专利名称:在预应力条件下对阴极杆进行封焊的方法和装置的制作方法
本发明介绍一种可把阴极杆封焊在受有预应力的碳质块中的方法和装置。该碳质块可在使用霍尔-赫罗尔特(Hall-Heroult)方法来生产铝的电解槽中构成阴极。
在这种电解槽中，阴极是由几个连在一起的平行六面体碳质块组件所构成。在碳质块的底面切有一个(有时是两个)凹槽，通过浇注一种特殊铸铁把一根铁杆(有时是两根半铁杆)封焊在凹槽中。铁杆从碳质块的两端伸出，一直延伸到电解槽的外面。在铁杆的两端就形成了“阴极输出端”，该输出端与“阴极集电极”相连接，该集电极把电解电流输送到下一个串联电解槽的阳极上。目前普遍采用的就是上述这种装置。例如在法国专利No.1161632(佩希内公司)或美国专利3489984(拜雷公司)中均有介绍。
目前的一般趋势是增加装置的功率，因而电解槽的尺寸和电流强度也要相应地增加。对于大尺寸的阴极块来说，在向块中浇注铸铁以便把阴极杆封焊在阴极块中时，将会引起热冲击。这种热冲击所引起的危险应力可能在碳质阴极块的某些区域引起裂纹，特别是在阴极块凹槽的末端或在阴极块的突出部分外侧面上的中央部分引起裂纹。
如果在电解槽容器中装上这种带有裂纹的阴极块，那么这种裂纹在设备工作时将会扩大。这种现象将造成液态铝渗入到裂纹的内部而导致阴极过早的损坏。由于上述原因，必须拒绝使用会引起成本大量增加的任何带有裂纹的阴极块。
电极和耐火材料公司(SAVOIE)所获的法国专利No.2175658(即美国专利No.3851377)建议在浇注时应对阴极块突出部分轴向外侧面的相邻部分施加轴向压应力，它可以显著减少封焊裂纹出现的危险。
本发明的目的在于提供一种封焊方法，它可以把至少一根金属阴极杆封焊在平行六面体的凹槽中以形成电解铝生产槽的阴极。本方法包括把液态铸铁浇注到各阴极杆与碳质阴极块的各凹槽之间的空隙中，在封焊工序进行期间，阴极块的安放位置应使它的凹槽及突出部分朝上，在铸铁浇注期间以及至少在浇注操作结束以后十分钟这段时间，阴极块均应处在预应力的作用下，其特点为一方面把预应力作用在靠近阴极块两端的两个突出部分的侧面上，另一方面把预应力至少作用在阴极块突出部分的上部表面的一个位置上，或在它的中央部分或在它的两个中间位置，例如在突出部分全长的三分之一和三分之二处。这里的词“位置”，不能按它的严格的几何意义来理解，它只是代表应力的作用区，它的作用范围大小与作用该应力所使用的装置有关(为了避免对阴极块引起铳眼或印痕，千斤顶的头部或中间板应有足够的表面积)。
本发明的另一个目的在于为实施本发明所述的封焊方法提供一种装置，它的特点在于该装置包括以下几个组成部分一个阴极块位置提升装置，它通过配置在阴极块两端附近的支撑机构而把阴极块的位置提高;
两个相同的、可向阴极块的两个突出部分的侧面施加侧向应力的装置，该装置装在阴极块的两端;
一个可以把垂直应力作用到阴极块突出部分的中央部分上部表面的装置。
可以使用各种已知的装置来施加预应力，特别是可以用千斤顶(机械的、液压的、气动的或电气的)或重物等装置来施加预应力。
图1至图10说明了实施本发明的方法。
图1和图2示出了带有一根或两根阴极杆的阴极块的两种结构型式。
图3指出了在进行封焊和施加侧面预应力时，预应力所集中作用的区域。
图4A及图4B示出了在阴极块的上部表面施加垂直预应力后所产生的影响，垂直预应力或是作用在阴极块的中央部分上，或是作用在全长的三分之一及三分之二两处。
图5示出了容易发生裂纹的区域。
图6及图7示出了预加应力所作用的部位。
图8、9、9A及图10通过实例示出了一种可以产生预应力的装置。
在下面的说明及附图中，阴极块处于封焊时的位置，也就是说，阴极块上用来封焊阴极杆的凹槽(一个或多个)位置是朝上的。而实际上，在把阴极装在各电解槽中时，阴极杆组件是处于相反的位置，它配置在碳质阴极块的下面。
图1及图2分别示出了带有一个和两个封焊凹槽2的阴极块的两种结构型式。阴极块的术语“突出部分”(limb portion)通常是用来表示位于由阴极块所构成的平行六面体的两个大侧面4的上面那部分3。它的位置在封焊凹槽2的平面之上，也约在虚线AA′之上。
图1中还用虚线把两个阴极半杆5A及5B的外形表示出来，两半杆在槽的中央处有一几个厘米的间隔，图中用6表示。
为了封焊阴极杆(或两个阴极半杆)，石棉制的或类似的堵塞物应放在阴极块凹槽的两端及半杆之间的间隔6中。在把两个阴极半杆和阴极块预热到某一个选定温度例如700℃以后，即可把直接从冶炼炉中取出的液化铸铁浇注到凹槽中。
阴极块冷却后应将它翻转180°，因而当把它装在各电解槽的应有位置而形成阴极时，金属阴极杆的位置在阴极块的下面。
称做“V”形裂纹的主裂纹8在阴极块凹槽的尾部形成，而称做“横向”裂纹的裂纹9则发生在突出部分3的外边缘上，并且通常发生在外边缘的中部。
裂纹在铸铁开始冷却后不久就会出现(通常是在浇注结束后的15分钟以后)，因此，为了避免裂纹的形成，应该在发生裂纹的区域内同时施加方向合适并且强度足够的预应力。
这种预应力可以用各种形式的千斤顶或重物来施加，也可以通过这两种方法的组合来施加。
参看图3，阴极块的突出部分在此期间承受着互相抵制的力。一方面，在封焊期间由于热影响而产生的应力FT往往通过剪切作用(拉应力)而导致在剖面线区8A处产生V形裂纹。但是，作用在突出部分上部的预应力F1却以高于某种应力水平的受拉方式在剖面线区8B处使突出部分引起断裂。
因此，必须根据阴极块中碳的机械性能的具体情况对预应力F1进行十分精确的调整。这样F1就可以和引起裂纹8的封焊应力相平衡，使得剩余下来的应力低于8B处材料的破坏拉应力。
在实践中，对于在150至200千安的电解槽中所使用的一般尺寸的碳质阴极块来说，1000至2000牛顿的预应力F1通过千斤顶作用在靠近突出部分3的侧面末端10处。仅仅作为一个例子来说，阴极块的宽度可为500毫米，高度可为450毫米而长度可为2400毫米，块上的凹槽宽度为160毫米，而高度为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处。
施加预应力的操作应该在浇注铸铁之前进行，预应力至少应保持到浇注结束以后10分钟，实际上最好是10至30分钟。
为了防止突出部分3的外侧边缘上形成横向裂纹9，可以在阴极块两端的底面上作用一个垂直向上的力F2，并且同时在阴极块的中央部分作用一个垂直向下的推力F3。然而，把阴极块1的两端E放在位于它下面的刚性支承12上，而把预应力F3只作用在阴极块的上部表面是可能的也是比较容易做到的。F3或是只作用在阴极块的中央部分，或是作用在阴极块的几个位置上，例如作用在它的长度的三分之一及三分之二处的两个位置上。这样，力F2即由刚性支承的反作用力形成。
为防止横向裂纹而作用的预应力将会引起和为防止V形裂纹而作用的预应力所带来的同样问题。图4A示出了这种情况，预应力F3分别作用在中心凹槽的两侧面的上部表面，由图可以看到阴极块上承受了许多机械应力(预应力F3加上由于封焊引起的热应力)，其中有压应力(压应力区用符号-表示)，有拉应力(拉应力区用符号+表示)，而在封焊凹槽下面的底部位置上则作用着最大拉应力(用两个加号++表示)。这些应力如果超过碳质阴极块的破坏拉应力也会导致阴极块的断裂。碳质阴极材料的破坏拉应力范围在(2-5)兆帕之间(约为20-50公斤/厘米2)。
图4B示出了在阴极块中预应力的大小还与F3是作用在中心位置(用称为三角形曲线的实线表示)还是作用在长度L大约三分之一和三分之二两个位置上(用称为梯形曲线的虚线表示)有关。在第二种情况下，预应力的分布更为均匀，因而在预应力作用下阴极块发生断裂的危险减少了，如果预应力F3确定为能补偿封焊在力而不超过阴极块的破坏拉应力，这就跟在V形裂纹的情况下相同。
图8为本发明实施装置的纵向主视图。
阴极块1由滚轴运输机13输送到封焊位置后，支承在四个滚子14上。在阴极杆5A及5B安装到应有位置上以后，依靠装在它两头的枢轴组件15中的两个支承滚子16A及16B可把它的位置提高几个毫米。
枢轴组件15由安装在固定点18的千斤顶17组成。千斤顶17一方面对杠杆臂19(它在中间部分20处用枢轴固定)作用一个推力，另一方面又对三角形杆21作用一个拉力。三角形杆21以枢轴安装在固定点22处。这样作用的结果就可使滚子16A的位置提高几毫米，同时通过连杆23和以枢轴安装在固定点25上的另一个三角形杆24的作用，使得第二个滚子16B也提高了一个高度，其提高的数值基本上和第一个滚子提高的数值相等。这时，阴极块1就只由两个滚子16A及16B支撑着。整个提升机构与输送阴极块1到封焊位置的滚轴运输机结合在一起。
因此，在阴极块1上就作用着以下各力(该阴极块即前面已经提及的例子，其尺寸为450×500×2400)四个基本相等的力F1，作用在突出部分3两端的10处(见图6);
两个基本相等的力F3，作用在各突出部分3的上部表面的中央部分C处，或在另一种受力形式下，四个基本相等的力F3A、F3B作用在阴极块长度的三分之一及三分之二处;
如图9A所示，四个力F1是通过某种特定装置加到阴极块上去的。千斤顶26的推力同时作用于以枢轴安装在固定点28上的刚性杆27A及27B上。该推力通过支承件29A及29B把两个基本相等的应力F1对称地作用到阴极块上。
把一个上述这样的装置30B装在阴极块1的一端，把第二个与30B相同的装置30A装在阴极块1的另一端。每个应力F1的大小约为1000-2000牛顿。考虑到阴极块材料的性质，显然这些力必须通过具有足够表面积的支承板作用到块上去，以免对碳质阴极块有发生“铳眼”的危险。这个结论也适用于垂直预应力F3。阴极块1的中央部分受到装置31的作用力，该装置是通过重物来产生应力的。
装置31有一个固定门架32。一个基本水平的杠杆34以枢轴安装在门架的33处。在其末端与水平枢轴33相对的位置上，杠杆34承受着一个重物35。重物与枢轴安装位置33的距离为D2。在杠杆中间的水平枢轴36上，还支撑着一个U形件37，它使垂直应力F3以基本对称的形式作用在两个突出部分的上部表面上。水平枢轴36与枢轴33的距离为D1(＜D2)。当把阴极块的位置提高并将支撑39缩回时，U形件37通过在它两端的支承块38A及38B，把两个应力F3作用到阴极块上。两个应力F3的大小等于重物35的重量与杠杆比D2/D1的乘积。例如，如果枢轴固定点36的位置为从枢轴33起杠杆的长度的四分之一，那么，装置31上的1吨重物将在突出部分上作用有4吨的力，也即40000牛顿。实际上，预应力F3的数值范围约在15000-25000牛顿。(这就是说，F3总计为30000-50000牛顿)对于上述碳质阴极块(其尺寸为500×450×2400毫米)F3值最好取为20000牛顿左右。
在另外一种受力形式中，可以通过千斤顶来作用力F1。例如，千斤顶可以和一个U形件相连接，该U形件可与U形件37相同或类似。此外，如上所述，力F3还可以通过两个相同的装置31，作用在阴极块长度的三分之一和三分之二处的两个位置上。
当预应力F1及F3加上以后，就可以在通常条件下进行铸铁浇注操作，同时要在一定时间内继续保持F1及F3的作用。这段时间在浇注操作完成以后至少应保持15分钟，最好为20-30分钟。
如果需要，可以通过将阴极块放在由隔热材料做成的底板或垫子上缓慢地冷却。
使用本发明实际上可以完全消除焊接裂纹的产生。
在近来的一系列需要封焊定位的结构中，在5000块以上的阴极块中只发现10块有裂纹，也就是说只有0.2%的阴极块发生裂纹。而在这以前，最严重情况下裂纹平均发生率可达5%。
权利要求
1.一种封焊方法，它可以把至少一根金属阴极杆封焊在平行六面体的凹槽中以形成电解铝生产槽的阴极，本方法包括把液态铸铁浇注到各阴极杆与碳质阴极块的各凹槽之间的空隙中，在封焊工序进行期间，阴极块的安放位置应使它的凹槽及突出部分朝上，在铸铁浇注操作期间以及至少在浇注操作结束以后十分钟内，阴极块均应处在预应力的作用下，其特征在于一方面把预应力(F1)作用在靠近阴极块两端的两个突出部分的侧面上，另一方面把预应力(F3)作用在阴极块突出部分的上部表面的至少一个位置上。
2.权利要求
1中所述的封焊方法，其特征在于可以用例如千斤顶(机械的、液压的、气动的或电气的)或重物等装置来施加预应力。
3.权利要求
1中所述的封焊方法，其特征在于每个预应力F1的取值范围在1000-2000牛顿之间。
4.权利要求
1中所述的封焊方法，其特征在于每个预应力F3的取值范围在15000-25000牛顿之间。
5.权利要求
1中所述的封焊方法，其特征在于在阴极块的两端由单个千斤顶将预应力F1作用在两个绕枢轴转动的刚性杆上，然后刚性杆基本上对称地作用在每个突出部分的侧面上。
6.权利要求
1中所述的封焊方法，其特征在于预应力F3由配置在杠杆一端的重物所产生，它基本上对称地作用在两个突出部分的上部表面上。
7.权利要求
6中所述的封焊方法，其特征在于预应力F3作用在阴极块的中央部分。
8.权利要求
6中所述的封焊方法，其特征在于预应力F3作用在阴极块全长的约三分之一处及三分之二处。
9.一种实施权利要求
1至8中所述封焊方法的装置，其特征在于该装置包括一个阴极块位置提升装置15，它通过配置在阴极块两端附近的支撑机构而把阴极块的位置提高;两个相同的、可向阴极块的两个突出部分3的侧面末端施加侧向应力F1的装置30A，30B，该两装置装在阴极块的两端;一个可以把垂直应力F3作用到阴极块突出部分的上部表面的中央部分的装置31。
10.权利要求
9中所述的装置，其特征在于把阴极块位置提高的装置15包括两个滚子16A，16B，滚子间的间隔距离略小于阴极块的长度，每个滚子分别与一个三角形杆21、24相连接，三角形杆21、24分别以枢轴安装在固定点22、25上，由一个双作用千斤顶操纵每个三角形杆围绕各自的固定点转动。
11.权利要求
9中所述的装置，其特征在于施加侧向应力F1的装置有一个千斤顶26，千斤顶与两根刚性杆27A、27B的一端相连接，两根刚性杆以枢轴安装在一个公共固定点28上，刚性杆27A、27B的另一端29A、29B则支靠在阴极块突出部分的外侧面上。
12.权利要求
9中所述的装置，其特征在于向阴极块的上部表面施加垂直应力F3的装置包括一个悬吊在一根基本水平的杠杆34的一端的重物35，杠杆的另一端以枢轴安装在固定点33上，在杠杆的中间点36处支撑着一个U形件37，在它的下部装有两个支承块38A、38B。
专利摘要
本发明介绍一种在受有预应力作用的碳质阴极块上用铸铁把阴极杆封焊在应有位置上的方法和装置。在封焊的过程中，阴极块1由靠近它的端部E处的两个滚子16A、16B所举起，而应力F1和F2则分别同时作用在阴极块的突出部分3的侧面末端10处及阴极块的中央部分G处。在铸铁浇注操作期间以及在操作结果后15至20分钟内，阴极块均应处在预应力的作用下。这样就完全消除了在阴极块中发生裂纹的可能性。
文档编号C25C3/08GK87107682SQ87107682
公开日1988年7月27日 申请日期1987年11月9日
发明者加布里尔·奥德拉斯, 劳伦特·麦查德 申请人:皮奇尼铅业公司, 萨沃瓦赛尔斯电极耐火材料公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan