CN111945189A - 一种锌电积用搭接式铜铝一体化横梁及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锌电积用搭接式铜铝一体化横梁及其制备方法。所述搭接式铜铝一体化横梁是在将导电头、吊耳焊接在铝横梁的基础上改为压力浇铸—热处理工艺。包括铜块制备、铜块表面处理、模内装铜块、模内压铸铝和热处理。制备出的搭接式铜铝一体化横梁铜铝过渡面接触紧密、强度大、不易受到外界环境影响腐蚀、导电性能良好，产品生产工序简单、质量保证，减少通电过程发热现象、使用寿命长，另外还可以根据不同使用厂家制备成多种外观形状不一致产品，使用范围广，推广前景广阔。

Description

一种锌电积用搭接式铜铝一体化横梁及其制备方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种锌电积用搭接式铜铝一体化横梁及其制备方法。

背景技术

电积工程，特别是电化学工业和电冶金工业都离不开电极材料，电极材料分为阴极材料和阳极材料。如在湿法炼锌工业，阴极板主要材质主要为铝，主要构件为铝板、铝横梁、吊耳和铜铝导电头。湿法炼锌企业根据自身的设计及板面大小，阴极板导电过程采用搭接式或者夹节式，夹节式阴极板铝横梁主要应用于小极板，搭接式阴极板铝横梁主要应用于大极板，随着湿法炼锌工业发展，在未来势必采用大极板，其生产工艺如附图1所示，存在生产工艺复杂、流程长、焊接工序多、生产效率低、产品质量不稳定、劳动强度大、职业健康危害大等不足。

铜铝横梁是影响阴极板使用寿命和电积直流电耗的一个重要构件，目前国内外铜铝横梁制作方式是将铜铝导电头和铝横梁焊接在一起，铜铝导电头制备工艺主要有以下几种。

爆炸焊：爆炸焊工艺是将表面平整的铜块和铝块紧密接触，中间填充适量炸药，引爆炸药瞬间产生高温热，将铜表面和铝表面熔化，通过挤压方式使铜铝接触焊接，该工艺优势是生产效率高，缺点是技术条件高，安全保障系数高，控制不好容易出现假焊现象。

闪光对焊：闪光对焊原理是铜板材和铝板材在强电流作用下迅速熔化，随后在机械顶锻压力作用下铜铝融合在一起，该工艺优点是焊接效率高，但管件、大面积焊接件、厚件不易焊接，焊接初难免出现断裂。

摩擦焊：摩擦焊原理是铜棒和铝棒在高速旋转下使铜和铝的焊接面在高温下熔化，经保压顶锻使铜和铝结合到一起，该工艺优点是产品强度高，但是非棒材不易焊接，焊接处容易断裂。

锡钎焊：锡钎焊工艺原理是将薄铜片与铝设备夹紧，经锡钎料特殊加工和机械压接后铜片焊在铝板上的一种工艺，该工艺简单，但焊接熔点低，助焊剂带腐蚀性。

铜铝钎焊：铜铝钎焊是一种将铜材和铝材进行钎焊焊接的一种新工艺，该工艺优点是焊接处不会出现断裂，导电性能良好，手工焊接，操作简单，投入设备少，缺点是焊接效率较低。

重力浇铸：重力浇铸原理是将铜块放置在模具内，向模具内倾倒液态铝，铝包裹铜块形成铜铝导电过渡件，该工艺具有生产效率高、操作简单、劳动强度小、生产成本低等优势，但是，该工艺存在得到的铜铝导电过渡件导电性能不稳定，使用寿命短等不足。原因是液态铝冷却凝固过程中产生体积收缩，铜铝接触面出现分层形成空隙，电积过程酸雾会进入空隙，影响其导电性，继而导电过渡件发热，影响阴极板使用。

铝横梁制作工艺采用普通重力铸造和挤压成型。

普通重力铸造：按照一定规格尺寸制作模具，将熔化的铝液浇铸在模具内，待铝液冷却凝固后开模，取出产品，经剪切、抛光后可得铝横梁，但该种工艺存在劳动强度大、产品生产效率低、产品强度小、外观质量差等不足。

挤压成型：按照预定规格尺寸将型材进行机加工可得到横梁，用冲板方式得到吊耳，将吊耳和横梁焊接到一起即可得到铝横梁，该工艺存在劳动量大、焊接缺陷、废料多等不足。

因此在电积工业需要发明一种导电性能良好、生产成本低、生产工艺简单、生产效率高、使用寿命长的搭接式铜铝一体化横梁，提高阴极板使用寿命、降低电积过程直流电耗、降低锌电积生产成本、提高生产效率和杜绝安全隐患，改善锌电积工业用阴极板目前面临的一些问题。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种锌电积用搭接式铜铝一体化横梁；第二目的在于提供所述的锌电积用搭接式铜铝一体化横梁的制备方法。

本发明的第一目的是这样实现的，所述的锌电积用搭接式铜铝一体化横梁是由除油剂、铜块、铝合金和HCl溶液组成的原料经前处理、开模和后处理步骤制备得到，所述的锌电积用搭接式铜铝一体化横梁的导电率为22以上，使用寿命为7个月以上，电极过程铜铝导电过渡件平均温度低于53℃。

本发明的第二目的是这样实现的，所述的锌电积用搭接式铜铝一体化横梁的制备方法包括前处理、开模和后处理步骤，具体包括：

A、前处理：将铜块以除油剂进行清洗去除表面加工油污，然后用水清洗后置入HCl溶液中浸泡以去除表面氧化层，再用水冲洗铜块后经烘干或吹干备用；

B、开模：

1）将A步骤处理后的铜块放置在压铸机模具内预定位置，并合模；

2）将铝合金熔化后采用自动压铸工艺将铝合金液压铸到模具内，待铝合金液冷却凝固后开模，得到初级锌电积用搭接式铜铝一体化横梁；

C、后处理：

1）将得到的初级锌电积用搭接式铜铝一体化横梁经热处理使界面铜铝充分扩散得到热处理锌电积用搭接式铜铝一体化横梁；

2）将热处理锌电积用搭接式铜铝一体化横梁自然冷却至室温，清除表面飞边、毛刺即得到目标物锌电积用搭接式铜铝一体化横梁。

本发明属于湿法冶金电积工业，如湿法炼锌工业，改善极板导电性能，同时保证产品质量，杜绝焊接缺陷造成的不利影响，另外，有利于提高操作工人劳动效率，减少焊接辐射，具体涉及一种锌电积用搭接式铜铝一体化横梁制备方法。本发明结合了目前已经开发出来的各类锌电积用阴极板制备过程中铜铝横梁和各种制备工艺优点以及局限性，开发了一种锌电积用搭接式铜铝一体化横梁制备方法。

在锌电积工业，由于电积过程电流大，若导电材质选择不当，势必会损耗大量电能，生产中常用的导电母排为铜排，而板面为铝板，为，实际应用过程中，不可能将铝直接搭接铜，因为在空气中铝表面容易被氧化，生成致密的氧化膜，影响其导电性，增加电阻，在电流很大的情况下，根据焦耳定律W=I ² Rt，铜铝搭接部位会发热严重，发热越严重，则氧化过程越严重，最终形成恶性循环。实际应用中采用铜铝导电头焊接到铝横梁上作为导电的过渡件，铜铝过渡件采用爆炸焊、闪光焊、摩擦焊、锡钎焊、铜铝钎焊和重力浇铸等工艺，在一定程度上都具有一定局限性，存在一些问题。采用压力浇铸工艺后，液态铝在冷却凝固过程中，一直处于压力状态，液态铝冷却凝固收缩也会及时补充铝液，弥补收缩影响，最终得到的铜铝导电过渡件铜铝接触面致密、导电性能良好，解决了过渡件发热问题、使用寿命长，降低锌电积直流电耗和生产成本。

本发明所述的锌电积用搭接式铜铝一体化横梁的制备方法，具体操作包括铜块表面经过处理、铝包裹铜块，所述铜块和铝液采用压力浇铸工艺浇铸，具体如下：

a、将T2或者T1牌号紫铜板按照相关图纸加工成铜块，用除油剂清洗铜块表面加工油污，用大量清水清洗干净铜块，再将铜块放置在HCl溶液中浸泡去除表面氧化层，用清水冲洗铜块并放置在烘箱内烘干或采用高压风吹干备用；

b、将干净、干燥的铜块放置在压铸机预定位置模具内，合模；

c、将铝放入熔铝炉内，待铝熔化后采用自动压铸方式，确定适当的压铸工艺参数，将铝液铸入到模具内，铝液冷却凝固后开模，即可得到锌电积用搭接式铜铝一体化横梁；

d、压铸过程时压铸相关工艺参数：铝液温度为710~740℃，压力为70~90MPa，射流速度为30~38m/s，保压时间为20~40s。

本发明的有益效果为：采用压铸工艺制备锌电积用搭接式铜铝一体化横梁，导电性能良好、生产效率高、生产成本低、产品质量稳定和外观质量良好。压铸铜铝导电过渡件在铝液冷却凝固收缩过程中一直处于压力状态，不断补偿由铝液凝固收缩引起的铜铝过渡面分层现象，有效提高产品导电性能，与重力浇铸相比，其导电率提高了30%以上，另外，压铸生产效率高，生产过程几乎没有金属损失现象，因此，生产成本低。再者，压铸工艺制备锌电积用搭接式铜铝一体化横梁铜铝接触面紧密，锌电积过程酸雾几乎无法进入到铜铝接触面，从而有效提高其使用寿命和降低电积过程发热现象，降低锌电积直流电耗和提高阴极板使用寿命。

附图说明

图1为锌电积用搭接式铜铝一体化横梁产品示意图；

图2为锌电积用夹节式铜铝横梁产品示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。

本发明所述的锌电积用搭接式铜铝一体化横梁是由除油剂、铜块、铝合金和HCl溶液组成的原料经前处理、开模和后处理步骤制备得到，所述的锌电积用搭接式铜铝一体化横梁的导电率为22以上，使用寿命为7个月以上，电极过程铜铝导电过渡件平均温度低于53℃。

所述的铜块为T2或T1紫铜。

所述的铜块的化学成分为：w(Cu+Ag)≥99.90%，w(Bi)≤0.001%，w(Sb)=0.002%，w(As)=0.002%，w(Fe)=0.002%，w(Pb)=0.005%，w(S)=0.002%，w(杂质)≤0.1%。

所述的铝合金的化学成分为：w(Si)=0-1.5%，w(Mg)=0.2-0.4%，w(Fe)≤0.20%，w(Cu)≤0.20%，w(Mn)≤0.10%，w(Zn)≤0.10%，w(Ti)≤0.15%，其他元素，每种≤0.05%，总量小于0.15%，余量为铝。

所述的HCl溶液的质量百分浓度为1~5%。

本发明所述的锌电积用搭接式铜铝一体化横梁材料的制备方法，包括前处理、开模和后处理步骤，具体包括：

A、前处理：将铜块以除油剂进行清洗去除表面加工油污，然后用水清洗后置入HCl溶液中浸泡以去除表面氧化层，再用水冲洗铜块后经烘干或吹干备用；

B、开模：

1）将A步骤处理后的铜块放置在压铸机模具内预定位置，并合模；

2）将铝合金熔化后采用自动压铸工艺将铝合金液压铸到模具内，待铝合金液冷却凝固后开模，得到初级锌电积用搭接式铜铝一体化横梁；

C、后处理：

1）将得到的初级锌电积用搭接式铜铝一体化横梁经热处理使界面铜铝充分扩散得到热处理锌电积用搭接式铜铝一体化横梁；

2）将热处理锌电积用搭接式铜铝一体化横梁自然冷却至室温，清除表面飞边、毛刺即得到目标物锌电积用搭接式铜铝一体化横梁。

A步骤中所述的烘干是在温度50~80℃下干燥0.5~1h，所述的吹干是在风压0.3~0.5MPa、温度50~80℃下0.5~1h。

A步骤中所述的除油剂进行清洗是将铜块置入除油剂中浸泡5~10min，所述的HCl溶液中浸泡的时间为1~5min。

B步骤中所述的压铸工艺的参数为压铸温度为710~740℃，压力为70~90MPa，射流速度为30~38m/s，保压时间为20~40s，模温为180~260℃。

C步骤中所述的热处理是保温处理，保温的温度为310~400℃，保温的时间为1~2h。

下面以具体实施案例对本发明做进一步说明：

实施例1

某公司工业生产锌，电解条件为极间距62mm，电解周期24h，电流密度为420A/m²，阴极板为铝材质，极板尺寸1.2m²，铜铝横梁制备工艺是将导电头、吊耳和横梁焊接到一起，检测结果产品整体导电率24.54，对同一批产品进行抽样检查，产品合格率为98.5%左右，使用寿命9.8月，电积过程母排与铜接触位置平均温度为54.2℃。

同样电解条件下，铜铝导电过渡件采用本发明的搭接式铜铝一体化横梁，检测结果横梁导电率为26.6，产品合格率达到99.4%，使用寿命达到12.2月，电积过程铜铝导电过渡件平均温度为51.3℃。

实施例2

某公司工业生产锌，电解条件为极间距72mm，电解周期36h，电流密度为480A/m²，阴极板为铝材质，极板尺寸1.6m²，铜铝横梁制备工艺是将导电头、吊耳和横梁焊接到一起，检测结果整体产品导电率23.9，对同一批产品进行抽样检查，产品合格率为98.2%左右，使用寿命8.2月，电积过程母排与铜接触位置平均温度为55.2℃。

同样电解条件下，铜铝导电过渡件采用本发明的搭接式铜铝一体化横梁，检测结果夹节式铜铝横梁导电率为26.5，产品合格率达到98.8%，使用寿命达到11.5月，电积过程母排与铜接触位置平均温度为52.2℃。

实施例3

某公司工业生产锌，电解条件为极间距62mm，电解周期48h，电流密度为430A/m²，阴极板为铝材质，极板尺寸1.6m²，铜铝横梁采用焊接方式将导电头、吊耳和横梁焊接到一起，导电头为重力浇铸工艺制备，检测结果整体产品导电率22.1，对同一批产品进行抽样检查，产品合格率为98.5%左右，使用寿命7.5月，电积过程母排与铜接触位置平均温度为57.4℃。

同样电解条件下，铜铝导电过渡件采用本发明的压铸搭接式铜铝一体化横梁制备方法，检测结果夹节式铜铝横梁导电率为26.4，产品合格率达到98.9%，使用寿命达到12.5月，电积过程母排与铜接触位置平均温度为52.8℃。

实施例4

某公司工业生产锌，电解条件为极间距75mm，电解周期48h，电流密度为500A/m²，阴极板为铝材质，极板尺寸3.2m²，铜铝横梁采用焊接方式将导电头、吊耳和横梁焊接到一起，导电头为冷扩散焊工艺制备，检测结果整体产品导电率25.2，对同一批产品进行抽样检查，产品合格率为98.6%左右，使用寿命13.5月，电积过程母排与铜接触位置平均温度为53.4℃。

同样电解条件下，铜铝导电过渡件采用本发明的压铸搭接式铜铝一体化横梁制备方法，检测结果夹节式铜铝横梁导电率为25.4，产品合格率达到99.3%，使用寿命达到15.5月，电积过程母排与铜接触位置平均温度为50.2℃。

Claims (10)

1.一种锌电积用搭接式铜铝一体化横梁，其特征在于，所述的锌电积用搭接式铜铝一体化横梁是由除油剂、铜块、铝合金和HCl溶液组成的原料经前处理、开模和后处理步骤制备得到，所述的锌电积用搭接式铜铝一体化横梁的导电率为22以上，使用寿命为7个月以上，电极过程铜铝导电过渡件平均温度低于53℃。

2.根据权利要求1所述的锌电积用搭接式铜铝一体化横梁，其特征在于，所述的铜块为T2或T1紫铜。

3.根据权利要求1或2所述的锌电积用搭接式铜铝一体化横梁，其特征在于，所述的铜块的化学成分为：w(Cu+Ag)≥99.90%，w(Bi)≤0.001%，w(Sb)=0.002%，w(As)=0.002%，w(Fe)=0.002%，w(Pb)=0.005%，w(S)=0.002%，w(杂质)≤0.1%。

4.根据权利要求1所述的锌电积用搭接式铜铝一体化横梁，其特征在于，所述的铝合金的化学成分为：w(Si)=0-1.5%，w(Mg)=0.2-0.4%，w(Fe)≤0.20%，w(Cu)≤0.20%，w(Mn)≤0.10%，w(Zn)≤0.10%，w(Ti)≤0.15%，其他元素，每种≤0.05%，总量小于0.15%，余量为铝。

5.根据权利要求1所述的锌电积用搭接式铜铝一体化横梁，其特征在于，所述的HCl溶液的质量百分浓度为1~5%。

6.一种权利要求1~5任一所述的锌电积用搭接式铜铝一体化横梁材料的制备方法，其特征在于，所述的锌电积用搭接式铜铝一体化横梁的制备方法包括前处理、开模和后处理步骤，具体包括：

A、前处理：将铜块以除油剂进行清洗去除表面加工油污，然后用水清洗后置入HCl溶液中浸泡以去除表面氧化层，再用水冲洗铜块后经烘干或吹干备用；

B、开模：

1）将A步骤处理后的铜块放置在压铸机模具内预定位置，并合模；

2）将铝合金熔化后采用自动压铸工艺将铝合金液压铸到模具内，待铝合金液冷却凝固后开模，得到初级锌电积用搭接式铜铝一体化横梁；

C、后处理：

1）将得到的初级锌电积用搭接式铜铝一体化横梁经热处理使界面铜铝充分扩散得到热处理锌电积用搭接式铜铝一体化横梁；

2）将热处理锌电积用搭接式铜铝一体化横梁自然冷却至室温，清除表面飞边、毛刺即得到目标物锌电积用搭接式铜铝一体化横梁。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，A步骤中所述的烘干是在温度50~80℃下干燥0.5~1h，所述的吹干是在风压0.3~0.5MPa、温度50~80℃下0.5~1h。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，A步骤中所述的除油剂进行清洗是将铜块置入除油剂中浸泡5~10min，所述的HCl溶液中浸泡的时间为1~5min。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，B步骤中所述的压铸工艺的参数为压铸温度为710~740℃，压力为70~90MPa，射流速度为30~38m/s，保压时间为20~40s，模温为180~260℃。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，C步骤中所述的热处理是保温处理，保温的温度为310~400℃，保温的时间为1~2h。

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