馮國(guó)杰

【摘? 要】飛速發(fā)展的鋁冶金技術(shù)讓400 kA級(jí)一體化鋁電解槽技術(shù)成為生產(chǎn)引領(lǐng)，槽殼作為電解槽的重要構(gòu)成，其焊接安裝的質(zhì)量直接影響電解槽的使用性能。在整個(gè)焊接過程中變形控制是重中之重，為有效應(yīng)對(duì)焊接變形，論文對(duì)400 kA電解槽槽殼焊接安裝技術(shù)難題進(jìn)行了分析，從多角度對(duì)400 kA電解槽槽殼焊接安裝工藝進(jìn)行了探索，在保證電解槽槽殼質(zhì)量的同時(shí)為其制作生產(chǎn)效率的提升提供有力輔助。

【Abstract】The rapid development of aluminum metallurgy technology makes the 400 kA integrated aluminum electrolytic cell technology become the production leader. Cell shell is an important part of electrolytic cell， and its welding and installation quality directly affects the service performance of electrolytic cell. In the whole welding process， deformation control is the top priority. In order to effectively deal with welding deformation， this paper analyzes the technical problems of welding and installation of 400 kA electrolytic cell shell， and explores the welding and installation technology of 400 kA electrolytic cell shell from multiple angles， so as to provide powerful assistance for the improvement of its manufacturing and production efficiency while ensuring the quality of electrolytic cell shell.

【關(guān)鍵詞】400 kA電解槽;槽殼焊接;工藝

【Keywords】400 kA electrolytic cell; cell shell welding; technology

【中圖分類號(hào)】TF821;TG47 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2022）04-0191-03

1 引言

鋁金屬以及鋁合金材料憑借密度小、強(qiáng)度高、易加工等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天、電力生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域，隨著使用需求的增加，其生產(chǎn)規(guī)模也逐漸完成了大型化擴(kuò)張的轉(zhuǎn)變。400 kA電解槽作為鋁材料的主要生產(chǎn)設(shè)備，若槽殼在焊接的過程中產(chǎn)生變形，不僅會(huì)出現(xiàn)外觀以及整體質(zhì)量的缺陷，同時(shí)會(huì)影響電鋁母線以及設(shè)備的產(chǎn)生安全，造成修磨量以及探傷費(fèi)用的增加，嚴(yán)重的甚至?xí)绊懻Ｉa(chǎn)。因此，在400 kA電解槽槽殼焊接安裝過程中只有經(jīng)過嚴(yán)格的工藝控制才能有效防止變形，在保證生產(chǎn)效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約。

2 400 kA電解槽槽殼焊接安裝的特點(diǎn)

400 kA電解槽槽殼以搖籃式為主，整體結(jié)構(gòu)重量大、制作難度大，主要構(gòu)成包含槽底板、底梁、端頭、堵頭板以及長(zhǎng)側(cè)板5個(gè)部分（見圖1），通過焊接方法組成[1]。在生產(chǎn)過程中承載著各種熱應(yīng)力以及化學(xué)力，其是電解槽生產(chǎn)過程中通風(fēng)散熱的良好輔助。本次研究中400 kA電解槽的槽底板長(zhǎng)度為18.36 m，但板厚僅為12 mm，若采用整體拼裝方法，其在運(yùn)輸過程中會(huì)產(chǎn)生諸多不便，故采用工廠預(yù)制、工地組裝的形式。槽殼焊接完成之后，需要對(duì)焊縫進(jìn)行射線探傷檢查以保證100%的合格率，而在質(zhì)量要求上，不僅要保證焊縫的外觀滿足技術(shù)要求，同時(shí)，要保證焊接細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制防止焊接變形，在機(jī)械化的流水施工過程中減緩電解車間生產(chǎn)組裝的壓力，保證生產(chǎn)過程當(dāng)中的鋁母線施工同步推進(jìn)。

3 400 kA電解槽槽殼焊接安裝技術(shù)難題

3.1 電解槽槽殼焊接變形

3.1.1 電弧熱作用產(chǎn)生塑性變形

電解槽槽殼在焊接過程當(dāng)中，由于電弧熱的輸入會(huì)導(dǎo)致電弧附近的金屬材料因局部受熱過高產(chǎn)生熱膨脹，而遠(yuǎn)離電弧的金屬材料依舊能夠保持較低溫度，因此，受熱的不均勻性會(huì)導(dǎo)致高熱部分產(chǎn)生壓應(yīng)力，而低溫部分產(chǎn)生拉應(yīng)力，在此過程中一旦壓應(yīng)力超出材料屈服點(diǎn)，便會(huì)產(chǎn)生壓縮塑性變形[2]。同時(shí)，在焊接完成之后的冷卻過程當(dāng)中，高熱部分金屬材料會(huì)受到拉應(yīng)力的影響，而低溫部分金屬材料反而會(huì)受到壓應(yīng)力的影響，因此，二者的不協(xié)調(diào)應(yīng)變會(huì)直接導(dǎo)致焊接金屬失去內(nèi)部平衡，在縱向以及橫向的殘余焊接應(yīng)力作用下產(chǎn)生波浪變形。一旦變形產(chǎn)生，不僅影響槽殼外觀尺寸的精度，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致承載力的降低。

3.1.2 焊接金屬材料的影響

材料引起的變形是由于受到焊接材料和母材的影響，因?yàn)椴煌慕饘俨牧蠐碛胁煌牧W(xué)性能參數(shù)以及熱物理性能參數(shù)，物理性能參數(shù)與熱傳導(dǎo)系數(shù)密切相關(guān)，隨著熱傳導(dǎo)系數(shù)的增加，相應(yīng)的溫度梯度會(huì)有所降低，反之隨著熱傳導(dǎo)系數(shù)的降低，溫度梯度反而會(huì)逐漸增大。力學(xué)性能參數(shù)與熱膨脹系數(shù)密切相關(guān)，在焊接過程當(dāng)中，隨著熱膨脹系數(shù)以及傳導(dǎo)系數(shù)的增加，槽殼變形也會(huì)呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)[3]。

3.1.3 焊接安裝工藝的影響

在400 kA電解槽槽殼焊接過程中，安裝工藝的選擇也有著明顯的影響，整個(gè)焊接安裝過程中涉及多個(gè)控制要點(diǎn)，包含焊接方法的選擇、焊接過程中電流電壓量的輸入以及焊接順序的確定，同時(shí)，包含構(gòu)件定位的準(zhǔn)確性、穩(wěn)固性等多重因素。一旦焊接安裝工藝選擇不當(dāng)，焊接過程當(dāng)中殘余應(yīng)力的分布以及整體應(yīng)力狀態(tài)必定發(fā)生變化[4]，隨著應(yīng)力分布和應(yīng)力狀態(tài)的改變焊接變形不可避免。

3.2 電解槽槽殼焊縫缺陷

焊縫缺陷包含咬邊、氣孔、錯(cuò)邊以及條渣等多種形式，產(chǎn)生焊縫缺陷的主要原因在于焊接安裝過程中尚未實(shí)現(xiàn)良好的控制。首先，焊接安裝工作實(shí)施之前應(yīng)對(duì)焊接部位進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，一旦有異物或者污垢殘留必定影響整體焊接質(zhì)量。其次，焊接過程當(dāng)中對(duì)應(yīng)力的掌握十分必要，若應(yīng)力過大不僅會(huì)產(chǎn)生偏焊，相應(yīng)的焊縫間隙也會(huì)出現(xiàn)大小不一的現(xiàn)象。因?yàn)楹缚p間隙的大小不一，在完成焊接組裝的過程當(dāng)中必定采用強(qiáng)制組裝方式，因而在強(qiáng)制組裝的應(yīng)力作用下焊縫性能會(huì)逐漸降低，而焊縫錯(cuò)邊量也難以得到有效保證。最后，在整個(gè)槽殼焊接安裝的過程中工作內(nèi)容較為復(fù)雜，且需要消耗較長(zhǎng)的焊接時(shí)間，如果工作人員在焊接過程中沒有形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，焊后沒有進(jìn)行詳細(xì)的檢查，焊接缺陷是不可避免的。

4 400 kA電解槽槽殼焊接安裝工藝要點(diǎn)

4.1 施工準(zhǔn)備

施工準(zhǔn)備是保證焊接安裝工藝質(zhì)量的基礎(chǔ)，在400 kA電解槽槽殼焊接安裝的施工準(zhǔn)備過程中，首先要進(jìn)行的是完成對(duì)金屬焊接材料的檢查，檢查的重點(diǎn)包含合格證書以及相應(yīng)的坡口等材料參數(shù)是否與實(shí)際設(shè)計(jì)要求達(dá)成一致，同時(shí)，包括對(duì)其外觀以及基本性能的檢查，要保證焊接金屬材料的包裝外觀無明顯缺陷且無雜物、無生銹、無油污。其次，在焊接過程當(dāng)中應(yīng)該選用正確的焊接順序及焊接方式。當(dāng)前，多層焊接的方式保證了焊接參數(shù)以及線能量的降低[5]，為此，在400 kA電解槽槽殼焊接安裝過程中應(yīng)遵循先短焊再長(zhǎng)焊的基本原則，可通過多名焊工同時(shí)焊接施工的方式保證多層焊接安裝相互交錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)焊接應(yīng)力的消除。焊接安裝過程中二氧化碳保護(hù)氣體的使用，不僅能夠保證焊接速度，同時(shí)，在提升焊接質(zhì)量、減少焊接變形上也發(fā)揮著積極的作用。表1為400 kA電解槽槽殼焊接工藝規(guī)范。

4.2 底側(cè)板焊接加工

4.2.1 底板焊接

400 kA電解槽槽殼底板由4塊鋼板板材拼接而成（見圖2），焊接加工過程中應(yīng)按照施工圖紙的詳盡要求將底板置于翻轉(zhuǎn)臺(tái)上完成預(yù)組裝工作。同時(shí)，通過防變形裝置的加裝來保證背面焊縫處無明顯變形產(chǎn)生。對(duì)于400 kA電解槽槽殼底板而言，必須保證預(yù)組裝板材焊縫間隙小于2 mm，因此，在焊接過程當(dāng)中可以通過點(diǎn)焊來保證固定效果。由于底板面積較大，板件切割線較長(zhǎng)，為保證板件切割邊緣的直線度，板件切割采用半自動(dòng)切割機(jī)完成。組對(duì)前須對(duì)4塊預(yù)拼鋼板進(jìn)行校平，不平度須符合設(shè)計(jì)及制作規(guī)程要求。拼接板的板端坡口按設(shè)計(jì)或規(guī)范要求開設(shè)，確保對(duì)接錯(cuò)邊量符合要求[6]。檢查對(duì)接底板的長(zhǎng)度、寬度、對(duì)角線差等項(xiàng)目，待滿足要求后在焊道內(nèi)用Φ3.2 mm的焊條每隔500 mm分段均勻點(diǎn)焊固定，點(diǎn)焊長(zhǎng)度為25 mm左右，然后將100 mm×150 mm的引弧板焊于對(duì)接縫的端部，待全部焊接工作結(jié)束后再拆除磨平。在底板拼接過程中不得直接敲擊，以免損傷母材及焊縫金屬。底板正面焊接時(shí)采用焊劑墊法，即用細(xì)顆粒焊劑將組對(duì)間隙較大的部位填滿填實(shí)，從組對(duì)間隙較小的一側(cè)開始引弧施焊，先焊橫向短焊縫，再焊縱向長(zhǎng)焊縫。焊接時(shí)不得隨意?；?，以免接頭處焊縫成形不良，受熱過大引起變形。同時(shí)，焊工須在施焊過程中根據(jù)焊縫組對(duì)間隙的大小隨時(shí)對(duì)焊接電流、電弧電壓、焊接速度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，避免焊接時(shí)因燒穿、燒漏引起焊接變形。此外，為保證引弧和滅弧可以將引弧板以及滅弧板焊接在底板的兩端，待完成焊接工作任務(wù)之后進(jìn)行引弧板和滅弧板的拆除。值得注意的是，在電解槽槽殼底板焊接安裝的過程中采用的是雙面焊接的方式，焊接安裝過程中通過埋弧自動(dòng)焊來完成，因此，在正面焊接完成之后需要進(jìn)行底板的翻轉(zhuǎn)，由于底板面積大，為防止翻轉(zhuǎn)吊起變形，采用多吊點(diǎn)式專門吊具對(duì)底板進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)完成后通過夾鉗碳弧氣刨的使用保證焊縫根部雜質(zhì)的清除，之后進(jìn)行背面焊接[7]。

4.2.2 短側(cè)板焊接

400 kA電解槽槽殼的短側(cè)板以組合方式構(gòu)成，需要在組合胎具上完成焊接組裝。在焊接安裝工藝實(shí)施之前，要保證將其牢牢固定在焊接胎具上，同時(shí)，標(biāo)出組裝中心線以保證焊裝的精準(zhǔn)度。由于端頭壁板外側(cè)筋板縱橫交錯(cuò)、焊縫密集，焊接后其開口度變大，內(nèi)壁不平度超差，特別是1/4圓弧偏差較大，直接影響了電解槽的質(zhì)量和使用壽命，因此，必須對(duì)其加以預(yù)防和控制。可以分3層采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，先焊縱向短焊縫，再焊橫向長(zhǎng)焊縫，每人每層相互交錯(cuò)施焊，避免熱量過于集中，產(chǎn)生應(yīng)力而引起變形。在焊接過程中，為保證端頭壁板整體始終固定在胎架上，每隔250 mm左右設(shè)一剛性固定卡，1/4圓弧部位剛性固定卡的數(shù)量不少于4個(gè)。同時(shí)，焊接時(shí)須將焊接胎架墊平墊穩(wěn)，以免受熱后胎架扭曲變形引起端頭壁板變形[8]。

在焊接安裝工藝完成之后，需要保證短側(cè)板的夾緊狀態(tài)維持24 h，24 h冷卻之后再進(jìn)行胎具的拆除。在整個(gè)焊接過程中坡口需要通過刨邊機(jī)或者火焰切割的方式進(jìn)行開制，短側(cè)板過渡邊的最小長(zhǎng)度計(jì)算公式如下：

L=3（a-a）

式中，L為過渡邊的最小長(zhǎng)度（mm）;a為短側(cè)板的厚度（mm）;a為長(zhǎng)側(cè)板的厚度（mm）。

4.2.3 長(zhǎng)側(cè)板焊接

側(cè)面壁板、斜側(cè)壁板以及立板是4 000 kA電解槽槽殼長(zhǎng)側(cè)板的主要構(gòu)成，側(cè)面璧板與斜側(cè)壁板在完成焊接任務(wù)的過程中需要在焊接胎架的輔助下完成（見圖3）。另外，在長(zhǎng)側(cè)板和短側(cè)板的焊接過程中，埋弧自動(dòng)焊為主要焊接方式，焊接時(shí)應(yīng)遵循先背面后內(nèi)側(cè)的施工流程，焊接前通過氣刨完成清根工作。焊接時(shí)先進(jìn)行長(zhǎng)側(cè)板與側(cè)部環(huán)板的焊接，后進(jìn)行側(cè)部搖籃立板、長(zhǎng)側(cè)板筋板的焊接，最后進(jìn)行長(zhǎng)側(cè)板與斜側(cè)板間的焊接。長(zhǎng)側(cè)板與斜側(cè)板間的焊縫為主要焊縫，將矯正合格的長(zhǎng)側(cè)板吊放在焊接胎架上，然后對(duì)斜側(cè)板進(jìn)行點(diǎn)焊固定，點(diǎn)焊長(zhǎng)度為25 mm左右，利用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊進(jìn)行施焊，焊完冷卻后按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行無損檢測(cè)，合格后方可進(jìn)入下道工序。因?yàn)殚L(zhǎng)側(cè)板和短側(cè)板之間的焊縫是整個(gè)電解槽槽殼結(jié)構(gòu)當(dāng)中的重要部分，所以在焊接過程當(dāng)中要完成焊接破口的及時(shí)清理和打磨，保證整個(gè)焊接質(zhì)量達(dá)到焊接要求。

注：b為胎架長(zhǎng)度，h為寬度且可按長(zhǎng)側(cè)板實(shí)際尺寸適當(dāng)增加。

圖3? 焊接胎架

4.3 槽殼組對(duì)焊接及變形修整

4.3.1 槽殼的組對(duì)焊接

正式焊接前，須裝設(shè)可調(diào)絲杠、手拉葫蘆。端頭壁板、長(zhǎng)側(cè)板分別裝配定位后，檢查各部位幾何尺寸，確認(rèn)合格后方可進(jìn)行整體焊接。槽殼焊接收縮后變形會(huì)影響爐腔的砌筑，縮短電解槽的使用壽命。為消除槽殼變形，可以采用8～10個(gè)重物箱壓在底板上消除底板焊接后的熱變形，同時(shí)，采用6根可調(diào)式絲杠和6副倒鏈分別作用于長(zhǎng)側(cè)板和斜側(cè)板，將其分別頂緊或拉緊。焊接時(shí)采用焊接變形較小的二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊施焊，背面清根及焊完后用超聲波檢測(cè)的手段，控制搖籃槽殼的焊接質(zhì)量[9]。

4.3.2 校正和修整

400 kA電解槽槽殼焊接安裝完成之后須對(duì)其變形進(jìn)行校正和修整，整個(gè)校正修整過程當(dāng)中最常見的方法有火焰加熱校正修整、大錘錘擊校正修整以及千斤頂頂正矯正修整等。但值得注意的是，400 kA電解槽槽殼尺寸較大，因此，在整個(gè)校正修整過程中需要進(jìn)行嚴(yán)格的控制，并適度地根據(jù)修整進(jìn)度完成中心線以及標(biāo)高的找正。通過適當(dāng)?shù)男Ｕ拚刂坪头乐褂啥螒?yīng)力作用導(dǎo)致的槽殼變形。首先，在通過火焰加熱校正修整的過程當(dāng)中，要保證火焰加熱的溫度在600～800 ℃，防止溫度過高而產(chǎn)生熱應(yīng)力導(dǎo)致的變形加劇。其次，在應(yīng)用大錘錘擊的方式進(jìn)行校正修整的過程當(dāng)中，要防止過度錘擊而導(dǎo)致的槽殼面板表面損傷，在錘擊的過程當(dāng)中可以通過錘墊的使用有效減緩錘擊應(yīng)力并沿著焊縫方向輕輕錘擊。另外，在進(jìn)行大錘錘擊的過程當(dāng)中，為防止焊接焊縫的開裂，需要保證錘擊部位避開焊縫連接處。最后，在電解槽陰極槽殼組裝完畢除銹后，需要在槽殼外表進(jìn)行兩次耐熱瀝青漆涂刷以保證其使用性能。

5 結(jié)論

在400 kA電解槽槽殼制作過程中，焊接是十分關(guān)鍵的步驟，具有工程量大、技術(shù)要求高的特點(diǎn)，為保證焊接質(zhì)量需要從多方面入手，要對(duì)焊接材料以及焊接參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，同時(shí)，在焊接安裝過程當(dāng)中必須遵循施工規(guī)范、保證變形控制并完成適當(dāng)?shù)淖冃涡Ｕ托拚赃_(dá)到節(jié)約成本、提高效率、推進(jìn)生產(chǎn)的目的。

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