王 蕾,杜全斌*,毛望軍,屈龍軒,王星星,張國棟,薛松柏

(1.河南機電職業(yè)學院 河南省超硬材料智能制造裝備集成重點實驗室,河南 新鄭 451191;2.華北水利水電大學 機械工程學院,河南 鄭州 450045;3.武漢大學 動力與機械學院,湖北 武漢 450000;4.南京航空航天大學 材料科學與技術(shù)學院,江蘇 南京 210016)

在“雙碳”大背景下,節(jié)能降耗成為國內(nèi)外鋁電解工作者關(guān)注的首要問題,鋁電解企業(yè)紛紛對電解工藝過程及其關(guān)鍵裝備進行詳細剖析,用以探索制鋁過程節(jié)能降耗的有效途徑。通過對鋁電解過程及其關(guān)鍵裝備分析發(fā)現(xiàn),陽極鋼爪作為重要的導電體連接鋁導桿和陽極炭塊,起到輸送大電流和承擔陽極炭塊重量的雙重作用。然而,陽極鋼爪長期服役于高溫、酸性腐蝕環(huán)境中,極易受極上料、電解煙氣,以及高溫液態(tài)電解質(zhì)的侵蝕、腐蝕和燒損,產(chǎn)生“細腰”現(xiàn)象[1-3],如圖1所示,導致其電阻率高,壓降大,顯著增加噸鋁能耗,成為制約電解鋁行業(yè)節(jié)能降耗的關(guān)鍵部件之一,是電解鋁裝備中易損易耗件,因此,需要對其進行修復或更換。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),對于年產(chǎn)20萬噸原鋁的鋁廠,鋼爪腐蝕嚴重時,陽極鋼爪平均使用周期約為15個周期,每年因腐蝕報廢的鋼爪超1萬根,修復費用高達1000萬元以上,不僅增加生產(chǎn)成本,而且修復任務(wù)繁重[4-6]。

圖1 陽極鋼爪腐蝕形貌圖[2]

長期以來,國內(nèi)電解鋁企業(yè)對陽極鋼爪的修復均采用手工電弧圍焊法,但因鋼爪尺寸較大,以及坡口加工和焊接工藝的局限性,該焊接方法效率低,接頭易出現(xiàn)未焊透、夾渣等缺陷,且焊接面積小、接頭強度低、電阻率大、使用壽命短,嚴重影響并制約電解鋁企業(yè)對生產(chǎn)成本的控制[7]。因此,開展電解鋁陽極鋼爪的高效、低耗修復新技術(shù)開發(fā)對電解鋁企業(yè)節(jié)能降耗具有重大意義,并成為眾多電解鋁企業(yè)和研究者關(guān)注的熱點。

本文檢索了近十年陽極鋼爪修復技術(shù)的相關(guān)論文和專利,并詳細闡述了陽極鋼爪修復新技術(shù)的技術(shù)原理、實施方案及其優(yōu)缺點,為陽極鋼爪修復技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 電渣熔鑄焊修復技術(shù)

針對手工電弧圍焊修復陽極鋼爪的諸多缺陷,相關(guān)機構(gòu)研發(fā)了電渣熔鑄焊修復技術(shù)[7],工藝流程圖見圖2,裝配結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。其原理是:將陽極鋼爪腐蝕段切除后,清理并打磨切除面使其呈金屬光澤,然后將陽極鋼爪倒置使切除面朝上,在鋼爪切割面附近適當位置安裝結(jié)晶器(或耐火材料制成的底部密封管狀磨具)。結(jié)晶器內(nèi)放置一段圓鋼棒,采用較大的直流焊機作為熔鑄焊電源,切割后的陽極鋼爪作為電極一端,圓鋼棒作為電極另一端,用電渣保護,將圓鋼棒熔化,利用結(jié)晶器將熔化的鋼水與切除后的鋼爪熔鑄在一起,直至達到鋼爪所需的高度。

圖2 電渣熔鑄技術(shù)工藝流程圖

圖3 電渣熔鑄技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖[7]

王日昕等[8]采用電渣熔鑄焊技術(shù)修復腐蝕陽極鋼爪,測定了鑄鋼母材與熔焊區(qū)的電阻率,以及某電解鋁廠現(xiàn)場壓降。結(jié)果表明,鑄鋼母材和熔鑄焊縫的平均電阻率分別為0.16822 Ω·mm2/m和0.16722 Ω·mm2/m,熔鑄焊縫的電阻率比鑄鋼母材的電阻率低0.6 %;大電流發(fā)生器線下測試電渣熔鑄焊修復的鋼爪壓降小于原裝鋼爪壓降,原裝鋼爪壓降小于人工圍焊修復鋼爪壓;槽上鋼爪壓降測試與大電流發(fā)生器測試壓降結(jié)果一致,綜合表明電渣熔鑄焊修復技術(shù)可以實現(xiàn)陽極鋼爪熔接面積與導電滿足電解鋁的生產(chǎn)要求。陸磊等[9]采用電渣熔鑄焊技術(shù)制備再生新陽極,研究了再生新陽極的化學成分、金相組織、材料膨脹系數(shù)及拉伸強度。結(jié)果表明,電渣熔鑄焊修復技術(shù)實現(xiàn)了再生新陽極與殘余陽極之間的全截面冶金結(jié)合;再生陽極區(qū)P、S含量低于陽極母材;再生陽極區(qū)顯微組織為魏氏組織,有明顯的晶界,如圖4a所示,這是由于二次熔融生長熱量大,形成生長為粗晶,冷卻時速度快,鐵素體沿晶界析出而成;電渣熔鑄焊修復陽極鋼爪接頭抗拉強度為417 MPa,斷口位置處于陽極鋼爪母材,表明再生陽極結(jié)合強度高于陽極母材,斷口呈灰暗色,金屬光澤弱,無纖維區(qū),晶界有大小不一的圓形或橢圓形韌窩,如圖4b所示;再生陽極鋼爪的熱膨脹系數(shù)與陽極鋼爪母材在400～500℃工作溫度區(qū)間非常接近,減少了因熱脹產(chǎn)生的結(jié)合內(nèi)應(yīng)力,確保了工作時的結(jié)合強度。

圖4 再生陽極結(jié)合面顯微組織及其斷口SEM形貌[9]

上述文獻表明,電渣熔鑄焊修復技術(shù)可以實現(xiàn)腐蝕鋼爪的全截面熔焊修復,熔焊區(qū)組織純凈均勻,無氣孔、夾雜和裂紋等缺陷,在一定程度上解決了手工電弧圍焊接頭電阻率大、強度低等問題。但該技術(shù)存在以下問題:

(1)熔鑄焊整套設(shè)備較大,占地約80 m2,需要配套,要求場地配備較大容量的電源和大型的水冷系統(tǒng),場地要求嚴格;

(2)設(shè)備配套設(shè)施多,設(shè)備投入大,耗電量大,運行成本高;

(3)電渣焊自耗電極、助焊劑、保護劑成本較高;

(4)套管密封模具或結(jié)晶器的安裝制作工序多,操作復雜;

(5)熔鑄焊設(shè)備具有繁雜的電氣設(shè)施,易產(chǎn)生漏電事故,安全性不高。

2 重熔鑄造修復技術(shù)

為合理利用被切除的腐蝕鋼爪頭,四川阿壩鋁廠李遠軍[10]采用中頻熔煉爐對切割下的鋼爪進行重熔,通過復合重熔鑄造的方式對陽極鋼爪進行修復,其過程示意圖如圖5所示。具體實施步驟為:① 在陽極鋼爪切割端表面開設(shè)槽孔,并對端面進行倒角處理;② 準備筒狀外消失模和階梯棒狀內(nèi)消失模,將內(nèi)消失模下端插入槽孔內(nèi),外消失模套設(shè)于陽極鋼爪切割端上方,然后將裝配消失模的陽極鋼爪放入沙箱中;③ 真空澆鑄,冷卻后在陽極鋼爪切割端上方形成鋼爪外殼,內(nèi)模消失而在陽極鋼爪切割端上方形成獨立棒狀結(jié)構(gòu)空間;④ 對棒狀結(jié)構(gòu)空間進行復合澆鑄,完成陽極鋼爪的最終修復。

圖5 復合重熔鑄造修復技術(shù)過程示意圖[10]

該技術(shù)通過設(shè)置擴口結(jié)構(gòu)和增加復合澆鑄接合位點,提高澆鑄材料與陽極鋼爪切割端面、復合澆鑄層之間的結(jié)合強度。然而,該技術(shù)未對陽極鋼爪切割面進行去膜和活性處理,由于氧化膜的存在,僅采用重熔澆鑄難以實現(xiàn)澆鑄層與母材之間良好的冶金結(jié)合,其結(jié)合面的強度和界面壓降均不能達到理想狀態(tài)。

3 圓鋼置換修復技術(shù)

針對熔鑄焊、重熔鑄造修復存在的問題,近年來,鋁電解工程師提出了圓鋼置換陽極鋼爪腐蝕段修復新技術(shù),其原理為將陽極鋼爪腐蝕段切除,選用合適的圓鋼段代替鋼爪腐蝕段,并將所選圓鋼段與殘余鋼爪連接一起,完成陽極鋼爪修復。張?zhí)烊A等[11]分析了Q235圓鋼代替陽極鋼爪腐蝕段(ZG230-450鑄鋼)的可行性。結(jié)果表明,在給定的焊接條件下,采用Q235圓鋼進行更換腐蝕陽極鋼爪在性能、經(jīng)濟上是可行的,可以達到快速修復陽極鋼爪,滿足電解生產(chǎn)周轉(zhuǎn)循環(huán)使用。圓鋼置換修復技術(shù)實現(xiàn)高強高導陽極鋼爪高效低耗修復的關(guān)鍵在于圓鋼段與殘余鋼爪的連接方法,并成為研究熱點。

3.1 閃光對接焊

高偉等[12]利用閃光對焊原理,研發(fā)了用于陽極鋼爪與鋼爪頭圓鋼棒焊接修復的碰焊機,可實現(xiàn)直徑為130～180 mm陽極鋼爪頭圓鋼棒的全截面焊接修復,強度高,連接電阻值低,焊接修復時間短(平均燒化速度為0.8～1.5 mm/s,最快燒化速度5 mm/s),修復效率高,勞動強度低,但焊接時整體對中定位難度大,操作工藝復雜,焊接成本高,且大直徑焊口處產(chǎn)生熔融鐵的偏流現(xiàn)象,造成焊接質(zhì)量差。

針對碰焊機的缺陷,該團隊在其基礎(chǔ)上設(shè)計了一種陽極鋼爪立式碰焊機[13],如圖6所示,該設(shè)備將2臺400～800 kVA的交流變壓器并聯(lián),或2～3臺300 ～650 kVA的硅整流直流變壓器并聯(lián),作為焊接變壓器,其焊接變壓器的兩個輸出導電極端頭分別和兩個導電焊接夾持卡具相連接,在進行焊接作業(yè)時,一個導電焊接夾持工裝卡具與圓鋼棒連接,另一個導電焊接夾持工裝卡具與陽極鋼爪連接,使兩個導電焊接夾持工裝卡具之間,通過陽極鋼爪、圓鋼棒形成一個串聯(lián)焊接電路。同時在頂鍛裝置油缸的推力作用下,致使圓鋼棒與陽極鋼爪接口處,產(chǎn)生閃光電阻焊接效應(yīng),實現(xiàn)圓鋼段與殘余陽極鋼爪的焊接。盡管立式碰焊機可直接進行移動定位焊接,防止熔融金屬偏流,提高焊接組裝效率和焊接質(zhì)量,但該方法需要大功率直流的焊接電路系統(tǒng)及控制板,設(shè)備投資大,占用空間大,安全需要高,限制了該方法的推廣應(yīng)用。

圖6 陽極鋼爪焊接修復立式碰焊機結(jié)構(gòu)示意圖[13]

3.2 摩擦焊

王允臣等[14]提出了腐蝕陽極鋼爪摩擦焊修復方法,開發(fā)了陽極鋼爪摩擦焊專用裝置,其俯視圖如圖7所示,包括主機、驅(qū)動機、液壓站和控制臺。采用摩擦焊專用裝置替代人工電弧焊接鋼爪,無有害氣體排放與弧光閃爍,實現(xiàn)清潔生產(chǎn);不需要添充料與氣體保護,節(jié)約了成本;可完全焊透鋼爪斷面,生產(chǎn)效率提高4倍～6倍,節(jié)約電能60%～80%,解決了手工焊接鋼爪勞動強度大、生產(chǎn)效率低,以及由不易焊透導致的強度低、壓降大等現(xiàn)實問題。

圖7 陽極鋼爪摩擦焊修復專用裝置結(jié)構(gòu)示意圖[14]

3.3 窄間隙焊

劉云飛等[15]發(fā)明了一種腐蝕陽極鋼爪半圓形面堆焊修復方法,其特征是:將燒損的鋼爪頭用氣焊割掉一段,從鋼爪頭的設(shè)計長度計,割掉段的長度大于燒損段的長度;準備一段與鋼爪頭等直徑的圓柱形鋼棒,將一片輔助連接片立焊在鋼爪頭切割面和圓柱形鋼棒之間,將二者連接起來,并在圓柱形鋼棒和鋼爪頭斷面間形成兩個對等的半圓體堆焊補充空間;用堆焊法將堆焊補充空間用焊肉堆滿,一邊的堆焊補充空間焊完后,將鋼爪翻面,采用同樣焊法將另一個堆焊補充空間焊接完畢,完成一個鋼爪的修復。對修復后鋼爪頭進行切片檢查和壓降測試,結(jié)果表明,焊肉飽滿、連接牢固、內(nèi)部無任何裂紋,接頭壓降為0.2～0.3 mV,遠低于圍焊法修復方法(0.7～0.8 mV)和熔鑄焊修復方法(0.4～0.6 mV)。

在手工輔助連接板電弧堆焊修復的基礎(chǔ)上,王星星等[16]開發(fā)了用于陽極鋼爪的擺弧窄間隙環(huán)形橫焊修復技術(shù),該技術(shù)采用圓鋼棒置換腐蝕鋼爪段的修復思路,具體實施步驟為:① 采用氣割將待修復的陽極鋼爪的燒損段完全切除,并將切割面修成平面;② 根據(jù)設(shè)計尺寸,制備端面為平面的圓鋼棒和長度15～35 mm、直徑4～10 mm的輔助連接棒;③ 將陽極鋼爪、輔助連接棒和圓鋼棒同軸定位焊,在陽極鋼爪頭和圓鋼棒之間形成環(huán)形堆焊空間;④ 采用窄間隙單絲或雙絲擺弧焊或熔化極氣體保護焊(焊絲采用藥芯焊絲或?qū)嵭竞附z)將整個環(huán)形堆焊空間焊實,完成陽極鋼爪頭的焊接修復。對采用該方法修復后的陽極鋼爪進行破壞試驗檢測,發(fā)現(xiàn)接頭實現(xiàn)全截面冶金結(jié)合,無裂紋、夾雜及未熔合等缺陷;接頭壓降接近新鋼爪平均壓降,滿足使用要求。劉明等[17]提出陽極鋼爪窄間隙自動焊接方法,并發(fā)明了配套焊接裝置,該方法采用冷卻裝置代替焊接墊板,減少輔料和人工參與,采用截面自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù),實現(xiàn)全截面的焊接。

3.4 熔嘴電渣焊

為實現(xiàn)腐蝕陽極鋼爪的高效修復,杜全斌等[18]開發(fā)了用于陽極鋼爪的大熔敷電渣焊修復技術(shù),焊接系統(tǒng)裝配示意圖如圖8所示,實施方案為:① 切除陽極鋼爪腐蝕段,加工制備圓鋼棒、起焊槽和引出板;② 將陽極鋼爪和圓鋼棒同軸放置,調(diào)整鋼爪切割面與圓鋼棒端面間隙并固定,裝配起焊槽、引出板和水冷滑塊,形成電渣焊焊槽;③ 固定并調(diào)節(jié)熔嘴位置,使熔嘴處于起焊槽中心;④ 根據(jù)鋼爪頭和圓鋼棒的材質(zhì)及接頭形式,采用合適的助焊劑、造渣劑,設(shè)置合適的焊接工藝參數(shù)(送絲速度180～200 m/h,焊接電壓40～46 V,焊接速度0.6～0.8 m/h,渣池深度45～55 mm)進行施焊;⑤ 施焊完畢后,切除引出板、起焊槽,打磨焊縫金屬使其與鋼爪頭和圓鋼棒平滑過渡,完成該陽極鋼爪頭的修復。對電渣焊修復后的陽極鋼爪頭進行破壞試驗檢測。結(jié)果表明,接頭全部實現(xiàn)冶金結(jié)合,無裂縫夾雜及未熔合等缺陷,槽上壓降測試結(jié)果為53 mV,基本接近陽極鋼爪平均壓降50 mV的指標。

圖8 電渣焊修復技術(shù)裝配結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 自釬預置釬焊/電弧堆焊復合修復技術(shù)

為實現(xiàn)陽極鋼爪的高效、高強、高導修復,杜全斌、王星星等[19-20]提出了自釬預置釬焊/電弧堆焊復合修復技術(shù),并開發(fā)了配套的釬焊修復裝置。該技術(shù)實施方案為:① 切除陽極鋼爪腐蝕段,選取與陽極鋼爪同直徑同材質(zhì)的圓鋼段,將待焊端面加工坡口,然后再依次進行酸洗、堿洗和蒸餾水沖洗,吹干備用;② 將陽極鋼爪切除端和圓鋼的待焊端面在細腰形感應(yīng)線圈中進行對接接頭裝配,且鋪設(shè)去膜劑和熔化溫度徑向漸變復合釬料,裝配得到釬焊接頭裝配體;③ 對釬焊接頭裝配體未倒角的對接面進行感應(yīng)加熱,使熔化溫度徑向漸變復合釬料在整個對接面上同時熔化,潤濕填充未倒角對接面間隙,待完全潤濕后停止感應(yīng)加熱,實現(xiàn)陽極鋼爪切除端和圓鋼的待焊端面未倒角對接面的釬焊連接;④ 打磨處理后的坡口,在釬焊接頭坡口上堆焊金屬層并打磨,使其與陽極鋼爪和圓鋼平滑過渡。采用自釬預置釬焊/電弧堆焊復合修復技術(shù)修復后的陽極鋼爪,其平均壓降與新陽極鋼爪相比,僅相差0.04 mV,顯著降低了修復陽極鋼爪的壓降、減少能耗。

4 原位自蔓延焊修復技術(shù)

張國棟等[21]開發(fā)了用于陽極鋼爪修復的原位自蔓延焊修復技術(shù)如圖9所示,其技術(shù)方案為:① 首先清除腐蝕陽極鋼爪表面殘留石墨;② 根據(jù)陽極鋼爪設(shè)計尺寸,及腐蝕陽極鋼爪的腐蝕尺寸,設(shè)計制作石墨磨具;③ 將殘余鋼爪腿插入石墨模具中,石墨模具頂端面與鋼爪座底面緊密貼合,石墨模具與殘余鋼爪腿之間形成空腔;④ 制作自蔓延石墨坩堝,石墨坩堝底部有通孔,通孔通過澆鑄管與石墨模具與殘余鋼爪腿之間的空腔連接;⑤ 根據(jù)鋼爪腿損壞程度計算澆鑄鋼水的量,然后確定自蔓延焊劑用量;⑥ 在石墨坩堝底部通孔上放置金屬片擋片,然后將自蔓延焊劑(主要包括Al粉、Fe2O3粉、CaF2粉)放入石墨坩堝內(nèi),采用鎂條引燃焊劑,焊劑燃燒發(fā)生自蔓延放熱反應(yīng),將高溫熔融的鋼水澆鑄到空腔內(nèi),熔焊池內(nèi)的鋼水冷卻后,在殘余鋼爪腿的表面凝固結(jié)晶,使得殘余鋼爪腿恢復到原來的尺寸。采用原位自蔓延焊接修復技術(shù)克服了熔焊修復殘余應(yīng)力大、局部受熱嚴重等缺點,修復質(zhì)量好;在殘余鋼爪腿外部加厚一層,避免了割掉整個鋼爪腿,節(jié)省材料,降低成本。

圖9 原位自蔓延焊修復裝配結(jié)構(gòu)示意圖

王會智[22]發(fā)明了一種陽極鋼爪焊接用焊藥,焊藥主要由35%～42%的鋁粉、25%～35%的鎂粉、10%～15%的氧化銅、8%～10%的鈦粉和7%～14%的鐵粉,以及鋁粉重量0.1%～0.3%的銀粉組成。采用該焊藥焊接陽極鋼爪,焊接時,在鋼爪連接桿和鋼爪腿之間設(shè)置U型金屬套,然后在U型金屬套的縫隙中填充焊藥并引燃,利用焊藥產(chǎn)生的高溫將鋼爪連接桿、U型金屬套和鋼爪腿焊接起來。

5 電弧增材修復技術(shù)

借助電弧堆焊和逆向建模技術(shù),杜全斌等[23]開發(fā)了陽極鋼爪電弧增材修復技術(shù),實施步驟為:① 將待修復的陽極鋼爪頭燒損段噴砂處理,清除燒損段表面污銹、鋁渣和殘留石墨,然后角磨機打磨燒損段使其表面呈金屬光澤,采用酒精擦洗,吹干備用;② 借助逆向工程軟件Imageware,逆向建立待電弧增材空間模型;③ 將待增材制造模型分割成填充模型和蓋面模型;④ 采用3D打印設(shè)備自帶切片軟件對填充模型和蓋面模型進行切片,填充模型的切片厚度為4 mm,蓋面模型的切片厚度為3 mm;⑤ 采用屈服強度為300 MPa的低合金鋼焊絲增材修復填充模型,采用鎳鉻焊絲增材修復蓋面模型;⑥ 修復完畢后,打磨增材修復蓋面層使其與鋼爪無燒損部位平滑過渡,完成該陽極鋼爪頭的修復。

6 修復技術(shù)綜合對比分析

上述文獻分析表明,為解決手工電弧圍焊修復鋼爪存在強度低、壓降大、效率低的問題,鋁電解工程師先后開發(fā)了電渣熔鑄焊修復、重熔鑄造修復、圓鋼置換修復、原位自蔓延焊修復和電弧增材修復五大類陽極鋼爪修復新技術(shù),均能實現(xiàn)陽極鋼爪的全截面修復。但部分修復技術(shù)修復鋼爪性能指標文獻中未提供,且部分文獻中已提供的修復鋼爪壓降值所采用測試方法不統(tǒng)一,為橫向?qū)Ρ雀鞣N方法修復鋼爪壓降性能,本文測試了大電流發(fā)生器下修復鋼爪等距壓降(測試溫度420℃,測點間距100 mm,檢測電流3.2 kA)。結(jié)合上述文獻對修復設(shè)備綜述,將各種修復方法在技術(shù)指標、投資成本、經(jīng)濟效益等方面情況匯總?cè)绫?所示。

表1 陽極鋼爪修復方法的技術(shù)指標、投資成本和經(jīng)濟效益

7 結(jié) 論

(1)電渣熔鑄焊修復技術(shù)、重熔鑄造修復技術(shù)效率高,但設(shè)備大、投入大、運行成本高;電氣設(shè)施繁雜,安全性差;配套設(shè)施多,場地要求嚴格。因此,該方法適合大批量修復,對中小企業(yè)難以推廣應(yīng)用。

(2)圓鋼置換修復方法的關(guān)鍵在于圓鋼棒與殘余鋼爪的連接方法,主要有閃光對接焊、摩擦焊、電渣焊、窄間隙焊和預置釬焊/電弧堆焊復合修復技術(shù)。其中,閃光對接焊、摩擦焊修復效率高,但需要大功率設(shè)備,場地占用面積大,一次性投入成本高,限制其推廣應(yīng)用;電渣焊熱輸入大,修復效率高,但焊縫組織粗大,焊接應(yīng)力大,易焊接變形,且電源功率大,助焊劑價格高,影響其推廣應(yīng)用;窄間隙焊有利于自動化,接頭質(zhì)量高,綜合經(jīng)濟效益較好;預置釬焊/電弧堆焊復合修復技術(shù)焊接效率高,接頭導電性較好。

(3)原位自蔓延焊修復技術(shù)效率高,操作簡單,但修復結(jié)合區(qū)易出現(xiàn)縮松、縮孔、夾渣、氣孔等缺陷,亟需開發(fā)適宜的自蔓延焊劑。

(4)電弧增材修復技術(shù)自動化程度高,修復效率高,接頭強度大、電阻率低,綜合修復成本低。