Способ изготовления штанги для подвески постоянного катода

1 Данное изобретение относится к способу изготовления штанги для подвески постоянного катода, используемого при электролизе металлов, в котором подвесную штангу выполняют из жесткой металлической наружной оболочки и сердечника высокой проводимости, закрепленного внутри оболочки. С помощью способа обеспечивается хорошее соединение между наружной оболочкой и сердечником. Это соединение выполняют посредством протяжки, высадки, плавления или отливки. При электролизе металлов традиционный способ предусматривает использование первоначальных листов, которые наращиваются на поверхности маточных пластин. Использование затем такого рода первоначальных листов в качестве катодов, которые состоят из того же металла, что и осаждаемый металл, например,медь, исключается, в особенности если речь идет о новых инвестициях. При строительстве новых электролитических цехов обычно используют постоянные катоды и выполненную в виде листа часть катодов обычно выполняют из кислотостойкой стали или титана. Постоянные катоды изготавливают многими различными путями, при этом принципиальное различие состоит в структуре штанги для подвески катода и в креплении пластинчатой части на подвесной штанге. Структура подвесной штанги и крепление пластинчатой части являются проблематичными, потому что для подвода большого электрического тока к пластинчатой части необходимо, чтобы в подвесной штанге имелось достаточно меди. Поскольку кислотостойкая сталь является плохим проводником, то она не может быть единственным материалом, используемым в штанге. Из уровня техники известны несколько способов соединения меди и другого металла при изготовлении штанги для подвески постоянных катодов. В коммерческом предложении доминируют два вида конструкции. В первой конструкции используется полностью медная подвесная штанга, к которой приварена пластинчатая часть из кислотостойкой стали с использованием специальной легированной электродной проволоки. Одним из недостатков этого способа является мягкость подвесной штанги,выполненной полностью из меди, в результате чего штанга легко деформируется, особенно при использовании катодов большой массы. Повышение температуры, вызванное короткозамкнутыми контурами, дополнительно усугубляет эту проблему. Вторым недостатком выполненной полностью из меди подвесной штанги является то, что трудно прикрепить достаточно прочно к подвесной штанге отдельные подъемные скобы,которые должны быть наверху подвесной штанги, согласно существующим требованиям к перемещению материалов. Третьим недостатком является то, что необходима специальная леги 003342 2 рованная электродная проволока для крепления пластинчатой части из кислотостойкой стали, и медная подвесная штанга не так устойчива к коррозии, как другие части катода. Преимуществом этой конструкции является то, что изготовление такого рода постоянного катода является быстрым, требует мало инвестиций и нет специальных требований относительно местоположения процесса изготовления. Другим преимуществом является большая площадь поперечного сечения и, следовательно, малые потери мощности в самой конструкции постоянного катода. В другой, широко используемой конструкции подвесной штанги постоянного катода трубчатый сердечник подвесной штанги изготовлен из нержавеющей или кислотостойкой стали. Кислотостойкая пластинчатая часть приварена с помощью электродной проволоки,обычной для этих материалов. После скрепления подвесную штангу и самую верхнюю часть пластинчатой части, где расположены места сварки, электролитическим способом покрывают медью для обеспечения адекватной электропроводности. Медное покрытие также защищает места сварки от воздействия окружающей среды. Этот способ описан, например, в патентеGB2 040 311. Наиболее значительным недостатком указанного выше способа является то, что электролитическое покрытие требует много времени,нескольких дней, в результате чего значительно возрастает время изготовления, и электролитическое покрытие требует больших инвестиций в оборудование. Из-за электролитического покрытия линия изготовления должна находиться в непосредственной близости к работающему электролитическому цеху. В этой конструкции поперечное сечение меди меньше, чем в описанной ранее конструкции, когда подвесная штанга выполнена полностью из меди. Это в свою очередь приводит к тому, что постоянный катод имеет слегка большее сопротивление собственной конструкции, и обусловленные этим потери энергии больше, чем при использовании подвесной штанги, выполненной полностью из меди. С другой стороны, подвесная штанга со стальным сердечником имеет большую прочность, за счет чего постоянный катод сохраняет свою форму даже при большой массе катода, а также не имеет проблем, связанных с короткозамкнутыми контурами, влияющими на срок службы катода. В этом случае также намного проще прикреплять подъемные скобы к такой конструкции. Подъемные скобы надежно приваривают к стальному сердечнику штанги перед электролитическим покрытием медью, что делает конструкцию прочной и долговечной. При такой конструкции все места сварки осуществляются между стальными частями и остаются под медным покрытием, что делает соединения прочными и долговечными. 3 В патенте US4 647 358 раскрыт другой постоянный катод, в котором самая наружная часть подвесной штанги изготовлена из стальной трубы, прикрепленной к пластинчатой части с помощью сварки. Внутри стальной трубы подвесной штанги расположена полая медная труба, которая длиннее стальной трубы, или же стальная труба, по меньшей мере, частично открыта на концах, так что ток проходит через медную внутреннюю трубу подвесной штанги. Внутренний диаметр стальной трубы почти равен наружному диаметру медной трубы, так что трубы находятся в тесном контакте друг с другом. Наружная оболочка, способ изготовления которой описан в патенте, первоначально открыта в продольном направлении, так что внутреннюю трубу легко размещать, и после установки внутренней трубы наружную оболочку прикрепляют к трубе в продольном направлении с помощью сварки. Как внутренняя труба,так и наружная оболочка на концах штанги сварены друг с другом. Преимуществами указанного способа является то, что штанга имеет высокую прочность,а также то, что отдельные подъемные скобы можно приваривать непосредственно к части оболочки, состоящей из того же металла. Однако недостатком является то, что для обеспечения правильного контакта необходимы отдельные места сварки и/или перекрытия между оболочкой и сердечником. В результате при массовом производстве трудно получить штанги одинакового качества. Другим недостатком является то, что оболочку и сердечник необходимо сваривать друг с другом на концах, для того чтобы уплотнить конструкцию и не допустить коррозии, поскольку попадание электролита между оболочкой и сердечником отрицательно сказывается на длительности срока службы штанги. Поэтому для изготовления необходимы многочисленные рабочие операции, которые трудно поддаются автоматизации, так что стоимость изготовления становится проблематичной, хотя, как указывалось выше, невозможность обеспечения равномерного качества может иметь решающее значение. Задачей данного изобретения является создание способа изготовления штанги для подвески постоянного катода, используемого при электролизе металлов, в котором подвесную штангу изготавливают из жесткой металлической наружной оболочки, внутри которой расположен сердечник с высокой электропроводностью, путем протяжки, высадки, плавления или отливки. Целью использования этих технологий является обеспечение достаточно хорошего электрического контакта и уплотнения между оболочкой и сердечником без дополнительных рабочих операций. Наиболее предпочтительным является обеспечение металлургического соединения между частями штанги. Таким образом, после соединения оболочки и сердеч 003342 4 ника достаточно с помощью машинной обработки частично открыть оболочку на одном конце и, по меньшей мере, создать хороший электрический контакт между подвесной штангой катода и шиной ванны. Существенные признаки изобретения следуют из прилагаемой формулы изобретения. В тексте делаются ссылки в основном на медь, как металл с высокой электропроводностью для сердечника, но это может быть также алюминий. Жесткая металлическая наружная оболочка предпочтительно изготовлена из стали повышенного качества, так что она может быть кислотостойкой или нержавеющей сталью. Когда подвесную штангу изготавливают с помощью протяжки, то сердечник с высокой электропроводностью изготавливают для штанги посредством протяжки меди через внутреннюю часть готовой наружной оболочки. Когда наружная оболочка изготовлена, например, из стали повышенного качества, то наилучшим способом является его изготовление заранее,поскольку сталь повышенного качества трудно поддается протяжке. Это предпочтительно осуществляют так, что изготавливают из меди трубчатую заготовку, подходящую для внутренней части стальной оболочки. Эту заготовку помещают внутрь металлической оболочки в протяжной машине, которая плотно прижимает медь к поверхности стальной оболочки. Можно использовать также стальной стержень в качестве оправки, который протягивается или заталкивается в отверстие в медной заготовке и при необходимости может быть также оставлен внутри готовой штанги. Во время изготовления стальная оболочка при необходимости может поддерживаться снаружи для предотвращения деформации. Придание формы меди и ее соединение со сталью можно регулировать с помощью температуры. Подвесную штангу постоянного катода можно изготавливать также с помощью высадки, при этом подходящий сердечник устанавливают внутри наружной оболочки, так чтобы при сжатии концов сердечника его можно было выдавливать очень плотно к оболочке, по меньшей мере, в важных местах, т.е. на концах. Температуру можно регулировать для придания формы меди, как и при протяжке. В зависимости от используемой температуры можно при протяжке или высадке создавать металлургический контакт между оболочкой и сердечником. Изготовление подвесной штанги с помощью плавления осуществляют так, что заготовку медного сердечника, которая предварительно изготовлена с помощью, например, литья, протяжки или машинной обработки, сначала помещают в твердом виде внутри стальной оболочки и затем расплавляют путем нагревания оболочки и заготовки сердечника. Расплавление можно выполнять в вертикальном положении, когда предпочтительно закрыть нижний конец сталь 5 ной трубы. В этом случае труба поддерживает заготовку сердечника и удерживает расплавленную медь внутри трубы оболочки. Во время тепловой обработки оболочка остается достаточно твердой. Соединение между сталью и медью можно регулировать с помощью температуры и времени, в котором медь удерживается в расплавленном состоянии, и при использовании подходящей комбинации обеспечивается металлургическое соединение. Когда подвесную штангу изготавливают с помощью отливки, то ее выполняют так, что наружная оболочка из стальной трубы служит литейной формой, в которую непосредственно отливают медный сердечник. Однако оболочка остается в достаточно твердом виде. Возможное прилипание меди к наружной поверхности стальной оболочки можно предотвратить, например, с помощью обработки графитовым раствором или другого покрытия. За счет отливки расплавленной меди внутрь твердой стальной оболочки может быть получено металлургическое соединение между сталью и медью. Саму отливку осуществляют, например,путем заливания расплавленного металла сердечника внутрь установленной вертикально стальной трубы, которая закрыта на нижнем конце. Желательно предварительно сильно нагреть оболочку или дополнительно нагреть целиком всю штангу (оболочка + сердечник) после разливки расплава. Существенно то, что оболочка достаточно длительное время находится в реальном контакте с расплавленной медью так, что металлургическое соединение имеет время, чтобы образоваться между оболочкой и сердечником. Если трубу оболочки предварительно не нагревать, или же не нагревать всю штангу во время или после отливки, то не будет трещин, однако, металл сердечника будет так быстро застывать на холодной внутренней стенке оболочки, что не образуется соединения. Другим способом наполнения стальной оболочки является ее погружение в медный расплав на достаточно продолжительное время,так что предварительное нагревание вообще не требуется. Погружение можно выполнять при нахождении трубы в горизонтальном положении, при этом перед погружением оба конца стальной оболочки закрывают и на верхней стороне трубы выполняют достаточное количество отверстий для подачи меди и выпускания воздуха. Достаточным количеством является, например, одно отверстие на любом конце трубы. Трубу можно также удерживать в наклонном положении для обеспечения попадания расплава внутрь. Погружение, естественно, можно выполнять также в вертикальном положении, при этом закрывают только нижний конец стальной оболочки перед погружением. Например, погружение примерно на одну минуту достаточно для получения хорошего конечного результата. 6 Как указывалось выше, желателен контакт металлов высокой электропроводности между постоянным катодом и шиной электролитической ванны, так чтобы ток между ними проходил с малыми потерями. Это легко обеспечивается с помощью сердечника, изготовленного посредством протяжки, высадки, плавления или отливки, за счет того, что, например, после соединения друг с другом частей штанги можно удалить стальную оболочку на одной стороне штанги, на обоих концах или на одном конце, на достаточной длине от торца медного сердечника. Одновременно можно создавать необходимую форму поперечного сечения медного контакта штанги за счет, например, изгибания. Отдельные подъемные скобы, изготовленные из стали повышенного качества, приваривают по необходимости непосредственно к стальной оболочке подвесной штанги. Аналогичным образом, пластинчатую часть катода приваривают непосредственно к стальной оболочке. Пластинчатую часть и подъемные скобы можно прикреплять к стальной оболочке подвесной штанги перед присоединением медного сердечника или же после него, и места сварки всегда выполняются посредством соединения одинакового материала, так что их легко выполнять и они являются долговечными. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ изготовления штанги для подвески постоянного катода, используемого при электролизе металлов, при котором формируют из стали повышенного качества жесткую наружную оболочку подвесной штанги, помещают внутрь нее сердечник в виде трубы, обладающий высокой электропроводностью, удаляют,по меньшей мере, с одного конца подвесной штанги наружную оболочку, отличающийся тем, что уплотнение контакта между наружной оболочкой и сердечником обеспечивают посредством протяжки. 2. Способ изготовления штанги для подвески постоянного катода, используемого при электролизе металлов, при котором формируют из стали повышенного качества жесткую наружную оболочку подвесной штанги, помещают внутрь нее сердечник, обладающий высокой электропроводностью, удаляют, по меньшей мере, с одного конца подвесной штанги наружную оболочку, отличающийся тем, что уплотнение контакта между наружной оболочкой и сердечником обеспечивают посредством высадки или плавления сердечника. 3. Способ изготовления штанги для подвески постоянного катода, используемого при электролизе металлов, при котором формируют из стали повышенного качества жесткую наружную оболочку подвесной штанги, формируют посредством отливки внутри нее сердечник,обладающий высокой электропроводностью, с обеспечением уплотнения контакта между наружной оболочкой и сердечником, удаляют, по меньшей мере, с одного конца подвесной штанги наружную оболочку. 4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем,что сердечник выполняют медным. 5. Способ по пп.1-3, отличающийся тем,что сердечник выполняют алюминиевым. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что сердечник соединяют с наружной оболочкой путем помещения заготовки сердечника внутри наружной оболочки и протягивания оправки через заготовку в протяжной машине. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве оправки используют стальной стержень. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что стальной стержень оставляют внутри сердечника с высокой электропроводностью. 9. Способ по п.2, отличающийся тем, что сердечник соединяют с наружной оболочкой путем помещения заготовки сердечника внутри наружной оболочки и сдавливания концов сердечника так, что сердечник плотно придавливается к оболочке. 10. Способ по п.3, отличающийся тем, что для получения металлургического соединения между оболочкой и сердечником, сердечник прикрепляют к оболочке посредством его заливки в расплавленном виде внутрь твердой оболочки. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что отливку выполняют с использованием наружной оболочки в качестве литейной формы, в которую заливают расплавленный металл сердечника. 8 12. Способ по п.2, отличающийся тем, что для получения металлургического соединения между оболочкой и сердечником, заготовку сердечника помещают в твердом виде внутрь наружной оболочки и затем расплавляют сердечник внутри наружной оболочки, которая сохраняется в достаточно твердом виде. 13. Способ по любому из пп.10 или 12, отличающийся тем, что наружную оболочку перед соединением предварительно нагревают. 14. Способ по любому из пп.10 или 12, отличающийся тем, что наружную оболочку и сердечник нагревают во время соединения. 15. Способ по любому из пп.10 или 12, отличающийся тем, что наружную оболочку и сердечник нагревают после соединения. 16. Способ по любому из пп.10 или 12, отличающийся тем, что наружную оболочку удерживают в вертикальном положении, при этом нижний конец закрыт, когда металл сердечника помещают в оболочку. 17. Способ по п.10, отличающийся тем, что отливку выполняют путем погружения наружной оболочки в расплав металла сердечника. 18. Способ по п.17, отличающийся тем, что наружную оболочку погружают в расплав, по существу, в горизонтальном положении, при этом концы оболочки закрыты и в верхней части оболочки выполнены отверстия для заливки расплава и выпускания воздуха. 19. Способ по п.17, отличающийся тем, что наружную оболочку погружают в расплав, по существу, в вертикальном положении, при этом нижний конец оболочки закрыт.