Анодный штырь алюминиевого электролизера

Полезная модель относится к цветной металлургии и предназначается для использования в токоподводящем анодном устройстве алюминиевого электролизера.
Известна конструкция сталеалюминиевого анодного штыря алюминиевого электролизера (патент РФ №2059740, МПК С25С 3/12, опуб. 20.06.2000 г. БИ №17), содержащая стальной стержень с цилиндрическими отверстиями, в которых выполнены кольцевые уступы, и алюминиевую штангу, имеющую цилиндрические выступы с внутренними коническими полостями длиной, превышающей диаметр стального стержня.
Недостатком данной конструкции является снижение прочности из-за неплотного контакта стального стержня с алюминиевой штангой вследствие отсутствия между ними прочной надежной металлической связи, а лишь наличия соединения в виде запрессовки, которое в процессе эксплуатации расшатывается и теряет свою жесткость и плотность по причине частого снятия и установки анодного штыря на электролизер для плановой коррозионной обработки. Кроме этого, в данной конструкции происходят значительные потери электроэнергии вследствие высокого перепада напряжения в контакте стержень-штанга из-за эксплуатации узла в условиях высоких температур и агрессивной среды и постепенного образования в этой зоне дефектов в виде хрупких интерметаллидов, неоднородностей, пустот, что приводит к резкому снижению электропроводности данного контакта.
Известна конструкция анодного штыря алюминиевого электролизера (патент РФ №35115, МПК С25С 3/12, опуб. 27.12.2003 г. БИ №36), содержащая алюминиевую штангу и составной металлический стержень, в котором верхняя часть выполнена из алюминия, а нижняя из стали, и обе части связаны между собой сваркой взрывом через биметаллический сталеалюминиевый переходник с выступами и впадинами в виде «ласточкина хвоста».
Недостатком данной конструкции является снижение прочности из-за образования хрупких интерметаллидов и ненадежного соединения сталеалюминиевого переходника за счет выступов типа «ласточкин хвост», которое при длительной эксплуатации в условиях высоких температур резко теряет свою термическую прочность и может привести к разрушению всей конструкции токоподвода вследствие образования на границе алюминий-сталь сплошной хрупкой интерметаллидной прослойки. Кроме этого, в данной конструкции происходят значительные потери электроэнергии вследствие высокого перепада напряжения на границе соединения сталеалюминиевого переходника, что связано с образованием в этой зоне хрупких интерметаллидов, имеющих высокое электросопротивление.
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция анодного штыря алюминиевого электролизера (патент РФ №2170289, МПК С25С 3/12, опуб. 10.07.2001 г. БИ №19), содержащая алюминиевую штангу, стальной стержень и вставку из композитного материала сталь + алюминий + алюминий с соотношением слоев 1:(0,1-0,2):1 с двумя запрессованными на всю толщину прутками, которая установлена между штангой и стержнем и соединена с ними по всему периметру сваркой плавлением с катетом не более 0,24 от ее толщины.
К недостаткам данной конструкции следует отнести низкую термическую прочность и существенный рост перепада напряжения, связанные с длительным воздействием высоких температур на анодный штырь (согласно ТУ период эксплуатации токоподводящего анодного узла составляет не менее 5 лет), что приводит к развитию диффузионных процессов и образованию на границе соединения алюминий-сталь хрупких интерметаллидов, резко снижающих прочность и электропроводность контакта, что является характерным для данной пары разнородных металлов, склонной к образованию химических соединений при ее высокотемпературном нагреве. Кроме этого, запрессованные в композитной вставке стальные прутки снижают ее термическую и коррозионную стойкость из-за нарушения целостности границ соединения, и как следствие, образования в этих местах нежелательных дефектов в виде рыхлостей, пустот, инородных включений и др.
В связи с этим актуальной задачей полезной модели является разработка конструкции анодного штыря алюминиевого электролизера, позволяющей повысить ее термическую прочность в условиях длительной эксплуатации при высоких температурах.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении предлагаемой полезной модели, - это повышение надежности и долговечности анодного штыря при эксплуатации, увеличение прочности композитной вставки и снижение перепада напряжения в контакте штанга-штырь.
Поставленный технический результат достигается тем, что в анодном штыре алюминиевого электролизера, содержащем алюминиевую штангу, стальной стержень и вставку из композиционного материала сталь + алюминий + алюминий с соотношением слоев 1:(0,1-0,2):1, установленную между штангой и стержнем и соединенную с ними по всему периметру сваркой плавлением с катетом не более 0,24 от толщины вставки, между алюминиевым и стальным слоями выполнен диффузионный барьер из прослойки хрома толщиной (0,03-0,07) мм, а на обоих торцах композитной вставки установлены стальные пластины, приваренные к алюминиевой штанге и стальному стержню сваркой плавлением.
Выполнение между алюминиевым и стальным слоями композитной вставки-диффузионного барьера из прослойки хрома толщиной (0,03-0,07) мм позволяет повысить надежность и долговечность анодного штыря благодаря повышению термической прочности композитной вставки и приостановки роста перепада напряжения в контакте штанга-штырь за счет создания защитного слоя из тонкой прослойки хрома, что в условиях длительного термического воздействия на анодный штырь позволит исключить возможность образования между алюминием и сталью хрупких интерметаллидов, резко снижающих прочность и электропроводность композитной вставки.
Выполнение диффузионного барьера из прослойки хрома толщиной (0,03-0,07) мм позволяет повысить термическую прочность и сохранить стабильным перепад напряжения за счет создания оптимальной толщины антидиффузионного слоя хрома, что не даст возможности образования на границе алюминия со сталью хрупкой интерметаллидной прослойки, имеющей высокое переходное электросопротивление. При выполнении прослойки хрома толщиной меньше 0,03 мм происходит снижение термической прочности композитной вставки и увеличение потерь электроэнергии из-за отсутствия защитного диффузионного барьера, т.к. такой очень тонкий слой хрома легко выносится из зоны соединения за счет кумулятивного эффекта в процессе изготовления композитной вставки с помощью сварки взрывом. При выполнении прослойки хрома толщиной более 0,07 мм в результате высокоскоростного соударения металлов в процессе сварки взрывом в ней появляются трещины, снижающие прочность и электрофизические свойства композитной вставки вследствие достаточно низкой пластичности хрома и отсутствия эффекта контактного упрочнения, который проявляется при малых значения толщины промежуточной прослойки.
Выполнение на обоих торцах композитной вставки стальных пластин, приваренных к алюминиевой штанге и стальному стержню сваркой плавлением позволяет повысить надежность и долговечность анодного штыря за счет исключения возможности отсоединения (отрыва) стального стержня от алюминиевой штанги, что может произойти в результате нештатной ситуации (резкой электро-перегрузки в токоподводящих контактах) или из-за нарушения требований ТУ по эксплуатации анодного узла. Кроме этого, стальные пластины обеспечат защиту торцевых участков композитной вставки от воздействия высокотемпературной и агрессивной среды электролизной ванны.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид анодного штыря алюминиевого электролизера; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - микроструктура границы соединения алюминия со сталью композитной вставки с диффузионным барьером из прослойки хрома после нагрева 500°С и выдержки 10 часов, полученной по предлагаемой полезной модели; на фиг. 4 - микроструктура границы соединения алюминия со сталью композитной вставки без диффузионного барьера после нагрева 500°С и выдержки 10 часов, полученной по прототипу.
Анодный штырь алюминиевого электролизера состоит из алюминиевой штанги 1, стального стержня 2, композитной вставки, включающей толстый алюминиевый слой 3, тонкий алюминиевый слой 4, диффузионный барьер из тонкой прослойки хрома 5 толщиной (0,03-0,07) мм и стальной слой 6. Композитная вставка установлена между штангой 1 и стержнем 2 и соединена с ними по всему периметру сваркой плавлением с катетом не более 0,24 от своей толщины. На обоих торцах композитной вставки установлены стальные пластины 7, приваренные швами 8 к алюминиевой штанге 1 и стальному стержню 2 сваркой плавлением.
Работа анодного штыря алюминиевого электролизера происходит следующим образом. От общей электрической цепи ток подается на алюминиевую штангу 1, далее ток проходит по композитной вставке, состоящей из толстого алюминиевого слоя 3, тонкого алюминиевого слоя 4, диффузионного барьера из тонкой прослойки хрома 5, стального слоя 6, стальным пластинам 7, и подается на стальной стержень 2, который погружен в анодную массу самообжигающегося анода. В процессе эксплуатации анодного штыря его рабочие токоведущие части постоянно подвергаются воздействию повышенных температур и агрессивной среды, а также воздействию срезающих и изгибающих напряжений. Поэтому к работе анодного штыря предъявляются высокие требования при его эксплуатации. Эти требования обеспечиваются выполнением между алюминиевым и стальным слоями диффузионного барьера из прослойки хрома толщиной (0,03-0,07) мм, а на обоих торцах композитной вставки установлены стальные пластины, приваренные к алюминиевой штанге и стальному стержню сваркой плавлением.
Сборка предлагаемой конструкции анодного штыря алюминиевого электролизера происходит в следующей последовательности. На первом этапе осуществляется изготовление композитной вставки. Для этого исходный стальной лист предварительно хромируют до получения по всей поверхности прослойки толщиной 0,03-0,07 мм. Затем с помощью сварки взрывом получают композитную вставку сталь + хром + алюминий + алюминий. На втором этапе осуществляют соединение полученной на первом этапе композитной вставки с алюминиевой штангой и стальным стержнем. При этом на обоих торцах композитной вставки устанавливают стальные пластины, которые также приваривают к штанге и стержню сваркой плавлением.
Пример.
Исходными материалами для изготовления композитной вставки были: пластина из стали марки Ст3 толщиной 20 мм, основная пластина из алюминия марки А5 толщиной 20 мм и тонкая промежуточная алюминиевая пластина марки А5 толщиной прослойки 2 мм. Материалом штанги была стандартная алюминиевая шина сечением 100×100 мм, материалом стержня был стальной сердечник диаметром 140 мм.
Предварительно (до изготовления композитной вставки сваркой взрывом) в заводских условиях осуществлялось хромирование стальных пластин методом гальваники до получения по всей поверхности равномерного слоя хрома с различной толщиной от 0,01 мм до 0,10 мм. Затем на первом этапе с помощью сварки взрывом изготавливали композитную вставку сталь + хром + алюминий + алюминий по предлагаемой полезной модели, а также для сравнения - композитную вставку сталь + алюминий + алюминий по прототипу. Полученные сваркой взрывом композитные вставки разных конструкций (с диффузионным барьером и без него) разрезались на образцы для проведения термомеханических испытаний, металлографических и электрофизических исследований. Данные о влиянии толщины прослойки хрома на свойства композитной вставки приведены в таблице 1 и на фиг. 3 и 4.
2
2
Результаты проведенных исследований показали, что оптимальная толщина диффузионного барьера из прослойки хрома составляет 0,03-0,07 мм. При такой толщине прослойки хрома прочность соединения после сварки взрывом и последующей термообработки самая высокая (105-106) МПа, а переходное электросопротивление самое низкое (23-24) мкОм⋅мм, что достигается за счет отсутствия дефектов в виде хрупких интерметаллидов и трещин (см. табл. 1 и фиг. 3). Сравнительные результаты исследований показали, что у образца композитной вставки (без диффузионного барьера), выполненной по прототипу, прочность соединения низкая (56 МПа), а переходное электросопротивление значительно выше 38 мкОм⋅мм из-за образования на границе соединения алюминия со сталью хрупких интерметаллидов в результате термического воздействия (см. табл. 1 и фиг. 4).
На заключительном этапе опытно-промышленный анодный штырь предлагаемой конструкции был установлен на действующий электролизер ОАО «ВГА3-СУАЛ» (Волгоградский алюминиевый завод) для проведения эксплуатационных испытаний в течение 6-ти месяцев. Сравнительные данные эксплуатационных испытаний анодных штырей разной конструкции (предлагаемого и прототипа) приведены в табл. 2.
Результаты эксплуатационных испытаний показали, что предлагаемая конструкция анодного штыря по сравнению с прототипом имеет повышенную надежность и стабильно низкое значение перепада напряжения за счет отсутствия возможности образования на границе соединения алюминия со сталью хрупких интерметаллидов, снижающих прочность и электропроводность в зоне токоподводящего контакта. Так, анодный штырь алюминиевого электролизера, полученный по предлагаемой полезной модели имеет низкое стабильное значение перепада напряжения (ΔU=5,5 mV) и отсутствие дефектов в зоне соединения, в то время как анодный штырь, полученный по прототипу, имеет более высокое значение перепада напряжения (ΔU=6,4 mV) и дефекты в виде хрупких интерметаллидов (см. табл. 2).
Таким образом, анодный штырь алюминиевого электролизера, содержащий алюминиевую штангу, стальной стержень и вставку из композиционного материала сталь + хром + алюминий + алюминий с указанным соотношением и толщиной слоев, установленную между штангой и стержнем и соединенную с ними по всему периметру сваркой плавлением с катетом не более 0,24 от толщины вставки и приваренными к алюминиевой штанге и стальному стержню сваркой плавлением стальными пластинами, установленными на обоих торцах композитной вставки, обладает повышенной надежностью и долговечностью при эксплуатации, а также увеличенной прочностью композитной вставки и снижением перепада напряжения в контакте штанга-штырь.