Контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера

 

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для обеспечения работы электролизеров по производству каустической соды, а именно для соединения токоподводящей шины с катодной секцией электролизера. Технический результат, который обеспечивается при осуществлении полезной модели - увеличение срока службы и надежности работы контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера, снижение потерь электроэнергии при длительном сроке его эксплуатации. Поставленный технический результат достигается тем, что контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера содержит алюминиевую токоподводящую шину, соединенную с катодной секцией электролизера через переходный элемент, алюминиевая токоподводящая шина выполнена монолитной и соединена сваркой плавлением с катодной секцией электролизера, которая выполнена в виде набора гибких медных пластин, а переходный элемент представляет собой два сопряженных трехслойных медно-алюминиевых композиционных материала, каждый из которых состоит из медной пластины, которая на расстоянии не менее 1/3 своей длины соединена сваркой взрывом симметрично с двух сторон с алюминиевыми пластинами, причем толщина каждой алюминиевой пластины кратна толщине алюминиевой токоподводящей шине и составляет 8-14 мм, а толщина каждой медной пластины кратна толщине набора гибких медных пластин.

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для обеспечения работы электролизеров по производству каустической соды, а именно для соединения токоподводящей шины с катодной секцией электролизера.

Известно контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера (патент 2318926, МПК С25С 3/16, опубл. 2008 г.), которое содержит токоподводящую шину, выполненную в виде набора гибких полос с закрепленным на конце медно-алюминиевым наконечником. Наконечник жестко соединен с катодным стержнем катодной секции электролизера крепежными элементами. На контактирующую поверхность наконечника нанесено покрытие из металла или металлического сплава, обладающее высокой стойкостью к коррозии на воздухе при повышенных температурах, выбранных из группы: никель, латунь, хромистая бронза, нержавеющая сталь. Контактная поверхность катодного стержня механически обработана.

Недостатками данного технического решения является крепление наконечника к катодной секции электролизера крепежными элементами, что приводит к их неполному контакту и ведет к увеличению потерь электроэнергии на данном участке и уменьшению срока службы и надежности работы из-за электрокоррозии. Нанесение покрытия на контактирующую поверхность наконечника из дорогостоящих материалов является экономически необоснованным и усложняет технологический процесс.

Известно контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера (патент 2220229, МПК С25С 3/16, опубл. 2003 г.), содержащее алюминиевую токоведущую шину, выполненную в виде набора гибких алюминиевых полос, соединенную с блюмсом катодной секции электролизера болтовым соединением через переходный элемент, новым является то, что переходный элемент выполнен из триметалла медь-сталь-алюминий, при этом медный слой переходного элемента контактирует с поверхностью блюмса катодной секции электролизера, к алюминиевому слою переходного элемента присоединен набор гибких алюминиевых полос токоведущей шины, а прижимные поверхности болтового соединения контактируют со стальным слоем переходного элемента. Переходный элемент изготовлен сваркой взрывом. Медный и алюминиевый слои переходного элемента расположены на противоположных сторонах стального слоя, причем алюминиевый слой занимает часть поверхности стального слоя. Или медный и алюминиевый слои расположены на взаимно перпендикулярных сторонах стального слоя.

Недостатками данного технического решения является использование в качестве переходного элемента триметалла медь-сталь-алюминий, при использовании которого не происходит непосредственного контакта между медью и алюминием. Использование крепления переходного элемента к блюмсу катодной секции электролизера с помощью болтового соединения приводит к электрокоррозии, а следовательно, к уменьшению надежности, срока службы и увеличению потерь электроэнергии контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера.

Известно контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера (патент 2085624, МПК С25С 3/16, опубл. 1997 г.), состоящее из токопроводящей шины, выполненной в виде пакета алюминиевых полос, соединенных со стальным блюмсом через приваренный наконечник, выполненный в виде биметаллической медно-алюминиевой пластины, соединенной со стальным блюмсом катодной секции электролизера болтовым соединением таким образом, что медный слой контактирует с предварительно плакированной медью концевой частью блюмса. Поперечное сечение наконечника равно сечению алюминиевой шины, причем отношение суммарной толщины слоев меди на блюмсе и биметаллическом медно-алюминиевом наконечнике к толщине алюминиевой шины равно 0,01-0,2.

Недостатками данного технического решения является расположение границы алюминий-медь медно-алюминиевого переходного элемента в непосредственной близости от источника тепла (стального блюмса), в результате чего в период выхода электролизера на рабочий режим (~1214 дней) указанная граница нагревается до температур 200250°С, что приводит к образованию на ней интерметаллидой прослойки, которая существенно снижает проводимость узла в целом. Это ведет к увеличению потерь электроэнергии и уменьшению срока службы и надежности работы контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера.

Наиболее близким к изобретению является контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера (патент 2165483, МПК С25С 3/16, опубл. 2001 г.), содержащее алюминиевую токоподводящую шину, выполненную в виде набора гибких алюминиевых полос, соединенную с катодной секцией электролизера через наконечник, соединенный со стальным блюмсом катодной секции электролизера болтовым соединением. Наконечник выполнен из медной и алюминиевой пластин, соединенных между собой внахлест сваркой взрывом и образующих переходный элемент с площадью контакта на 10-20% больше площади поперечного сечения алюминиевой токоподводящей шины. При этом переходный элемент расположен от торца стального блюмса на расстоянии не менее 5-6 толщин медной пластины, а площадь сечения медной пластины наконечника составляет 65-70% от площади поперечного сечения алюминиевой токоподводящей шины.

Недостатками данного технического решения является применение болтового соединения для крепления наконечника со стальным блюмсом катодной секции электролизера, которое приводит к ухудшению электрического контакта в месте соединения, вследствие чего происходит электрокоррозия, которая уменьшает надежность и срок службы узла токоподвода, а также увеличивает потери электроэнергии.

Технический результат, который обеспечивается при осуществлении полезной модели - увеличение срока службы и надежности работы контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера, снижение потерь электроэнергии при длительном сроке его эксплуатации.

Поставленный технический результат достигается тем, что контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера содержит алюминиевую токоподводящую шину, соединенную с катодной секцией электролизера через переходный элемент, алюминиевая токоподводящая шина выполнена монолитной и соединена сваркой плавлением с катодной секцией электролизера, которая выполнена в виде набора гибких медных пластин, а переходный элемент представляет собой два сопряженных трехслойных медно-алюминиевых композиционных материала, каждый из которых состоит из медной пластины, которая на расстоянии не менее 1/3 своей длины соединена сваркой взрывом симметрично с двух сторон с алюминиевыми пластинами, причем толщина каждой алюминиевой пластины кратна толщине алюминиевой токоподводящей шине и составляет 8-14 мм, а толщина каждой медной пластины кратна толщине набора гибких медных пластин.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера, на фиг.2 изображены трехслойные медно-алюминиевые композиционные материалы контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера. На фиг.3 представлена температурно-временная зависимость появления интерметаллидов в системе медь-алюминий, на фиг.4 представлена фотография полученных трехслойных медно-алюминиевых композиционных материалов, а на фиг.5 показана зона соединения медь-алюминий композиционного материала.

Контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера (фиг.1) состоит из токоподводящей алюминиевой шины 1, соединенной с катодной секцией 2 электролизера, выполненной в виде набора гибких медных пластин, сварными швами 3 и 4, полученными сваркой плавлением, через переходный элемент 5, который представляет собой два сопряженных трехслойных медно-алюминиевых композиционных материала (фиг.2), каждый из которых состоит из медной пластины 6, которая на расстоянии не менее 1/3 своей длины соединена сваркой взрывом симметрично с двух сторон с алюминиевыми пластинами 7, причем толщина каждой алюминиевой пластины 7 кратна толщине алюминиевой токоподводящей шины 1 и составляет 8-14 мм, а толщина каждой медной пластины 6 кратна толщине набора гибких медных пластин катодной секции 2 электролизера, а их свободная длина l1 и l2 соответствует расстоянию, на котором температура контактных участков в процессе сварки плавлением не будет превышать 120-150°C, что позволяет повысить прочность, надежность и долговечность контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера.

Контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера работает следующим образом. Рабочий ток идет из сети по токоподводящей алюминиевой шине 1 через сварной шов 3, полученный сваркой плавлением, в переходный элемент 5, а именно на алюминиевые пластины 7, затем через зону соединения алюминий-медь, полученную сваркой взрывом, идет в медные пластины 6. Затем через сварной шов 4, полученный сваркой плавлением, идет на катодную секцию 2 электролизера и далее в ванну электролизера. В процессе эксплуатации контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера значительная часть потерь электроэнергии происходит в переходном элементе 5, соединяющем алюминиевую шину 1 с набором гибких медных пластин катодной секции 2 электролизера. Поэтому к качеству соединения алюминиевых пластин 7 с медными пластинами 6 предъявляют повышенное требование, заключающееся в обеспечении надежности работы данного контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера, а также в повышении его срока службы. Эти требования обеспечиваются тем, что переходный элемент 5 представляет собой два сопряженных трехслойных медно-алюминиевых композиционных материала, каждый из которых состоит из медной пластины 6, которая на расстоянии не менее 1/3 своей длины соединена сваркой взрывом симметрично с двух сторон с алюминиевыми пластинами 7, причем толщина каждой алюминиевой пластины 7 кратна толщине алюминиевой токоподводящей шины 1 и составляет 8-14 мм, а толщина каждой медной пластины 6 кратна толщине набора гибких медных пластин катодной секции 2 электролизера.

Сборка предлагаемой конструкции контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера происходит в следующей последовательности. На первом этапе осуществляется изготовление одновременной двусторонней симметричной сваркой взрывом переходного элемента 5, состоящего из двух сопряженных трехслойных медно-алюминиевых композиционных материалов, контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера, представленных на фиг.2. Затем производят термообработку и правку полученных заготовок. На втором этапе осуществляют сборку и сварку плавлением с получением сварных швов 3 и 4 (например, дуговая сварка угольным электродом) полученных частей переходного элемента 5 с алюминиевой шиной 1 и катодной секцией 2 электролизера.

Пример исполнения. Были получены трехслойные медно-алюминиевые композиционные материалы контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера размерами 350×300 мм, имеющие толщину медного, с одной стороны, и алюминиевого, с другой, выходов 20 мм и 32 мм соответственно, длина плакированной части в каждом из переходных элементов равна 100 мм, в которых в качестве плакирующих пластин использовался алюминий марки АД0, размерами 300×300 мм, толщиной 8 мм, в качестве плакируемых пластин использовались медные пластины марки M1 размерами 300×250 мм и толщиной 10 мм.

На первом этапе осуществляли сборку пакета и сварку взрывом по схеме одновременной двусторонней симметричной сварки взрывом. При этом толщина алюминиевой пластины менялась от 4 до 16 мм. Полученные сваркой взрывом медно-алюминиевые композиты с разной толщиной алюминиевого слоя разрезались на образцы для проведения механических испытаний, металлографических и электрофизических исследований. Данные о влиянии толщины алюминиевой основы на прочность соединения и количества оплавов при одновременной двусторонней симметричной сварке взрывом приведены в таблице 1.

Влияние толщины алюминиевой основы на прочность соединения, количество оплавов и угол загиба.

Таблица 1
Толщина алюминиевой пластины, мм Длина волны , ммАмплитуда 2a, ммПрочность соединения, в,, МПа Количество оплавов К, % Угол загиба при постоянной нагрузке 2500 кН, град
41,8 0,856 88165
6 0,80,5 7432 155
80,2 0,1100 0120
10 0,170,1 980 90
120,17 0,11101 070
14 0,170,1 1000 45
160,17 0,1100 030

Полученные результаты исследований показали, что при использовании схемы одновременной двусторонней симметричной сварки взрывом, с толщиной алюминиевой основы менее 8 мм на границах получаемого трехслойного соединения происходит существенный рост параметров волнового профиля и количества оплавленного металла, что при сварке разнородных металлов ведет к снижению прочностных характеристик получаемого композита и увеличению переходного электросопротивления. Если же использовать алюминиевые пластины толщиной от 8 до 14 мм, то на границе получаемого трехслойного соединения наблюдаются стабильные размеры параметров волнового профиля и отсутствие оплавленного металла, что позволяет получить прочное соединение с удовлетворяющим требования электросопротивлением. Применение алюминиевых пластин толщиной более 14 мм является технологически невыгодным, так как небольшой угол загиба при постоянной нагрузке.

На втором этапе осуществляли правку трехслойных медно-алюминиевых композиционных материалов, сборку и дуговую сварку плавлением их с алюминиевой и медной шинами. На первом этапе свариваемые пластины изготавливались определенного размера с условием, чтобы длина l1 и l2 крайних медных пластин 6 и алюминиевых пластин 7 соответствовала расстоянию, на котором температура контактных участков в процессе сварки плавлением не будет превышать 120-150°C. Это обусловлено тем, что в результате сварки плавлением под воздействием высоких температур в зоне соединения меди с алюминием согласно фиг.3, образуются интерметаллидные соединения, снижающие как прочностные, так и электрофизические свойства композита. А также согласно данным [Воропай Н.М., Шиняев А.Я. Влияние нагрева на диффузионные процессы и свойства биметаллических соединений алюминия с медью // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1967. - 12. - С.55-57] при такой температуре, величина коэффициента взаимной диффузии не превысит значения D=10-13 см 2/сек, при котором за время сварки не происходит образование диффузионной зоны.

Т.е. минимальная длина крайних l1 и l2 медных 6 и алюминиевых 7 пластин при соединении их дуговой сваркой неплавящимся электродом, должна быть:

,

где: 2·l - длина зоны термического влияния; q - эффективная мощность источника теплоты (q=I·U·); - скорость сварки; с· - объемная теплоемкость (для алюминия с·=2,7 Дж/cм3·гpaд, для меди с·=3,9 Дж/см3·град); - толщина пластины; Tl - температура на границе зоны термического влияния.

Дуговая сварка неплавящимся электродом встык медных пластин 6 с медной шиной 2 (Cu=20 мм) выполняется при токе I=700-800 А, напряжении дуги U=25-30 В и скорости сварки V=0,3 см/сек, =0,58.

Дуговая сварка неплавящимся электродом встык алюминиевых пластин 7 с алюминиевой шиной 1 (Al=32 мм) выполняется при токе I=1000-1100 А, напряжении дуги U=25-30 В и скорости сварки V=0,25 см/сек, =0,61.

Подставив в формулу значения коэффициентов и параметры режимов сварки, определили ширину зоны, нагревающейся до температуры Т150°C:

для меди: 2·l=22 см

для алюминия: 2·l=33 см

Таким образом, минимальная длина крайних медных пластин 6:

l1=f(d)+220 мм.

А минимальная длина крайних алюминиевых пластин 7:

l2=f(d)+330 мм.

Такая длина крайних медных 6 и алюминиевых 7 пластин соответствует расстоянию, на котором температура контактных участков в процессе сварки плавлением не превышает 120-150°C.

При выполнении крайних медных 6 и алюминиевых 7 пластин длиной меньше чем f(d)+220 мм и f(d)+330 мм соответственно, в зоне соединения меди с алюминием в контактных участках будут образовываться интерметаллидные соединения, снижающие как прочностные, так и электрофизические свойства композита.

При осуществлении полезной модели техническим результатом является увеличение срока службы и надежности работы контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера, а также снижение потерь электроэнергии при длительном сроке его эксплуатации.

Контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера, содержащее алюминиевую токоподводящую шину, соединенную с катодной секцией электролизера через переходный элемент, отличающееся тем, что алюминиевая токоподводящая шина выполнена монолитной и соединена сваркой плавлением с катодной секцией электролизера, которая выполнена в виде набора гибких медных пластин, а переходный элемент представляет собой два сопряженных трехслойных медно-алюминиевых композиционных материала, каждый из которых состоит из медной пластины, которая на расстоянии не менее 1/3 своей длины соединена сваркой взрывом симметрично с двух сторон с алюминиевыми пластинами, причем толщина каждой алюминиевой пластины кратна толщине алюминиевой токоподводящей шине и составляет 8-14 мм, а толщина каждой медной пластины кратна толщине набора гибких медных пластин.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к бурению тоннельных стволов диаметром до 1400 мм для прокладки нефте-газо-продуктопроводов, линий связи, ЛЭП и др

Изобретение относится к области сварки цветных металлов неплавящимся электродом

Изобретение относится к устройствам для электролитического получения неорганических соединений или неметаллов высокой чистоты, в частности, к электролизерам для разложения воды и может быть применено в химической и металлообрабатывающей промышленности, в электрохимической энергетике, в системах охлаждения мощных электрогенераторов, в метеорологии
Наверх