CN115679388A - 长寿命节能型铝电解用阳极导电装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了长寿命节能型铝电解用阳极导电装置。该阳极导电装置，包括阳极导杆、带有加强筋的铝钛钢爆炸焊块和阳极钢爪，铝钛钢爆炸焊块的表面由内至外依次叠设有铝层、钛层和钢层，加强筋与铝钛钢爆炸焊块的铝层固接，阳极导杆下端面与铝钛钢爆炸焊块的铝层通过铝铝搭接焊缝焊接连接，阳极钢爪的上端面与铝钛钢爆炸焊块的钢层通过钢钢对接焊缝焊接连接。本技术方案中，避免铝钢异种材料焊接产生脆性相；加强筋固定相对爆炸焊块，避免焊接时产生的热应变；钢爪腿表面制备高熵合金涂层，提高耐腐蚀性。经实施例测试，导电时压降降低一半以上。本发明具有压降低、连接强度高、耐腐蚀性好、使用寿命长等特点，有明显的经济和社会效益。

Description

长寿命节能型铝电解用阳极导电装置

技术领域

本申请涉及有色金属冶金的技术领域，尤其涉及长寿命节能型铝电解用阳极导电装置。

背景技术

电解铝工业中，阳极导电装置是由阳极铝导杆和阳极钢爪构成。在工业应用中，阳极装置处于高温高腐蚀性的工作环境，既要传导大电流，又要承受钢爪和碳块的重力载荷，因此对铝-钢连接接头性能要求极高。铝-钢异种材料焊接接头易产生脆性金属间化合物，极大的降低了接头的连接强度，缩短阳极钢爪的使用寿命，加大了企业的生产投入。现有技术是将铝-钢爆炸焊块分别与铝导杆和阳极钢爪沿接触区域四周进行焊接，能有效避免铝-钢焊接时产生脆性金属间化合物，但铝和钢的膨胀系数差别较大，在工作时高温和大电流的作用下，复合焊块结合处产生较大的剪切应力和拉应力，导致焊接面局部开裂或者全部开裂，导电面积降低，电阻升高，进一步加剧接头处的断裂趋势。

其次，在350～900℃的工作温度下，电解烟气、空气、热应力、电磁力等相互作用极易导致阳极钢爪腐蚀，形成“细腰”现象从而缩短阳极钢爪的使用寿命。目前，铝电解厂采用的阳极钢爪防腐方法主要为阳极钢爪保护环。采用阳极钢爪保护环的方法，能有效将钢爪和覆盖料隔开，但抗氧化腐蚀性差，且需经过搅拌、成型、脱模、焙烧、冷却等多道工序，加工工艺复杂，不利于降低企业成产成本。

专利CN109518229A发明了一种通过摩擦焊连接阳极导杆和钢爪的方法，虽然使用寿命得到较大提高，但通过摩擦焊获得的铝-钢连接接头在维修或更换过程中，会因摩擦而导致阳极导杆缩短，不利于阳极导杆的回收再利用，同时摩擦焊设备昂贵，企业生产成本过高，难以在工业中推广。专利CN110257860A 公开了一种复合成型的阳极导电装置及其制造方法，其特征在于由四块复合部件连接构成矩形框，矩形框外侧为铝基板材，内侧为钢基板材，通过同种材料焊接实现钢爪和导杆的连接，此种方式虽然改善了结合面硬而脆的问题，但焊缝截面在阳极钢爪和碳块的大重力作用下产生内力矩，极易从焊缝根部撕裂发生掉爪事故。同时此种方法将复合部件由传统的平放变为竖放，在铝侧焊接时因约束过小，在实际生产过程中会因铝的高膨胀系数在大的焊接热输入下产生翘曲趋势，在铝板和钢板接合面出产生热应力，从而降低复合部件的强度。采用内侧为钢的方式在焊接钢板和阳极钢爪时，会因窄而深的坡口导致施工困难，难以提高工厂的生产效率。

专利CN204474771U发明了一种阳极钢爪保护环，采用石墨材料制成的左右半环相互嵌合形成保护环，这种方法能将钢爪和覆盖料隔离嵌合部位密封性差，钢爪仍会受到氧化腐蚀。专利CN202246917U发明了一种铝电解槽阳极钢爪金属保护环，保护环材料为抗电解质侵蚀性较强的耐热铸钢或热铸铁，具有对覆盖料污染小、可重复利用等优点，但保护环加工复杂，材料成本高。

发明内容

有鉴于此，本申请提供长寿命节能型铝电解用阳极导电装置，该阳极导电装置高强度、低压降和耐腐蚀。

本申请提供一种长寿命节能型铝电解用阳极导电装置，包括阳极导杆、带有加强筋的铝钛钢爆炸焊块和阳极钢爪，所述铝钛钢爆炸焊块的表面由内至外依次叠设有铝层、钛层和钢层，所述加强筋与所述铝钛钢爆炸焊块的铝层固接，所述阳极导杆下端面与所述铝钛钢爆炸焊块的铝层通过铝铝搭接焊缝焊接连接，所述阳极钢爪的上端面与所述铝钛钢爆炸焊块的钢层通过钢钢对接焊缝焊接连接。

可选地，所述钛层的厚度为0-3mm，所述铝层的厚度为8-20mm，所述钢层的厚度为30-50mm；

优选地，所述铝钛钢爆炸焊块的高度不小于120mm。

可选地，所述铝层上设有螺孔，所述加强筋为两端带螺纹的陶瓷管。

可选地所述铝钛钢爆炸焊块由四个铝钛钢爆炸单元所拼成，其中四个所述铝钛钢爆炸单元中处于相对位置的铝钛钢爆炸单元通过加强筋固定，相邻铝钛钢爆炸单元通过角接接头焊接。

可选地，所述阳极导杆的下端面与阳极钢爪之间的距离为5-300mm。

可选地，所述铝层与阳极导杆的焊接采用MIG或者TIG氩弧焊，焊接材料为铝或者铝硅焊丝，焊丝直径为2.0mm，焊接电流为120-180A。

可选地，所述钢层与阳极钢爪的焊接采用手工电弧焊、气保焊或者埋弧焊，焊接材料为J422、J507焊条或者H08焊丝，焊条、焊丝直径分别为3.2mm和 1.2mm。

可选地，所述铝钛钢爆炸焊块，同阳极导杆、阳极钢爪的焊接方式为满焊。

可选地，所述阳极钢爪的钢爪腿侧面熔覆一层高熵合金层；

优选地，所述钢钢对接焊缝表面熔覆一层高熵合金。

可选地，所述高熵合金层成分为Fe₃₀Co₂₀Cr₂₀Ni₂₀Mo_3.5。

与相关技术相比，本申请的有益效果在于：

(1)本申请采用带有加强筋的铝钛钢爆炸焊块框作为连接阳极导杆和阳极钢爪的部件，结构新颖独特，相较于采用铝钢爆炸焊块，此种方法具有耐高温、压降低、抗拉强度高的优点，经试验测量，导电时压降降低一半以上，实现了节能减排。

(2)本申请采用带有加强筋的铝钛钢爆炸焊块框作为连接阳极导杆和阳极钢爪的部件，其中铝位于内侧可以和导杆通过两条焊缝进行连接，大幅度提高了接头强度和接头导电面积。

(3)本申请采用带有加强筋的铝钛钢爆炸焊块框作为连接阳极导杆和阳极钢爪的部件，其中钢位于外侧和钢爪焊接，避免了开焊接坡口，显著限制了内侧铝层的焊接变形。

(4)本申请采用铝钛钢爆炸焊块作为焊接框，其异种金属界面结合强度由铝钢爆炸块的约150Mpa提高到约200Mpa。

(5)本申请采用带有加强筋的铝钛钢爆炸焊块框作为连接阳极导杆和阳极钢爪的部件，四个面十二条焊缝进行焊接，焊接接头整体强度进一步大幅提升。

(6)本申请采用陶瓷管作为加强筋，在爆炸焊块两端进行焊接时，由于陶瓷管具有极高的弹性模量，同时爆炸焊块框外侧为具有高热熔、低膨胀系数的钢板，二者约束下有效降低了铝焊接时由于热输入而产生的热应变，进而降低爆炸焊块框内部应力，大大提高了阳极导杆和阳极钢爪连接部位的可靠性，避免掉爪事故的发生；具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温、等优异性能的陶瓷管在装置实际工作时，不会被高温和电解烟气腐蚀，结构稳定，同时其极高的电阻率和介电强度使其能够承受高电压并减少漏导损耗，避免发生装置导电时电流不均的情况；

(7)本申请采用含Mo高熵合金涂层提高阳极钢爪的耐腐蚀性能， FeCoCrNi合金具有十分优异的耐腐蚀性、延展性和结构稳定性，Mo元素具有较好的抗氧化性，添加一定量的Mo元素在涂层中形成有序的σ强化相，产生沉淀强化；另外，Mo元素的原子尺寸要远大于其他四种元素，在涂层内部会产生因原子尺寸差引起的位错强化。在两种强化效应的共同作用下，涂层的硬度、耐腐蚀性进一步提高；

(8)相较于采用阳极钢爪保护环的方法，高熵合金涂层具有加工工艺简单，结合牢固，耐腐蚀性更强等优点，能有效延长阳极钢爪的使用周期，同时省去搅拌、成型、脱模、焙烧、冷却等多道制作工序，采用熔覆技术可在表面一次成型，节约大量人工成本。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本申请中阳极导电装置正视图；

图2为本申请中铝钛钢爆炸焊块框俯视图；

图3为本申请中铝钛钢爆炸焊块A板；

图4为本申请中铝钛钢爆炸焊块B板；

图5为本申请中防腐蚀涂层与基板结合处微观结构照片；

图6为本申请中防腐蚀涂层微观结构照片；

图7为本申请中防腐蚀涂层硬度曲线。

图中：

1、阳极导杆；2、铝钛钢爆炸焊块；2-1、铝层；2-2、钛层；2-3、钢层；3、上凸台；4、阳极钢爪；5、高熵合金涂层；6、钢爪腿；7、铝铝搭接焊缝；7-1、铝铝外侧搭接焊缝；7-2、铝内侧搭接焊缝；8、钢钢对接焊缝；9、铝铝角接焊缝；10、加强筋；11、A板铝层；12、螺孔；13、B板铝层。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

实施例1

参考图1-图7，本例长寿命节能型铝电解用阳极导电装置的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：爆炸焊块分为A板铝层11和B板铝层13，A板铝层11上部设有螺孔12，B板铝层13的下部设有螺孔12，四块爆炸焊块单元围成矩形框，内侧为铝层2-1、中间层为钛层2-2，钛层2-2的外侧为钢层2-3，同组别焊块相对放置并通过两根端部带有螺纹的加强筋10(例如陶瓷管)固定，相邻两爆炸焊块单元通过铝铝角接焊缝9固定，焊接接头类型为角接接头。

步骤2：将阳极导杆1的下端打磨后插入铝钛钢爆炸焊块2，阳极导杆1 的侧表面与铝钛钢爆炸焊块2的铝层2-1接触，即通过两道铝铝搭接焊缝7固定，两道铝铝搭接焊缝7包括铝铝外侧搭接焊缝7-1和铝内侧搭接焊缝7-2。采用MIG焊，焊接材料为铝焊丝，焊丝直径2.0mm，焊接电流130A；

步骤3：将铝钛钢爆炸焊块2置于上凸台3上，在钢钢接合处设有坡口，即通过钢钢对接焊缝8焊接固定，采用手工电弧焊，焊接材料为J422焊条，焊条直径为3.2mm；

步骤4：对阳极钢爪4的钢爪腿6的侧面打磨后在其表面进行等离子熔覆，制备Fe₃₀Co₂₀Cr₂₀Ni₂₀Mo_3.5高熵合金涂层5。

步骤5：对钢钢对接焊缝8表面打磨后进行等离子熔覆，制备 Fe₃₀Co₂₀Cr₂₀Ni₂₀Mo_3.5高熵合金涂层。

本实施例提供的阳极导电装置，采用带有加强筋10的铝钛钢爆炸焊块2 作为连接部件，具有低压降、高强度的优点，通过工业实际工况下测试，工作时的压降降低52％，连接件温度降低27℃。

由图5可观测到，铝钛钢结合面在爆炸焊后都形成了规律的波状界面，宏观上结合紧密，没有看到明显的中间层。在波峰与波谷都可以看到旋涡状的铸态组织，波状的界面可以有效增大钛与钢界面、钛与铝界面的结合面积，有效阻止裂纹的产生，提高复合材料的力学性能。此外，通过观察等离子熔覆高熵合金涂层(图7)可以看出，涂层整体呈典型的树枝晶结构，且树枝晶生长具有一定的取向，其生长方向垂直于基板。由图6可以发现，涂层与基板材料结合紧密，采用腐蚀性极强的王水腐蚀涂层和基板结合部位，涂层晶界颜色较浅，钢基板晶界颜色较深，说明涂层部分的耐腐蚀性明显高于基板材料。由硬度分布曲线(图7)可知，涂层平均硬度为371.3HV，钢基板的平均硬度为204.3HV，涂层的硬度较基板提高了81.74％。

实施例2

参考图1-图7，本例长寿命节能型铝电解用阳极导电装置的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：爆炸焊块分为A板铝层11和B板铝层13，A板铝层11上部设有螺孔12，B板铝层13的下部设有螺孔12，四块爆炸焊块单元围成矩形框，内侧为铝层2-1、中间层为钛层2-2，钛层2-2的外侧为钢层2-3，同组别焊块相对放置并通过两根端部带有螺纹的加强筋10(例如陶瓷管)固定，相邻两爆炸焊块单元通过铝铝角接焊缝9固定，焊接接头类型为角接接头；

步骤2：将阳极导杆1的下端打磨后插入铝钛钢爆炸焊块2，阳极导杆1 的侧表面与铝钛钢爆炸焊块2的铝层2-1接触，即通过两道铝铝搭接焊缝7固定，两道铝铝搭接焊缝7包括铝铝外侧搭接焊缝7-1和铝内侧搭接焊缝7-2。采用TIG焊，焊接材料为铝硅焊丝，焊丝直径2.0mm，焊接电流160A；

步骤3：将铝钛钢爆炸焊块2置于上凸台3上，在钢钢接合处设有坡口，即通过钢钢对接焊缝8焊接固定，采用埋弧焊，焊接材料为H08焊丝，焊丝直径为1.2mm；

步骤4：对阳极钢爪4的钢爪腿6的打磨后在其表面进行等离子熔覆，制备Fe₃₀Co₂₀Cr₂₀Ni₂₀Mo_3.5高熵合金涂层5。

步骤5：对钢钢对接焊缝8表面打磨后进行等离子熔覆，制备 Fe₃₀Co₂₀Cr₂₀Ni₂₀Mo_3.5高熵合金涂层。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种长寿命节能型铝电解用阳极导电装置，其特征在于，包括阳极导杆(1)、带有加强筋(10)的铝钛钢爆炸焊块(2)和阳极钢爪(3)，所述铝钛钢爆炸焊块的表面由内至外依次叠设有铝层(2-1)、钛层(2-2)和钢层(2-3)，所述加强筋(10)与所述铝钛钢爆炸焊块(2)的铝层(2-1)固接，所述阳极导杆(1)下端面与所述铝钛钢爆炸焊块(2)的铝层(2-1)通过铝铝搭接焊缝(7)焊接连接，所述阳极钢爪(3)的上端面与所述铝钛钢爆炸焊块(2)的钢层(2-3)通过钢钢对接焊缝(8)焊接连接。

2.根据权利要求1所述长寿命节能型铝电解用阳极导电装置，其特征在于，所述钛层(2-2)的厚度为0-3mm，所述铝层(2-1)的厚度为8-20mm，所述钢层(2-3)的厚度为30-50mm；

优选地，所述铝钛钢爆炸焊块(2)的高度不小于120mm。

3.根据权利要求1所述长寿命节能型铝电解用阳极导电装置，其特征在于，所述铝层(2-1)上设有螺孔(12)，所述加强筋(10)为两端带螺纹的陶瓷管。

4.根据权利要求1所述长寿命节能型铝电解用阳极导电装置，其特征在于，所述铝钛钢爆炸焊块(2)由四个铝钛钢爆炸单元所拼成，其中四个所述铝钛钢爆炸单元中处于相对位置的铝钛钢爆炸单元通过所述加强筋(10)固定，相邻铝钛钢爆炸单元通过角接接头焊接。

5.根据权利要求1所述长寿命节能型铝电解用阳极导电装置，其特征在于，所述阳极导杆(1)的下端面与阳极钢爪(3)之间的距离为5-300mm。

6.根据权利要求1所述长寿命节能型铝电解用阳极导电装置，其特征在于，所述铝层(2-1)与阳极导杆(1)的焊接采用MIG或者TIG氩弧焊，焊接材料为铝或者铝硅焊丝，焊丝直径为2.0mm，焊接电流为120-180A。

7.根据权利要求1所述长寿命节能型铝电解用阳极导电装置，其特征在于，所述钢层(2-3)与阳极钢爪(3)的焊接采用手工电弧焊、气保焊或者埋弧焊，焊接材料为J422、J507焊条或者H08焊丝，焊条、焊丝直径分别为3.2mm和1.2mm。

8.根据权利要求1所述长寿命节能型铝电解用阳极导电装置，其特征在于，所述铝钛钢爆炸焊块(2)，同阳极导杆(1)、阳极钢爪(3)的焊接方式为满焊。

9.根据权利要求1所述长寿命节能型铝电解用阳极导电装置，其特征在于，所述阳极钢爪(3)的钢爪腿(6)侧面熔覆一层高熵合金层(5)；

优选地，所述钢钢对接焊缝(8)表面熔覆一层高熵合金。

10.根据权利要求1所述长寿命节能型铝电解用阳极导电装置，其特征在于，所述高熵合金层成分为Fe₃₀Co₂₀Cr₂₀Ni₂₀Mo_3.5。

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