400kA铝电解槽强磁场环境阴极钢棒热熔焊接工艺与实践.pdf

第１０卷第４期２０１６年１２月材料研究与应用ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＬＩＣＡＴｌ０ＮＶ０１．１０。Ｎｏ．４Ｄｅｃ．２０１６———文章编号：１６７３９９８１（２０１６）０４２７３０５４００ｋＡ铝电解槽强磁场环境阴极钢棒热熔焊接工艺与实践姜海涛，周平，汤昌廷，李方义南山铝业股份有限公司，山东烟台２６５７１３摘要：用热熔焊接技术对铝电解阴极钢捧进行处理，并在４００ｋＡ电解槽强磁场环境下进行整台槽焊接试验．通过对热熔焊接试件进行性能测试和切片分析，结果表明焊接区域界面冶金结合良好，无焊接缺陷．试验槽运行半年后的统计数据显示，热熔焊接试验槽比对比槽平均炉底压降低１５～２１ｍＶ，槽平均工作电压、平均吨铝直流电耗均有所降低，说明该技术起到了节能效果．关键词：４００ｋＡ铝电解槽；阴极钢棒；热熔焊接；阴极压降；节能中图分类号：ＴＦ３５１文献标识码：Ａ４００ｋＡ系列铝电解槽大修的一个重要环节就是电解槽阴极钢棒的焊接，传统的阴极钢棒焊接方法是采用人工焊接法，即用交流焊机进行焊接作业，使用阴极连接钢板在电解槽槽外实施逐片焊接，钢板的一端与阴极钢棒靠近，利用其自然形成的坡口进行连续焊接，另一端与阴极爆炸块问留出约２ｍｍ的焊缝，在焊缝内进行连续焊接．采用该法焊接因受到电解槽强电流产生的强磁场影响，焊接压降波动较大（１０～６０ｍｙ），最终很难保证在强磁场环节下的焊接质量，达不到良好的导电效果［１。２］．另外，由于电解槽立柱母线分布在大面方向，在焊接阴极连接片时，立柱母线会挡住部分钢棒头，不便于人工℃施焊，且立柱母线附近温度高达８０，在焊接操作过程中极易烫伤操作人员，这些弊端都将对焊接质量及焊口的对接造成不利影响．从节能的角度考虑，热熔焊接能有效地降低焊接口压降，起到节能效果［３。５］．在本文中通过对山东某铝厂４００ｋＡ电解槽进行焊接试验，验证该技术的可行性及对电解生产经济指标的影响．——收稿日期：２０１６０６２２作者简介：姜海涛（１９８５一），男，山东龙口人，工程师，硕士１试验部分１．１试验原料本试验选在４００ｋＡ大修电解槽中进行，焊接所需的原料及工具主要有阴极钢棒、铝热剂、石英砂、耐火黏土、水、耐火砖、石棉板、高温火柴及坩埚、卡具、自制模具、铁质接渣槽、喷枪．１．２试验方法首先按照３份石英砂（粒度０．０７４ｍｍ左右）和１份耐火黏土的比例，加水适量将耐火泥和匀，用卡具固定模具，现场实测焊缝宽度３ｃｍ，塞耐火泥并℃安装接渣槽，焊口处钢棒需加热到８００左右，加热约２０ｍｉｎ．然后用小块石棉板塞住石墨坩埚下方孔洞，对石墨坩埚进行预热后装填铝热剂（约１４ｋｇ），在铝热剂中央插入高温火柴，放置已装药剂的坩埚，用焊枪火焰点燃高温火柴，并迅速盖上防护罩，待剧烈反应后，铁水冲破坩埚下方的石棉板下灌，使焊接进入热熔焊阶段，焊渣流入接渣池，待冷却１５ｍｉｎ时拆模具，割去钢棒上方冒口，焊接完成．焊接试验的工艺流程如图１所示．万方数据２７４材料研究与应用图１热熔焊接的工艺流程Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｏｔｍｅｌｔｗｅｌｄｉｎｇ采用四点法对焊接件进行弯曲试验，设备为ＨＹ一２００８０型电子万能试验机（最大负荷为２００ＫＮ）．２结果与分析２．１热熔焊钢棒性能首先对钢棒进行热熔焊接，钢棒头焊接的整个操作过程在技术人员现场指导和监察下完成，符合操作程序，然后对试件的焊接电阻、抗压抗折及焊口进行检测分析．２．１．１电阻及抗压性首先对２组热熔焊试件及１组空白试件（未实施焊接的钢棒）进行打磨，然后进行电阻测试．热熔焊件两头选取等长度２０ｃｍ，中间为３ｃｍ的焊缝．电阻测量结果列于表１．由表１可知，热熔焊试件两组平均电阻分别为３．９和３．６肚Ｑ，比空白试件电阻“Ⅱ（２．９Ｑ）略有增力．表１热熔焊试件与空白钢棒电阻率测试结果Ｔａｂｌｅ１Ｈｏｔｍｅｌｔｉｎｇｗｅｌｄｉｎｇｓｐｅｃｉｍｅｎａｎｄｂｌａｎｋｓｔｅｅｌｒｏｄｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ２．１．２焊口切片分析用线切割机将焊接试件Ａ和Ｂ均切割成４片，从上到下分别为第１片、第２片、第３片和第４片．图２为试件Ａ和Ｂ的焊口切片微观形貌．从图２可见，各个焊片的微观表面均较光滑，焊接处与基体为充分的冶金融合，未看到有裂纹、夹杂等缺陷．另外，通过对焊口进行测量，发现原焊口对接宽度为３ｃｍ，热熔焊接后融合线宽度为４．５ｃｍ左右，这进一步的说明了焊剂和母材实现了完美的冶金融合．图２焊接试样的焊口切片Ｆｉｇ．２Ｗｅｌｄｉｎｇｓｅｃｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｅｄｓｐｅｃｉｍｅｎｓ万方数据第１０卷第４期姜海涛，等：４００ｋＡ铝电解槽强磁场环境阴极钢棒热熔焊接工艺与实践２７５通过以上检测可以证实，钢棒热熔焊能达到理想的焊接效果，焊接处结合良好，达到了预期目标的要求，认为热熔焊槽外试验是成功的因此下一步计划在电解槽内进行实际应用试验．２．２槽内焊接槽内强磁场热熔焊与槽外热熔焊的程序基本是相同的，只是多了漏铁水焊口的补焊环节．试验选取了该车间的１０４９号槽和２０２３号槽进行焊接试验，在耗时三天后完成了整台槽的焊接试验，焊接及局部补焊效果见图３．为了对比１０４９号槽和２０２３号槽使用热熔钢棒焊接的效果，选取同为一系列的、启动时间最接近的、内衬结构一致的、与热熔焊试验槽最为近似的内焊过渡段片槽２０７３号槽和２００２号槽作对比槽．经对半年多来生产运行数据进行统计，对试验槽与对比槽的炉底压降、平均工作电压、电流效率及直流电耗变化情况进行了分析．图３电解槽内焊接完成效果图（ａ）整体图；（ｂ）局部漏铁水部位补焊Ｆｉｇ．３Ｗｏｒｋｉｎｇｓｋｅｔｃｈｏｆｈｏｔｍｅｌｔｗｅｌｄｉｎｇｉｎｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃｔａｎｋ（ａ）ｉｎｔｅｇｒａｌｆｉｇｕｒｅ：（ｂ）ｐａｒｔｉａｌｌｅａｋａｇｅｏｆｈｏｔｍｅｔａｌｐａｒｔｓｒｅｐａｉｒｗｅｌｄｉｎｇ２．２．１炉底压降对比分析图４为试验槽和对比槽炉底压降的统计数据曲线．从图４可以看出：１０４９号槽半年平均炉底压降比两台对比槽半年来平均炉底压降低２１ｍＶ；２０２３号槽比两台对比槽平均炉底压降低１５ｍＶ．另外，从图４还可见，在热熔焊槽前６个月炉底压降优势相对明显，而在后期（１年以后）这种趋势变化不明显．２．２．２平均工作电压对比分析图５为试验槽和对比槽平均工作电压对比分析．从图５可见，热熔焊槽的电压比２０７３号对比槽的略有优势，１０４９号槽电压比２０７３号对比槽平均低０．０２３Ｖ，２０２３号槽比２０７３号槽平均低０．００９Ｖ．２．２．３电流效率对比分析图６为试验槽与对比槽的电流效率分析．从图６可见，试验槽和对比槽电流效率有交叉，半年的数据基本持平，但就后三个月而言，热熔焊１０４９号槽和２０２３号槽平均电流效率的数据稍优于对比２０７３号槽．＝三、兰世幽世蠡图４试验槽与对比槽炉底的压降分析曲线Ｆ．ｇ４Ｂｏｔｔｏｍｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｔｅｓｔｃｅｌｌａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｇｒｏｕｐ２．２．４直流电耗对比分析图７为试验槽和对比槽的质量电耗分析．从图万方数据２７６材料研究与应用图５试验槽与对比槽炉底的平均工作电压分析Ｆｉｇ．５Ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｗｏｒｋｉｎｇｖｏｌｔａｇｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｔｅｓｔｃｅｌｌａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｇｒｏｕｐ』良≤楼脚媛删毁＊图７试验槽与对比槽炉底的直流电耗分析Ｆｉｇ．７ＤＣｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｔｅｓｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｔｅｓｔｃｅｌｌａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｇｒｏｕｐ７可见，无论半年的直流电耗平均值，还是启动后３个月的直流电耗平均值，总体上热熔焊槽比对比槽的低．统计后３个月的吨铝电耗的平均值得知，１０４９号槽比２０７３号槽低１７６ｋＷ・ｈ，２０２３号槽比２０７３号槽低１６８ｋＷ・ｈ．但直流电耗差距在第六个月时出收窄和交叉，后续对比结果仍有待观察．３结论（１）通过对热熔焊接试件进行性能测试和切片分析得知，焊接区域界面冶金结合良好，无焊接缺陷．证实该热熔焊是可靠的技术，可以实现在强磁场环境下的电解槽阴极钢棒焊接．图６试验槽与对比槽炉底的电流效率分析Ｆｉｇ６Ｃｕｒｒｅｎｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｔｅｓｔｃｅｌｌａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｇｒｏｕｐ（２）该热熔焊接技术在４００ｋＡ电解槽上应用后，从焊接件切口表面形貌来看，焊接处与基体为充分的冶金熔合，未出现裂纹、夹杂等缺陷．试验槽运行半年的数据表明，热熔焊接试验槽比对比槽平均炉底压降低１５－－２１ｍＶ，槽平均工作电压、平均吨铝直流电耗也比对比槽有所降低．（３）该技术避免了电解车间高磁场对焊接件的影响，基本不消耗电能且绿色环保，有效地缩短了电解槽大修工期，但因其工艺相比二氧化碳保护焊要复杂且耗费人力多，使用物料种类多，从而造成施工成本高，这或许是成为其推广应用的阻碍．参考文献：［１］薛松柏．焊接技术手册ＥＭ］．北京：机械工业出版，２００６：—１２１１２５．［２］贾起民，郑永令．电磁学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，—２０１１：１２２１５４．［３３张琨，王富强．节能型ＳＹ４００铝电解槽技术研究及应用—ＥＪ］．金属材料与冶金工程，２０１６（１）：２４２７．Ｅ４２ＬＩＪｉｅ，ＬＩＸｉａｎｇｐｅｎｇ，ＬＡＩＹａｎｑｉｎｇ，ｅｔａ１．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｌｌｅｃｔｏｒｂａｒｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｓｏｎｃａｔｈｏｄｅｃｕｒｒｅｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｒａｉｎｅｄｃｅｌ［Ｊ］．ＴｈｅＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓ，２０１３，１３（４）：１０１７－１０２０．［ｓ２冯乃祥，彭建平，王耀武，等．铝电解高效节能技术应用与研究现状ＥＪ］．材料与冶金学报，２０１０（Ｓ１）：２－５．万方数据第１０卷第４期姜海涛，等：４００ｋＡ铝电解槽强磁场环境阴极钢棒热熔焊接工艺与实践２７７—Ｈｏｔｍｅｌｔｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｐｒａｃｔｉｃｅｏｆｃａｔｈｏｄｅｓｔｅｅｌｂａｒｆｏｒｔｈｅ４００ｋＡａｌｕｍｉｎｕｍｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃｃｅｌｌｗｉｔｈｓｔｒｏｎｇｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄＪＩＡＮＧＨａｉｔａｏ，ＺＨＯＵＰｉｎｇ，ＴＡＮＧＣｈａｎｇｔｉｎｇ，ＬＩＦａｎｇｙｉＮａｎｓｈａｎＡｌｕｍｉｎｕｍＬｉｍｉｔｅｄｂｙＳｈａｒｅＬｔｄ．，Ｙａｎｔａｉ２６５７１３，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ，ｔｈｅ—ｈｏｔｍｅｌｔｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｕｓｅｄｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅａｌｕｍｉｎｕｍｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｃａｔｈｏｄｅｓｔｅｅｌｂａｒ，ａｎｄｔｈｅｔｅｓｔｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｃｅｌｌｗｅｌｄｉｎｇｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎ４００ｋＡｅｅｌｌｗｉｔｈｓｔｒｏｎｇｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔｉｎｇａｎｄｓｅｃｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｏｔｍｅｌｔｗｅｌｄｉｎｇｓａｍｐｌｅｓ，ｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇａｒｅａｉｎｔｅｒｆａｃｅｈａｓａｇｏｏｄｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｂｏｎｄｉｎｇ，ｗｉｔｈｏｕｔｏｂｖｉｏｕｓｗｅｌｄｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓ．Ａｆｔｅｒｓｉｘｍｏｎｔｈｓｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｔａｔｉｓｔｉｃｓｓｈｏｗｔｈａｔ：ａｖｅｒａｇｅｖｏｌｔａｇｅｄｒｏｐｏｆｈｏｔｍｅｌｔｗｅｌｄｉｎｇｃｅｌｌｒｅｄｕｃｅｓ—１５２１ｍｖｔｈａｎｃｏｎｔｒｏｌｇｒｏｕｐ，ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｖｏｌｔａｇｅａｎｄＤＣｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｗａｓｄｅｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｈｅｌｐｆｕｌｆｏｒｔｈｅｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：４００ｋＡａｌｕｍｉｎｕｍｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｃｅｌｌ；ｃａｔｈｏｄｅｓｔｅｅｌｂａｒ；ｈｏｔｍｅｌｔｗｅｌｄｉｎｇ；ｃａｔｈｏｄｅｖｏｌｔａｇｅｄｒｏｐ；ｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇ些莲鲻些姜些耋监冀蛾蝼躐猷竣《敛美：莲美：垂ｇ：莲鳖莲鳖莲鲨莲鲨逸喾些耋蠼鲣蛾默戥懿娃娃《燃当鐾监匙鹾鐾垫篮选警鸯型建出避鸯蛙鞋当照幽蚁蛙监罐（上接第２６７页）ＷｅａｒｆａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓｃａｕｓｅｄｂｙｆｒｉｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳｆｏｒｔｈｅｒｏｌｌｅｒｓｌｅｅｖｅｏｆｔｈｅｃｏａｌｇｒｉｎｄｉｎｇｍｉｌｌＸＵＱｉｎ，ＷＡＮＧＸｉｎｇ，ＬＵＮｉｎｇａｎＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００１，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｍｉｌｌｒｏｌｌｅｒｉｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄａｓｔｈｅｏｂｊｅｃｔａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｒｏｌｌｅｒｓｌｅｅｖｅｄｙｎａｍｉｃａｌｌｖｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙＡＮＳＹＳｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｔｒａｉｎｆｉｅｌｄｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅｒ０１１ｅｒｓｌｅｅｖｅａｐｐｅａｒｓａｔｔｈｅｔｗｏｅｎｄｓｗｈｅｒｅｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓａｒｅｉｍｐｏｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｙａｒｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｇｒｉｎｄｉｎｇｒｏｌｌｅｒ．Ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｔｕｄｙｗｉｌｌｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｓ，ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎａｎｄｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ，ｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｇｒｉｎｄｉｎｇｒｏｌｌｅｒｓｌｅｅｖｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏａｌｇｒｉｎｄｉｎｇｍｉｌｌ；ｒｏｌｌｅｒｓｌｅｅｖｅ；ｗｅａｒｆａｉｌｕｒｅ；ｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ万方数据