一种爆炸复合焊接制备嵌铜阴极钢棒的方法与流程

本发明属于阴极钢棒制造，涉及一种电解铝用嵌铜阴极钢棒的制备方法，具体涉及一种爆炸复合焊接制备嵌铜阴极钢棒的方法，是一种增加金属界面结合强度，提高阴极钢棒导电率的制备新方法。

背景技术：

1、阴极钢棒是电解铝阴极导电的重要部件，其导电性能和使用寿命都会影响铝电解生产成本。目前国内电解铝使用的阴极钢棒材质主要为碳钢q195，少部分使用工业纯铁。使用时，在阴极钢棒上包裹石墨阴极，石墨材料的上面是耐火材料、阴极铝液和电解质。在长期使用过程中，由于周围的碳会与阴极钢棒发生渗碳反应从而影响阴极钢棒的导电性，使电解槽阴极压降升高，增加电耗；另一方面电解质中的钠元素会从上而下的侵蚀耐火材料和石墨阴极，导致铝液渗漏，严重腐蚀阴极钢棒，降低电解槽使用寿命。为了解决阴极钢棒存在的问题，出现了能降低电解槽阴极压降、大大减少电耗的嵌铜阴极钢棒；如专利《新型结构的嵌铜阴极钢棒》（专利号201920810240 .6，公告日2020.04.03）。

2、现有技术中，主要采取机加工方法制造嵌铜阴极钢棒，即在阴极钢棒中间加工一个圆洞，然后塞入铜棒或浇铸铜棒，封口后形成嵌铜阴极钢棒。用此方法制造的嵌铜阴极钢棒存在的主要缺点：1）在钢棒上加工圆洞时，尤其是用纯铁做钢棒材料时“粘刀”情况严重，加工难度大、效率低，加工一支钢棒需要几个小时；2）由于钢棒和铜棒结合越紧密越好，因此加工精度要求非常高，装配难度极大。但无论怎样，铜棒和钢棒之间必然有缝隙，否则无法装入。这就影响了嵌铜阴极钢棒的导电性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种制造成本低、制造效率高的爆炸复合焊接制备嵌铜阴极钢棒的方法。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种爆炸复合焊接制备嵌铜阴极钢棒的方法，按以下步骤进行：

3、1）取方钢或扁钢制成的钢棒毛坯1，取工业黄铜圆铜棒制成的铜棒；

4、将钢棒毛坯1平放在铣床上固定好，然后按尺寸要求在钢棒毛坯1上加工半圆形的凹槽2，凹槽2的轴线方向与钢棒毛坯1的长度方向一致，制得开槽钢棒，如图1所示；

5、铜棒与钢棒毛坯1的重量比一般为1︰6～20；

6、钢棒毛坯1的材质选用q195钢材或工业纯铁，截面为方形或长方形；

7、凹槽2的大小和位置按不同设计要求尺寸控制，凹槽的2直径一般比铜棒的直径小3～5mm。根据钢棒毛坯1的材质确定铣刀切削速度，以保证凹槽2表面质量为准，一般在10～60mm/min；

8、2）用砂轮片或砂纸打磨清理开槽钢棒上加工有凹槽2的一面，然后，用蘸有酒精的软纱布擦拭打磨清理后的表面，以去除铁末，得清理后开槽钢棒3；

9、用砂轮片或砂纸打磨清理铜棒的表面，然后，用蘸有酒精的软纱布擦拭打磨清理后的表面，以去除铜末，得清理后铜棒4；

10、3）将一根清理后开槽钢棒3放置在平地上，使该根清理后开槽钢棒3上的凹槽2朝上，然后将一根清理后铜棒4放入该根清理后开槽钢棒3上的凹槽2内，再将另外一根清理后开槽钢棒3上的凹槽2朝下，将该另外一根清理后开槽钢棒3扣在清理后铜棒4上，使得两根清理后开槽钢棒3和清理后铜棒4两端对齐，得坯料组合，如图2所示；

11、4）将坯料组合放置在准备好的爆炸场地上，坯料组合中的两根开槽钢棒3上下设置，在位于上方的开槽钢棒3上面铺设炸药，然后将引爆雷管安装在位于上方的开槽钢棒3上表面的中间位置；按照爆炸复合工艺进行爆炸复合焊接，得到嵌铜阴极钢棒毛坯；

12、炸药铺设总药量wg=k(δρ)1/2；

13、式中：wg—炸药铺设总药量（g/cm2）；

14、k—系数，其值取决于需复合材料的性能，本发明中取值1.3～1.5；

15、δ—开槽钢棒的厚度（cm）；

16、ρ—开槽钢棒的密度（g/cm3）；

17、5）将嵌铜阴极钢棒毛坯放入加热炉内，以小于等于200℃/h的升温速率升温至500～700℃，保温3～4小时，随炉缓冷至室温，得到热处理后嵌铜阴极钢棒；

18、退火处理的目的是消除爆炸焊接界面及其附近的残余应力；

19、6）用矫直机校直、校平热处理后嵌铜阴极钢棒；

20、7）用砂轮机将矫直后的退火嵌铜阴极钢棒两端爆炸焊接的部位打磨修理平整，制得爆炸复合焊接嵌铜阴极钢棒。

21、采用本发明制备方法可制得多种规格尺寸（单位：mm）的爆炸复合焊接嵌铜阴极钢棒：195×170×2200、220×1260×3000、160×230×1970、170×195×1900、170×210×2255、100×230×2040等。

22、爆炸焊（explosive welding，ew）是以炸药作为能源，利用爆炸时产生的冲击力，使焊件发生剧烈碰撞、塑性变形、熔化及原子间相互扩散，从而实现连接的一种压焊方法。爆炸焊可在同种金属或异种金属之间形成一种高强度的冶金结合焊缝，而且爆炸焊能把脆性化合物层减小至最低限度甚至不产生脆性金属层。

23、本发明制备方法利用爆炸焊接的优点，将铜棒紧密镶嵌在钢棒之中。制备的嵌铜阴极钢棒中铜-钢界面没有缝隙、结合牢固、连接强度高、可有效提高阴极钢棒的导电性能，降低电耗。据检测，用本发明方法制备的嵌铜阴极钢棒，应用于500ka铝电解槽后，比采用机加工制造的嵌铜阴极钢棒可降低电耗85度/吨铝，极大地降低了生产成本。另外，现有技术中采用机加工制造嵌铜阴极钢棒时，加工难度高、装配难度大，一台铣床加工一支钢棒孔洞大约需要3～4小时，加上装配铜棒及封口的时间，总共需要4～5小时，效率很低。而按照本发明方法制备一支嵌铜阴极钢棒时，两片钢棒毛坯1的开槽时间总共只需要2～2.5小时左右，爆炸复合装配可批量一次焊接几十支，效率大大提高。

24、本发明制备方法可操作性强、简单易掌握，比现有技术中使用的机加工制备嵌铜钢棒方法质量可靠，制造效率高。

技术特征：

1.一种爆炸复合焊接制备嵌铜阴极钢棒的方法，其特征在于，该制备方法按以下步骤进行：

2.如权利要求1所述的爆炸复合焊接制备嵌铜阴极钢棒的方法，其特征在于，铜棒直径大于凹槽（2）直径3～5mm。

3.如权利要求1或2所述的爆炸复合焊接制备嵌铜阴极钢棒的方法，其特征在于，钢棒毛坯（1）采用q195钢或工业纯铁。

4.如权利要求1所述的爆炸复合焊接制备嵌铜阴极钢棒的方法，其特征在于，坯料组合中的两根清理后开槽钢棒（3）和清理后铜棒（4）两端对齐。

5.一种如权利要求1所述方法制备得到的爆炸复合焊接嵌铜阴极钢棒。

6.如权利要求5所述的爆炸复合焊接嵌铜阴极钢棒，其特征在于，该嵌铜阴极钢棒的尺寸规格为195mm×170mm×2200mm、220mm×1260mm×3000mm、160mm×230mm×1970mm、170mm×195mm×1900mm、170mm×210mm×2255mm或100mm×230mm×2040mm。

技术总结
本发明公开了一种爆炸复合焊接制备嵌铜阴极钢棒的方法，在截面形状为方形的钢棒毛坯上加工凹槽，得开槽钢棒；取直径大于凹槽直径的铜棒；打磨清理开槽钢棒上加工有凹槽的一面，去除铁末，得清理后开槽钢棒；打磨清理铜棒的表面，去除铜末，得清理后铜棒；从下往上依次放置一根清理后开槽钢棒、清理后铜棒和另一根清理后开槽钢棒；该两根清理后开槽钢棒上的凹槽相对设置；位于上方的清理后开槽钢棒上面铺设炸药，安装引爆雷管；按照爆炸复合工艺进行爆炸复合焊接，得嵌铜阴极钢棒毛坯，热处理，矫直，打磨修理，制得爆炸复合焊接嵌铜阴极钢棒。该制备方法效率高、成本低，能制得铜钢界面无缝隙、结合强度高、导电性能增强的嵌铜阴极钢棒。

技术研发人员：鲁维东,韩书栋,李芳,周耀邦,王国强
受保护的技术使用者：甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25