400 kA鋁電解槽強(qiáng)磁場環(huán)境陰極鋼棒熱熔焊接工藝與實(shí)踐

姜海濤，周 平，湯昌廷，李方義

南山鋁業(yè)股份有限公司，山東 煙臺 265713

400 kA鋁電解槽強(qiáng)磁場環(huán)境陰極鋼棒熱熔焊接工藝與實(shí)踐

姜海濤，周 平，湯昌廷，李方義

南山鋁業(yè)股份有限公司，山東 煙臺 265713

用熱熔焊接技術(shù)對鋁電解陰極鋼棒進(jìn)行處理，并在400 kA電解槽強(qiáng)磁場環(huán)境下進(jìn)行整臺槽焊接試驗(yàn)．通過對熱熔焊接試件進(jìn)行性能測試和切片分析，結(jié)果表明焊接區(qū)域界面冶金結(jié)合良好，無焊接缺陷．試驗(yàn)槽運(yùn)行半年后的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，熱熔焊接試驗(yàn)槽比對比槽平均爐底壓降低15～21 mV，槽平均工作電壓、平均噸鋁直流電耗均有所降低，說明該技術(shù)起到了節(jié)能效果．

400kA鋁電解槽；陰極鋼棒；熱熔焊接；陰極壓降；節(jié)能

400 kA系列鋁電解槽大修的一個重要環(huán)節(jié)就是電解槽陰極鋼棒的焊接，傳統(tǒng)的陰極鋼棒焊接方法是采用人工焊接法，即用交流焊機(jī)進(jìn)行焊接作業(yè)，使用陰極連接鋼板在電解槽槽外實(shí)施逐片焊接，鋼板的一端與陰極鋼棒靠近，利用其自然形成的坡口進(jìn)行連續(xù)焊接，另一端與陰極爆炸塊間留出約2 mm的焊縫，在焊縫內(nèi)進(jìn)行連續(xù)焊接．采用該法焊接因受到電解槽強(qiáng)電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場影響，焊接壓降波動較大(10～60 mv)，最終很難保證在強(qiáng)磁場環(huán)節(jié)下的焊接質(zhì)量，達(dá)不到良好的導(dǎo)電效果[1-2]．另外，由于電解槽立柱母線分布在大面方向，在焊接陰極連接片時，立柱母線會擋住部分鋼棒頭，不便于人工施焊，且立柱母線附近溫度高達(dá)80 ℃，在焊接操作過程中極易燙傷操作人員，這些弊端都將對焊接質(zhì)量及焊口的對接造成不利影響．

從節(jié)能的角度考慮，熱熔焊接能有效地降低焊接口壓降，起到節(jié)能效果[3-5]．在本文中通過對山東某鋁廠400 kA電解槽進(jìn)行焊接試驗(yàn)，驗(yàn)證該技術(shù)的可行性及對電解生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響．

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

本試驗(yàn)選在400 kA大修電解槽中進(jìn)行，焊接所需的原料及工具主要有陰極鋼棒、鋁熱劑、石英砂、耐火黏土、水、耐火磚、石棉板、高溫火柴及坩堝、卡具、自制模具、鐵質(zhì)接渣槽、噴槍．

1.2 試驗(yàn)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，加水適量將耐火泥和勻，用卡具固定模具，現(xiàn)場實(shí)測焊縫寬度3 cm，塞耐火泥并安裝接渣槽，焊口處鋼棒需加熱到800 ℃左右，加熱約20 min．然后用小塊石棉板塞住石墨坩堝下方孔洞，對石墨坩堝進(jìn)行預(yù)熱后裝填鋁熱劑(約14 kg)，在鋁熱劑中央插入高溫火柴，放置已裝藥劑的坩堝，用焊槍火焰點(diǎn)燃高溫火柴，并迅速蓋上防護(hù)罩，待劇烈反應(yīng)后，鐵水沖破坩堝下方的石棉板下灌，使焊接進(jìn)入熱熔焊階段，焊渣流入接渣池，待冷卻15 min時拆模具，割去鋼棒上方冒口，焊接完成．焊接試驗(yàn)的工藝流程如圖1所示．

圖1 熱熔焊接的工藝流程Fig.1 The process of hot melt welding

采用四點(diǎn)法對焊接件進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，設(shè)備為HY-20080型電子萬能試驗(yàn)機(jī)(最大負(fù)荷為200 KN)．

2 結(jié)果與分析

2.1 熱熔焊鋼棒性能

首先對鋼棒進(jìn)行熱熔焊接，鋼棒頭焊接的整個操作過程在技術(shù)人員現(xiàn)場指導(dǎo)和監(jiān)察下完成，符合操作程序，然后對試件的焊接電阻、抗壓抗折及焊口進(jìn)行檢測分析．

2.1.1 電阻及抗壓性

首先對2組熱熔焊試件及1組空白試件(未實(shí)施焊接的鋼棒)進(jìn)行打磨，然后進(jìn)行電阻測試．熱熔焊件兩頭選取等長度20 cm，中間為3 cm的焊縫．電阻測量結(jié)果列于表1．由表1可知，熱熔焊試件兩組平均電阻分別為3.9和3.6 μΩ，比空白試件電阻(2.9 μΩ)略有增加．

表1 熱熔焊試件與空白鋼棒電阻率測試結(jié)果

2.1.2 焊口切片分析

用線切割機(jī)將焊接試件A和B均切割成4片，從上到下分別為第1片、第2片、第3片和第4片．圖2為試件A和B的焊口切片微觀形貌．從圖2可見，各個焊片的微觀表面均較光滑，焊接處與基體為充分的冶金融合，未看到有裂紋、夾雜等缺陷．另外，通過對焊口進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)原焊口對接寬度為3 cm，熱熔焊接后融合線寬度為4.5 cm左右，這進(jìn)一步的說明了焊劑和母材實(shí)現(xiàn)了完美的冶金融合．

通過以上檢測可以證實(shí)，鋼棒熱熔焊能達(dá)到理想的焊接效果，焊接處結(jié)合良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)的要求，認(rèn)為熱熔焊槽外試驗(yàn)是成功的因此下一步計(jì)劃在電解槽內(nèi)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)．

2.2 槽內(nèi)焊接

槽內(nèi)強(qiáng)磁場熱熔焊與槽外熱熔焊的程序基本是相同的，只是多了漏鐵水焊口的補(bǔ)焊環(huán)節(jié)．試驗(yàn)選取了該車間的1049號槽和2023號槽進(jìn)行焊接試驗(yàn)，在耗時三天后完成了整臺槽的焊接試驗(yàn)，焊接及局部補(bǔ)焊效果見圖3．

為了對比1049號槽和2023號槽使用熱熔鋼棒焊接的效果，選取同為一系列的、啟動時間最接近的、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)一致的、與熱熔焊試驗(yàn)槽最為近似的內(nèi)焊過渡段片槽2073號槽和2002號槽作對比槽．經(jīng)對半年多來生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對試驗(yàn)槽與對比槽的爐底壓降、平均工作電壓、電流效率及直流電耗變化情況進(jìn)行了分析．

圖3 電解槽內(nèi)焊接完成效果圖(a)整體圖；(b)局部漏鐵水部位補(bǔ)焊Fig.3 Working sketch of hot melt welding in electrolytic tank (a) integral figure； (b) partial leakage of hot metal parts repair welding

2.2.1 爐底壓降對比分析

圖4為試驗(yàn)槽和對比槽爐底壓降的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)曲線．從圖4可以看出：1049號槽半年平均爐底壓降比兩臺對比槽半年來平均爐底壓降低21 mV；2023號槽比兩臺對比槽平均爐底壓降低15 mV．另外，從圖4還可見，在熱熔焊槽前6個月爐底壓降優(yōu)勢相對明顯，而在后期(1年以后)這種趨勢變化不明顯．

圖4 試驗(yàn)槽與對比槽爐底的壓降分析曲線Fig.4 Bottom pressure drop analysis of the test cell and the control group

2.2.2 平均工作電壓對比分析

圖5為試驗(yàn)槽和對比槽平均工作電壓對比分析．從圖5可見，熱熔焊槽的電壓比2073號對比槽的略有優(yōu)勢，1049號槽電壓比2073號對比槽平均低0.023 V，2023號槽比2073號槽平均低0.009 V．

圖5 試驗(yàn)槽與對比槽爐底的平均工作電壓分析Fig.5 The average working voltage analysis of the test cell and the control group

2.2.3 電流效率對比分析

圖6為試驗(yàn)槽與對比槽的電流效率分析．從圖6可見，試驗(yàn)槽和對比槽電流效率有交叉，半年的數(shù)據(jù)基本持平，但就后三個月而言，熱熔焊1049號槽和2023號槽平均電流效率的數(shù)據(jù)稍優(yōu)于對比2073號槽．

圖6 試驗(yàn)槽與對比槽爐底的電流效率分析Fig.6 Current efficiency analysis of the test cell and the control group

2.2.4 直流電耗對比分析

圖7為試驗(yàn)槽和對比槽的質(zhì)量電耗分析．從圖7可見，無論半年的直流電耗平均值，還是啟動后3個月的直流電耗平均值，總體上熱熔焊槽比對比槽的低．統(tǒng)計(jì)后3個月的噸鋁電耗的平均值得知，1049號槽比2073號槽低176 kW·h，2023號槽比2073號槽低168 kW·h．但直流電耗差距在第六個月時出現(xiàn)收窄和交叉，后續(xù)對比結(jié)果仍有待觀察．

3 結(jié) 論

(1)通過對熱熔焊接試件進(jìn)行性能測試和切片分析得知，焊接區(qū)域界面冶金結(jié)合良好，無焊接缺陷．證實(shí)該熱熔焊是可靠的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在強(qiáng)磁場環(huán)境下的電解槽陰極鋼棒焊接．

(2)該熱熔焊接技術(shù)在400 kA電解槽上應(yīng)用后，從焊接件切口表面形貌來看，焊接處與基體為充分的冶金熔合，未出現(xiàn)裂紋、夾雜等缺陷．試驗(yàn)槽運(yùn)行半年的數(shù)據(jù)表明，熱熔焊接試驗(yàn)槽比對比槽平均爐底壓降低15～21 mV，槽平均工作電壓、平均噸鋁直流電耗也比對比槽有所降低．

(3)該技術(shù)避免了電解車間高磁場對焊接件的影響，基本不消耗電能且綠色環(huán)保，有效地縮短了電解槽大修工期，但因其工藝相比二氧化碳保護(hù)焊要復(fù)雜且耗費(fèi)人力多，使用物料種類多，從而造成施工成本高，這或許是成為其推廣應(yīng)用的阻礙．

[1] 薛松柏．焊接技術(shù)手冊[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版，2006：121-125．

[2] 賈起民，鄭永令．電磁學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2011：122-154．

[3] 張琨，王富強(qiáng)．節(jié)能型SY400鋁電解槽技術(shù)研究及應(yīng)用[J]．金屬材料與冶金工程，2016(1)：24-27．

[4] LI Jie，LI Xiangpeng，LAI Yanqing，et al．Influences of different collector bar installations on cathode current distribution of drained cel[J]．The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2013，13(4)：1017-1020．

[5] 馮乃祥，彭建平，王耀武，等．鋁電解高效節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與研究現(xiàn)狀[J]．材料與冶金學(xué)報(bào)，2010(S1)：2-5．

Hot-melt welding technology and practice of cathode steel bar for the 400kA aluminum electrolytic cell with strong magnetic field

JIANG Haitao，ZHOU Ping，TANG Changting，LI Fangyi

NanshanAluminumLimitedbyShareLtd.，Yantai265713，China

In this article,the hot-melt welding technology was used to deal with the aluminum electrolysis cathode steel bar,and the test of the whole cell welding was carried out in 400kA cell with strong magnetic field. Performance testing and section analysis of hot melt welding samples,show that the welding area interface has a good metallurgical bonding,without obvious welding defects. After six months of operation, the statistics show that:average voltage drop of hot melt welding cell reduces 15-21 mv than control group,the average voltage and DC power consumption was decreased.This technology is helpful for the energy saving.

400kA aluminum electrolysis cell；cathode steel bar；hot melt welding；cathode voltage drop；energy saving

2016-06-22

姜海濤(1985-)，男，山東龍口人，工程師，碩士.

1673-9981(2016)04-273-05

TF351

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