КОНТАКТНОЕ СОЕДИНЕНИЕ УЗЛА ТОКОПОДВОДА К КАТОДНОЙ СЕКЦИИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для обеспечения работы электролизеров по производству каустической соды, а именно для соединения токоподводящей шины с катодной секцией электролизера.
Известно контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера (патент №2318926, МПК С25С 3/16, опубл. 2008 г.), которое содержит токоподводящую шину, выполненную в виде набора гибких полос с закрепленным на конце медно-алюминиевым наконечником. Наконечник жестко соединен с катодным стержнем катодной секции электролизера крепежными элементами. На контактирующую поверхность наконечника нанесено покрытие из металла или металлического сплава, обладающее высокой стойкостью к коррозии на воздухе при повышенных температурах, выбранных из группы: никель, латунь, хромистая бронза, нержавеющая сталь. Контактная поверхность катодного стержня механически обработана.
Недостатками данного технического решения является крепление наконечника к катодной секции электролизера крепежными элементами, что приводит к их неполному контакту и ведет к увеличению потерь электроэнергии на данном участке и уменьшению срока службы и надежности работы из-за электрокоррозии. Нанесение покрытия на контактирующую поверхность наконечника из дорогостоящих материалов является экономически необоснованным и усложняет технологический процесс.
Известно контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера (патент №2220229, МПК С25С 3/16, опубл. 2003 г.), содержащее алюминиевую токоведущую шину, выполненную в виде набора гибких алюминиевых полос, соединенную с блюмсом катодной секции электролизера болтовым соединением через переходный элемент, новым является то, что переходный элемент выполнен из триметалла медь-сталь-алюминий, при этом медный слой переходного элемента контактирует с поверхностью блюмса катодной секции электролизера, к алюминиевому слою переходного элемента присоединен набор гибких алюминиевых полос токоведущей шины, а прижимные поверхности болтового соединения контактируют со стальным слоем переходного элемента. Переходный элемент изготовлен сваркой взрывом. Медный и алюминиевый слои переходного элемента расположены на противоположных сторонах стального слоя, причем алюминиевый слой занимает часть поверхности стального слоя. Или медный и алюминиевый слои расположены на взаимно перпендикулярных сторонах стального слоя.
Недостатками данного технического решения является использование в качестве переходного элемента триметалла медь-сталь-алюминий, при использовании которого не происходит непосредственного контакта между медью и алюминием. Использование крепления переходного элемента к блюмсу катодной секции электролизера с помощью болтового соединения приводит к электрокоррозии, а следовательно, к уменьшению надежности, срока службы и увеличению потерь электроэнергии контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера.
Известно контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера (патент №2085624, МПК С25С 3/16, опубл. 1997 г.), состоящее из токопроводящей шины, выполненной в виде пакета алюминиевых полос, соединенных со стальным блюмсом через приваренный наконечник, выполненный в виде биметаллической медно-алюминиевой пластины, соединенной со стальным блюмсом катодной секции электролизера болтовым соединением таким образом, что медный слой контактирует с предварительно плакированной медью концевой частью блюмса. Поперечное сечение наконечника равно сечению алюминиевой шины, причем отношение суммарной толщины слоев меди на блюмсе и биметаллическом медно-алюминиевом наконечнике к толщине алюминиевой шины равно 0,01-0,2.
Недостатками данного технического решения является расположение границы алюминий-медь медно-алюминиевого переходного элемента в непосредственной близости от источника тепла (стального блюмса), в результате чего в период выхода электролизера на рабочий режим (~12…14 дней) указанная граница нагревается до температур 200…250°С, что приводит к образованию на ней интерметаллидой прослойки, которая существенно снижает проводимость узла в целом. Это ведет к увеличению потерь электроэнергии и уменьшению срока службы и надежности работы контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера.
Наиболее близким к изобретению является контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера (патент №2165483, МПК С25С 3/16, опубл. 2001 г.), содержащее алюминиевую токоподводящую шину, выполненную в виде набора гибких алюминиевых полос, соединенную с катодной секцией электролизера через наконечник, соединенный со стальным блюмсом катодной секции электролизера болтовым соединением. Наконечник выполнен из медной и алюминиевой пластин, соединенных между собой внахлест сваркой взрывом и образующих переходный элемент с площадью контакта на 10-20% больше площади поперечного сечения алюминиевой токоподводящей шины. При этом переходный элемент расположен от торца стального блюмса на расстоянии не менее 5-6 толщин медной пластины, а площадь сечения медной пластины наконечника составляет 65-70% от площади поперечного сечения алюминиевой токоподводящей шины.
Недостатками данного технического решения является применение болтового соединения для крепления наконечника со стальным блюмсом катодной секции электролизера, которое приводит к ухудшению электрического контакта в месте соединения, вследствие чего происходит электрокоррозия, которая уменьшает надежность и срок службы узла токоподвода, а также увеличивает потери электроэнергии.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении полезной модели - увеличение срока службы и надежности работы контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера, снижение потерь электроэнергии при длительном сроке его эксплуатации.
Поставленный технический результат достигается тем, что контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера содержит алюминиевую токоподводящую шину, соединенную с катодной секцией электролизера через переходный элемент, алюминиевая токоподводящая шина выполнена монолитной и соединена сваркой плавлением с катодной секцией электролизера, которая выполнена в виде набора гибких медных пластин, а переходный элемент представляет собой два сопряженных трехслойных медно-алюминиевых композиционных материала, каждый из которых состоит из медной пластины, которая на расстоянии не менее 1/3 своей длины соединена сваркой взрывом симметрично с двух сторон с алюминиевыми пластинами, причем толщина каждой алюминиевой пластины кратна толщине алюминиевой токоподводящей шине и составляет 8-14 мм, а толщина каждой медной пластины кратна толщине набора гибких медных пластин.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера, на фиг.2 изображены трехслойные медно-алюминиевые композиционные материалы контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера. На фиг.3 представлена температурно-временная зависимость появления интерметаллидов в системе медь-алюминий, на фиг.4 представлена фотография полученных трехслойных медно-алюминиевых композиционных материалов, а на фиг.5 показана зона соединения медь-алюминий композиционного материала.
1
2
Контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера (фиг.1) состоит из токоподводящей алюминиевой шины 1, соединенной с катодной секцией 2 электролизера, выполненной в виде набора гибких медных пластин, сварными швами 3 и 4, полученными сваркой плавлением, через переходный элемент 5, который представляет собой два сопряженных трехслойных медно-алюминиевых композиционных материала (фиг.2), каждый из которых состоит из медной пластины 6, которая на расстоянии не менее 1/3 своей длины соединена сваркой взрывом симметрично с двух сторон с алюминиевыми пластинами 7, причем толщина каждой алюминиевой пластины 7 кратна толщине алюминиевой токоподводящей шины 1 и составляет 8-14 мм, а толщина каждой медной пластины 6 кратна толщине набора гибких медных пластин катодной секции 2 электролизера, а их свободная длина l и l соответствует расстоянию, на котором температура контактных участков в процессе сварки плавлением не будет превышать 120-150°C, что позволяет повысить прочность, надежность и долговечность контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера.
Контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера работает следующим образом. Рабочий ток идет из сети по токоподводящей алюминиевой шине 1 через сварной шов 3, полученный сваркой плавлением, в переходный элемент 5, а именно на алюминиевые пластины 7, затем через зону соединения алюминий-медь, полученную сваркой взрывом, идет в медные пластины 6. Затем через сварной шов 4, полученный сваркой плавлением, идет на катодную секцию 2 электролизера и далее в ванну электролизера. В процессе эксплуатации контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера значительная часть потерь электроэнергии происходит в переходном элементе 5, соединяющем алюминиевую шину 1 с набором гибких медных пластин катодной секции 2 электролизера. Поэтому к качеству соединения алюминиевых пластин 7 с медными пластинами 6 предъявляют повышенное требование, заключающееся в обеспечении надежности работы данного контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера, а также в повышении его срока службы. Эти требования обеспечиваются тем, что переходный элемент 5 представляет собой два сопряженных трехслойных медно-алюминиевых композиционных материала, каждый из которых состоит из медной пластины 6, которая на расстоянии не менее 1/3 своей длины соединена сваркой взрывом симметрично с двух сторон с алюминиевыми пластинами 7, причем толщина каждой алюминиевой пластины 7 кратна толщине алюминиевой токоподводящей шины 1 и составляет 8-14 мм, а толщина каждой медной пластины 6 кратна толщине набора гибких медных пластин катодной секции 2 электролизера.
Сборка предлагаемой конструкции контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера происходит в следующей последовательности. На первом этапе осуществляется изготовление одновременной двусторонней симметричной сваркой взрывом переходного элемента 5, состоящего из двух сопряженных трехслойных медно-алюминиевых композиционных материалов, контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера, представленных на фиг.2. Затем производят термообработку и правку полученных заготовок. На втором этапе осуществляют сборку и сварку плавлением с получением сварных швов 3 и 4 (например, дуговая сварка угольным электродом) полученных частей переходного элемента 5 с алюминиевой шиной 1 и катодной секцией 2 электролизера.
Пример исполнения. Были получены трехслойные медно-алюминиевые композиционные материалы контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера размерами 350×300 мм, имеющие толщину медного, с одной стороны, и алюминиевого, с другой, выходов 20 мм и 32 мм соответственно, длина плакированной части в каждом из переходных элементов равна 100 мм, в которых в качестве плакирующих пластин использовался алюминий марки АД0, размерами 300×300 мм, толщиной 8 мм, в качестве плакируемых пластин использовались медные пластины марки M1 размерами 300×250 мм и толщиной 10 мм.
На первом этапе осуществляли сборку пакета и сварку взрывом по схеме одновременной двусторонней симметричной сварки взрывом. При этом толщина алюминиевой пластины менялась от 4 до 16 мм. Полученные сваркой взрывом медно-алюминиевые композиты с разной толщиной алюминиевого слоя разрезались на образцы для проведения механических испытаний, металлографических и электрофизических исследований. Данные о влиянии толщины алюминиевой основы на прочность соединения и количества оплавов при одновременной двусторонней симметричной сварке взрывом приведены в таблице 1.
Влияние толщины алюминиевой основы на прочность соединения, количество оплавов и угол загиба.
Таблица 1
Толщина алюминиевой пластины, мм
Длина волны λ, мм
Амплитуда 2a, мм
Прочность соединения, σ<sub>в,</sub>, МПа
Количество оплавов К, %
Угол загиба α при постоянной нагрузке 2500 кН, град
4
1,8
0,8
56
88
165
6
0,8
0,5
74
32
155
8
0,2
0,1
100
0
120
10
0,17
0,1
98
0
90
12
0,17
0,11
101
0
70
14
0,17
0,1
100
0
45
16
0,17
0,1
100
0
30
Полученные результаты исследований показали, что при использовании схемы одновременной двусторонней симметричной сварки взрывом, с толщиной алюминиевой основы менее 8 мм на границах получаемого трехслойного соединения происходит существенный рост параметров волнового профиля и количества оплавленного металла, что при сварке разнородных металлов ведет к снижению прочностных характеристик получаемого композита и увеличению переходного электросопротивления. Если же использовать алюминиевые пластины толщиной от 8 до 14 мм, то на границе получаемого трехслойного соединения наблюдаются стабильные размеры параметров волнового профиля и отсутствие оплавленного металла, что позволяет получить прочное соединение с удовлетворяющим требования электросопротивлением. Применение алюминиевых пластин толщиной более 14 мм является технологически невыгодным, так как небольшой угол загиба при постоянной нагрузке.
1
2
-13
2
На втором этапе осуществляли правку трехслойных медно-алюминиевых композиционных материалов, сборку и дуговую сварку плавлением их с алюминиевой и медной шинами. На первом этапе свариваемые пластины изготавливались определенного размера с условием, чтобы длина l и lкрайних медных пластин 6 и алюминиевых пластин 7 соответствовала расстоянию, на котором температура контактных участков в процессе сварки плавлением не будет превышать 120-150°C. Это обусловлено тем, что в результате сварки плавлением под воздействием высоких температур в зоне соединения меди с алюминием согласно фиг.3, образуются интерметаллидные соединения, снижающие как прочностные, так и электрофизические свойства композита. А также согласно данным [Воропай Н.М., Шиняев А.Я. Влияние нагрева на диффузионные процессы и свойства биметаллических соединений алюминия с медью // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1967. - №12. - С.55-57] при такой температуре, величина коэффициента взаимной диффузии не превысит значения D=10 см/сек, при котором за время сварки не происходит образование диффузионной зоны.
1
2
Т.е. минимальная длина крайних l и l медных 6 и алюминиевых 7 пластин при соединении их дуговой сваркой неплавящимся электродом, должна быть:
,
3
3
l
где: 2·l - длина зоны термического влияния; q - эффективная мощность источника теплоты (q=I·U·η); ν - скорость сварки; с·ρ - объемная теплоемкость (для алюминия с·ρ=2,7 Дж/cм·гpaд, для меди с·ρ=3,9 Дж/см·град); δ - толщина пластины; T - температура на границе зоны термического влияния.
Cu
Дуговая сварка неплавящимся электродом встык медных пластин 6 с медной шиной 2 (δ=20 мм) выполняется при токе I=700-800 А, напряжении дуги U=25-30 В и скорости сварки V=0,3 см/сек, η=0,58.
Al
Дуговая сварка неплавящимся электродом встык алюминиевых пластин 7 с алюминиевой шиной 1 (δ=32 мм) выполняется при токе I=1000-1100 А, напряжении дуги U=25-30 В и скорости сварки V=0,25 см/сек, η=0,61.
Подставив в формулу значения коэффициентов и параметры режимов сварки, определили ширину зоны, нагревающейся до температуры Т≥150°C:
для меди: 2·l=22 см
для алюминия: 2·l=33 см
Таким образом, минимальная длина крайних медных пластин 6:
1
l=f(d)+220 мм.
А минимальная длина крайних алюминиевых пластин 7:
2
l=f(d)+330 мм.
Такая длина крайних медных 6 и алюминиевых 7 пластин соответствует расстоянию, на котором температура контактных участков в процессе сварки плавлением не превышает 120-150°C.
При выполнении крайних медных 6 и алюминиевых 7 пластин длиной меньше чем f(d)+220 мм и f(d)+330 мм соответственно, в зоне соединения меди с алюминием в контактных участках будут образовываться интерметаллидные соединения, снижающие как прочностные, так и электрофизические свойства композита.
При осуществлении полезной модели техническим результатом является увеличение срока службы и надежности работы контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера, а также снижение потерь электроэнергии при длительном сроке его эксплуатации.