АНОДНОЕ УСТРОЙСТВО АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЁРА

Полезная модель относится к цветной металлургии и предназначается для использования в токоподводящем анодном устройстве алюминиевого электролизера.
Известна конструкция токоподводящего анодного устройства алюминиевого электролизера (патент РФ №2153028, МПК С25С 3/16, опуб. 20.07.2000), содержащее анодную штангу с ошиновкой и контактный зажим с силовыми кронштейнами, в котором колодка и прижимной рычаг выполнены из антимагнитного материала.
Недостатком данной конструкции является высокий перепад напряжения из-за отсутствия плотного и надежного контакта анодной штанги с ошиновкой, так как рычаг и колодка выполнены из антимагнитного материала, имеющего малую прочность, что не позволяет создавать необходимых для хорошего контакта больших прижимных усилий и обеспечивает лишь поверхностный менее плотный контакт по сравнению с традиционным болтовым соединением из прочных стальных материалов. При увеличении усилия прижатия с целью создания более плотного контакта наблюдается недопустимая деформация рычага и колодки, что приводит к преждевременному выходу из строя всей конструкции анодного узла.
Известна конструкция токоподводящего устройства алюминиевого электролизера с обожженными анодами (полезная модель к патенту РФ №170206, МПК С25С 3/16, опуб. 18.04.2017), содержащее силовой и упорный кронштейны, подпружиненную колодку и опорную площадку, в котором между колодкой и опорной площадкой размещен электроизоляционный слой.
Недостатком данной конструкции является высокий перепад напряжения из-за уменьшения усилия прижатия анодной штанги к ошиновке с целью исключения подклинивания зажима вследствие вдавливания более твердой опорной площадки в более мягкую алюминиевую штангу. Кроме этого, по мере увеличения срока эксплуатации контактного узла происходит деформация и разрушение электроизоляционного слоя, выполненного из хрупких мало пластичных материалов (пластика, слоя лака или краски), вследствие чего электрический ток идет по деталям контактного зажима, имеющих большое омическое сопротивление, что приводит к перегреву и преждевременному выходу из строя всей конструкции анодного узла.
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция токоподводящего анодного устройства алюминиевого электролизера (полезная модель к патенту РФ №84386, МПК С25С 3/16, опуб. 10.07.2009), содержащее алюминиевую шину, монолитный стальной штырь и соединенную сваркой взрывом медно-алюминиевую колодку, при этом колодка выполнена 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.
Недостатком данной конструкции являются потери электроэнергии, связанные с уменьшением площади электроконтакта колодки со стальным штырем вследствие деформирования боковых участков колодки в условиях эксплуатации при высоких температурах из-за невозможности алюминиевой колодки, имеющей высокую пластичность и низкую прочность, противостоять воздействию значительных и длительных по времени прижимных усилий.
В связи с этим актуальной задачей полезной модели является разработка такой конструкции токоподводящего устройства, позволяющей исключить возможность деформации колодки от воздействия механических нагрузок в условиях эксплуатации при высоких температурах и уменьшить перепад напряжения.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении предлагаемой полезной модели, - это исключение возможности деформации колодки и снижение перепада напряжения.
Поставленный технический результат достигается тем, что в анодном устройстве алюминиевого электролизера, содержащем алюминиевую шину, монолитный стальной штырь и соединенную сваркой взрывом медно-алюминиевую колодку, при этом колодка выполнена 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, а к боковым сторонам алюминиевого слоя колодки по всей площади контакта приварены взрывом упрочняющие элементы, выполненные в виде стальных пластин толщиной 3-4 мм.
В отличие от прототипа в заявляемой полезной модели к боковым сторонам алюминиевого слоя колодки по всей площади контакта приварены взрывом упрочняющие элементы, выполненные в виде стальных пластин толщиной 3-4 мм.
Выполнение к боковым сторонам алюминиевого слоя колодки приваренных упрочняющих элементов позволяет исключить возможность деформации колодки от воздействия механических нагрузок в условиях работы при высоких температурах и тем самым сохранить ее исходные размеры, площадь электроконтакта «колодка-штырь», а, следовательно, и обеспечить стабильно низкое значение перепада напряжения в течение длительного периода эксплуатации.
Выполнение стальных пластин толщиной 3-4 мм позволяет исключить возможность деформирования боковых участков алюминиевой колодки в условиях воздействия механических нагрузок при высоких температурах эксплуатации за счет введения на этих ослабленных участках материала (стали), обладающего более высокой прочного и жесткостью по сравнению с алюминием. При выполнении толщины стальной пластины меньше 3 мм в результате воздействия значительных прижимных усилий и недостаточной жесткости стальной пластины наблюдается деформация (раздача) боковых участков колодки в виде выпуклости, что приводит к снижению площади электроконтакта «колодка-штырь», увеличению значений перепада напряжения, а, следовательно, и повышенному расходу электроэнергии. Выполнение толщины стальной пластины больше 4 мм нецелесообразно экономически из-за увеличения веса и повышенного расхода материала (стальных пластин), а также возможности деформирования колодки вследствие увеличения высоты и мощности заряда взрывчатого вещества, что необходимо при увеличении толщины свариваемых деталей.
Выполнение по всей площади контакта приварки взрывом упрочняющих элементов из стальных пластин позволяет получить качественное и прочное сварное соединение по всей площади контакта «колодка-стальная пластина» за счет исключения возможности образования хрупких интерметаллидов, что является характерным при других способах сварки алюминия со сталью, требующих продолжительного нагрева свариваемых деталей (например, сварка плавлением, сварка давлением и др.).
Сущность полезной модели 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, монолитного стального штыря 2 и трехслойной колодки, состоящей из основного алюминиевого слоя 3, промежуточной антидиффузионной прослойки 4 из азотированной стали и контактного медного слоя 5, причем все слои соединены между собой по всей цилиндрической площади колодки одновременной сваркой взрывом, при этом к боковым сторонам алюминиевого слоя колодки по всей площади контакта приварены взрывом упрочняющие элементы 6, выполненные в виде стальных пластин толщиной 3-4 мм, что позволяет исключить возможность деформации колодки от воздействия механических нагрузок в условиях эксплуатации при высоких температурах и уменьшить перепад напряжения. Для обеспечения плотного электроконтакта колодка прижимается к штырю с помощью накладки 7, шпилек 8 и гаек 9.
К
Работа анодного устройства алюминиевого электролизера происходит следующим образом (рис. 1, 2). 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 4 из азотированной стали и медный слой 5 ток подается на стальной штырь 2, который погружен в анодную массу самообжигающегося анода. В процессе эксплуатации анодного узла для обеспечения плотного электроконтакта колодка постоянно подвергается длительному воздействию значительных прижимных усилий в условиях работы при высоких температурах. Поэтому к конструкции токоподводящего анодного устройства алюминиевого электролизера предъявляются повышенные требования, заключающиеся в исключении возможности деформирования колодки и сохранности ее исходных размеров (прежде всего радиуса R, см. рис. 2), площади электроконтакта «колодка-штырь», что позволит обеспечить стабильно низкое значение перепада напряжения в течение длительного периода эксплуатации. Эти требования обеспечиваются тем, что к боковым сторонам алюминиевого слоя колодки приварены упрочняющие элементы, выполненные в виде стальных пластин толщиной 3-4 мм, соединенные по всей площади алюминиевого слоя колодки сваркой взрывом.
К
Сборка предлагаемой конструкции анодного узла алюминиевого электролизера происходит в следующей последовательности (рис. 1, 2). Сначала осуществляют приварку одновременной сваркой взрывом к алюминиевой колодке 3 антидиффузионной прослойки 4 из азотированной стали и медного контактного слоя 5. Затем также сваркой взрывом к боковым сторонам алюминиевого слоя колодки приваривают взрывом упрочняющие элементы 6, выполненные в виде стальных пластин. Полученная сваркой взрывом композиционная колодка приваривается сваркой плавлением к стандартной алюминиевой шине 1. На последнем этапе осуществляют стыковку композиционной колодки со стальным штырем 2 непосредственно на алюминиевом электролизере, при этом с целью обеспечения стабильного плотного электроконтакта композиционная колодка со стороны медного слоя с радиусом R прижимается к стальному штырю с помощью накладки 7, шпилек 8 и гаек 9.
ПРИМЕР ИСПОЛНЕНИЯ
K
Исходными материалами для изготовления токоподводящего анодного устройства были: штырь из стали марки Ст3 диаметром 120 мм; стандартная колодка из алюминия марки А5 размерами 110×200 мм и радиусом R=60 мм; антидиффузионная прослойка из азотированной стали марки Ст3 толщиной 0,5 мм; прослойка из меди марки M1 толщиной 1,5 мм; упрочняющие пластины из стали марки Ст3 размерами 110×200 мм и толщиной S=1-5 мм; стандартная шина из алюминия марки А5 сечением 35×310 мм.
Сначала осуществляли приварку одновременной сваркой взрывом к алюминиевой колодке антидиффузионной прослойки из азотированной стали толщиной 0,5 мм и медного контактного слоя толщиной 1,5 мм. Затем к боковым сторонам алюминиевого слоя колодки приваривали упрочняющие элементы, выполненные в виде стальных пластин разной толщин (S=1-5 мм), соединенные по всей площади алюминиевого слоя колодки сваркой взрывом.
Полученные сваркой взрывом композиционные колодки с разной толщиной S упрочняющих стальных пластин приваривались сваркой плавлением к стандартной алюминиевой шине и затем устанавливались на действующие электролизеры ОАО «ВГА3-СУАЛ» (Волгоградский алюминиевый завод) для проведения эксплуатационных испытаний и электрофизических исследований. Данные о влиянии толщины стальной пластины S на деформацию колодки и перепад напряжения приведены в табл. 1.
Полученные результаты исследований показали, что оптимальная толщина стальной пластины составляет 3-4 мм. Такая толщина стальной пластины обеспечивает отсутствие деформации колодки в процессе ее эксплуатации при высоких температурах и минимальное значение перепада напряжения ΔU=5,4 mV. При выполнении толщины стальной пластины меньше 3 мм в результате воздействия значительных прижимных усилий и недостаточной жесткости стальной пластины наблюдается деформация (раздача) боковых участков колодки в виде выпуклости, что приводит к снижению площади электроконтакта «колодка-штырь», увеличению значений перепада напряжения, а, следовательно, и повышенному расходу электроэнергии. Выполнение толщины стальной пластины больше 4 мм нецелесообразно экономически из-за увеличения веса и повышенного расхода материала, а также возможности деформирования колодки вследствие увеличения высоты заряда и мощности взрывчатого вещества.
Сравнительные данные эксплуатационных испытаний и электрофизиких исследований разных конструкций анодного устройства приведены в табл. 2. Полученные результаты исследований показали, что предлагаемая конструкция анодного устройства по сравнению с прототипом имеет более
К
низкое значение перепада напряжения при отсутствии дефектов колодки в виде деформаций и отклонений от исходных размеров. Так, анодное устройство алюминиевого электролизера, полученное по предлагаемой полезной модели, имеет низкое значение перепада напряжения (ΔU=5,4 mV) при отсутствии какой-либо деформации колодки, в то время как анодное устройство, полученное по способу-прототипу, имеет более высокое значение перепада напряжения (ΔU=6,5 mV) и дефекты колодки в виде увеличения радиуса R, деформацию (выпуклость) и др. (табл. 2).