新型400kA鋁電解槽槽殼焊接制作

劉 靖

（1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），遼寧 沈陽(yáng) 110166）

槽殼是鋁電解槽的重要組成部分，不僅作為結(jié)構(gòu)件承載電解槽內(nèi)襯的各種應(yīng)力，而且對(duì)電解槽的通風(fēng)散熱起到關(guān)鍵性作用，是電解槽結(jié)構(gòu)場(chǎng)、電熱場(chǎng)和場(chǎng)設(shè)計(jì)的重要組成部分。而槽殼的結(jié)構(gòu)形式也是隨著不斷革新，從直角搖籃架結(jié)構(gòu)，發(fā)展到船型搖籃架結(jié)構(gòu)，再到目前的新型一體化槽殼結(jié)構(gòu)。

1 技術(shù)特點(diǎn)

此槽殼是東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司）依托自有專利技術(shù)CN 201110177679.8《一種鋁電解槽的槽殼裝置》而研發(fā)的一種新型槽殼結(jié)構(gòu)。在全壽命周期內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、通風(fēng)散熱及局部保溫好、易于實(shí)現(xiàn)“工廠制作，工地組裝”建造模式、經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以作為國(guó)內(nèi)0.80A/cm2以上高陽(yáng)極電流密度電解工藝的重要載體。

2 質(zhì)量要求

在槽殼制作中，總結(jié)了以往的經(jīng)驗(yàn)，采用新工藝提高了焊接質(zhì)量和效率。采用的新工藝有如下特點(diǎn)：搖籃架依托T型鋼技術(shù)，保證腹板與翼緣板熔深，防止變形；長(zhǎng)側(cè)立板和端側(cè)立板連接立縫采用單面焊雙面成型技術(shù)；底板拼接和大面?zhèn)劝搴附硬捎梅D(zhuǎn)胎具；端側(cè)圍板與圍帶之間組對(duì)采用預(yù)先開(kāi)坡口和二次下料，保證尺寸公差[1]。

圖1 新型槽殼示意圖

（1）尺寸規(guī)格。槽殼整體外形長(zhǎng)度18500±5mm，寬度4900±3mm，高度2412±3mm，總重約44.86噸。由槽底板（含底梁）、端部組件、大面組件以及支i座梁共6個(gè)部件組成，各部件基本連接形式均為焊接。槽殼的制作難點(diǎn)為尺寸偏差和焊接質(zhì)量的控制，因此采取反變形和二次下料手段控制變形，通過(guò)減少手工焊提高焊接質(zhì)量，最后由分部件矯正和整體矯正兩個(gè)步驟控制偏差[2]。

（2）材料要求。焊接材料是根據(jù)所焊鋼材的化學(xué)成分、機(jī)械性能、焊接接頭的抗裂性能，耐蝕性能，焊后是否熱處理、使用條件等綜合因素考慮后選定的。鋼材采用GB/T 700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》中規(guī)定的Q235B和GB/T 1591-2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》中規(guī)定的Q345B鋼材。

（3）制作流程。制作采用“工廠預(yù)制、工地組裝”的建造模式和“機(jī)械化大流水”的進(jìn)度安排，分部件預(yù)制，減小焊接難度，焊接細(xì)節(jié)控制精確；分專業(yè)班組制作，形成機(jī)械化流水，以緩解車間土建建設(shè)壓力，便于與鋁母線施工同步推進(jìn)。

3 部件制作

（1）槽底板。槽底板由單層底板和若干T型底梁構(gòu)成，考慮來(lái)料鋼板尺寸和運(yùn)輸因素，采用四塊鋼板拼接，在拼接前對(duì)4塊鋼板進(jìn)行校平，不平度≤0.8/1000mm，最終不得大于1mm。采用埋弧自動(dòng)焊，底板下料的焊接收縮預(yù)留余量為1.5/1000。母材溫度＜0℃時(shí)，焊縫兩側(cè)100mm范圍內(nèi)預(yù)熱至20℃采用翻轉(zhuǎn)夾板上完成預(yù)組裝，對(duì)縫間隙≤2mm，點(diǎn)焊固定，焊縫處裝反變形卡具。翻轉(zhuǎn)夾板雙面對(duì)接，帶鈍邊V形焊縫/封底，坡口角60°，鈍邊6mm。

（2）端部組件。端部組件由端部立板、2層圍板和圍帶組成。端部圍帶冷壓胎具，端部筋板組裝定位胎具。立板與各筋板采用雙面角焊縫；圍板與大面立板采用單面對(duì)接，J形坡口，坡口面角15°，鈍邊2mm，間隙2mm；圍帶與大面欄架：?jiǎn)蚊鎸?duì)接，V形坡口，坡口角60°，鈍邊4mm，間隙2mm。利用筋板組裝定位胎具，定位出端部立板上的槽中心線，以中心線為基準(zhǔn)，定位端部上、下圍板、筋板的位置，按照各板的位置進(jìn)行組裝焊接。待自然冷卻后拆除卡具。采用跳焊法，多名工人同時(shí)操作。焊接坡口在下料時(shí)用刨邊機(jī)開(kāi)制，下料長(zhǎng)度預(yù)留焊接收縮量，按理論長(zhǎng)度的1.5%，端部組件截面對(duì)角線長(zhǎng)度差≤5mm。

（3）大面組件。大面由大面立板、搖籃側(cè)梁（T形鋼）組成。大面立板由2塊定尺鋼板拼接而成，拼接縫由CO2氣體保護(hù)焊打底、封面，背面清根、封底，以槽中心線為基準(zhǔn)，用數(shù)控等離子切割機(jī)向兩側(cè)劃線定位開(kāi)52個(gè)（26組）鋼棒孔，并去焊渣、毛刺。采用跳焊方式，在大面組件焊接胎具上，將搖籃架側(cè)梁雙面焊接在大面立板上，采用帶鈍邊V形焊縫/封底，坡口角60°，鈍邊6mm。

（4）非標(biāo)胎具

表1 槽殼制作用基本非標(biāo)胎具

4 整體組裝

由于槽殼單重達(dá)40余噸，故采用流水大裝作業(yè)，同時(shí)該工作還需與土建支墩、鋁母線安裝工作緊密交叉配合。

（1）組對(duì)。待電解槽基礎(chǔ)絕緣板和槽底母線安裝完成后，將槽底板（帶底梁）吊至電解槽基礎(chǔ)上，并對(duì)每根底梁進(jìn)行劃線找正，即與槽殼大面立板、小面立板相連接的位置，并通過(guò)吊線來(lái)確定其與槽中心線的相對(duì)位置關(guān)系。將兩側(cè)的大面立板分別點(diǎn)焊、就位到槽底板上，安裝過(guò)程中需嚴(yán)格控制中心線和大面立板的垂直度，再將兩端的小面立板分別吊裝、找正、就位，并根據(jù)圖紙開(kāi)出與大面立板、小面圍板的焊接坡口，找正完成后將各部件連接定位。

（2）變形修整及找正。焊接變形需通過(guò)火焰加熱、千斤頂、大錘錘擊的等多種方法結(jié)合進(jìn)行，但錘擊時(shí)必須用墊板，不得損傷槽板表面，焊縫處不得用錘擊，防止擊裂焊縫。火焰加熱矯正溫度為600℃～800℃。因槽殼構(gòu)件尺寸較大，槽殼的找正應(yīng)注重中心線和標(biāo)高兩處，在調(diào)整中心線和標(biāo)高時(shí)要注意相連各部件變化。

5 總結(jié)

通過(guò)國(guó)內(nèi)鋁行業(yè)重點(diǎn)建設(shè)部項(xiàng)目的實(shí)際的運(yùn)行和測(cè)量，新型400kA鋁電解槽槽殼的焊接制作中通過(guò)采用了“工廠預(yù)制、工地組裝”的建造模式和“機(jī)械化大流水”的進(jìn)度安排，大幅度節(jié)約能源，提高生產(chǎn)效率，工期大大縮減。

電解槽槽殼技術(shù)將向著大幅提高槽殼結(jié)構(gòu)的整體換熱性能，回避傳統(tǒng)槽殼設(shè)計(jì)缺陷的同時(shí)材料用量少、投資經(jīng)濟(jì)性好，以及適于新型建造模式的方向發(fā)展，新型400kA鋁電解槽槽殼的焊接制作技術(shù)，在一定程度上將大大有利于我國(guó)的電解鋁生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展。