在預應力條件下對陰極杆進行封焊的方法和裝置的製作方法
2023-04-25 05:26:36
專利名稱:在預應力條件下對陰極杆進行封焊的方法和裝置的製作方法
本發明介紹一種可把陰極杆封焊在受有預應力的碳質塊中的方法和裝置。該碳質塊可在使用霍爾-赫羅爾特(Hall-Heroult)方法來生產鋁的電解槽中構成陰極。
在這種電解槽中，陰極是由幾個連在一起的平行六面體碳質塊組件所構成。在碳質塊的底面切有一個(有時是兩個)凹槽，通過澆注一種特殊鑄鐵把一根鐵桿(有時是兩根半鐵桿)封焊在凹槽中。鐵桿從碳質塊的兩端伸出，一直延伸到電解槽的外面。在鐵桿的兩端就形成了「陰極輸出端」，該輸出端與「陰極集電極」相連接，該集電極把電解電流輸送到下一個串聯電解槽的陽極上。目前普遍採用的就是上述這種裝置。例如在法國專利No.1161632(佩希內公司)或美國專利3489984(拜雷公司)中均有介紹。
目前的一般趨勢是增加裝置的功率，因而電解槽的尺寸和電流強度也要相應地增加。對於大尺寸的陰極塊來說，在向塊中澆注鑄鐵以便把陰極杆封焊在陰極塊中時，將會引起熱衝擊。這種熱衝擊所引起的危險應力可能在碳質陰極塊的某些區域引起裂紋，特別是在陰極塊凹槽的末端或在陰極塊的突出部分外側面上的中央部分引起裂紋。
如果在電解槽容器中裝上這種帶有裂紋的陰極塊，那麼這種裂紋在設備工作時將會擴大。這種現象將造成液態鋁滲入到裂紋的內部而導致陰極過早的損壞。由於上述原因，必須拒絕使用會引起成本大量增加的任何帶有裂紋的陰極塊。
電極和耐火材料公司(SAVOIE)所獲的法國專利No.2175658(即美國專利No.3851377)建議在澆注時應對陰極塊突出部分軸向外側面的相鄰部分施加軸向壓應力，它可以顯著減少封焊裂紋出現的危險。
本發明的目的在於提供一種封焊方法，它可以把至少一根金屬陰極杆封焊在平行六面體的凹槽中以形成電解鋁生產槽的陰極。本方法包括把液態鑄鐵澆注到各陰極杆與碳質陰極塊的各凹槽之間的空隙中，在封焊工序進行期間，陰極塊的安放位置應使它的凹槽及突出部分朝上，在鑄鐵澆注期間以及至少在澆注操作結束以後十分鐘這段時間，陰極塊均應處在預應力的作用下，其特點為一方面把預應力作用在靠近陰極塊兩端的兩個突出部分的側面上，另一方面把預應力至少作用在陰極塊突出部分的上部表面的一個位置上，或在它的中央部分或在它的兩個中間位置，例如在突出部分全長的三分之一和三分之二處。這裡的詞「位置」，不能按它的嚴格的幾何意義來理解，它只是代表應力的作用區，它的作用範圍大小與作用該應力所使用的裝置有關(為了避免對陰極塊引起銃眼或印痕，千斤頂的頭部或中間板應有足夠的表面積)。
本發明的另一個目的在於為實施本發明所述的封焊方法提供一種裝置，它的特點在於該裝置包括以下幾個組成部分一個陰極塊位置提升裝置，它通過配置在陰極塊兩端附近的支撐機構而把陰極塊的位置提高;
兩個相同的、可向陰極塊的兩個突出部分的側面施加側向應力的裝置，該裝置裝在陰極塊的兩端;
一個可以把垂直應力作用到陰極塊突出部分的中央部分上部表面的裝置。
可以使用各種已知的裝置來施加預應力，特別是可以用千斤頂(機械的、液壓的、氣動的或電氣的)或重物等裝置來施加預應力。
圖1至圖10說明了實施本發明的方法。
圖1和圖2示出了帶有一根或兩根陰極杆的陰極塊的兩種結構型式。
圖3指出了在進行封焊和施加側面預應力時，預應力所集中作用的區域。
圖4A及圖4B示出了在陰極塊的上部表面施加垂直預應力後所產生的影響，垂直預應力或是作用在陰極塊的中央部分上，或是作用在全長的三分之一及三分之二兩處。
圖5示出了容易發生裂紋的區域。
圖6及圖7示出了預加應力所作用的部位。
圖8、9、9A及圖10通過實例示出了一種可以產生預應力的裝置。
在下面的說明及附圖中，陰極塊處於封焊時的位置，也就是說，陰極塊上用來封焊陰極杆的凹槽(一個或多個)位置是朝上的。而實際上，在把陰極裝在各電解槽中時，陰極杆組件是處於相反的位置，它配置在碳質陰極塊的下面。
圖1及圖2分別示出了帶有一個和兩個封焊凹槽2的陰極塊的兩種結構型式。陰極塊的術語「突出部分」(limb portion)通常是用來表示位於由陰極塊所構成的平行六面體的兩個大側面4的上面那部分3。它的位置在封焊凹槽2的平面之上，也約在虛線AA′之上。
圖1中還用虛線把兩個陰極半杆5A及5B的外形表示出來，兩半杆在槽的中央處有一幾個釐米的間隔，圖中用6表示。
為了封焊陰極杆(或兩個陰極半杆)，石棉製的或類似的堵塞物應放在陰極塊凹槽的兩端及半杆之間的間隔6中。在把兩個陰極半杆和陰極塊預熱到某一個選定溫度例如700℃以後，即可把直接從冶煉爐中取出的液化鑄鐵澆注到凹槽中。
陰極塊冷卻後應將它翻轉180°，因而當把它裝在各電解槽的應有位置而形成陰極時，金屬陰極杆的位置在陰極塊的下面。
稱做「V」形裂紋的主裂紋8在陰極塊凹槽的尾部形成，而稱做「橫向」裂紋的裂紋9則發生在突出部分3的外邊緣上，並且通常發生在外邊緣的中部。
裂紋在鑄鐵開始冷卻後不久就會出現(通常是在澆注結束後的15分鐘以後)，因此，為了避免裂紋的形成，應該在發生裂紋的區域內同時施加方向合適並且強度足夠的預應力。
這種預應力可以用各種形式的千斤頂或重物來施加，也可以通過這兩種方法的組合來施加。
參看圖3，陰極塊的突出部分在此期間承受著互相抵制的力。一方面，在封焊期間由於熱影響而產生的應力FT往往通過剪切作用(拉應力)而導致在剖面線區8A處產生V形裂紋。但是，作用在突出部分上部的預應力F1卻以高於某種應力水平的受拉方式在剖面線區8B處使突出部分引起斷裂。
因此，必須根據陰極塊中碳的機械性能的具體情況對預應力F1進行十分精確的調整。這樣F1就可以和引起裂紋8的封焊應力相平衡，使得剩餘下來的應力低於8B處材料的破壞拉應力。
在實踐中，對於在150至200千安的電解槽中所使用的一般尺寸的碳質陰極塊來說，1000至2000牛頓的預應力F1通過千斤頂作用在靠近突出部分3的側面末端10處。僅僅作為一個例子來說，陰極塊的寬度可為500毫米，高度可為450毫米而長度可為2400毫米，塊上的凹槽寬度為160毫米，而高度為155毫米。力的作用位置10最好是在突出部分高度的上部三分之一處。
施加預應力的操作應該在澆注鑄鐵之前進行，預應力至少應保持到澆注結束以後10分鐘，實際上最好是10至30分鐘。
為了防止突出部分3的外側邊緣上形成橫向裂紋9，可以在陰極塊兩端的底面上作用一個垂直向上的力F2，並且同時在陰極塊的中央部分作用一個垂直向下的推力F3。然而，把陰極塊1的兩端E放在位於它下面的剛性支承12上，而把預應力F3隻作用在陰極塊的上部表面是可能的也是比較容易做到的。F3或是只作用在陰極塊的中央部分，或是作用在陰極塊的幾個位置上，例如作用在它的長度的三分之一及三分之二處的兩個位置上。這樣，力F2即由剛性支承的反作用力形成。
為防止橫向裂紋而作用的預應力將會引起和為防止V形裂紋而作用的預應力所帶來的同樣問題。圖4A示出了這種情況，預應力F3分別作用在中心凹槽的兩側面的上部表面，由圖可以看到陰極塊上承受了許多機械應力(預應力F3加上由於封焊引起的熱應力)，其中有壓應力(壓應力區用符號-表示)，有拉應力(拉應力區用符號+表示)，而在封焊凹槽下面的底部位置上則作用著最大拉應力(用兩個加號++表示)。這些應力如果超過碳質陰極塊的破壞拉應力也會導致陰極塊的斷裂。碳質陰極材料的破壞拉應力範圍在(2-5)兆帕之間(約為20-50公斤/釐米2)。
圖4B示出了在陰極塊中預應力的大小還與F3是作用在中心位置(用稱為三角形曲線的實線表示)還是作用在長度L大約三分之一和三分之二兩個位置上(用稱為梯形曲線的虛線表示)有關。在第二種情況下，預應力的分布更為均勻，因而在預應力作用下陰極塊發生斷裂的危險減少了，如果預應力F3確定為能補償封焊在力而不超過陰極塊的破壞拉應力，這就跟在V形裂紋的情況下相同。
圖8為本發明實施裝置的縱向主視圖。
陰極塊1由滾軸運輸機13輸送到封焊位置後，支承在四個滾子14上。在陰極杆5A及5B安裝到應有位置上以後，依靠裝在它兩頭的樞軸組件15中的兩個支承滾子16A及16B可把它的位置提高几個毫米。
樞軸組件15由安裝在固定點18的千斤頂17組成。千斤頂17一方面對槓桿臂19(它在中間部分20處用樞軸固定)作用一個推力，另一方面又對三角形杆21作用一個拉力。三角形杆21以樞軸安裝在固定點22處。這樣作用的結果就可使滾子16A的位置提高几毫米，同時通過連杆23和以樞軸安裝在固定點25上的另一個三角形杆24的作用，使得第二個滾子16B也提高了一個高度，其提高的數值基本上和第一個滾子提高的數值相等。這時，陰極塊1就只由兩個滾子16A及16B支撐著。整個提升機構與輸送陰極塊1到封焊位置的滾軸運輸機結合在一起。
因此，在陰極塊1上就作用著以下各力(該陰極塊即前面已經提及的例子，其尺寸為450×500×2400)四個基本相等的力F1，作用在突出部分3兩端的10處(見圖6);
兩個基本相等的力F3，作用在各突出部分3的上部表面的中央部分C處，或在另一種受力形式下，四個基本相等的力F3A、F3B作用在陰極塊長度的三分之一及三分之二處;
如圖9A所示，四個力F1是通過某種特定裝置加到陰極塊上去的。千斤頂26的推力同時作用於以樞軸安裝在固定點28上的剛性杆27A及27B上。該推力通過支承件29A及29B把兩個基本相等的應力F1對稱地作用到陰極塊上。
把一個上述這樣的裝置30B裝在陰極塊1的一端，把第二個與30B相同的裝置30A裝在陰極塊1的另一端。每個應力F1的大小約為1000-2000牛頓。考慮到陰極塊材料的性質，顯然這些力必須通過具有足夠表面積的支承板作用到塊上去，以免對碳質陰極塊有發生「銃眼」的危險。這個結論也適用於垂直預應力F3。陰極塊1的中央部分受到裝置31的作用力，該裝置是通過重物來產生應力的。
裝置31有一個固定門架32。一個基本水平的槓桿34以樞軸安裝在門架的33處。在其末端與水平樞軸33相對的位置上，槓桿34承受著一個重物35。重物與樞軸安裝位置33的距離為D2。在槓桿中間的水平樞軸36上，還支撐著一個U形件37，它使垂直應力F3以基本對稱的形式作用在兩個突出部分的上部表面上。水平樞軸36與樞軸33的距離為D1(＜D2)。當把陰極塊的位置提高並將支撐39縮回時，U形件37通過在它兩端的支承塊38A及38B，把兩個應力F3作用到陰極塊上。兩個應力F3的大小等於重物35的重量與槓桿比D2/D1的乘積。例如，如果樞軸固定點36的位置為從樞軸33起槓桿的長度的四分之一，那麼，裝置31上的1噸重物將在突出部分上作用有4噸的力，也即40000牛頓。實際上，預應力F3的數值範圍約在15000-25000牛頓。(這就是說，F3總計為30000-50000牛頓)對於上述碳質陰極塊(其尺寸為500×450×2400毫米)F3值最好取為20000牛頓左右。
在另外一種受力形式中，可以通過千斤頂來作用力F1。例如，千斤頂可以和一個U形件相連接，該U形件可與U形件37相同或類似。此外，如上所述，力F3還可以通過兩個相同的裝置31，作用在陰極塊長度的三分之一和三分之二處的兩個位置上。
當預應力F1及F3加上以後，就可以在通常條件下進行鑄鐵澆注操作，同時要在一定時間內繼續保持F1及F3的作用。這段時間在澆注操作完成以後至少應保持15分鐘，最好為20-30分鐘。
如果需要，可以通過將陰極塊放在由隔熱材料做成的底板或墊子上緩慢地冷卻。
使用本發明實際上可以完全消除焊接裂紋的產生。
在近來的一系列需要封焊定位的結構中，在5000塊以上的陰極塊中只發現10塊有裂紋，也就是說只有0.2%的陰極塊發生裂紋。而在這以前，最嚴重情況下裂紋平均發生率可達5%。
權利要求
1.一種封焊方法，它可以把至少一根金屬陰極杆封焊在平行六面體的凹槽中以形成電解鋁生產槽的陰極，本方法包括把液態鑄鐵澆注到各陰極杆與碳質陰極塊的各凹槽之間的空隙中，在封焊工序進行期間，陰極塊的安放位置應使它的凹槽及突出部分朝上，在鑄鐵澆注操作期間以及至少在澆注操作結束以後十分鐘內，陰極塊均應處在預應力的作用下，其特徵在於一方面把預應力(F1)作用在靠近陰極塊兩端的兩個突出部分的側面上，另一方面把預應力(F3)作用在陰極塊突出部分的上部表面的至少一個位置上。
2.權利要求
1中所述的封焊方法，其特徵在於可以用例如千斤頂(機械的、液壓的、氣動的或電氣的)或重物等裝置來施加預應力。
3.權利要求
1中所述的封焊方法，其特徵在於每個預應力F1的取值範圍在1000-2000牛頓之間。
4.權利要求
1中所述的封焊方法，其特徵在於每個預應力F3的取值範圍在15000-25000牛頓之間。
5.權利要求
1中所述的封焊方法，其特徵在於在陰極塊的兩端由單個千斤頂將預應力F1作用在兩個繞樞軸轉動的剛性杆上，然後剛性杆基本上對稱地作用在每個突出部分的側面上。
6.權利要求
1中所述的封焊方法，其特徵在於預應力F3由配置在槓桿一端的重物所產生，它基本上對稱地作用在兩個突出部分的上部表面上。
7.權利要求
6中所述的封焊方法，其特徵在於預應力F3作用在陰極塊的中央部分。
8.權利要求
6中所述的封焊方法，其特徵在於預應力F3作用在陰極塊全長的約三分之一處及三分之二處。
9.一種實施權利要求
1至8中所述封焊方法的裝置，其特徵在於該裝置包括一個陰極塊位置提升裝置15，它通過配置在陰極塊兩端附近的支撐機構而把陰極塊的位置提高;兩個相同的、可向陰極塊的兩個突出部分3的側面末端施加側向應力F1的裝置30A，30B，該兩裝置裝在陰極塊的兩端;一個可以把垂直應力F3作用到陰極塊突出部分的上部表面的中央部分的裝置31。
10.權利要求
9中所述的裝置，其特徵在於把陰極塊位置提高的裝置15包括兩個滾子16A，16B，滾子間的間隔距離略小於陰極塊的長度，每個滾子分別與一個三角形杆21、24相連接，三角形杆21、24分別以樞軸安裝在固定點22、25上，由一個雙作用千斤頂操縱每個三角形杆圍繞各自的固定點轉動。
11.權利要求
9中所述的裝置，其特徵在於施加側向應力F1的裝置有一個千斤頂26，千斤頂與兩根剛性杆27A、27B的一端相連接，兩根剛性杆以樞軸安裝在一個公共固定點28上，剛性杆27A、27B的另一端29A、29B則支靠在陰極塊突出部分的外側面上。
12.權利要求
9中所述的裝置，其特徵在於向陰極塊的上部表面施加垂直應力F3的裝置包括一個懸吊在一根基本水平的槓桿34的一端的重物35，槓桿的另一端以樞軸安裝在固定點33上，在槓桿的中間點36處支撐著一個U形件37，在它的下部裝有兩個支承塊38A、38B。
專利摘要
本發明介紹一種在受有預應力作用的碳質陰極塊上用鑄鐵把陰極杆封焊在應有位置上的方法和裝置。在封焊的過程中，陰極塊1由靠近它的端部E處的兩個滾子16A、16B所舉起，而應力F1和F2則分別同時作用在陰極塊的突出部分3的側面末端10處及陰極塊的中央部分G處。在鑄鐵澆注操作期間以及在操作結果後15至20分鐘內，陰極塊均應處在預應力的作用下。這樣就完全消除了在陰極塊中發生裂紋的可能性。
文檔編號C25C3/08GK87107682SQ87107682
公開日1988年7月27日 申請日期1987年11月9日
發明者加布裡爾·奧德拉斯, 勞倫特·麥查德 申請人:皮奇尼鉛業公司, 薩沃瓦賽爾斯電極耐火材料公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan