CN111197164A

CN111197164A - 铬锆铜应用于铝母线涂层、铝母线涂层的制备方法

Info

Publication number: CN111197164A
Application number: CN202010117515.5A
Authority: CN
Inventors: 王日昕; 廖先金; 王佳伟; 罗凤凤
Original assignee: Institute of Applied Physics of Jiangxi Academy of Sciences
Current assignee: Institute of Applied Physics of Jiangxi Academy of Sciences
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2020-02-25
Publication date: 2020-05-26
Anticipated expiration: 2040-02-25
Also published as: CN111197164B

Abstract

本发明公开了一种电解铝母线表面保护层的制备方法，包括以下内容：1)取铬锆铜喷涂粉末备用；2)对铝母线表面进行处理，制得喷涂面；3)对喷涂面进行预热处理；预热处理后，采用冷喷涂工艺将铬锆铜粉末沉积在铝母线表面，经后期处理后即可制备得到的铬锆铜保护层具有硬度高，耐磨抗爆，抗裂性以及软化温度高的特点，特别是在700℃高温下，仍能保持较高的硬度，电火花造成的局部高温不会使其熔化受损。

Description

铬锆铜应用于铝母线涂层、铝母线涂层的制备方法

技术领域

本发明属于电解铝设备技术领域，尤其涉及铬锆铜应用于铝母线涂层、铝母线涂层的制备方法。

技术背景

铝电解生产过程中，由于阳极参与反应，碳素阳极在不断消耗，因此经过一定的生产周期后，电解槽大母线必须进行提升作业。在这一操作过程中，阳极导杆与铝母线分离的瞬间存在4伏左右的电压，同时由于电解铝生产电流较大，铝母线与阳极导杆之间产生弧光放电，形成的电火花会造成局部高温，使铝母线和铝导杆受损。其中铝导杆的与碳素阳极的运行周期相同，约为一个月，每个运行周期结束后都会进行检修更换，对于受损的铝导杆都会损坏处进行补焊并进行打磨处理。而铝母线的运行周期与电解槽的大修周期相同，一般在五年以上，因此不可能进行日常维修。持续的损伤会严重影响铝母线与铝导杆的接触面积。主要会出现以下三个方面的问题：

1、铝母线和铝导杆受损以后，会严重影响接触面积，导致接触压降升高，增加电耗；

2、弧光放电现象，引发阳极效应甚至对电解槽的安全运行会造成重大影响；

3、严重的损伤还引起铝母线与铝导杆使用寿命下降，带来很大的经济损失。

申请号为CN201210170497.2的现有技术技术一种电解厂房内水平铝母线的原位喷涂修复方法公开了包括如下步骤：

a、母线状况检查，对母线表面进行平整处理：即在电解厂房内，采用手持砂轮机对母线表面的明显突起、毛刺、棱边、焊瘤等进行打磨，以手轻轻划过时未感觉到刮手为宜；

b、母线表面进行预处理，预处理后的基体表面要达到Sa2.5-3.0级，露出均匀一致的金属本色：即采用石英砂对母线表面进行2min喷砂除锈，除掉母线表面的油污和锈蚀，预处理后的基体表面要达到Sa2.5-3.0级，露出均匀一致的金属本色；

c、母线表面进行粗化处理，表面粗糙度或铆纹深度达到40-80μm，即采用钢砂对母线表面进行3min喷砂毛化处理，使表面粗糙度达到40-80μm，在4h内完成喷涂修复工作；

d、采用电弧喷涂技术对损伤母线表面喷涂打底层和工作层：即采用直径2.0mm的Ni80Al20复合丝喷涂底层，喷涂工艺参数为：喷涂电流180A，喷涂电压32V，喷涂距离210mm，喷涂角度85°，空气压力0.60MPa，喷枪移动速度100mm/s，喷涂时间1.5min；采用直径2.0mm的铝焊丝喷涂工作层，喷涂工艺参数为：喷涂电流180A，喷涂电压32V，喷涂距离200mm，喷涂角度85，空气压力0.60MPa，喷枪移动速度150mm/s，喷涂时间为8min；

e、采用移动式悬挂铣刀铣削涂层表面，进行光洁平滑处理即可：即采用移动式悬挂铣刀铣削涂层表面，铣削厚度为0.5-1mm，铣削后露出光滑、新鲜、洁净的涂层表面。

其采用热喷涂的方法，该方法易产生较大的应力导致热变形，在热喷涂过程中金属易发生氧化，且Ni80Al20导电性能很差，不适宜对导电部件进行处理，会大幅度降低铝母线的导电率。

发明内容

申请人研究发现在进行母线提升作业时，由于接触面积瞬间发生变化，电解槽还在持续运行中，因此不可能实现铝导杆和铝母线处于同等电势，也就无法消除铝母线与阳极导杆之间的弧光放电，因铝的熔点只有660℃，而弧光放电产生的局部高温会将铝材熔化。

本申请在铝母线与铝导杆接触的位置，使用铬锆铜合金粉对铝母线表面进行强化处理，铬锆铜合金熔点高于1050℃，强化处理后可以有效降低铝母线因弧光放电打火而造成的伤害。

具体的方案如下：

一种铬锆铜合金在作为铝母线保护涂层中的应用。

本发明一具体实施方式，所述铬锆铜合金包括以下质量百分比的成分：Cu＞99％，Cr：0.02～0.1％，Zr：0.05～0.1％，P＜0.01％，O＜0.005％。

本发明一具体实施方式，所述涂层厚度为200～800um。

本发明一具体实施方式，所述铝母线选自应用于包括以下型号的铝电解槽：200KA、240KA、300KA、350KA、400KA、500KA、600KA。

本发明还提供了一种电解铝母线表面保护层的制备方法，采用冷喷涂工艺将铬锆铜喷涂粉末沉积于铝母线表面。

本发明一具体实施方式，包括以下内容：

1)取铬锆铜喷涂粉末备用；

2)对铝母线表面进行处理，制得喷涂面；

3)对喷涂面进行预热处理；预热处理后，采用冷喷涂工艺将铬锆铜粉末沉积在铝母线表面，经后期处理后即可。

本发明一具体实施方式，1)中，所述铬锆铜喷涂粉末的粒径在20～40um。

本发明一具体实施方式，1)中，所述铬锆铜喷涂粉末的形貌为球形，可以获得更好的流动性和粉末的沉积效率。

本发明一具体实施方式，1)中，所述铬锆铜喷涂粉末选自包括以下质量百分比的成分的铬锆铜合金制成：Cu＞99％，Cr：0.02～0.1％，Zr：0.05～0.1％，P＜0.01％，O＜0.005％。

本发明一具体实施方式，2)中，对铝母线表面进行喷砂处理，喷砂压力：2～3.5mp，喷砂材料：刚玉，喷砂距离：200～400mm。

本发明一具体实施方式，3)中，预热处理的温度为100～150℃。

本发明一具体实施方式，3)中，冷喷涂工艺参数为载气：氮气；载气温度：350～400℃；载气压力：1.8～2.1MPa；喷枪移动速度：50～200mm/s；送粉速率：2.5～5g/s；喷涂距离：40～55mm。

本发明一具体实施方式，3)中，所述涂层沉积厚度为400～1000um；所述后期处理为打磨，打磨后的厚度为200～800um，表面粗糙度小于R6.3；涂层孔隙率小于等于3％。

铝母线与铝导杆的有效接触面积不低于85％,以保证设计要求,其最后实测压降应不大于8mv,所以要求平面的光洁度及平整度非常严格；因此一般情况下铸造母线或者母线修复接触面至少要进行两次铣削,第一遍粗铣,第二遍精铣,铣削后平面的表面粗糙度12.5,平面度0.05，且铝质地软，加工面加工后应加以保护,防止碰伤或产生伤痕，否则又会造成铝母线导电率发生变化，而在本申请所述的表面粗糙度低于6.3，超过铝母线表面粗糙度的安装标准，同时涂层硬度较高，不易产生划痕。

铸造铝母线的化学成份符合GB1196-88所规定的特一级品,其电阻率在未退火的状态下,在20℃时应小于0.028264Ω/mm²，换算成电导率为35.71ms/m，铬锆铜的电导率为43ms/m，该合金涂层不仅可以保护铝母线，同时还不会影响铝母线的导电性质。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

一、本发明所述铝母线在电解槽运行过程中主要起到连接、导电的作用，而由于电解铝生产电流较大，铝母线与阳极导杆之间会产生弧光放电，形成的电火花会造成局部高温，使铝母线和铝导杆受损，但铝母线的运行周期较长，一般在五年以上，因此不可能进行日常维修。本申请通过在铝母线表面设置一层保护层，保护铝母线与阳极导杆之间的接触面，选用的铬锆铜合金保护层具有硬度高，耐磨抗爆，抗裂性以及软化温度高的特点，特别是在700℃高温下，仍能保持较高的硬度，电火花造成的局部高温不会使其熔化受损，同时铬锆铜有良好的导电性，导热性，与铝母线复合后不会影响其导电性。本发明制得的涂层孔隙率小于等于3％，进一步的保证了涂层具有良好导电率。

二、传统材料表面强化方法包括堆焊、电镀、热喷涂，堆焊容易造成局部氧化，在焊接区域与基体之间形成高含氧界面，会严重影响铝母线的导电性能；电镀镀层厚度太薄，只能进行整体电镀，不能完全符合使用的要求，再者电镀会造成高污染，对环境不友好；热喷涂采用高温高速氧焰或高温等离子束，易产生较大的应力导致热变形，在热喷涂过程中金属易发生氧化，会降低铝母线的导电率。本发明采用冷喷涂的方式沉积铬锆铜保护涂层，主要依靠将高速粉末粒子沉积在母材表面，因此可以有效的减小甚至避免粉末的高温氧化，蒸发，溶解，结晶等现象的产生，涂层的物理化学性质与粉末材料本身的物理化学性质几乎保持一致。采用冷喷涂的方式可以针对需要进行强化的位置进行喷涂，特别的针对本申请仅需要在铝导杆与铝母线接触面进行喷涂即可。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为铝母线与铝导杆装配示意图；

图2为一年内被电弧损坏的铝导杆，实际使用过程中，铝导杆和铝母线材质相同，铝母线的受损情况和铝导杆相近；

图3为铝母线使用一个周期后的接触面表面情况。

图中：

铝导杆1、铝导杆与铝母线接触面2、铝母线3。

具体实施方式

下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请所选用的铬锆铜喷涂粉末各成分质量百分比为：Cu＞99％，Cr：0.02～0.1％，Zr：0.05～0.1％，P＜0.01％，O＜0.005％。

实施例1

280KA系列电解槽铝母线的尺寸为长：9000mm，宽：180mm，高：500mm；铝导杆宽：140mm；每根铝母线上装配铝导杆12组；冷喷涂位置：每组铝导杆与铝母线的接触面，非接触面不喷涂；冷喷涂面积：140mm×500mm×12。

1、对铝母线进行喷砂处理，喷砂压力：2.5mp，喷砂材料：刚玉，喷砂距离：300mm；

2、对喷涂部位进行预热处理，预热温度100℃；

3、冷喷涂工艺参数为载气：氮气、载气温度：380℃、载气压力：2MPa、喷枪移动速度：150mm/s、喷涂距离：45mm，送粉速率：3.5g/s，喷涂涂层厚度：0.5mm；

4、对喷涂面进行打磨，涂层厚度0.4mm，表面粗糙度低于6.3。

实施例2

400KA系列电解槽铝母线的尺寸为长：18000mm，宽：180mm，高：500mm；铝导杆宽：150mm；每根铝母线上装配铝导杆24组；冷喷涂位置：每组铝导杆与铝母线的接触面，非接触面不喷涂；冷喷涂面积：150mm×500mm×24。

1、对铝母线进行喷砂处理，喷砂压力：2.5mp，喷砂材料：刚玉，喷砂距离：250mm；

2、对喷涂部位进行预热处理，预热温度120℃；

3、冷喷涂工艺参数为载气：氮气、载气温度：380℃、载气压力：1.8MPa、喷枪移动速度：80mm/s、喷涂距离：50mm，送粉速率：3g/s，喷涂涂层厚度：0.8mm；

4、对喷涂面进行打磨，涂层厚度0.6mm，表面粗糙度低于6.3。

实施例3

500KA系列电解槽铝母线的尺寸为长：18000mm，宽：240mm，高：550mm；铝导杆宽：160mm；每根铝母线上装配铝导杆24组；冷喷涂位置：每组铝导杆与铝母线的接触面，非接触面不喷涂；冷喷涂面积：160mm×550mm×24。

1、对铝母线进行喷砂处理，喷砂压力：2mp，喷砂材料：刚玉，喷砂距离：280mm；

2、对喷涂部位进行预热处理，预热温度130℃；

3、冷喷涂工艺参数为载气：氮气、载气温度：400℃、载气压力：2.1MPa、喷枪移动速度：50mm/s、喷涂距离：40mm，送粉速率：2.4g/s，喷涂涂层厚度：0.9mm；

4、对喷涂面进行打磨，涂层厚度0.6mm，表面粗糙度低于6.3。

采用实施例1-3所述经过处理以后的铝母线具有硬度高，耐磨抗爆，抗裂性以及软化温度高的特点，接触表层的涂层孔隙率小于等于3％，经实验，在700℃高温下，仍能保持较高的硬度，也能有效抵抗电火花造成的局部高温，长久使用后仍然能保持良好的接触面积，如附图3所示表面仍然具有良好平整性，进而保证了铝母线在整个长运行周期的导电性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种铬锆铜合金在作为铝母线保护涂层中的应用。

2.根据权利要求1所述应用，其特征在于，所述铬锆铜合金包括以下质量百分比的成分：Cu＞99％，Cr：0.02～0.1％，Zr：0.05～0.1％，P＜0.01％，O＜0.005％。

3.根据权利要求1所述应用，其特征在于：所述涂层厚度为200～800um。

4.根据权利要求1所述应用，其特征在于：所述铝母线选自应用于包括以下型号的铝电解槽：200KA、240KA、300KA、350KA、400KA、500KA、600KA。

5.一种电解铝母线表面保护层的制备方法，其特征在于：采用冷喷涂工艺将铬锆铜喷涂粉末喷涂于铝母线表面。

6.根据权利要求5所述电解铝母线表面保护层的制备方法，其特征在于，包括以下内容：

1)取铬锆铜喷涂粉末备用；

2)对铝母线表面进行处理，制得喷涂面；

7.根据权利要求6所述电解铝母线表面保护层的制备方法，其特征在于：1)中，所述铬锆铜喷涂粉末的粒径在20～40um；铬锆铜喷涂粉末的形貌为球形；所述铬锆铜喷涂粉末选自包括以下质量百分比的成分的铬锆铜合金制成：Cu＞99％，Cr：0.02～0.1％，Zr：0.05～0.1％，P＜0.01％，O＜0.005％。

8.根据权利要求6所述电解铝母线表面保护层的制备方法，其特征在于：2)中，对铝母线表面进行喷砂处理，喷砂压力：2～3.5mp，喷砂材料：刚玉，喷砂距离：200～400mm。

9.根据权利要求6所述电解铝母线表面保护层的制备方法，其特征在于：3)中，预热处理的温度为100～150℃；冷喷涂工艺参数为载气：氮气；载气温度：350～400℃；载气压力：1.8～2.1MPa；喷枪移动速度：50～200mm/s；送粉速率：2.5～5g/s；喷涂距离：40～55mm。

10.根据权利要求6所述电解铝母线表面保护层的制备方法，其特征在于：3)中，所述涂层沉积厚度为400～1000um；所述后期处理为打磨，打磨后的厚度为200～800um，表面粗糙度小于R6.3；涂层孔隙率小于等于3％。