходном электросопротивлении. Эти требования обеспечиваются тем, что колодка выполнена трехслойной, в которой между алюминиевым и медным слоями устанавливают антидиффузионную прослойку из азотированной стали толщиной 0,5-0,8 мм, причем все слои соединены между собой по всей цилиндрической площади колодки одновременной сваркой взрывом.
Сборка предлагаемой конструкции анодного узла алюминиевого электролизера происходит в следующей последовательности. Сначала осуществляют изготовление одновременной сваркой взрывом трехслойной колодки. Для этого трехслойный пакет собирают таким образом, чтобы антидиффузионная прослойка из азотированной стали находилась между алюминиевым и медным слоями, при этом заряд взрывчатого вещества устанавливают сверху контактного медного слоя. Полученная одновременной сваркой взрывом трехслойная (медь-сталь-алюминий) колодка приваривается сваркой плавлением к алюминиевой шине. Затем осуществляют стыковку трехслойной колодки со стальным штырем непосредственно на алюминиевом электролизере, при этом с целью обеспечения стабильного плотного электроконтакта колодка со стороны медного слоя прижимается к стальному штырю с помощью накладки, шпилек и гаек.
Пример исполнения
Исходными материалами для изготовления токоподводящего анодного устройства были: штырь из стали марки Ст.3 диаметром 120 мм; стандартная колодка из алюминия марки А5 размерами 110×200 мм и радиусом 60 мм; антидиффузионная прослойка из азотированной стали марки Ст.3 толщиной 0,2-1,0 мм; прослойка из меди марки M1 толщиной 1,5 мм; стандартная шина из алюминия марки А5 сечением 35×310 мм.
соед.
2
На первом этапе осуществлялось изготовление одновременной сваркой взрывом трехслойной (медь-сталь-алюминий) колодки. При этом толщина антидиффузионной прослойки из азотированной стали изменялась в пределах от 0,2 до 1,0 мм. Полученные сваркой взрывом композиционные колодки с разной толщиной азотированной стальной прослойки разрезались на образцы для проведения механических испытаний, металлографических и электрофизических исследований. Данные о влиянии толщины антидиффузионной прослойки на прочность, количество оплавов и переходное электросопротивление трехслойной колодки приведены в табл.1. Полученные результаты исследований показали, что оптимальная толщина антидиффузионной прослойки из азотированной стали составляет 0,5-0,8 мм. При такой толщине антидиффузионной прослойки достигается самая высокая прочность соединения (σ=107-108 МПа) и самое низкое переходное электросопротивление (R=8-10 мкОм·мм). При выполнении толщины прослойки из азотированной стали меньше 0,5 мм происходит снижение прочности и повышение переходного электросопротивления вследствие образования сварочных дефектов типа прожогов, непроваров, хрупких оплавов, что является характерным при сварке взрывом металлов малых толщин. Выполнение толщины прослойки из азотированной стали больше 0,8 мм нецелесообразно экономически из-за повышенного расхода азотированной стали, а также возможности деформирования колодки вследствие увеличения высоты заряда взрывчатого вещества, а, следовательно - и его мощности.
Таблица 1
Влияние толщины азотированной стальной прослойки на количество оплавов, прочность соединения и переходное электросопротивление
Толщина азотированной стальной прослойки, мм
Свариваемые материалы
Расход азотированной стальной прослойки, кг
Наличие сварочных дефектов
Количество оплавленного металла, %
Прочность соединения, МПа
Переходное электросопротивление, мкОм×мм<sup>2</sup>
0,2
М1+Ст.3(азот.)+А5
0,028
Прожоги, непровары
48
54
56
0,3
М1+Ст.3(азот.)+А5
0,042
Прожоги, непровары
27
68
37
0,4
М1+Ст.3(азот.)+А5
0,056
Локальные прожоги
14
88
21
0,5
М1+Ст.3(азот.)+А5
0,070
нет
6
107
10
0,6
М1+Ст.3(азот.)+А5
0,084
нет
5
108
8
0,7
М1+Ст.3(азот.)+А5
0,098
нет
5
108
8
0,8
М1+Ст.3(азот.)+А5
0,112
нет
5
108
8
0,9
М1+Ст.3(азот.)+А5
0.126
нет
6
107
10
1,0
М1+Ст.3(азот.)+А5
0,140
нет
5
108
8
Таблица 2
Сравнительные данные термомеханических испытаний и электрофизических исследований анодных устройств различной конструкции
Контролируемый объект
Свариваемые материалы
Толщины свариваемых материалов, мм
Расход материалов, кг
Свойства колодки после сварки взрывом
Свойства колодки после сварки взрывом и термообработки (Т=300°С, t=3 ч)
медь
сталь азотированная
взрывчатое вещество
Количество оплавленного металла, %
Прочность соединения,МПа
Переходное электросопротивление мкОм×мм<sup>2</sup>
Количество опла-вов и ин-терметал-лидов, %
Прочность соединения, МПа
Переходное электросопротивление мкOм×мм<sup>2</sup>
Предлагаемый
М1+Ст.3азот.+А5
1,5+0,6+80
0,240
0,084
0,180
5
108
8
7
106
12
Прототип (Патент РФ №2232831)
М1+А5
1,5+80
0,294
-
0,220
11
92
17
100 (сплошная прослойка)
46
104
Сравнительные данные термомеханических испытаний и электрофизических исследований разных конструкций анодного устройства приведены в табл.2. Полученные результаты исследований показали, что предлагаемая конструкция анодного устройства по сравнению с прототипом имеет более высокую прочность и долговечность при минимальном переходном электросопротивлении.