CN116393930A - 一种铝电解阳极导电装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝电解阳极导电装置及其制备方法，铝电解阳极导电装置的制备方法为：对凸台的上表面中部进行预处理；利用FeCoCrNiMn高熵合金丝材，通过等离子弧增材制造方法在凸台的上表面中部制备高熵合金中间层；在横截面为圆形的阳极铝导杆上部锻造两个相互平行的夹持平面；利用“先顶锻后刹车”的制动方式将阳极铝导杆以旋转摩擦焊的方式与阳极钢爪上的高熵合金中间层焊合。该制备方法能够提高阳极铝导杆和阳极钢爪之间的连接强度，降低了阳极导电装置的电流损耗。

Description

一种铝电解阳极导电装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝电解行业阳极导电装置领域，尤其是涉及一种铝电解阳极导电装置及其制备方法。

背景技术

当前电解铝行业中所广泛使用的阳极导电装置是由上部铝制的阳极铝导杆和下部钢制的阳极钢爪焊合后构成的。在以往的研究中，铝钢金属间化合物会对铝/钢焊接界面造成巨大的不利影响，另外，由于钢和铝的膨胀系数存在差异，两者的焊接可靠性较差。目前铝导杆和阳极钢爪的连接方式是在两者之间添加一个铝/钢爆炸焊复合焊片作为中间层，然后再将导杆和复合焊片的铝片通过坡口环焊的方式实现连接。由于阳极铝导杆和阳极钢爪的连接主要靠边缘坡口焊缝所实现，因此铝/钢接触压降较差，一般为10mV左右，焊接强度也不太理想，在实际的生产工作中常常会出现两者脱离的情形。

如何在控制成本的基础上改善铝、钢的接触压降，增强阳极铝导杆和阳极钢爪的连接强度是当前的迫切需求之一。专利CN115679388A公开了长寿命节能型铝电解用阳极导电装置，其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，压降低，四个面十二条焊缝进行焊接，焊接接头整体强度高，但铝钛钢爆炸焊块框的制备复杂，且在与导杆和钢爪焊合时，需要焊接的焊缝较多；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。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种铝电解阳极导电装置及其制备方法，该制备方法能够提高阳极铝导杆和阳极钢爪之间的连接强度，降低了阳极导电装置的电流损耗。

本发明为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种铝电解阳极导电装置的制备方法，所述铝电解阳极导电装置包括阳极铝导杆和阳极钢爪，所述阳极钢爪自上至下依次包括凸台、钢爪横梁和设于钢爪横梁下的导电爪，主要包括如下步骤：

步骤一、对凸台的上表面中部进行预处理；

步骤二、利用FeCoCrNiMn高熵合金丝材，通过等离子弧增材制造方法在凸台的上表面中部制备高熵合金中间层；

步骤三、在横截面为圆形的阳极铝导杆上部锻造至少一对相互平行的夹持平面，然后使用电解导电夹夹持住阳极铝导杆；

步骤四、利用“先顶锻后刹车”的制动方式将阳极铝导杆以旋转摩擦焊的方式与阳极钢爪上的高熵合金中间层焊合。

作为优选方案，步骤一中，对凸台的上表面中部进行预处理的具体方法为：首先用砂纸进行打磨，去除毛刺和氧化层，直至露出金属光泽为止；然后采用丙酮和酒精进行清洗，去除凸台的上表面中部的油污和碎屑。

作为优选方案，步骤二中，高熵合金中间层的厚度≥15mm。

作为优选方案，步骤二中，FeCoCrNiMn高熵合金丝材的制备方法为：将Fe、Co、Cr、Ni、Mn金属单质丝材按照1:1:1:1:1的摩尔比绞合成电缆型丝材，即得到FeCoCrNiMn高熵合金丝材。

作为优选方案，步骤二中，等离子弧增材制造的具体参数为：焊接电流为200~260A，送丝速度为2400~3000mm/min，扫描速度为115~145mm/min，离子气流量为1.5~3.5L/min，保护气流量为30L/min。

作为优选方案，步骤四中，顶刹时差为0~1.2s。

作为优选方案，步骤四中，旋转摩擦焊的摩擦时间为45s~70s，转速为60~80r/min；顶锻压力为70~90MPa，最大顶锻力为1350kN。

作为优选方案，阳极铝导杆的直径为100mm，长度为1100~1380mm；

或；

阳极铝导杆的直径为130mm，长度为2000~2500mm。

一种铝电解阳极导电装置，其是采用上述的方法制备而成的。

本发明中FeCoCrNiMn高熵合金丝材的设计原理为：Fe、Co和Mn三种元素会促进合金向固溶体转变，不仅能调控连接界面金属间化合物的形成，还能起到固溶强化的作用；Cr元素能提高合金的抗氧化性和耐腐蚀性，延长导电装置的使用寿命；Ni元素能显著提升高熵合金的强度、硬度和耐磨性。

有益效果：

如上所述，本发明的一种铝电解阳极导电装置及其制备方法，具有以下有益效果：

1）、本发明用FeCoCrNiMn高熵合金中间层替换了阳极导电装置传统连接方式中的铝/钢爆炸焊复合焊片。高熵合金的高熵效应对高熵合金中间层与阳极铝导杆焊接界面的Fe-Al金属间化合物进行了调控，增强了焊接界面的连接强度。

2）、本发明在阳极铝导杆与阳极钢爪的连接方法进行了创新，其中FeCoCrNiMn高熵合金中间层是直接在阳极钢爪的凸台上增材制造制备的，高熵合金中间层与阳极铝导杆通过旋转摩擦焊的方式实现焊合。阳极铝导杆与阳极钢爪的传统连接方式中，两者的连接主要是由边缘坡口焊缝完成，中间未实现有效连接。本发明的连接方式中完全实现了两个界面的完全连接，不仅增强了铝导杆与阳极钢爪的连接强度，还降低了铝-钢间的接触压降。

3）、当前电解铝行业中阳极铝导杆多为横截面为正方形的长方体型导杆，本发明中选用横截面为圆形的导杆替换传统导杆，然后在电解导电夹夹持处锻造出至少一对夹持平面，夹持平面的平面结构能够与电解导电夹之间形成良好的电接触。

下面结合实施例附图和具体实施例对本发明做进一步具体详细的说明。

附图说明

图1是本发明中铝电解阳极导电装置的正视图；

图2为图1的侧视图；

图3为本发明中等离子弧增材制造的原理图。

图示标记，1、阳极铝导杆，101、夹持平面，2、高熵合金中间层，3、阳极钢爪，301、凸台，4、保护罩，5、离子气，6、钨极，7、水冷喷嘴，8、保护气，9、高熵合金丝材，10、熔池。

具体实施方式

下面将结合实施例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。

一种铝电解阳极导电装置的制备方法主要包括如下步骤：

步骤一：在凸台301中央区域选定制备FeCoCrNiMn高熵合金中间层2的基体区域，先用300#砂纸对基体表面进行打磨，去除毛刺和氧化层；然后采用丙酮和酒精对基体进行清洗，去除基体表面的油污和碎屑。

步骤二：首先选择高熵合金FeCoCrNiMn五种组元的金属丝材绞合成电缆型高熵合金丝材9，采用等离子弧增材制造方法制备中间层，详细地，同步送丝机构将高熵合金丝材9送至等离子弧焊枪正下方，高熵合金丝材9在直流等离子弧热源作用下呈熔融态；离子气5发生电离，其在熔池流动过程中进入熔池10并附着于熔池10的表面，在增材制造过程中随着等离子弧热源的定向移动，带动熔池10内部熔融态高熵合金的流动，实现对高熵合金中间层2的制备；其中，焊枪的钨极6为直径3.2mm的铈钨极，钨极6内缩量为2.5mm，水冷喷嘴7直径为3.6mm，高熵合金丝材9尖端与沉积层上表面之间的距离保持在恒定的2.6mm；

步骤三：在横截面为圆形的阳极铝导杆1回转体上选定电解导电夹将要夹持的位置，然后在特定位置处将阳极铝导杆1回转体锻造出至少一对相互平行的夹持平面101，阳极铝导杆1夹持平面101处的横截面可以是正方形或椭圆形。优选地，夹持平面101处的横截面为椭圆形；

步骤四：利用“先顶锻后刹车”的制动方式将的阳极铝导杆1与阳极钢爪3上的高熵合金中间层2摩擦焊合；其中，顶刹时差为0~1.2s；旋转摩擦焊的摩擦时间为45s~70s，转速为60~80r/min；顶锻压力为70~90MPa，最大顶锻力为1350kN。

实施例1

一种铝电解阳极导电装置的制备方法主要包括如下步骤：

步骤一、凸台301上基体区域预处理：在阳极钢爪3凸台301的中央区域选定一个正方形区域，作为增材制造FeCoCrNiMn高熵合金中间层2的基体区域；在进行高熵合金的增材制造之前，需要对基体区域进行预处理，主要包括：首先用300#砂纸对基体表面进行打磨，去除毛刺和氧化层，直至露出金属光泽为止；然后采用丙酮和酒精对基体进行清洗，去除基体表面的油污和碎屑；

步骤二、高熵合金丝材9的制备：该高熵合金丝材9的成分按摩尔比计为Fe：Co：Cr：Ni：Mn=1：1：1：1：1，其原料选取相应元素的金属丝材，各原料的纯度不低于99.95%，然后将各金属丝材绞合成高熵合金丝材9；

步骤三、制备高熵合金中间层2：将步骤二中的高熵合金丝材9装入同步送丝机构中，利用等离子弧增材制造系统制备高熵合金中间层2，具体的工艺参数为：扫描速度115mm/min，焊接电流：200A，送丝速度：2400mm/min，离子气流量：1.5L/min，保护气流量：30L/min高熵合金丝材9尖端与沉积层上表面之间的距离保持在2.6mm；所述的制备方法中，离子气5与保护气8均为氩气；

步骤四、锻造夹持平面101：将长度为1100mm，直径为100mm的阳极铝导杆1上部锻造出两个相互平行的夹持平面101，以便于电解导电夹夹持；

步骤五、焊合：将完成高熵合金中间层2制备的阳极钢爪3和阳极铝导杆1置于旋转摩擦焊焊机上进行摩擦焊合，具体工艺参数为：摩擦时间为70s，转速为70r/min，顶刹时差为1.2s，顶锻压力为80MPa，最大顶锻力为1350kN。

经电学性能和力学性能测试，阳极钢爪接触电压降低5.6%，接头抗拉强度较传统制备方法提高了12.6%。

实施例2

一种铝电解阳极导电装置的制备方法主要包括如下步骤：

步骤一、凸台301上基体区域预处理：在阳极钢爪3凸台301的中央区域选定一个正方形区域，作为增材制造FeCoCrNiMn高熵合金中间层2的基体区域；在进行高熵合金的增材制造之前，需要对基体区域进行预处理，主要包括：首先用300#砂纸对基体表面进行打磨，去除毛刺和氧化层，直至露出金属光泽为止；然后采用丙酮和酒精对基体进行清洗，去除基体表面的油污和碎屑；

步骤二、高熵合金丝材9的制备：该高熵合金丝材的成分按摩尔比计为Fe：Co：Cr：Ni：Mn=1：1：1：1：1，其原料选取相应元素的金属丝材，各原料的纯度不低于99.95%，然后将各金属丝材绞合成高熵合金丝材9；

步骤三、制备高熵合金中间层2：将步骤二中的高熵合金丝材9装入同步送丝机构中，利用等离子弧增材制造系统制备高熵合金中间层2，具体的工艺参数为：扫描速度115mm/min，焊接电流：240A，送丝速度：2800mm/min,离子气流量：3L/min，保护气流量：30L/min高熵合金丝材尖端与沉积层上表面之间的距离保持在恒定的2.6mm；所述的制备方法中，离子气5与保护气8均为氩气；

步骤四、锻造夹持平面101：将长度为1380mm，直径为100mm的阳极铝导杆1上部锻造出两个相互平行的夹持平面101，以便于电解导电夹夹持；

步骤五、焊合：将完成高熵合金中间层2制备的阳极钢爪3和阳极铝导杆1置于旋转摩擦焊焊机上进行摩擦焊合，具体工艺参数为：摩擦时间为45s，转速为150r/min，顶刹时差为1.2s，顶锻压力为80MPa，最大顶锻力为1350kN。

经电学性能和力学性能测试，阳极钢爪接触电压降低6.2%，接头抗拉强度较传统制备方法提高了11.2%。

实施例3

一种铝电解阳极导电装置的制备方法主要包括如下步骤：

步骤一、凸台301上基体区域预处理：在阳极钢爪3凸台301的中央区域选定一个正方形区域，作为增材制造FeCoCrNiMn高熵合金中间层2的基体区域；在进行高熵合金的增材制造之前，需要对基体区域进行预处理，主要包括：首先用300#砂纸对基体表面进行打磨，去除毛刺和氧化层，直至露出金属光泽为止；然后采用丙酮和酒精对基体进行清洗，去除基体表面的油污和碎屑；

步骤二、高熵合金丝材9的制备：该高熵合金丝材的成分按摩尔比计为Fe：Co：Cr：Ni：Mn=1：1：1：1：1，其原料选取相应元素的金属丝材，各原料的纯度不低于99.95%，然后将各金属丝材绞合成高熵合金丝材9；

步骤三、制备高熵合金中间层2：将步骤二中的高熵合金丝材装入同步送丝机构中，利用等离子弧增材制造系统制备高熵合金中间层2，具体的工艺参数为：扫描速度135mm/min，焊接电流：220A，送丝速度：3000mm/min,离子气流量：2.5L/min，保护气流量：30L/min高熵合金丝材9尖端与沉积层上表面之间的距离保持在恒定的2.6mm；；所述的制备方法中，离子气5与保护气8均为氩气；

步骤四、锻造夹持平面101：将长度为2100mm，直径为130mm的阳极铝导杆1上部锻造出两个相互平行的夹持平面101，以便于电解导电夹夹持；

步骤五、焊合：将完成高熵合金中间层2制备的阳极钢爪3和阳极铝导杆1置于旋转摩擦焊焊机上进行摩擦焊合，具体工艺参数为：摩擦时间为70s，转速为150r/min，顶刹时差为1.2s，顶锻压力为90MPa，最大顶锻力为1350kN。

经电学性能和力学性能测试，阳极钢爪接触电压降低4.8%，接头抗拉强度较传统制备方法提高了10.6%。

以上对本发明所提供的一种铝电解阳极导电装置及其制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理和具体实施方式进行了阐述，上述实施例仅用来帮助理解本发明的方法和核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种铝电解阳极导电装置的制备方法，所述铝电解阳极导电装置包括阳极铝导杆和阳极钢爪，所述阳极钢爪自上至下依次包括凸台、钢爪横梁和设于钢爪横梁下的导电爪，其特征在于，主要包括如下步骤：

步骤一、对凸台的上表面中部进行预处理；

步骤二、利用FeCoCrNiMn高熵合金丝材，通过等离子弧增材制造方法在凸台的上表面中部制备高熵合金中间层；

步骤三、在横截面为圆形的阳极铝导杆上部锻造至少一对相互平行的夹持平面，然后使用电解导电夹夹持住阳极铝导杆；

步骤四、利用“先顶锻后刹车”的制动方式将阳极铝导杆以旋转摩擦焊的方式与阳极钢爪上的高熵合金中间层焊合。

2.根据权利要求1所述的一种铝电解阳极导电装置的制备方法，其特征在于，步骤一中，对凸台的上表面中部进行预处理的具体方法为：首先用砂纸进行打磨，去除毛刺和氧化层，直至露出金属光泽为止；然后采用丙酮和酒精进行清洗，去除凸台上表面中部的油污和碎屑。

3.根据权利要求1所述的一种铝电解阳极导电装置的制备方法，其特征在于，步骤二中，高熵合金中间层的厚度≥15mm。

4.根据权利要求1所述的一种铝电解阳极导电装置的制备方法，其特征在于，步骤二中，FeCoCrNiMn高熵合金丝材的制备方法为：将Fe、Co、Cr、Ni、Mn金属单质丝材按照1:1:1:1:1的摩尔比绞合成电缆型丝材，即得到FeCoCrNiMn高熵合金丝材。

5.根据权利要求1所述的一种铝电解阳极导电装置的制备方法，其特征在于，步骤二中，等离子弧增材制造的具体参数为：焊接电流为200~260 A，送丝速度为2400~3000 mm/min，扫描速度为115~145 mm/min，离子气流量为1.5~3.5 L/min，保护气流量为30 L/min。

6.根据权利要求1所述的一种铝电解阳极导电装置的制备方法，其特征在于，步骤四中，顶刹时差为0~1.2 s。

7.根据权利要求1所述的一种铝电解阳极导电装置的制备方法，其特征在于，步骤四中，旋转摩擦焊的摩擦时间为45 s~70 s，转速为60~80 r/min；顶锻压力为70~90 MPa，最大顶锻力为1350 kN。

8.根据权利要求1所述的一种铝电解阳极导电装置的制备方法，其特征在于，阳极铝导杆的直径为100mm，长度为1100~1380 mm；

或；

阳极铝导杆的直径为130mm，长度为2000~2500 mm。

9.一种铝电解阳极导电装置，其特征在于，其是采用权利要求1-9任一项所述的方法制备而成的。

Images