Контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера

 

Техническим результатом изобретения является улучшение температурных условий работы медно-алюминиевого переходного элемента электролизера для получения алюминия за счет снижения температуры эксплуатации в период выхода электролизера на рабочий режим до 100 - 130^oС вследствие удаления последнего от источника тепла - стального блюмса. Контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера содержит 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. 2 ил.

Изобретение относится к электрометаллургии и может быть использовано для производства алюминия.

Известно контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера для производства алюминия (а.с. СССР N 62486, кл. C 25 C 3/16, 1962), содержащее алюминиевую токоподводящую шину, соединенную с катодной секцией электролизера через промежуточный элемент (сборные железные шины).

Недостатками данного технического решения являются повышенная температура эксплуатации контакта (200. ..250^oC) вследствие недостаточно надежного соединения сопряженных поверхностей стального катода и железной шины (промежуточного элемента), приводящая к повышению переходного сопротивления.

Наиболее близким к изобретению является контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера для производства алюминия (патент РФ N 2085624 Кл⁶ C 25 C3/16, H 01 R 4/62, 1997), содержащее алюминиевую токоподводящую шину, выполненную в виде набора гибких алюминиевых полос, соединенную с катодной секцией электролизера через наконечник, выполненный в виде биметаллической медно-алюминиевой пластины, соединенный со стальным блюмсом катодной секции электролизера болтовым соединением таким образом, что медный слой контактирует с предварительно плакированной медью концевой частью блюмса.

Недостатком 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 (~12...14 дней) указанная граница нагревается до температур 200...250^oC, что приводит к образованию на ней интерметаллидой прослойки, существенно снижающей проводимость узла в целом, которая сохраняется в дальнейшем неизменной в процессе эксплуатации узла (при рабочих температурах 100...130^oC.) Задача изобретения - создание эффективного, простого и удобного в эксплуатации разборного соединения, обладающего стабильно малым переходным электросопротивлением при вынужденных температурах эксплуатации свыше 200^oC, увеличение срока службы.

Техническим результатом изобретения является улучшение температурных условий работы медно-алюминиевого переходного элемента за счет снижения температуры эксплуатации в период выхода электролизера на рабочий режим до 100. . . 130^oC вследствие удаления последнего от источника тепла (стального блюмса).

Это достигается тем, что у контактного соединения узла токоподвода к катодной секции электролизера, 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, причем 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.

С целью снижения температуры нагрева переходного элемента проходящим током соединенные между собой внахлест сваркой взрывом медная и алюминиевая пластины наконечника образуют переходный элемент с площадью контакта на 10.. . 20% больше площади поперечного сечения алюминиевой токоподводящей шины, и вынесенный от источника тепла (стального блюмса) на расстояние не менее 5-6 толщин медной пластины наконечника обеспечивает, по сравнению с прототипом, благоприятное расположение границы медь-алюминий переходного элемента, что способствует улучшению температурных условий работы медно-алюминиевого переходного элемента за счет снижения температуры эксплуатации в период выхода электролизера на рабочий режим до 100...130^oC, что гарантирует стабильно низкое значение переходного электросопротивления, и, как следствие, обеспечивает возможность длительной эксплуатации в рабочих условиях без ухудшения проводимости узла.

Применение медного слоя наконечника сечением более 70% от площади поперечного сечения токоподводящей шины приводит к удорожанию конструкции, а менее 65% - к увеличению омического сопротивления медной пластины больше сопротивления алюминиевой шины, что ведет к дополнительному нагреву медно-алюминиевого переходного элемента и, как следствие, ухудшению температурных условий работы последнего. Расположение переходного элемента на расстоянии менее 5 толщин медной пластины от стального блюмса приводит к нагреву переходного элемента в период выхода электролизера на рабочий режим до температур 200. . . 250^oC, что обусловливает образование на границе биметалла медь-алюминий интерметаллидной прослойки, существенно снижающей проводимость узла в целом; более 6 толщин медной пластины приводит к удорожанию конструкции. Применение переходного элемента с площадью контакта медной и алюминиевой пластин менее 10% площади поперечного сечения алюминиевой токоподводящей шины приводит к дополнительному нагреву переходного элемента проходящим током, а более 20% - к удорожанию конструкции.

Проведенный заявителем анализ техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволили выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого изобретения, результаты которого показывают, что заявляемое изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, сделанное заявление изобретения соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг. 1 приведен пример реализации заявляемого технического решения; на фиг. 2 - результаты замера падения напряжения на участке "стальной блюмс - алюминиевая шина".

Контактное соединение состоит из стального блюмса 1, помещаемого в катодную часть электролизера 2, соединенного с токоподводящей магистралью 3 алюминиевой токоподводящей шиной 4, выполненной в виде набора гибких алюминиевых полос, крепящейся на фрезерованную концевую часть блюмса 1 через наконечник болтовым соединением 5, обеспечивающим необходимое усилие прижатия деталей. Наконечник состоит из медной 6 и алюминиевой 7 пластин, соединенных между собой внахлест сваркой взрывом и образующих переходный элемент 8 с площадью контакта на 10...20% больше площади поперечного сечения алюминиевой токоподводящей шины 4, поперечное сечение алюминиевой пластины наконечника равно сечению алюминиевой токоподводящей шины, площадь сечения медной пластины наконечника составляет 65. . .70% от площади поперечного сечения алюминиевой токоподводящей шины, а площадь контакта наконечника со стальным блюмсом выбирается из условия обеспечения плотности тока j, протекающего через этот контакт, не менее j ≅ 0,2 А/мм². Переходной элемент (зона соединения медной и алюминиевой пластин наконечника) расположен от источника тепла (стального блюмса) на расстояние не менее 5-6 толщин медной пластины наконечника.

Токоподвод осуществляется от токоподводящей магистрали 3 одновременно в несколько ванн. В дальнейшем ток проходит по алюминиевой токоподводящей шине 4 и поступает на приваренный к ней дуговой сваркой 9 наконечник. При помощи болтового соединения 5 наконечник устанавливается таким образом, что медная пластина 6 контактирует с концевой частью блюмса 1. Блюмс 1 осуществляет токоподвод непосредственно в катодную часть электролизера 2. При выходе электролизера на рабочий режим концевая часть стального блюмса, на котором крепится наконечник, нагревается до температур 200...250^oC, расположение переходного элемента 8 наконечника на расстоянии 5-6 толщин медной пластины от торца стального блюмса гарантирует, что граница медь-алюминий медно-алюминиевого переходного элемента в этот период не нагреется выше температур 100. . . 130^oC, что исключает образование интерметаллидной прослойки по границе биметалла и не приводит к увеличению электросопротивления узла в целом (фиг. 2, кривая 2).

После установки опытных образцов были проведены испытания, в ходе которых ежемесячно замерялась величина падения напряжения на участке "блюмс-алюминиевая шина". Для сравнения данных использовалось соединение-прототип. Результаты проведенных испытаний (фиг. 2) показывают, что при выходе электролизера на рабочий режим температура эксплуатации катодного токоподводящего узла превышает 200^oC, падение напряжения соединения-прототипа (кривая 1) в течение 1 месяца выросло с 6 до 47 mV, что является недопустимым, для новой конструкции наконечника падение напряжения при тех же условиях эксплуатации составляет 6...8 mV (кривая 2).

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий: контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера предназначено для использования в электрометаллургии, при монтаже и ремонте электролизеров для производства алюминия; для заявляемого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов; контактное соединение, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Формула изобретения

Контактное соединение узла токоподвода к катодной секции электролизера, 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, отличающееся тем, что 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, причем площадь сечения медной пластины наконечника составляет 65 - 70% от площади поперечного сечения алюминиевой токоподводящей шины, а переходный элемент расположен от торца стального блюмса на расстоянии не менее 5 - 6 толщин медной пластины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2