一种铝电解用的阳极导电装置的制作方法

本发明涉及一种铝电解中使用的导电阳极装置，本发明的装置中包括铝导杆和与导杆相连接的阳极钢爪。

背景技术：

电解铝工业现使用的阳极导电装置由上部铝导杆和下部为钢制的阳极钢爪构成，钢与铝间无法直接焊接，两者间通过一个爆炸焊块相连接。爆炸焊块是运用爆炸焊接技术将钢—铝两种不同材料焊接在一起的，在制作阳极导电装置时，爆炸焊块铝部分通过氩弧焊与阳极导电装置的上部铝导杆部分焊接，爆炸焊块钢部分通过气保焊与阳极导电装置的下部阳极钢爪横梁扁钢焊接，其联接方式是中国专利申请2010100007746的附图1公开的内容且不设置加强装置结构。现有的这种阳极导电装置在铝导杆底部与阳极钢爪横梁扁钢顶部间形成铝-铝焊，铝-钢爆炸焊，钢-钢焊。现有技术中除铝-钢爆炸焊是全截面焊接外，铝-铝焊和钢-钢焊在现有技术下，只能实现坡口环焊。现有技术的用爆炸焊块相连接制作的阳极钢爪铝导杆底部与钢爪横梁顶部冷态压降测试数据如下：负荷电流99.8a，冷态压降0.3mv，冷态电阻3.5u欧姆，这部分压降属于电解铝生产中的无功电压，降低了电流效率。

另一方面在铝电解生产过程中，爆炸焊块钢-铝结合处在电解作业中既承受重力载荷，同时又要传导电解时的大电流，但因钢-铝膨胀系数的不同会在其结合处产生剪切力，致使铝-钢焊接面局部开裂，既逐渐降低受力和导电面积，又大大增加了铝-钢焊接面处的电阻和压降，同时会使其相应位置的温升提高。当开裂失效面积达到相应比例时，铝-钢焊接面或在炭块、钢爪的重量作用产生断裂，或因电阻过大而发热烧毁铝-钢焊接面，造成失效。

为克服现有技术的不足，现有技术中提供了一系列的解决方案，如：中国专利申请2010100007746公开的一种在过渡块的铝导杆和阳极钢爪之间中加设铝钢连接加强装置的技术方案，它是在原设计的铝导杆和阳极钢爪之间采用铝钢复合片的过渡块进行连接方式基础上，在阳极钢爪横梁上部与铝导杆之间加强装置，即增加设置了加强连接板和加劲板，以及用于坚固加强连接板的夹紧螺栓，该专利申请认为通过这些技术措施可以提高导电性能，减少连接电阻，降低铝钢连接电压降防止铝钢复合连接片开裂。虽然该技术方案中加劲板与加强连接板、阳极钢爪间的一方面是全钢-钢连接，但因其焊合的面积很小，其重量载荷仍主要由爆炸焊块承载，因此虽然相对现有技术会有一定的改善，但现有技术中的问题仍然存在。而且在实践中还发现设置加劲板与加强连接板的结构，在爆炸焊块处产生明显裂纹后，爆炸焊块铝-钢焊接面处电阻增大，而通过加劲板和加强连接板的部分电流增加，造成加强连接板处产生高温和熔断现象，反而使其更迅速地断裂。

中国专利2013107301429公开了阳极导杆与阳极钢爪的无过渡焊接装置及焊接方法，试图通过改变阳极导杆与阳极钢爪焊接连接方式来实现增加导电面积，降低电阻，减少发热，实现节电的效果，同时提高阳极导杆与阳极钢爪的连接强度增强，延长了阳极导杆和阳极钢爪的使用寿命。中国专利申请2015105033237则公开了以电渣焊制备阳极钢爪的技术方案，试图通过改变钢-铝间焊接方式提高其使用寿命。

中国专利申请2009100208155、2014106680846和2013106400179则是通过摩擦焊方式实现钢铝间的连接，改善爆炸焊接形成的钢铝结合件的力学性能。

现有的阳极导电装置失效形式之一：爆炸焊块钢-铝焊接面开裂。经研究分析可知，造成这一现象是因钢与铝间的膨胀系数不同，铝的膨胀系数是钢的二倍以上。在电解正常作业时，爆炸焊块工作温度300左右，此温度下，铝和钢分别产生不同的线性膨胀，但因铝-钢焊接面的存在，爆炸焊块的钢部分限制了铝的膨胀，同时也在铝钢焊接面上生成了剪切力，这一剪切力与装置重力作用的结合对结构产生撕裂，致使铝-钢焊接面局部开裂失效，降低了导电面积和所承受重力载荷的能力，同时造成铝-钢焊接面处的电阻和压降增大，致其温升加剧。当开裂失效面积达到一定比例时，铝-钢焊接面或在炭块、钢爪的重量作用产生断裂，或因电阻过大，因发热直接烧毁铝-钢焊接面。而已公开的现有技术中由于其具体结构的原因，无论以爆炸焊接的过渡块结构的还是摩擦焊接形成的钢-铝结合部同时承受着导电与承载阳极钢爪、炭块重力载荷双重作用，这种作用将扩大铝-钢焊接面局部开裂失效，降低了爆炸焊块的使用寿命。

技术实现要素：

本发明提供一种可解决造成现有技术不足的根本原因的铝电解用的阳极导电装置。

本发明的一种铝电解用的阳极导电装置，包括：铝制的导杆和与导杆相连接的阳极钢爪，本发明的铝导杆由上导杆和下导杆构成，其上导杆的截面至少带有两个平行的边、其下导杆截面为圆，且下导杆的下端面以上设有一段外螺纹，下层杆的外螺纹段与带有内螺纹的钢套连接，所述的下导杆外螺纹段长度略大于与其连接的钢套长度，使钢套旋紧后钢套的下端面与相连接下导杆的下端面留有可容纳摩擦焊后铝材逸出部分的间隙，下导杆的下端面与钢爪横梁上表面间用摩擦焊方式焊合，钢爪横梁与钢套间焊接结合。

本发明的铝电解用阳极导电装置的另一种结构与前述结构基本上相同，即包括：铝制的导杆和与导杆相连接的阳极钢爪，所述铝导杆由上导杆和下导杆构成，其上导杆的截面至少带有两个平行的边、其下导杆截面为圆，且下导杆的下端面以上设有一段外螺纹，下导杆的外螺纹段与带有内螺纹的钢套螺纹连接，所述的下导杆外螺纹段长度略大于与其连接的钢套长度，使钢套旋紧后钢套的下端面与相连接下导杆的下端面留有可容纳摩擦焊后铝材逸出部分的间隙，下导杆的下端面与钢爪横梁上表面间用摩擦焊方式焊合，钢套外设置一个过度钢套，过度钢套分别与钢套和钢爪横梁钢套间焊接结合。

以上本发明的两种结构中，其上部导杆截面至少带有两个平行的边，这可使其与电解导电夹形成良好的电接触，保障电解作业，而下部导杆的圆截面可使其能设置与钢套相连接的螺纹。本发明的导电装置的重力载荷是通过下部铝导杆外的螺纹传递到钢套上，再通过钢套与钢爪横梁间的焊接结构，或钢套与过度钢套、过度钢套与钢爪横梁间的焊接结构承受，而钢铝结合面在使用时仅起到导电的作用，因此可以完全克服现有技术的不足。另一方面，根据实际的测试本发明的结构还可大大降低阳极导电装置整体的电阻与压降。

优选地，本发明的铝电解用阳极导电装置，其上导杆与下导杆分别为两个独立的部件，两者间通过全断面焊接固定。本发明的这一结构可适用于对现有导电装置的改造，因为现服役的阳极导电装置的铝导杆均为正方形截面，将其锯下即可为本发明所用，只需与下导杆全断面焊合即可。因为上部导杆与下部导杆均为同质的铝材，其焊合作业相对简单、成熟，即可采用传统的，氩弧焊、电渣焊或电阻焊，也可直接采用摩擦焊，采用摩擦焊时，上下导杆焊接后或利用摩擦焊接焊接面的余热，或加热进行上导杆导电面与钢爪扁钢竖立面相位调整。

优选地，本发明的铝电解用阳极导电装置，其中的上导杆与下导杆为一个整体构件，其上导杆截面为正方形；或者其上导杆截面为两条平行边与两段弧构成的封闭图形。本发明的这一结构适用于新制备的铝电解用阳极导电装置，其导杆可采用整根圆截面的棒材制做，在完成导杆与钢爪横梁上表面摩擦焊后再将其上部锻造为正方形，或者仅锻造两面，形成由两条平行边与两段弧构成的封闭图形的截面。

本发明的铝电解用阳极导电装置制备方法为传统的机械加工方式，在此不再赘述，但在其优化的制备方法中是先在钢爪横梁上表面拟与下导杆焊接位置制出花纹，然后用摩擦焊将下导杆与阳极钢爪横梁上表面进行焊合，再将钢套、过度钢套和钢爪横梁上表面间进行焊合。采用这一方法制备的本发明的导电装置，可在最大程度上克服因钢铝膨胀系数不同而造成的负面影响。

本发明的优点如下：

1）在电解作业时，本发明的铝电解用的阳极导电装置通过与带有内螺纹的钢套与铝导杆上的外螺纹联接，并通过钢套、辅助钢套与阳极钢爪间焊接联接承载阳极钢爪、炭块、阳极覆盖料的重量，而通过摩擦焊形成的钢-铝结合处仅起到导电的作用，从而从根本上克服了现有技术的不足。

2）经实际的测试，本发明的铝导杆底部与阳极钢爪横梁顶部间的压降仅为传统铝-铝焊、铝-钢爆炸焊块、钢-钢焊工艺的三分之一，其使用寿命为传统工艺二倍以上。

3）本发明可以充分利用已有的资源。

附图说明

附图1为本发明实施例的结构示意图，其中：1为上导杆，2为钢套，3为过度钢套，4为钢爪横梁，5为钢爪头，6为钢爪横梁与钢爪头间的焊接连接处，7为螺纹，8为下导杆，9为下导杆与钢爪横梁通过摩擦焊的焊缝，10为圆柱部分过度钢套与钢套间的焊接处，11为过度钢套与钢爪横梁间的焊接处。

附图2图1中a位部的局部放大视图，其中：9为下导杆与钢爪横梁通过摩擦焊的焊缝，10为圆柱部分过度钢套与钢套间的焊接处，11为过度钢套与钢爪横梁间的焊接处。

附图3为铝导杆示意图。

附图4为附图3中b-b位置的一个实施例的剖面图。

附图5为附图3中b-b位置的另一个实施例的剖面图。

具体实施方式

本发明以下进行详细解说。

由附图1和图2可见，本发明的铝电解用的阳极导电装置由铝制的由上导杆1和下导杆8构成的导杆、与导杆通过摩擦焊联接的钢爪横梁4、和设置于钢爪横梁4下的导电钢爪5，以及钢套2，或者还有附加的过度钢套11构成。

本发明的上导杆1截面至少带有两个平行的边，其下导杆8为带有一段外螺纹的圆截面。本发明的上导杆截面至少带有两个平行的边，使其至少有两个的平面，这平面结构用于与电解导电夹间形成有良好的电接触。

本发明的下导杆8为圆截面，在下导杆外表面上自下导杆的其下端面处向上设置有一段螺纹段7。这一螺纹段7与一个钢套2的内螺纹相配合，而钢套2的长度应当略小于下导杆8上的螺纹段长度，钢套2旋紧于下导杆8后，钢套2的下端面与相连接下导杆的下端面留有一个间隙，这一间隙将用于容纳在摩擦焊后结合面上逸出的部分铝，参见附图3中下导杆与钢爪横梁通过摩擦焊的焊缝9的边缘，根据发明人的试验表明这一间隙约为5至10毫米左右。

本发明的下导杆8的端面下面与钢爪横梁4的上表面间通过摩擦焊联接在一起。钢爪横梁4与导电钢爪5间摩擦焊接固定。

本发明的钢套2的内螺纹与下导杆8上的螺纹段联接。钢套2与钢爪横梁4有两种联接方式，其第一种方式为：钢套2直接与钢爪横梁4间通过焊接联接，这一联接方式中钢套2下端面与钢爪横梁4间的间隙恰好成为焊接的坡口；第二种联接方式为在钢套2外加设一个其内径稍大于钢套2外径、能使其方便地套于钢套外的过度钢套3，过度钢套3的上端面与钢套外壁间焊接固定，过度钢套3的下部外壁与钢爪横梁4的上表面焊合固定。

本发明的导电装置制备时，可以事先在钢爪横梁4上表面制出花纹，这样在导杆与钢爪横梁4间摩擦焊结合后，可更充分地克服在电解作业时钢-铝结合面因不同膨胀系数而产生的开裂现象。

以下是本发明的几个实施例。

实施例1

1.1装置的制备方法

取圆柱形的铝棒材为导电导杆，在导杆的一端车削出一段外螺纹，外螺纹的顶端制出退刀槽。制备带有可与前述外螺纹配合的内螺纹的钢套2，并将钢套2旋紧于导杆的螺纹段上。事先在钢爪横梁4的上表面相应部位制成花纹，最方便的做法是车削出环状花纹。将横梁4与钢爪头5全截面焊接，例如采用摩擦焊接，制备好钢爪后，将导杆与钢爪横梁4上表面进行摩擦焊接结合，摩擦焊时逸出的铝充填于钢套2下端面与钢爪横梁4上表面间。将过度钢套3套于钢套2外，然后，将过度钢套3上部外壁与钢套2间环焊结合，将过度钢套3下部外壁与将钢爪横梁4上表面间进行环焊接固定。再将导杆的上半部分至少煅出两个用于和电解导电夹具相连的两个平面（当然也可根据具体的要求煅制成矩形形状或正文形，这将形成本发明另外的实施例），形成圆形截面的下导杆8和截面带有至少两个平行边形状的上导杆1，至此完成导电装置的制备。

1.2装置的结构

实施例的结构参见附图1，其中上导杆截面参见附图5。

实施例2

2.1装置的制备方法

本实施例的制备方法与实施例1基本上相同，不同在于本实施例不设置过度钢套，而是在导杆与钢爪横梁4上表面进行摩擦焊接结合后，直接将钢套2下部的外壁与钢爪横梁4上表面间进行环焊接固定。

2.2装置的结构

实施例的结构基本上同附图1，但其上不设置有过度钢套3。

以上两个实施例适用于新制备的导电装置，而且通过上述内容介绍可知，本发明的导杆为一整体的构件。

实施例3

3.1装置的制备方法

将服役失效后的旧导电装置的导杆锯下来为上导杆1待用，这一上导电杆1即为正方形截面。取一段圆柱形的铝棒材为导电下导杆8，在下导杆8下端车削出一段外螺纹，外螺纹的顶端制出退刀槽。制备带有可与前述外螺纹配合的内螺纹的钢套2，并将钢套2旋紧于导杆的螺纹段上。事先在钢爪横梁4的上表面相应部位制成花纹，最方便的做法是车削出环状花纹。将横梁4与钢爪头5全截面焊接，制备好钢爪后，将导杆与钢爪横梁4上表面进行摩擦焊接结合，摩擦焊时逸出的铝充填于钢套2下端面与钢爪横梁4上表面间。将过度钢套3套于钢套2外，然后，将过度钢套3上部外壁与钢套2间环焊结合，将过度钢套3下部外壁与将钢爪横梁4上表面间进行环焊接固定。再将下导杆8的上端与待用的上导杆1间进行焊接（这是同质材料的焊接），具体的做法可以采用氩弧焊或者二氧化碳保护焊，或者也采用摩擦焊，采用摩擦焊时，上下导杆焊接后或利用摩擦焊接焊接面的余热，或加热进行上导杆导电面与钢爪扁钢竖立面相位调整。最终形成上部为矩形的上导杆1和下部为圆截面的下导杆8。

3.2装置的结构

其结构与附图1相同，只是其上导杆1的截面如附图4所示。

实施例4

4.1

将服役失效后的旧导电装置的导杆锯下来为上导杆1待用，这一上导电杆1即为正方形截面。取一段圆柱形的铝棒材为导电下导杆8，在下导杆8下端车削出一段外螺纹，外螺纹的顶端制出退刀槽。制备带有可与前述外螺纹配合的内螺纹的钢套2，并将钢套2旋紧于导杆的螺纹段上。事先在钢爪横梁4的上表面相应部位制成花纹，最方便的做法是车削出环状花纹。将横梁4与钢爪头5通过摩擦焊实现全截面焊接，制备好钢爪后，将导杆与钢爪横梁4上表面进行摩擦焊接结合，摩擦焊时逸出的铝充填于钢套2下端面与钢爪横梁4上表面间。直接将钢套2下部的外壁与钢爪横梁4上表面间进行环焊接固定。再将下导杆8的上端与待用的上导杆1间进行焊接（这是同质材料的焊接），具体的做法可以采用氩弧焊或者二氧化碳保护焊，或者也采用摩擦焊，采用摩擦焊时，上下导杆焊接后或利用摩擦焊接焊接面的余热，或加热进行上导杆导电面与钢爪扁钢竖立面相位调整。最终形成上部为矩形的上导杆1和下部为圆截面的下导杆8。

4.2装置的结构

其结构与实施例2相同，只是其上导杆1的截面如附图4所示。

本发明的实施例3和4适用于对旧的铝电解导电装置的改造。实际电解铝生产企业有大量的旧导电装置，采用本发明实施例3和4可以充分利用这部分资源。

本发明实施例将传统铝导杆、爆炸焊、阳极钢爪焊接阳极导杆的铝-铝坡口环焊、铝-钢爆炸块、钢-钢环焊的三道焊缝简化为铝-钢摩擦焊一道焊缝，经实际冷态测试，本发明的铝导杆底部与阳极钢爪横梁顶部间的压降仅为传统铝-铝焊、铝-钢爆炸焊块、钢-钢焊工艺的三分之一。

本发明实施例的铝电解用的阳极导电装置在电解作业时，通过与带有内螺纹的钢套与铝导杆上的外螺纹联接，并通过钢套、辅助钢套与阳极钢爪间焊接联接承载阳极钢爪、炭块、阳极覆盖料的重量，而通过摩擦焊形成的钢-铝结合处仅起到导电的作用，其使用寿命为传统铝导杆、爆炸焊、阳极钢爪工艺焊接阳极导杆的二倍以上。

本发明实施例的铝电解用的阳极导电装置既可多次重复使用扁钢制的阳极钢爪横梁，也充分利用现有的铝导杆，并最有效地降低阳极导杆制造成本。