АНОДНЫЙ ШТЫРЬ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК C25C3/12 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению алюминия электролитическим способом из расплава солей в электролизерах с верхним токоподводом и самообжигающимся анодом.

Для удержания самообжигающегося анода и подвода к нему электрического тока используют различные по конструкции и способу изготовления анодные штыри.

Известен токоподводящий штырь для самообжигающегося анода (патент ЧССР 91839 кл. 40с), содержащий полый стальной стержень, внутренняя часть которого заполнена хорошо проводящим электрический ток металлом, образующим со стальным кожухом стержня единое целое.

Недостатком конструкции является малый срок службы, обусловленный тем, что нижняя часть штыря в процессе эксплуатации подвергается длительному воздействию высоких температур анода, достигающих 920^oC, при которой внутренний металл штыря расплавляется, резко снижается атомно-молекулярная связь твердой и жидкой фазы, что под воздействием магнитного поля приводит к разрыву электрической цепи и конструкции в целом.

Кроме того, конструкция не имеет магнитного разрыва, так как на всю длину имеет стальную рубашку, что увеличивает затраты электроэнергии при электролизе.

Также известна конструкция сталеалюминиевого анодного штыря (а.с. СССР N 447456), содержащего алюминиевую штангу, имеющую выступы с полостями и стальной стержень с отверстиями, в которых вставлены выступы алюминиевой штанги, а полости в выступах штанги выполнены конической формы с глубиной от половины до диаметра стального стержня.

Недостатком указанных технических решений является повышенный расход электроэнергии при эксплуатации из-за потерь при прохождении тока по значительной длине стальной части стержня с высоким удельным электросопротивлением.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип заявленной конструкции штыря, является составной анодный штырь алюминиевого электролизера (а. с. СССР N 395509), содержащего стальной стержень и алюминиевую штангу, в котором последняя снабжена стальной конической втулкой, залитой алюминием и жестко соединенной со стержнем.

Недостатком этой конструкции является высокий расход электроэнергии при эксплуатации. Это связано с тем, что ток проходит по относительно большому расстоянию стального стержня, обладающего высоким удельным электросопротивлением. Кроме того, из-за недостаточного сцепления разнородных металлов штанги и втулки, а также образования интерметаллической пленки в этом контактном соединении, значительно увеличивается сопротивление контакта, что приводит к дополнительным потерям электроэнергии.

Известен способ изготовления анодного штыря (а.с. СССР N 250463), принятого за прототип предлагаемого изобретения, в котором алюминиевую штангу контактной сваркой приваривают к торцу стального стержня, а затем штангу дополнительно прижимают приварной головкой.

Недостатком известного способа является относительно низкая механическая прочность контактного соединения штанги со стержнем, в результате чего снижается срок службы штыря. Это обусловлено тем, что при контактной сварке разнородных металлов на границе их раздела образуется хрупкая интерметаллическая прослойка с низкими механическими свойствами по ударным нагрузкам. Одновременно с этим изготовленный по данному способу штырь обладает относительной высокой энергоемкостью из-за прохождения тока по сплошному сечению стального стержня с высоким удельным электросопротивлением и потерь в переходном контакте.

Техническим результатом изобретения является снижение расхода электроэнергии и увеличение срока службы штыря.

Технический результат достигается тем, что в анодном штыре, содержащим алюминиевую штангу и стальной стержень с головкой, стержень согласно изобретению выполнен составным из жестко соединенных между собой верхней и нижней частей, при этом верхняя часть стержня снабжена сердечником из материала с более повышенной чем у стали электропроводностью, а нижняя часть составляет от половины до 2/3 его длины. Сердечник в нижней его части снабжен коническим углублением, а нижняя часть стержня - соответствующим ему осевым выступом. Между сердечником и частями стержня установлена биметаллическая вставка. Технический результат достигается и тем, что в способе изготовления штыря, включающем опрессовку и сварку алюминиевой и стальной деталей, в полость одной из составных частей стержня коаксиально помещают сердечник, нижний торец которого жестко соединяют с частями стержня и производят сварку этих частей и штанги. Соединение торца сердечника с составными частями стержня производят с помощью пресса или заряда взрывчатого вещества.

Сущность изобретения заключается в том, что в анодном штыре стальной стержень выполнен составным из жестко соединенных между собой верхней и нижней частей, при этом верхняя часть снабжена сердечником из металла с повышенной электропроводностью. Нижняя часть стержня составляет от половины до 2/3 его длины и снабжена торцевым выступом, входящим с натягом в соответствующее ему углубление в сердечнике. В способе изготовления анодного штыря в полость верхней составной части стержня помещают сердечник, нижний торец которого давлением с помощью, например, пресса или заряда взрывчатого вещества соединяют с частями стержня и последние сваривают между собой и штангой.

Именно заявленные отличительные особенности и соотношения размеров нижней и верхней частей стержня и расположение в связи с этим сварного контактного соединения разнородных металлов от низа анодного штыря обеспечивают устойчивую длительную работу конструкции и снижение расхода электроэнергии и тем самым достижение технического результата. Это позволяет сделать вывод, что заявленные изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид анодного штыря, на фиг. 2 - фрагмент сварного контакта разнородных металлов.

Анодный штырь содержит алюминиевую штангу 1, выполненную за одно целое или соединенную через хвостовик 2 с сердечником 3, установленным в полости верхней части стержня 4, в торец которого приварена нижняя часть стержня 5. Верхняя часть стержня имеет приварную или выполненную за одно целое со стержнем 4 головку 6. Нижняя часть стержня 5, выполненная, например, из специальной жаропрочной коррозионностойкой стали, имеет осевой выступ 7, входящий при сборе с натягом в углубление 8 сердечника 3. Между сердечником 3 и составными частями стержня 4 и 5 может помещаться вставка 9.

Изготовление штыря осуществляется следующим образом: сердечник 3 в виде расплавленного металла или непосредственно в виде заготовки, помещают в полость верхней части стержня 4. Нижний торец сердечника 3 на прессе с помощью специальной оправки или торцевого выступа 7 стержня 5 соединяют с сопрягаемой поверхностью стержня 4, после чего производят сварку частей стержня 4 и 5 между собой. Соединение разнородных материалов сердечника 3 и стержня 4 может осуществлено с помощью заряда взрывчатого вещества, установленного в углубление 8 сердечника 3 или последовательной сваркой биметаллической вставки 9 к сердечнику 3 и составным частям стержня 4 и 5. После механической обработки сваренных между собой частей стержня 4 и 5 к хвостовику 2 сердечника 3 приваривают штангу 1.

Согласно предложенному изобретению нижняя часть стержня 4 выполнена с отношением от половины до 2/3 длины стальной части штыря, что определяется температурным градиентом анодного устройства электролизера. Уменьшение указанного нижнего предела приведет к образованию интерметаллических соединений и в конечном счете к нарушению контактного соединения разнородных металлов путем расплавления от воздействия высокой температуры. Превышение указанного верхнего предела не имеет практического смысла, так как приводит к ослаблению эффективности за счет перерасхода электроэнергии на участке штыря.

В условиях эксплуатации анодный штырь работает следующим образом: алюминиевая штанга с помощью специального зажимного устройства крепится к анодной ошиновке электролизера, и электрический ток от ошиновки через штангу, хвостовик и токоподводящий сердечник подается к нижней конической части стального стержня и далее через него ток поступает в угольную часть анодного массива. Периодически анодный штырь с помощью захватного устройства, установленного на штыревом кране электролизного цеха, и захватной головки штыря переставляют на другой горизонт или извлекают на чистку. При этом штырю придают вращательное и поступательное движение, освобождая его от сцепления с анодной массой угольного анода.

Использование предлагаемой конструкции штыря и способа его изготовления по сравнению с существующим позволяет уменьшить электросопротивление на участке штыря и тем самым снизить его эксплуатационную энергоемкость.

Одновременно повышается срок его службы, что при значительных объемах потребления данного изделия имеет существенное значение.

Для снижения расхода электроэнергии и увеличения срока службы анодного штыря алюминиевого электролизера, содержащего алюминиевую штангу и стальной стержень с головкой, последний выполнен составным из жестко соединенных между собой верхней и нижней частей, при этом верхняя часть снабжена сердечником из металла с повышенной по отношению к стали электропроводностью. Нижняя часть стержня составляет от половины до 2/3 длины стальной части, сердечник в нижней части имеет углубление, а нижняя часть стержня - соответствующий ему осевой выступ. Между сердечником и составными частями стержня установлена биметаллическая вставка. Способ изготовления анодного штыря включает помещение сердечника в полость верхней составной части штыря, нижний торец которого жестко соединяют с частями стержня, а затем производят сварку этих частей, при этом соединение торца сердечника с составными частями стержня производят давлением с помощью заряда взрывчатого вещества или пресса. 2 c. и 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

\\\1 1. Анодный штырь алюминиевого электролизера, содержащий алюминиевую штангу и стальной стержень с головкой, отличающийся тем, что стержень выполнен составным из жестко соединенных между собой верхней и нижней частей, при этом верхняя часть снабжена сердечником из металла с повышенной по отношению к стали электропроводностью. \\\2 2. Штырь по п.1, отличающийся тем, что нижняя часть стержня составляет от половины до 2/3 длины стальной части. \ \ \ 2 3. Штырь по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сердечник в нижней части имеет коническое углубление, а нижняя часть стержня - соответствующий ему осевой выступ. \\\2 4. Штырь по пп.1 и 2, отличающийся тем, что между сердечником и составными частями стержня установлена биметаллическая вставка. \ \ \ 2 5. Способ изготовления анодного штыря алюминиевого электролизера, включающий опрессовку и сварку частей штыря, отличающийся тем, что в полость верхней составной части стержня коаксиально помещают сердечник, нижний торец которого жестко соединяют с частями стержня, а затем производят сварку этих частей. \ \\2 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что соединение торца сердечника с составными частями стержня производят давлением с помощью заряда взрывчатого вещества или пресса.