專利名稱:在預(yù)應(yīng)力條件下對(duì)陰極桿進(jìn)行封焊的方法和裝置的制作方法
本發(fā)明介紹一種可把陰極桿封焊在受有預(yù)應(yīng)力的碳質(zhì)塊中的方法和裝置。該碳質(zhì)塊可在使用霍爾-赫羅爾特(Hall-Heroult)方法來生產(chǎn)鋁的電解槽中構(gòu)成陰極。
在這種電解槽中，陰極是由幾個(gè)連在一起的平行六面體碳質(zhì)塊組件所構(gòu)成。在碳質(zhì)塊的底面切有一個(gè)(有時(shí)是兩個(gè))凹槽，通過澆注一種特殊鑄鐵把一根鐵桿(有時(shí)是兩根半鐵桿)封焊在凹槽中。鐵桿從碳質(zhì)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(gè)串聯(lián)電解槽的陽極上。目前普遍采用的就是上述這種裝置。例如在法國專利No.1161632(佩希內(nèi)公司)或美國專利3489984(拜雷公司)中均有介紹。
目前的一般趨勢(shì)是增加裝置的功率，因而電解槽的尺寸和電流強(qiáng)度也要相應(yīng)地增加。對(duì)于大尺寸的陰極塊來說，在向塊中澆注鑄鐵以便把陰極桿封焊在陰極塊中時(shí)，將會(huì)引起熱沖擊。這種熱沖擊所引起的危險(xiǎn)應(yīng)力可能在碳質(zhì)陰極塊的某些區(qū)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(cè)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，那么這種裂紋在設(shè)備工作時(shí)將會(huì)擴(kuò)大。這種現(xiàn)象將造成液態(tài)鋁滲入到裂紋的內(nèi)部而導(dǎo)致陰極過早的損壞。由于上述原因，必須拒絕使用會(huì)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(shí)應(yīng)對(duì)陰極塊突出部分軸向外側(cè)面的相鄰部分施加軸向壓應(yīng)力，它可以顯著減少封焊裂紋出現(xiàn)的危險(xiǎn)。
本發(fā)明的目的在于提供一種封焊方法，它可以把至少一根金屬陰極桿封焊在平行六面體的凹槽中以形成電解鋁生產(chǎn)槽的陰極。本方法包括把液態(tài)鑄鐵澆注到各陰極桿與碳質(zhì)陰極塊的各凹槽之間的空隙中，在封焊工序進(jìn)行期間，陰極塊的安放位置應(yīng)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(jié)束以后十分鐘這段時(shí)間，陰極塊均應(yīng)處在預(yù)應(yīng)力的作用下，其特點(diǎn)為一方面把預(yù)應(yīng)力作用在靠近陰極塊兩端的兩個(gè)突出部分的側(cè)面上，另一方面把預(yù)應(yīng)力至少作用在陰極塊突出部分的上部表面的一個(gè)位置上，或在它的中央部分或在它的兩個(gè)中間位置，例如在突出部分全長(zhǎng)的三分之一和三分之二處。這里的詞“位置”，不能按它的嚴(yán)格的幾何意義來理解，它只是代表應(yīng)力的作用區(qū)，它的作用范圍大小與作用該應(yīng)力所使用的裝置有關(guān)(為了避免對(duì)陰極塊引起銃眼或印痕，千斤頂?shù)念^部或中間板應(yīng)有足夠的表面積)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于為實(shí)施本發(fā)明所述的封焊方法提供一種裝置，它的特點(diǎn)在于該裝置包括以下幾個(gè)組成部分一個(gè)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(jī)構(gòu)而把陰極塊的位置提高;
兩個(gè)相同的、可向陰極塊的兩個(gè)突出部分的側(cè)面施加側(cè)向應(yīng)力的裝置，該裝置裝在陰極塊的兩端;
一個(gè)可以把垂直應(yīng)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(yù)應(yīng)力，特別是可以用千斤頂(機(jī)械的、液壓的、氣動(dòng)的或電氣的)或重物等裝置來施加預(yù)應(yīng)力。
圖1至圖10說明了實(shí)施本發(fā)明的方法。
圖1和圖2示出了帶有一根或兩根陰極桿的陰極塊的兩種結(jié)構(gòu)型式。
圖3指出了在進(jìn)行封焊和施加側(cè)面預(yù)應(yīng)力時(shí)，預(yù)應(yīng)力所集中作用的區(qū)域。
圖4A及圖4B示出了在陰極塊的上部表面施加垂直預(yù)應(yīng)力后所產(chǎn)生的影響，垂直預(yù)應(yīng)力或是作用在陰極塊的中央部分上，或是作用在全長(zhǎng)的三分之一及三分之二兩處。
圖5示出了容易發(fā)生裂紋的區(qū)域。
圖6及圖7示出了預(yù)加應(yīng)力所作用的部位。
圖8、9、9A及圖10通過實(shí)例示出了一種可以產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的裝置。
在下面的說明及附圖中，陰極塊處于封焊時(shí)的位置，也就是說，陰極塊上用來封焊陰極桿的凹槽(一個(gè)或多個(gè))位置是朝上的。而實(shí)際上，在把陰極裝在各電解槽中時(shí)，陰極桿組件是處于相反的位置，它配置在碳質(zhì)陰極塊的下面。
圖1及圖2分別示出了帶有一個(gè)和兩個(gè)封焊凹槽2的陰極塊的兩種結(jié)構(gòu)型式。陰極塊的術(shù)語“突出部分”(limb portion)通常是用來表示位于由陰極塊所構(gòu)成的平行六面體的兩個(gè)大側(cè)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(gè)陰極半桿5A及5B的外形表示出來，兩半桿在槽的中央處有一幾個(gè)厘米的間隔，圖中用6表示。
為了封焊陰極桿(或兩個(gè)陰極半桿)，石棉制的或類似的堵塞物應(yīng)放在陰極塊凹槽的兩端及半桿之間的間隔6中。在把兩個(gè)陰極半桿和陰極塊預(yù)熱到某一個(gè)選定溫度例如700℃以后，即可把直接從冶煉爐中取出的液化鑄鐵澆注到凹槽中。
陰極塊冷卻后應(yīng)將它翻轉(zhuǎn)180°，因而當(dāng)把它裝在各電解槽的應(yīng)有位置而形成陰極時(shí)，金屬陰極桿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(fā)生在突出部分3的外邊緣上，并且通常發(fā)生在外邊緣的中部。
裂紋在鑄鐵開始冷卻后不久就會(huì)出現(xiàn)(通常是在澆注結(jié)束后的15分鐘以后)，因此，為了避免裂紋的形成，應(yīng)該在發(fā)生裂紋的區(qū)域內(nèi)同時(shí)施加方向合適并且強(qiáng)度足夠的預(yù)應(yīng)力。
這種預(yù)應(yīng)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，在封焊期間由于熱影響而產(chǎn)生的應(yīng)力FT往往通過剪切作用(拉應(yīng)力)而導(dǎo)致在剖面線區(qū)8A處產(chǎn)生V形裂紋。但是，作用在突出部分上部的預(yù)應(yīng)力F1卻以高于某種應(yīng)力水平的受拉方式在剖面線區(qū)8B處使突出部分引起斷裂。
因此，必須根據(jù)陰極塊中碳的機(jī)械性能的具體情況對(duì)預(yù)應(yīng)力F1進(jìn)行十分精確的調(diào)整。這樣F1就可以和引起裂紋8的封焊應(yīng)力相平衡，使得剩余下來的應(yīng)力低于8B處材料的破壞拉應(yīng)力。
在實(shí)踐中，對(duì)于在150至200千安的電解槽中所使用的一般尺寸的碳質(zhì)陰極塊來說，1000至2000牛頓的預(yù)應(yīng)力F1通過千斤頂作用在靠近突出部分3的側(cè)面末端10處。僅僅作為一個(gè)例子來說，陰極塊的寬度可為500毫米，高度可為450毫米而長(zhǎng)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(yù)應(yīng)力的操作應(yīng)該在澆注鑄鐵之前進(jìn)行，預(yù)應(yīng)力至少應(yīng)保持到澆注結(jié)束以后10分鐘，實(shí)際上最好是10至30分鐘。
為了防止突出部分3的外側(cè)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(gè)垂直向上的力F2，并且同時(shí)在陰極塊的中央部分作用一個(gè)垂直向下的推力F3。然而，把陰極塊1的兩端E放在位于它下面的剛性支承12上，而把預(yù)應(yīng)力F3只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(gè)位置上，例如作用在它的長(zhǎng)度的三分之一及三分之二處的兩個(gè)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(yù)應(yīng)力將會(huì)引起和為防止V形裂紋而作用的預(yù)應(yīng)力所帶來的同樣問題。圖4A示出了這種情況，預(yù)應(yīng)力F3分別作用在中心凹槽的兩側(cè)面的上部表面，由圖可以看到陰極塊上承受了許多機(jī)械應(yīng)力(預(yù)應(yīng)力F3加上由于封焊引起的熱應(yīng)力)，其中有壓應(yīng)力(壓應(yīng)力區(qū)用符號(hào)-表示)，有拉應(yīng)力(拉應(yīng)力區(qū)用符號(hào)+表示)，而在封焊凹槽下面的底部位置上則作用著最大拉應(yīng)力(用兩個(gè)加號(hào)++表示)。這些應(yīng)力如果超過碳質(zhì)陰極塊的破壞拉應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致陰極塊的斷裂。碳質(zhì)陰極材料的破壞拉應(yīng)力范圍在(2-5)兆帕之間(約為20-50公斤/厘米2)。
圖4B示出了在陰極塊中預(yù)應(yīng)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(shí)線表示)還是作用在長(zhǎng)度L大約三分之一和三分之二兩個(gè)位置上(用稱為梯形曲線的虛線表示)有關(guān)。在第二種情況下，預(yù)應(yīng)力的分布更為均勻，因而在預(yù)應(yīng)力作用下陰極塊發(fā)生斷裂的危險(xiǎn)減少了，如果預(yù)應(yīng)力F3確定為能補(bǔ)償封焊在力而不超過陰極塊的破壞拉應(yīng)力，這就跟在V形裂紋的情況下相同。
圖8為本發(fā)明實(shí)施裝置的縱向主視圖。
陰極塊1由滾軸運(yùn)輸機(jī)13輸送到封焊位置后，支承在四個(gè)滾子14上。在陰極桿5A及5B安裝到應(yīng)有位置上以后，依靠裝在它兩頭的樞軸組件15中的兩個(gè)支承滾子16A及16B可把它的位置提高幾個(gè)毫米。
樞軸組件15由安裝在固定點(diǎn)18的千斤頂17組成。千斤頂17一方面對(duì)杠桿臂19(它在中間部分20處用樞軸固定)作用一個(gè)推力，另一方面又對(duì)三角形桿21作用一個(gè)拉力。三角形桿21以樞軸安裝在固定點(diǎn)22處。這樣作用的結(jié)果就可使?jié)L子16A的位置提高幾毫米，同時(shí)通過連桿23和以樞軸安裝在固定點(diǎn)25上的另一個(gè)三角形桿24的作用，使得第二個(gè)滾子16B也提高了一個(gè)高度，其提高的數(shù)值基本上和第一個(gè)滾子提高的數(shù)值相等。這時(shí)，陰極塊1就只由兩個(gè)滾子16A及16B支撐著。整個(gè)提升機(jī)構(gòu)與輸送陰極塊1到封焊位置的滾軸運(yùn)輸機(jī)結(jié)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(jīng)提及的例子，其尺寸為450×500×2400)四個(gè)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(gè)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(gè)基本相等的力F3A、F3B作用在陰極塊長(zhǎng)度的三分之一及三分之二處;
如圖9A所示，四個(gè)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(shí)作用于以樞軸安裝在固定點(diǎn)28上的剛性桿27A及27B上。該推力通過支承件29A及29B把兩個(gè)基本相等的應(yīng)力F1對(duì)稱地作用到陰極塊上。
把一個(gè)上述這樣的裝置30B裝在陰極塊1的一端，把第二個(gè)與30B相同的裝置30A裝在陰極塊1的另一端。每個(gè)應(yīng)力F1的大小約為1000-2000牛頓。考慮到陰極塊材料的性質(zhì)，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(duì)碳質(zhì)陰極塊有發(fā)生“銃眼”的危險(xiǎn)。這個(gè)結(jié)論也適用于垂直預(yù)應(yīng)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(chǎn)生應(yīng)力的。
裝置31有一個(gè)固定門架32。一個(gè)基本水平的杠桿34以樞軸安裝在門架的33處。在其末端與水平樞軸33相對(duì)的位置上，杠桿34承受著一個(gè)重物35。重物與樞軸安裝位置33的距離為D2。在杠桿中間的水平樞軸36上，還支撐著一個(gè)U形件37，它使垂直應(yīng)力F3以基本對(duì)稱的形式作用在兩個(gè)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(dāng)把陰極塊的位置提高并將支撐39縮回時(shí)，U形件37通過在它兩端的支承塊38A及38B，把兩個(gè)應(yīng)力F3作用到陰極塊上。兩個(gè)應(yīng)力F3的大小等于重物35的重量與杠桿比D2/D1的乘積。例如，如果樞軸固定點(diǎn)36的位置為從樞軸33起杠桿的長(zhǎng)度的四分之一，那么，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(shí)際上，預(yù)應(yīng)力F3的數(shù)值范圍約在15000-25000牛頓。(這就是說，F(xiàn)3總計(jì)為30000-50000牛頓)對(duì)于上述碳質(zhì)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(gè)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(gè)相同的裝置31，作用在陰極塊長(zhǎng)度的三分之一和三分之二處的兩個(gè)位置上。
當(dāng)預(yù)應(yīng)力F1及F3加上以后，就可以在通常條件下進(jìn)行鑄鐵澆注操作，同時(shí)要在一定時(shí)間內(nèi)繼續(xù)保持F1及F3的作用。這段時(shí)間在澆注操作完成以后至少應(yīng)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(fā)明實(shí)際上可以完全消除焊接裂紋的產(chǎn)生。
在近來的一系列需要封焊定位的結(jié)構(gòu)中，在5000塊以上的陰極塊中只發(fā)現(xiàn)10塊有裂紋，也就是說只有0.2%的陰極塊發(fā)生裂紋。而在這以前，最嚴(yán)重情況下裂紋平均發(fā)生率可達(dá)5%。
權(quán)利要求
1.一種封焊方法，它可以把至少一根金屬陰極桿封焊在平行六面體的凹槽中以形成電解鋁生產(chǎn)槽的陰極，本方法包括把液態(tài)鑄鐵澆注到各陰極桿與碳質(zhì)陰極塊的各凹槽之間的空隙中，在封焊工序進(jìn)行期間，陰極塊的安放位置應(yīng)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(jié)束以后十分鐘內(nèi)，陰極塊均應(yīng)處在預(yù)應(yīng)力的作用下，其特征在于一方面把預(yù)應(yīng)力(F1)作用在靠近陰極塊兩端的兩個(gè)突出部分的側(cè)面上，另一方面把預(yù)應(yīng)力(F3)作用在陰極塊突出部分的上部表面的至少一個(gè)位置上。
2.權(quán)利要求
1中所述的封焊方法，其特征在于可以用例如千斤頂(機(jī)械的、液壓的、氣動(dòng)的或電氣的)或重物等裝置來施加預(yù)應(yīng)力。
3.權(quán)利要求
1中所述的封焊方法，其特征在于每個(gè)預(yù)應(yīng)力F1的取值范圍在1000-2000牛頓之間。
4.權(quán)利要求
1中所述的封焊方法，其特征在于每個(gè)預(yù)應(yīng)力F3的取值范圍在15000-25000牛頓之間。
5.權(quán)利要求
1中所述的封焊方法，其特征在于在陰極塊的兩端由單個(gè)千斤頂將預(yù)應(yīng)力F1作用在兩個(gè)繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的剛性桿上，然后剛性桿基本上對(duì)稱地作用在每個(gè)突出部分的側(cè)面上。
6.權(quán)利要求
1中所述的封焊方法，其特征在于預(yù)應(yīng)力F3由配置在杠桿一端的重物所產(chǎn)生，它基本上對(duì)稱地作用在兩個(gè)突出部分的上部表面上。
7.權(quán)利要求
6中所述的封焊方法，其特征在于預(yù)應(yīng)力F3作用在陰極塊的中央部分。
8.權(quán)利要求
6中所述的封焊方法，其特征在于預(yù)應(yīng)力F3作用在陰極塊全長(zhǎng)的約三分之一處及三分之二處。
9.一種實(shí)施權(quán)利要求
1至8中所述封焊方法的裝置，其特征在于該裝置包括一個(gè)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(jī)構(gòu)而把陰極塊的位置提高;兩個(gè)相同的、可向陰極塊的兩個(gè)突出部分3的側(cè)面末端施加側(cè)向應(yīng)力F1的裝置30A，30B，該兩裝置裝在陰極塊的兩端;一個(gè)可以把垂直應(yīng)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(quán)利要求
9中所述的裝置，其特征在于把陰極塊位置提高的裝置15包括兩個(gè)滾子16A，16B，滾子間的間隔距離略小于陰極塊的長(zhǎng)度，每個(gè)滾子分別與一個(gè)三角形桿21、24相連接，三角形桿21、24分別以樞軸安裝在固定點(diǎn)22、25上，由一個(gè)雙作用千斤頂操縱每個(gè)三角形桿圍繞各自的固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。
11.權(quán)利要求
9中所述的裝置，其特征在于施加側(cè)向應(yīng)力F1的裝置有一個(gè)千斤頂26，千斤頂與兩根剛性桿27A、27B的一端相連接，兩根剛性桿以樞軸安裝在一個(gè)公共固定點(diǎn)28上，剛性桿27A、27B的另一端29A、29B則支靠在陰極塊突出部分的外側(cè)面上。
12.權(quán)利要求
9中所述的裝置，其特征在于向陰極塊的上部表面施加垂直應(yīng)力F3的裝置包括一個(gè)懸吊在一根基本水平的杠桿34的一端的重物35，杠桿的另一端以樞軸安裝在固定點(diǎn)33上，在杠桿的中間點(diǎn)36處支撐著一個(gè)U形件37，在它的下部裝有兩個(gè)支承塊38A、38B。
專利摘要
本發(fā)明介紹一種在受有預(yù)應(yīng)力作用的碳質(zhì)陰極塊上用鑄鐵把陰極桿封焊在應(yīng)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(gè)滾子16A、16B所舉起，而應(yīng)力F1和F2則分別同時(shí)作用在陰極塊的突出部分3的側(cè)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(jié)果后15至20分鐘內(nèi)，陰極塊均應(yīng)處在預(yù)應(yīng)力的作用下。這樣就完全消除了在陰極塊中發(fā)生裂紋的可能性。
文檔編號(hào)C25C3/08GK87107682SQ87107682
公開日1988年7月27日 申請(qǐng)日期1987年11月9日
發(fā)明者加布里爾·奧德拉斯, 勞倫特·麥查德 申請(qǐng)人:皮奇尼鉛業(yè)公司, 薩沃瓦賽爾斯電極耐火材料公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan