Исследование влияния сплошности соединения на эксплуатационные свойства медно-титанового токоподвода, полученного сваркой взрывом

Малахов Андрей Юрьевич; Сайков Иван Владимирович; Николаенко Павел Анатольевич; Первухин Леонид Борисович

УДК 621.791.13

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1136-1138

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СПЛОШНОСТИ СОЕДИНЕНИЯ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МЕДНО-ТИТАНОВОГО ТОКОПОДВОДА, ПОЛУЧЕННОГО СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ

1) Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, e-mail: [email protected] 2) Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина, г. Москва, Российская Федерация, e-mail: [email protected]

В работе исследованы эксплуатационные свойства медно-титановых цилиндрических токоподводов для электролизеров никеля, полученных сваркой взрывом. Было выявлено влияние сплошности соединения на падение напряжения в области сцепления медного стержня и титановой трубы, а также определена минимальная площадь контакта поверхностей (медь-титан), при которой биметаллический токоподвод не теряет своих эксплуатационных характеристик.

Ключевые слова: сварка взрывом; медно-титановый токоподвод; электролизер; падение напряжения.

Практически все отрасли промышленности, в той или иной мере, нуждаются в качественных металлических материалах. Их получение является важным этапом на пути создания новых конструкций. В частности, стратегически важным является получение таких легирующих металлов, как никель, кобальт и др. Никель обладает ценными химическими и высокими механическими свойствами. Благодаря хорошей пластичности из никеля можно получать разнообразные изделия методом деформации в горячем и холодном состоянии. В результате переработки никелевых руд получают черновой никель. Для того чтобы его очистить, применяют электролитический способ. То есть в ванну с электролитом опускают аноды из чернового никеля и катоды из чистого никеля. В результате процесса электролиза анод разлагается, и чистый никель переходит на катод. Постоянный электрический ток на анод подается через токоподводы. На данный момент самым перспективным является применение двухслойного токоподвода. В качестве внутреннего слоя применяется медь, а наружного - титан. Медь, как хороший проводник, обеспечивает бесперебойную подачу тока, а титан защищает поверхность токоподвода от воздействия электролитов, в качестве которых применяют т. н. сульфатхлоридные электролиты, которые содержат сульфат и хлорид никеля, сульфат натрия, хлористый натрий и пр. [1].

Задачей данной работы было создание сваркой взрывом биметаллического медно-титанового токопод-вода, который используется для получения никеля, и исследование влияния сплошности соединения в биметалле на эксплуатационную характеристику токопод-водов - падение напряжения.

Прочность соединения титановой оболочки и медного сердечника должна выдерживать в соответствии с режимом работы электролизера многократный цикличный нагрев до 500 °С и охлаждение до 60 °С (количе-

ство циклов не менее 25-ти). Нагрев, в свою очередь, вызывает интенсивное окисление и повышение контактного переходного сопротивления, которое образуется в месте соприкосновения проводников. Простое наложение контактных поверхностей соединяемых проводников не обеспечивает хорошего контакта, т. к. действительное соприкосновение происходит не по всей поверхности, а только в немногих точках. Причина этого - шероховатость поверхности контактирующих элементов, а также наличие на поверхности оксидных и гидрооксидных пленок, адсорбированной влаги, масел, продуктов коррозии, пыли и т. п. Таким образом, стабильное переходное контактное сопротивление, которое не будет увеличиваться в процессе эксплуатации, можно получить только на неразъемных контактах, полученных сваркой или пайкой.

Соединение титана с медью при сварке взрывом происходит в твердой фазе, при этом в процессе сварки взрывом из зоны соединения удаляются поверхностные окисные пленки и загрязнения и соединяются чистые ювенильные поверхности с прочностью не ниже прочности меди, что обеспечивает идеальный контакт. Некоторыми отечественными исследователями показано, что переходное сопротивление биметалла медь-алюминий, полученного с использованием сварки взрывом, в 2-2,5 раза меньше, чем переходное сопротивление аналогичного биметалла полученного с использованием технологии холодной сварки [2].

Наружный диаметр двухслойного медно-титано-вого токоподвода (медь М1 + титан ВТ1-0), полученный сваркой взрывом, составил 22 мм при длине 1200 мм. При изготовлении опытной партии было установлено, что не всегда обеспечивается 100 % сплошность соединения по всей поверхности медного стержня с титановой трубой. В связи с этим возник вопрос - как влияет сплошность соединения на основную эксплуатационную характеристику токоподвода - падение напряжения.

2016. Т. 21, вып. 3. Физика

Рис. 1. Схема измерения падения напряжения по длине токоподвода Си+Т^ 1 - подвижный токосъемник; 2 - титановая труба; 3 - медь; 4 - точки измерения; 5 - токоподвод

Таблица 1

Результаты измерений падения напряжения на стенде АО «БСК»

Порядковый номер точки измерения 100 % сплошность Сплошность меньше 50 %

Падение напряжения, мВ

По меди По титану По меди По титану

1 13,4 13,5 12,8 13,2

2 25,2 25,3 21,4 21,5

3 36,9 36,9 32,5 32,4

4 48,7 48,9 42,9 42,9

5 58,7 58,8 53,2 53,3

Для исследования были взяты биметаллические то-коподводы из нескольких промышленных партий. Методом ультразвукового контроля была определена сплошность соединения и отобраны по три стержня со 100 % сплошностью и три стержня со сплошностью менее 50 %.

Измерение падения напряжения производилось на стенде ОА БСК, который обеспечивает напряжение в 5 В и ток в 500 А, тем самым имитируя условия эксплуатации медно-титанового токоподвода (рис. 1).

Для исследования влияния несплошностей в испытываемых стержнях были просверлены отверстия в титановом покрытии с углублением в медный стержень. Измерения производили подвижным токосъемником. Результаты измерения представлены в табл. 1.

Выводы. Результаты измерения падения напряжения в биметаллических стержнях показали, что покрытие из титана практически не влияет на падение на-

пряжения в токоподводе и в первую очередь зависит от сопротивления меди. На основании проведенных экспериментов была определена минимальная площадь контакта, которая должная быть не менее 20 % от площади всей поверхности контакта.

Сварка взрывом обеспечивает соединение меди с титаном без наличия переходного сопротивления, следовательно, в процессе работы токоподвода поверхность контакта меди с титаном нагреваться не будет.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Грань Т.В., Крылов А.С. Электролитическое рафинирование никеля. М.: Металлургия, 1970. 96 с.

2. Лось И.С., Крюков Д.Б., Хорин А.В. Медно-алюминиевые композиционные материалы, полученные сваркой взрывом // Известия ВолгГТУ. 2010. Вып. 4. Т. 5. С. 88-92.

Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.

UDC 621.791.13

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1136-1138

THE INVESTIGATION OF THE EFFECT OF CONTINUITY ON CONNECTION PERFORMANCE PROPERTIES OF COPPER-TITANIUM POTS, OBTAINED BY EXPLOSION WELDING

1) Institute of Structural Macrokinetics and Problems of Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation,

e-mail: [email protected] 2) State Scientific Center of the Russian Federation Federal State Unitary Enterprise (FSUE) I.P. Bardin Central Research Institute for Ferrous Metallurgy, Moscow, Russian Federation, e-mail: [email protected]

In this paper, we investigated the performance properties of copper-titanium cylindrical current leads to electrolysis of Nickel, obtained by explosion welding. Revealed the effects of the continuity of the connections on the voltage drop in the adhesion of the copper rod and titanium pipe and defined the minimum area of the contact surfaces (copper-titanium), in which the bimetallic current collector does not lose its performance characteristics.

Key words: explosion welding; copper-titanium current collector; the electrolytic cell; the voltage drop.

REFERENCES

1. Gran' T.V., Krylov A.S. Jelektroliticheskoe rafinirovanie nikelja. Moscow, Metallurgy Publ., 1970. 96 p.

2. Los' I.S., Krjukov D.B., Horin A.V. Medno-aljuminievye kompozicionnye materialy, poluchennye svarkoj vzryvom. Izvestiya Volgo-gradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta — Izvestia VSTU, 2010, vol. 4, no. 5, pp. 88-92.

Received 10 April 2016

Малахов Андрей Юрьевич, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, младший научный сотрудник лаборатории ударно-волновых процессов, e-mail: [email protected]

Malakhov Andrey Yurevich, Institute of Structural Macrokinetics and Problems of Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Senior Research Worker of Shock Wave Processes Laboratory, e-mail: [email protected]

Сайков Иван Владимирович, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, специалист в области ударно-волновых процессов, e-mail: [email protected]

Saykov Ivan Vladimirovich, Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Candidate of Technics, Senior Research Worker, Specialist in Field of Shock Wave Processes, e-mail: [email protected]

Николаенко Павел Анатольевич, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, кандидат технических наук, научный сотрудник, специалист в области ударно-волновых процессов, e-mail: [email protected]

Nikolaenko Pavel Anatolevich, Institute of Structural Macrokinetics and Problems of Materials Science of RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Candidate of Technics, Research Worker, Specialist in Field of Shock Wave Processes, e-mail: [email protected]

Первухин Леонид Борисович, Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина, г. Москва, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией, специалист в области ударно-волновых процессов, e-mail: [email protected]

Pervukhin Leonid Borisovich, I.P. Bardin Central Research Institute for Ferrous Metallurgy, Moscow, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor, Head of Laboratory, Specialist in Field of Shock Wave Processes, e-mail: [email protected]