昌振利

（新疆眾和股份有限公司，烏魯木齊 830013）

隨著我國工業(yè)制造的不斷發(fā)展，鋁因其獨特的物理和化學性質被大量的應用在各工業(yè)制造產品中，如新能源、房地產、包裝、電力電子、交通運輸?shù)戎圃鞓I(yè)領域。據(jù)統(tǒng)計[1]2020年我國消費了約3700余萬噸以上原鋁，從消費結構來看，房地產、交通運輸、電力電子分別占比28%、23%、17%左右。隨著科學技術的不斷發(fā)展，自動化技術已經被廣泛應用于我國各行各業(yè)的生產中，為各個行業(yè)的生產經營活動及發(fā)展帶來了極大的便利。

就以鋁電解槽大修施工為例，特別刨槽施工過程中，機械自動化技術和設備的應用極大地解放了人力，對于一些施工作業(yè)環(huán)境較差、人員勞動強度大、重復性強的工作，完全可以利用自動化機械取代或輔助施工人員作業(yè)。當前,國內的鋁電解技術其總體效果已經達到國際化水準,可是中國在電解槽施工技術方面,同國際先進水平比較,還存在較大的差距。

隨著現(xiàn)代自動化技術的不斷發(fā)展，鋁電解施工技術向更加節(jié)能高效、綠色環(huán)保、長壽命、智能化、自動化等多方向發(fā)展，開發(fā)應用更先進的鋁電解槽施工技術，這對于推動中國電解鋁工業(yè)技術發(fā)展與升級，提升中國鋁工業(yè)技術水平與發(fā)展現(xiàn)代化綠色鋁工業(yè)具有較大意義。本篇文章是基于鋁電解槽施工過程中陰極方鋼切割技術提升方面的實踐研究，目的是提升施工技術水平與改善施工質量。

1 陰極方鋼

預焙電解槽是金屬鋁電解生產的重要設備。鋁電解生產是在950℃左右的熔融電解質中進行的，內襯材料承受著高溫、化學侵蝕、熔鹽的沖刷、磨損[2]。由于電解槽筑爐材料、筑爐工藝、日常生產管理等因素[3]造成鋁電解槽運行周期一般為三至五年，即進入大修期，需要對電解槽內襯及時更換和大修[4]。陰極方鋼切割是電解槽大修施工中的必要工序之一，而切割面平整程度直接關系到后續(xù)焊接施工及質量。電解槽大修質量直接關系到電解槽的壽命，進而影響到大修周期，與企業(yè)經濟效益息息相關[5]。

根據(jù)槽型的不同，每種系列的電解槽內陰極方鋼規(guī)格及數(shù)量均有所不同。每臺電解槽內部有96根或104根鋼棒均勻排列在鋁電解槽內部。陰極方鋼將陰極炭塊和陰極母線通過焊接連成整體，并起到疏通電流的作用。

預焙電解槽內陰極方鋼切割是鋼棒焊接的前道工序，電解槽大修時需要對陰極炭塊及電解槽內陰極方鋼等內襯材料進行更換，因此大修時需要根據(jù)電解槽大修施工工藝要求將陰極方鋼從與槽周母線連接處固定位置切斷，然后將陰極炭塊吊出，更換新的陰極炭塊后將新炭塊上陰極方鋼與切割后留下的陰極方鋼端面進行全截面焊接，因此陰極方鋼端面切割質量是影響焊接質量最為重要的影響因素。

2 傳統(tǒng)切割技術

2.1 切割方法

在鋁電解槽大修施工過程中，一般需要將原有內襯一一刨除。陰極方鋼切割是大修施工中一道重要工序，一般開展此工序前，都需要刨除其上頂面、側面及下底面堅硬的渣料與澆注料，陰極方鋼掏空到距其下表面至少5cm，在靠近槽殼長側面形成兩道較深的溝槽，以便于操作者施工。一般對于作業(yè)者而言，其所處的工況環(huán)境里陰極方鋼切割位置狹小，鋼棒截面大，切割時難度較大?，F(xiàn)有的切割方式中，主要采用人工氣割方式對陰極方鋼進行切割，通過人工連接氧氣及乙炔至手工割槍，在陰極方鋼切割位置進行畫線，人工手持割槍在畫線位置進行預熱，切割時人工上下移動割槍直至陰極方鋼全部切割完畢。

2.2 切割方式存在在的問題

2.2.1 切割質量差

由于作業(yè)空間及施工作業(yè)環(huán)境條件的限制，操作者需要手持割槍半蹲在溝槽中，每臺電解槽切割數(shù)量之多，對工人的耐力與體力考驗非常大。人工氣割作業(yè)無法保證切割時的垂直度及水平度，切割時容易出現(xiàn)抖動等情況，因此整體切割質量較差，切割端面參差不齊（見圖2），切割完成后大修更換鋼棒時再進行陰極方鋼焊接易造成焊接質量差、未焊合等焊縫質量缺陷。

圖1 陰極方鋼

圖2 人工氣割陰極方鋼

2.2.2 切割過量，影響工期

人工氣割后容易造成切割過量、歪斜等現(xiàn)象，焊接時部分切割鋼棒尺寸不足，無法達到焊接工藝要求焊縫寬度，焊接前都需要人工進行二次處理，用氧氣割槍將原有切割處切割平整并達到工藝要求焊縫寬度。然而二次處理即耗費時間又耗費人力物力，二次處理造成整體切割效率較既慢又差，嚴重影響工期。

2.2.3 影響焊接作業(yè)

人工氣割后進行焊接時部分鋼棒切割尺寸過大，過大的焊縫尺寸需要更多的焊材填充，一方面造成原有鋼棒材料的浪費，焊材的使用量增加，非常不利于資源的節(jié)約，另一方面焊縫寬度的增加也需要適當改變焊接參數(shù)以適應多變的焊縫寬度。焊接時焊接工作量增大并影響焊接質量，增加焊材使用量、焊接成本和焊接施工時間。

3 自動切割技術

3.1 設計必要性

隨著工業(yè)自動化、信息化技術的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)制造業(yè)受到嚴重的沖擊，鋁電解槽施工作業(yè)亦如此。從目前的鋁電解槽內陰極方鋼切割作業(yè)來看，人工氣割作業(yè)存在費時、費工以及切割面歪斜、精度不夠準確的弊端。為了解決電解槽大修過程中陰極方鋼切割過程中采用人工氣割切割質量差、切割效率低、自動化水平低及人員勞動強度大、切割質量差，同時造成陰極方鋼焊接工作量增大且成本升高等問題，引入自動化火焰切割技術。自動化火焰切割技術是利用自控技術控制切割設備系統(tǒng)的步進電機驅動器和氣動控制，通過設置步進電機的控制參數(shù)和運動規(guī)劃路徑，以滿足切割對象的自動化需求。因而借助自控技術手段提升陰極方鋼切割質量及效率，代替人手工切割，同時降低后續(xù)焊接工序成本。

3.2 設計原理及過程

本設計思路主要是取代人工手持割槍切割，規(guī)避人為因素造成的技術缺陷問題及對下一道焊接工序影響。結合現(xiàn)有研究對象所處工況及施工條件的局限性，自動陰極方鋼切割設備設計采用兩大系統(tǒng)構成，包括切割系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)，并配套相關必要組成部件，如切割小車、升降體、軌道、滾輪等。

圖3 自動切割設計

陰極方鋼自動切割小車由切割控制部分及切割執(zhí)行部分組成，切割控制部分通過電器元件控制切割裝置實現(xiàn)設備開關、點火、自動切割、自動小車移位、自動切割調速等功能，切割執(zhí)行部分由升降體及割槍、軌道組成，升降體自動進行升降，配合割槍實現(xiàn)陰極方鋼的自動切割，軌道實現(xiàn)切割裝置的快速移位。移動小車內置減速箱、電器盒，通過永磁直流電機驅動，經過兩級蝸輪蝸桿減速后，通過離合器帶動滾輪在導軌上行走。面板上設有指示燈、順逆開關、速度調節(jié)旋鈕、離合器手柄等。電控系統(tǒng)通過控制晶閘管導通角的方法，實現(xiàn)電動機的無極調速。通過轉動電位器帶刻度的電位器旋鈕，就可實現(xiàn)切割速度在設定范圍值內的調節(jié)。

切割系統(tǒng)由割炬、割嘴、氣管、分配器、橫向移動裝置、豎向移動裝置、夾持器等部分組成。通過齒輪與齒條的船東方式，實現(xiàn)割炬在上下左右方向的位置調整，以適應不同切割現(xiàn)場的需要。通過操縱裝置按鈕進行自動切割，切割時調整割槍位置至陰極方鋼頂部，預熱后按下自動切割下降按鈕，根據(jù)陰極方鋼厚度調節(jié)合適速度后進行自動切割，切割完成后關閉高壓氧，割槍返回，設備通過滑軌移至下一鋼棒處繼續(xù)進行下一個陰極方鋼的切割。

3.3 實踐效果

在某鋁企400KA系列和500KA系列鋁電解槽內采用上述設計小車進行多臺槽陰極方鋼切割作業(yè)。以135#鋁電解槽為例，切割過程中僅需操作者1名，只需要操縱按鈕即可完成陰極方鋼切割作業(yè)，規(guī)避了人工手持割槍長時間操作帶來的不適與切割質量問題，一方面大大減輕了工人的勞動強度及不適感，另一方面有效改善了切割質量,從圖中可以看出切割端面比較平整（見圖4）。

圖4 現(xiàn)場應用及效果

自動切割技術可解決電解槽內陰極方鋼切割困難、切割端面不平整及切割效率低等問題，不僅適用于普通工況，也適用于特殊惡劣工況作業(yè)（如強磁場環(huán)境）。能有效改善鋁電解槽內陰極方鋼切割耗用時間長、耗費人力和切割精度差等技術缺陷，確保槽內陰極方鋼的切割質量和效率，這對于提高規(guī)模化施工作業(yè)、質量與精度具有積極的促進作用。

實踐證明:引入自動化技術可以提升電解槽大修陰極方鋼切割質量、切割效率及切割自動化水平，同時可以降低后續(xù)陰極方鋼焊接工序施工成本。自動化切割技術及小車不僅能滿足各種不同規(guī)格尺寸的鋼棒切割需求，大大提高了加工工件的精度與效率，規(guī)避人工手持氣割作業(yè)不當而產生的切割誤差或質量問題。此外，自動切割小車可選擇不同的操作模式，如手動控制與自動控制，可進行靈活切換。但是在這個施工過程前需要提前做足準備，對于操作人員要進行自動化小車相關的技術操作培訓，讓相關的操作工人熟練地掌握各種操作指令及操作按鈕的功能，能夠有效地使用切割小車進行自動化的施工作業(yè)。

另外，廣泛采用機械自動化切割技術，可以很好地降低工人的勞動強度，特別是在一些施工作業(yè)環(huán)境比較苛刻、人員勞動強度大、重復性強的作業(yè)，可以采用機械自動化切割技術，通過相應的電氣控制手段，讓自動化切割小車及其相關部件按照相關的指令去進行相應的操作活動，以此促進陰極方鋼切割作業(yè)的完成。這極大地減輕了工人的勞動強度，而且自動化切割小車其施工效率是施工人員所不能達到的，施工人員由于耐受性、體力及生理狀況原因等在施工過程中的效率遠遠不如切割小車的施工效率高，所以在電解槽陰極方鋼切割施工過程中，采用機械自動化技術的作用是十分明顯的。

4 總結

綜上所述，機械自動化技術在電解槽施工過程中被廣泛應用是一種發(fā)展趨勢，在電解槽刨槽大修過程中，廣泛運用自動化技術，可以很好地減少企業(yè)的人力資源成本、作業(yè)強度以及保證施工的質量。盡管電解槽內工況具有特殊性，作業(yè)空間極為狹小，且施工質量要求嚴格、難度較大，陰極方鋼的切割質量不能滿足要求時，將影響下一步的焊接質量及效率，影響流經陰極方鋼棒的電流強度，從而引起電解槽的電流分布不均造成易破損、使用壽命短等。但隨著我國工業(yè)領域的蓬勃發(fā)展以及鋁行業(yè)向智能制造方向的邁進，以往的施工技術手段已經逐漸跟不上時代的發(fā)展，傳統(tǒng)的手持式氣割方式不再適應整體施工技術的發(fā)展趨勢，自動化技術及設備的引入可替代傳統(tǒng)的手持氣割作業(yè)方式。因而，一種便捷的操作方法用以改善人工作業(yè)、提升切割質量與效率顯得尤為重要，而引入自動化切割技術對提升陰極方鋼切割作業(yè)有著重要意義。但是在采用機械自動化技術進行電解槽切割與焊接施工的過程中，仍然要建立一些比較完善的管理體制和機制來充分保證地質施工的質量。