Сталеалюминиевый анодный штырь алюминиевого электролизера

 

Изобретение относится к оборудованию для электролизеров алюминия, изготавливаемых с использованием энергии взрывчатых веществ, и может быть использовано при создании различных конструкций биметаллических переходников с минимальными потерями тока и напряжения на границе соединения. Сущность: сталеалюминиевый анодный штырь содержит алюминиевую штангу (АШ)с цилиндрическими выступами 2 с внутренними коническими полостями 5 и стальной стержень (СС) 3 с цилиндрическими отверстиями. Для обеспечения качества сварки взрывом выступ 2 АШ и соответствующая внутренняя коническая полость 5 выполнены длиной, превышающей диаметр стального стержня 3 на величину половины диаметра основания внутренней конической полости 5. При этом цилиндрическое отверстие в (СС) 3 со стороны, противоположной направлению вставки выступов 2 АШ, выполнено с кольцевым уступом 7, высотой 0,1 - 1,5 мм и шириной 1 - 2 мм. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к оборудованию для электролизеров алюминия, изготавливаемых с использованием энергии взрывчатых веществ и может быть использовано при создании различных конструкций биметаллических переходников с минимальными потерями тока и напряжения на границе соединения.

Известен анододержатель алюминиевого электролизера, включающий алюминиевую штангу и стальной кронштейн, в котором алюминиевая штанга снабжена головкой с полыми цилиндрическими выступами для размещения заряда, а стальной кронштейн выполнен с отверстиями, в которые входят выступы головки алюминиевой штанги. Недостатком известной конструкции является невозможность обеспечения оптимального распространения фронта давления при сварке взрывом цилиндрических поверхностей и, как следствие, плохое качество сварного соединения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является сталеалюминиевый анодный штырь алюминиевого электролизера, включающий алюминиевую штангу, имеющую выступы с полостями и стальной стержень с отверстиями, в которые вставлены выступы алюминиевой штанги. Полости в выступах алюминиевой штанги выполнены конической формы глубиной от половины до диаметра стального стержня. Недостатком этой конструкции является наличие начального участка непровара, некачественного сварного соединения между алюминием штанги и сталью сердечника около места инициирования заряда. Наличие некачественного сварного соединения (непровара) на начальном участке приводит к потере тока и напряжения при эксплуатации анодного штыря.

Из-за переменной по длине сварки массы метаемого взрывом алюминия и нежесткой фиксации необходимого зазора между свариваемыми поверхностями, конструкция не исключает возможность плоского соударения алюминия со сталью, недопустимого при сварке взрывом.

Задачей при создании изобретения являлось обеспечение качества сварки взрывом и уменьшение потерь тока и напряжения на границе соединения сталь-алюминий при эксплуатации анодного штыря.

Поставленная задача решается тем, что выступ алюминиевой штанги и соответствующая внутренняя коническая полость выполнены длиной, превышающей диаметр стального стержня (с так называемым нависанием) на величину половины диаметра основания внутренней конической полости, а цилиндрическое отверстие в стальном стержне с одной стороны, противоположной направлению вставки (вставлению) выступов алюминиевой штанги, выполнено с кольцевым уступом (на начальном участке сварки) высотой 0,1-1,5 мм и шириной 1-2 мм.

Отверстие в стальном стержне выполнено коническим с углом наклона поверхности отверстия к оси 0,5-3^о, а выступы алюминиевой штанги вставлены в отверстия со стороны его большого диаметра.

На поверхности выступов алюминиевой штанги со стороны тела штанги выполнены три и более уступа высотой равной разнице между радиусом отверстия в стальном стержне и радиусом наружной поверхности выступа алюминиевой штанги шириной 2-4 мм и длиной 5-15 мм.

На фиг.1 изображен общий вид сталеалюминиевого анодного штыря; на фиг.2 схема установки выступа алюминиевой штанги в цилиндрическое отверстие стального стержня; на фиг. 3 сечение на фиг.2 с уступами на поверхности выступов алюминиевой штанги; на фиг.4 схема установки выступа алюминиевой штанги в коническое отверстие стального стержня.

Сталеалюминиевый анодный штырь (фиг.1) состоит из алюминиевой штанги 1 с выступами 2 длиной L, вставленными и вваренными в отверстия стального стержня 3 диаметром D_ст.

Выступ 2 алюминиевой штанги 1 вставлен в отверстие диаметром D_от стального стержня 3 (фиг.2) в направлении С с зазором 4. Выступ имеет внутреннюю коническую полость 5, с основанием конической полости 6 диаметром D_ос. Выступ 2, выполненный длиной L, превышающей диаметр стального стержня на величину L, в свою очередь большую D_ос/2 внутренней конической полости 5. Цилиндрическое отверстие в стальном стержне 3 с одной стороны, противоположной направлению вставки С выступов 2 алюминиевой штанги 1, выполнено с кольцевым уступом 7. Для фиксации необходимого зазора 4 при установке выступов 2 в стальной стержень 3 со стороны тела штанги 1 на выступах 2 выполнены три и более уступа 8 (фиг.2, 3, 4).

Как вариант, отверстие в стальном стержне 3 выполняется коническим 9 (фиг,4) с углом наклона 10 поверхности к оси равным 0,5-3^о, а выступы 2 алюминиевой штанги 1 вставлены в коническое отверстие 9 со стороны большого диаметра конического отверстия 9.

Длину выступа алюминиевой штанги и соответствующей внутренней конической полости необходимом выполнять превышающей диаметр стального стержня на величину L, большей половины диаметра основания внутренней конической полости, для уменьшения длины начального участка непровара при сварке взрывом. Выступ, выполненный длиной превышающей диаметр, позволяет создать нависание метаемого алюминия над неподвижным стальным материалом; оптимальным нависанием при сварке взрывом является нависание метаемой заготовки, равное высоте применяемого заряда ВВ. В нашем конкретном случае эта величина определяется 1/2D_oc, так как заряд размещается во внутренней конической полости выступа и инициируется со стороны большого основания корпуса.

Волнообразование на границе соединения материалов при сварке взрывом свидетельствует о качественном соединении свариваемых материалов. Поэтому в предлагаемой конструкции необходимо волнообразование получать на начальном участке соударения, для исключения потерь тока и напряжения при работе анодного штыря, которые зависят от качества сварки по всей длине свариваемых поверхностей.

В работе А.А.Дерибаса ("Физика упрочнения и сварки взрывом". Сиб. отделение. Изд-во "Наука", 1980, с. 145) экспериментально было показано, что при сварке взрывом плоских заготовок с уступом на неподвижной заготовке на начальном участке высотой порядка амплитуды волны образующегося сварного соединения, качественное сварное соединение образуется непосредственно за уступом. В нашей конструкции анодного штыря в отверстии стального стержня на начальном участке предлагается делать кольцевой уступ высотой 0,1-1,5 мм, так как эти значения характеризуют амплитуду волны при качественном соединении сваркой взрывом плоских заготовок алюминия со сталью. Ширину кольцевого уступа предлагается делать 1-2 мм, по технологическим соображениям с целью получения качественного сварного соединения по максимальной площади контакта материала алюминиевой штанги и стального штыря.

В нашей конструкции анодного штыря при сварке взрывом метаемая масса Al штыря переменна по длине сварки. Угол соударения свариваемых поверхностей алюминия со сталью зависит от массы метаемого алюминия и по длине сварки также будет переменным.

С целью исключения плоского соударения, а получения соударения в режиме с углом 7-12^о, характеризующим образование качественного соединения алюминий сталь, предлагается делать отверстие в стальном стержне коническим с углом наклона поверхности отверстия к оси 0,5-3^о, так как при установке выступа алюминиевой штанги соосно в отверстие стального стержня со стороны большого диаметра этот угол будет и между свариваемыми поверхностями.

Для соосной установки и закрепления выступа в отверстии перед сваркой необходимо выполнять на выступах алюминиевой штанги со стороны тела штанги три и более уступа для исключения непровара на начальном участке. Ширина уступа 2-4 мм и длина 5-15 мм выбирается по технологическим соображениям для обеспечения соосности и предварительного плотного соединения перед сваркой взрывом.

П р и м е р 1. В стальном стержне длиной 1950 мм и диаметром 135 мм в два цилиндрических отверстия диаметром 65 мм с кольцевыми уступами высотой 0,9 мм и шириной 1,5 мм с противоположной стороны уступам установлены два цилиндрических выступа алюминиевой штанги диаметром 60 мм, длиной 165 мм, четырьмя со стороны тела штанги уступами высотой 2,5 мм, шириной 3,5 мм и длиной 14 мм. Внутренняя коническая полость выступа выполнена длиной 160 мм, с диаметром основания конической полости 50 мм. Нависание алюминиевого выступа над стальным стержнем было 25 мм. В конической полости располагались заряды ВВ. После сварки взрывом было получено качественное соединение по всей площади контакта поверхностей алюминиевых выступов с внутренними поверхностями отверстий в стальном стержне.

П р и м е р 2. В стальном стержне с двумя коническими отверстиями диаметр основания 65 мм, угол наклона поверхности отверстия к оси 1^о со стороны диаметра основания 65 мм установлена алюминиевая штанга аналогичная описанному в примере 1. После подрыва заряда было получено качественное сварное соединение с начальным участком непровара не более 6 мм.

Сталеалюминиевые штыри испытаны на падение напряжения на контакте алюминий-сталь. Испытания проводились при силе тока 300 А и показали, что падение напряжения на контакте алюминий-сталь, полученном сваркой взрывом, не превышает 180 мВ.

Формула изобретения

1. СТАЛЕАЛЮМИНИЕВЫЙ АНОДНЫЙ ШТЫРЬ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА, включающий алюминиевую штангу, имеющую цилиндрические выступы с внутренними коническими полостями, и стальной стержень с цилиндрическими отверстиями, в которые вставлены выступы алюминиевой штанги, отличающийся тем, что выступ алюминиевой штанги и соответствующая внутренняя коническая полость выполнены длиной, превышающей диаметр стального стержня на величину половины диаметра основания внутренней конической полости, а цилиндрическое отверстие в стальном стержне с одной стороны, противоположной направлению вставки выступов алюминиевой штанги, выполнено с кольцевым уступом высотой 0,1 1,5 мм и шириной 1 2 мм.

2. Штырь по п.1, отличающийся тем, что отверстия в стальном стержне выполнены коническими с углом наклона поверхности отверстия к оси 0,5 - 3^o, а выступы алюминиевой штанги вставлены в отверстия со стороны его большого диаметра.

3. Штырь по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на выступах алюминиевой штанги со стороны тела штанги выполнены три и более уступа высотой, равной разнице между радиусом отверстия в стальном стержне и радиусом наружной поверхности выступа алюминиевой штанги, шириной 2 4 мм и длиной 5 15 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4