RU2118407C1 - Anode pin of aluminum electrolyzer and process of its manufacture - Google Patents

Abstract

FIELD: nonferrous metallurgy, production of aluminum. SUBSTANCE: anode pin of aluminum electrolyzer includes aluminum rod and steel bar with head. The latter is sectional made of two rigidly interjoined parts, upper and lower. Upper part has core from metal with increased conductance relative to steel. Lower part of bar makes up to half to two thirds of steel part. Core has recess in lower part and lower of bar axial protrusion corresponding to it. Bimetal insert is placed between core and sectional parts of bar. Process of manufacture of anode pin involves placement of core into space of upper sectional part of bar which lower butt is made fast to parts of bar, welding of these parts. Butt of core is joined to sectional parts of bar by means of pressure generated by explosive charge or press. EFFECT: reduced consumption of electric energy, prolonged service life of anode pin.

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению алюминия электролитическим способом из расплава солей в электролизерах с верхним токоподводом и самообжигающимся анодом. The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the production of aluminum by electrolytic method from molten salts in electrolyzers with a top current lead and a self-firing anode.

Для удержания самообжигающегося анода и подвода к нему электрического тока используют различные по конструкции и способу изготовления анодные штыри. To hold the self-baking anode and supply an electric current to it, anode pins of various designs and manufacturing methods are used.

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. A current-conducting pin is known for a self-baking anode (patent Czechoslovakia 91839 class 40c), containing a hollow steel rod, the inner part of which is filled with a well-conducting electric current metal, forming a single unit with the steel casing of the rod.

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.The disadvantage of the design is the short service life, due to the fact that the lower part of the pin during operation is subjected to prolonged exposure to high temperatures of the anode, reaching 920 ^o C, at which the internal metal of the pin is molten, the atomic-molecular bond of the solid and liquid phases is sharply reduced, which under the influence of magnetic field leads to rupture of the electric circuit and the structure as a whole.

Кроме того, конструкция не имеет магнитного разрыва, так как на всю длину имеет стальную рубашку, что увеличивает затраты электроэнергии при электролизе. In addition, the design does not have a magnetic break, since it has a steel jacket over the entire length, which increases the cost of electricity during electrolysis.

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. Also known is the construction of a steel-aluminum anode pin (AS USSR N 447456) containing an aluminum rod having protrusions with cavities and a steel rod with holes in which protrusions of the aluminum rod are inserted, and the cavities in the protrusions of the rod are conical in shape with a depth from half to diameter of the steel bar.

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. The disadvantage of these technical solutions is the increased energy consumption during operation due to losses during the passage of current along a significant length of the steel part of the rod with high electrical resistivity.

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. The closest technical solution adopted for the prototype of the claimed design of the pin is a composite anode pin of an aluminum electrolyzer (a.s. USSR No. 395509) containing a steel rod and an aluminum rod, in which the latter is equipped with a steel conical sleeve filled with aluminum and rigidly connected to the rod .

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. The disadvantage of this design is the high energy consumption during operation. This is due to the fact that the current passes through a relatively large distance of the steel rod, which has a high electrical resistivity. In addition, due to the insufficient adhesion of dissimilar metals of the rod and sleeve, as well as the formation of an intermetallic film in this contact connection, the contact resistance increases significantly, which leads to additional energy losses.

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. A known method of manufacturing an anode pin (AS USSR N 250463), adopted for the prototype of the invention, in which an aluminum rod is contact-welded to the end of a steel rod, and then the rod is additionally pressed with a welded head.

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. The disadvantage of this method is the relatively low mechanical strength of the contact connection of the rod with the rod, resulting in reduced service life of the pin. This is due to the fact that during contact welding of dissimilar metals at the interface they form a brittle intermetallic layer with low mechanical properties in impact loads. At the same time, the pin made according to this method has a relatively high energy intensity due to the passage of current through the solid section of a steel rod with high electrical resistivity and losses in the transition contact.

Техническим результатом изобретения является снижение расхода электроэнергии и увеличение срока службы штыря. The technical result of the invention is to reduce power consumption and increase the life of the pin.

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. The technical result is achieved by the fact that in the anode pin containing an aluminum rod and a steel rod with a head, the rod according to the invention is made up of rigidly interconnected upper and lower parts, while the upper part of the rod is equipped with a core of a material with a higher conductivity than steel , and the lower part is from half to 2/3 of its length. The core in its lower part is equipped with a conical recess, and the lower part of the rod is equipped with an axial protrusion corresponding to it. Bimetal insert is installed between the core and parts of the rod. The technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing the pin, including crimping and welding of aluminum and steel parts, a core is coaxially placed in the cavity of one of the component parts of the rod, the lower end of which is rigidly connected to the parts of the rod and these parts and rods are welded. The connection of the end face of the core with the constituent parts of the rod is carried out using a press or explosive charge.

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. The essence of the invention lies in the fact that in the anode pin, the steel rod is made up of rigidly interconnected upper and lower parts, while the upper part is equipped with a core of metal with high electrical conductivity. The lower part of the rod is from half to 2/3 of its length and is equipped with an end protrusion, which comes with an interference fit into its corresponding recess in the core. In the method of manufacturing the anode pin, a core is placed in the cavity of the upper component of the rod, the lower end of which is connected by pressure, for example, with a press or explosive charge, to the parts of the rod and the latter are welded together and the rod.

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. It is the declared distinctive features and the ratio of the sizes of the lower and upper parts of the rod and the location in this regard of the welded contact joint of dissimilar metals from the bottom of the anode pin that provide stable long-term operation of the structure and reduce energy consumption and thereby achieve a technical result. This allows us to conclude that the claimed invention are interconnected by a single inventive concept.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид анодного штыря, на фиг. 2 - фрагмент сварного контакта разнородных металлов. The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 is a perspective view of the anode pin; FIG. 2 - a fragment of the weld contact of dissimilar metals.

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. The anode pin contains an aluminum rod 1 made in one piece or connected through a shank 2 with a core 3 installed in the cavity of the upper part of the rod 4, in the end of which the lower part of the rod is welded 5. The upper part of the rod is welded or made in one piece with the rod 4 head 6. The lower part of the rod 5, made, for example, of special heat-resistant corrosion-resistant steel, has an axial protrusion 7, which, when assembled with an interference fit, enters into the recess 8 of the core 3. Between the core 3 and the components of the rod 4 and 5 we can This fits box 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. The manufacture of the pin is as follows: the core 3 in the form of molten metal or directly in the form of a preform is placed in the cavity of the upper part of the rod 4. The lower end of the core 3 on the press using a special mandrel or end protrusion 7 of the rod 5 is connected to the mating surface of the rod 4, after which produce welding of the parts of the rod 4 and 5 with each other. The dissimilar materials of the core 3 and the rod 4 can be connected using an explosive charge installed in the recess 8 of the core 3 or by sequentially welding a bimetallic insert 9 to the core 3 and the components of the rod 4 and 5. After machining the parts of the rod 4 and 5 that are welded together the rod 1 is welded to the shank 2 of the core 3.

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. According to the proposed invention, the lower part of the rod 4 is made with a ratio of from half to 2/3 of the length of the steel part of the pin, which is determined by the temperature gradient of the anode device of the electrolyzer. Reducing the specified lower limit will lead to the formation of intermetallic compounds and ultimately to the violation of the contact compounds of dissimilar metals by melting from exposure to high temperature. Exceeding the specified upper limit does not make practical sense, since it leads to a weakening of efficiency due to excessive consumption of electricity in the pin section.

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. Under operating conditions, the anode pin works as follows: an aluminum rod is attached to the anode busbar of the electrolyzer using a special clamping device, and the electric current from the busbar through the rod, the shank and the current-supply core is supplied to the lower conical part of the steel rod and then through it the current flows into the coal part anode array. Periodically, the anode pin using a gripping device mounted on a pin valve of the electrolysis shop, and the pin head of the pin is moved to another horizon or removed for cleaning. In this case, the pin is provided with rotational and translational motion, freeing it from adhesion to the anode mass of the carbon anode.

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. Using the proposed design of the pin and the method of its manufacture in comparison with the existing one allows to reduce the electrical resistance in the area of the pin and thereby reduce its operational energy consumption.

Одновременно повышается срок его службы, что при значительных объемах потребления данного изделия имеет существенное значение. At the same time, its service life is increased, which, with significant volumes of consumption of this product, is essential.

Claims (1)

\\\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. \\\ 1 1. Anode pin of an aluminum electrolyzer containing an aluminum rod and a steel rod with a head, characterized in that the rod is made up of rigidly interconnected upper and lower parts, while the upper part is provided with a metal core with an increased relative to became electrical conductivity. \\\ 2 2. The pin according to claim 1, characterized in that the lower part of the rod is from half to 2/3 of the length of the steel part. \ \ \ 2 3. The pin according to claims 1 and 2, characterized in that the core in the lower part has a conical recess, and the lower part of the rod has a corresponding axial protrusion. \\\ 2 4. The pin according to claims 1 and 2, characterized in that a bimetallic insert is installed between the core and the component parts of the rod. \ \ \ 2 5. A method of manufacturing the anode pin of an aluminum electrolyzer, including crimping and welding the parts of the pin, characterized in that a core is coaxially placed in the cavity of the upper component of the rod, the lower end of which is rigidly connected to the parts of the rod, and then these parts are welded. \\\ 2 6. The method according to claim 5, characterized in that the connection of the end face of the core with the components of the rod is produced by pressure using an explosive charge or press.

Images