鋁電解槽內(nèi)自動(dòng)切割技術(shù)研究與實(shí)踐

昌振利

（新疆眾和股份有限公司，烏魯木齊 830013）

隨著我國(guó)工業(yè)制造的不斷發(fā)展，鋁因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)被大量的應(yīng)用在各工業(yè)制造產(chǎn)品中，如新能源、房地產(chǎn)、包裝、電力電子、交通運(yùn)輸?shù)戎圃鞓I(yè)領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]2020年我國(guó)消費(fèi)了約3700余萬噸以上原鋁，從消費(fèi)結(jié)構(gòu)來看，房地產(chǎn)、交通運(yùn)輸、電力電子分別占比28%、23%、17%左右。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于我國(guó)各行各業(yè)的生產(chǎn)中，為各個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)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(jī)械自動(dòng)化技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用極大地解放了人力，對(duì)于一些施工作業(yè)環(huán)境較差、人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、重復(fù)性強(qiáng)的工作，完全可以利用自動(dòng)化機(jī)械取代或輔助施工人員作業(yè)。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)的鋁電解技術(shù)其總體效果已經(jīng)達(dá)到國(guó)際化水準(zhǔn),可是中國(guó)在電解槽施工技術(shù)方面,同國(guó)際先進(jìn)水平比較,還存在較大的差距。

隨著現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，鋁電解施工技術(shù)向更加節(jié)能高效、綠色環(huán)保、長(zhǎng)壽命、智能化、自動(dòng)化等多方向發(fā)展，開發(fā)應(yīng)用更先進(jìn)的鋁電解槽施工技術(shù)，這對(duì)于推動(dòng)中國(guó)電解鋁工業(yè)技術(shù)發(fā)展與升級(jí)，提升中國(guó)鋁工業(yè)技術(shù)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(shù)提升方面的實(shí)踐研究，目的是提升施工技術(shù)水平與改善施工質(zhì)量。

1 陰極方鋼

預(yù)焙電解槽是金屬鋁電解生產(chǎn)的重要設(shè)備。鋁電解生產(chǎn)是在950℃左右的熔融電解質(zhì)中進(jìn)行的，內(nèi)襯材料承受著高溫、化學(xué)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(chǎn)管理等因素[3]造成鋁電解槽運(yùn)行周期一般為三至五年，即進(jìn)入大修期，需要對(duì)電解槽內(nèi)襯及時(shí)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(guān)系到后續(xù)焊接施工及質(zhì)量。電解槽大修質(zhì)量直接關(guān)系到電解槽的壽命，進(jìn)而影響到大修周期，與企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)[5]。

根據(jù)槽型的不同，每種系列的電解槽內(nèi)陰極方鋼規(guī)格及數(shù)量均有所不同。每臺(tái)電解槽內(nèi)部有96根或104根鋼棒均勻排列在鋁電解槽內(nèi)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(yù)焙電解槽內(nèi)陰極方鋼切割是鋼棒焊接的前道工序，電解槽大修時(shí)需要對(duì)陰極炭塊及電解槽內(nèi)陰極方鋼等內(nèi)襯材料進(jìn)行更換，因此大修時(shí)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(jìn)行全截面焊接，因此陰極方鋼端面切割質(zhì)量是影響焊接質(zhì)量最為重要的影響因素。

2 傳統(tǒng)切割技術(shù)

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(nèi)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(cè)面及下底面堅(jiān)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(zhǎng)側(cè)面形成兩道較深的溝槽，以便于操作者施工。一般對(duì)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(shí)難度較大?，F(xiàn)有的切割方式中，主要采用人工氣割方式對(duì)陰極方鋼進(jìn)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(jìn)行畫線，人工手持割槍在畫線位置進(jìn)行預(yù)熱，切割時(shí)人工上下移動(dòng)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(zhì)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(tái)電解槽切割數(shù)量之多，對(duì)工人的耐力與體力考驗(yàn)非常大。人工氣割作業(yè)無法保證切割時(shí)的垂直度及水平度，切割時(shí)容易出現(xiàn)抖動(dòng)等情況，因此整體切割質(zhì)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(shí)再進(jìn)行陰極方鋼焊接易造成焊接質(zhì)量差、未焊合等焊縫質(zhì)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(shí)部分切割鋼棒尺寸不足，無法達(dá)到焊接工藝要求焊縫寬度，焊接前都需要人工進(jìn)行二次處理，用氧氣割槍將原有切割處切割平整并達(dá)到工藝要求焊縫寬度。然而二次處理即耗費(fèi)時(shí)間又耗費(fèi)人力物力，二次處理造成整體切割效率較既慢又差，嚴(yán)重影響工期。

2.2.3 影響焊接作業(yè)

人工氣割后進(jìn)行焊接時(shí)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(fèi)，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(dāng)改變焊接參數(shù)以適應(yīng)多變的焊縫寬度。焊接時(shí)焊接工作量增大并影響焊接質(zhì)量，增加焊材使用量、焊接成本和焊接施工時(shí)間。

3 自動(dòng)切割技術(shù)

3.1 設(shè)計(jì)必要性

隨著工業(yè)自動(dòng)化、信息化技術(shù)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)制造業(yè)受到嚴(yán)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(nèi)陰極方鋼切割作業(yè)來看，人工氣割作業(yè)存在費(fèi)時(shí)、費(fèi)工以及切割面歪斜、精度不夠準(zhǔn)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(zhì)量差、切割效率低、自動(dòng)化水平低及人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、切割質(zhì)量差，同時(shí)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(dòng)化火焰切割技術(shù)。自動(dòng)化火焰切割技術(shù)是利用自控技術(shù)控制切割設(shè)備系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和氣動(dòng)控制，通過設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的控制參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃路徑，以滿足切割對(duì)象的自動(dòng)化需求。因而借助自控技術(shù)手段提升陰極方鋼切割質(zhì)量及效率，代替人手工切割，同時(shí)降低后續(xù)焊接工序成本。

3.2 設(shè)計(jì)原理及過程

本設(shè)計(jì)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(shù)缺陷問題及對(duì)下一道焊接工序影響。結(jié)合現(xiàn)有研究對(duì)象所處工況及施工條件的局限性，自動(dòng)陰極方鋼切割設(shè)備設(shè)計(jì)采用兩大系統(tǒng)構(gòu)成，包括切割系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)，并配套相關(guān)必要組成部件，如切割小車、升降體、軌道、滾輪等。

圖3 自動(dòng)切割設(shè)計(jì)

陰極方鋼自動(dòng)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(shí)現(xiàn)設(shè)備開關(guān)、點(diǎn)火、自動(dòng)切割、自動(dòng)小車移位、自動(dòng)切割調(diào)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(dòng)進(jìn)行升降，配合割槍實(shí)現(xiàn)陰極方鋼的自動(dòng)切割，軌道實(shí)現(xiàn)切割裝置的快速移位。移動(dòng)小車內(nèi)置減速箱、電器盒，通過永磁直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過兩級(jí)蝸輪蝸桿減速后，通過離合器帶動(dòng)滾輪在導(dǎo)軌上行走。面板上設(shè)有指示燈、順逆開關(guān)、速度調(diào)節(jié)旋鈕、離合器手柄等。電控系統(tǒng)通過控制晶閘管導(dǎo)通角的方法，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無極調(diào)速。通過轉(zhuǎn)動(dòng)電位器帶刻度的電位器旋鈕，就可實(shí)現(xiàn)切割速度在設(shè)定范圍值內(nèi)的調(diào)節(jié)。

切割系統(tǒng)由割炬、割嘴、氣管、分配器、橫向移動(dòng)裝置、豎向移動(dòng)裝置、夾持器等部分組成。通過齒輪與齒條的船東方式，實(shí)現(xiàn)割炬在上下左右方向的位置調(diào)整，以適應(yīng)不同切割現(xiàn)場(chǎng)的需要。通過操縱裝置按鈕進(jìn)行自動(dòng)切割，切割時(shí)調(diào)整割槍位置至陰極方鋼頂部，預(yù)熱后按下自動(dòng)切割下降按鈕，根據(jù)陰極方鋼厚度調(diào)節(jié)合適速度后進(jìn)行自動(dòng)切割，切割完成后關(guān)閉高壓氧，割槍返回，設(shè)備通過滑軌移至下一鋼棒處繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)陰極方鋼的切割。

3.3 實(shí)踐效果

在某鋁企400KA系列和500KA系列鋁電解槽內(nèi)采用上述設(shè)計(jì)小車進(jìn)行多臺(tái)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(zhǎng)時(shí)間操作帶來的不適與切割質(zhì)量問題，一方面大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度及不適感，另一方面有效改善了切割質(zhì)量,從圖中可以看出切割端面比較平整（見圖4）。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

自動(dòng)切割技術(shù)可解決電解槽內(nèi)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(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境）。能有效改善鋁電解槽內(nèi)陰極方鋼切割耗用時(shí)間長(zhǎng)、耗費(fèi)人力和切割精度差等技術(shù)缺陷，確保槽內(nèi)陰極方鋼的切割質(zhì)量和效率，這對(duì)于提高規(guī)?；┕ぷ鳂I(yè)、質(zhì)量與精度具有積極的促進(jìn)作用。

實(shí)踐證明:引入自動(dòng)化技術(shù)可以提升電解槽大修陰極方鋼切割質(zhì)量、切割效率及切割自動(dòng)化水平，同時(shí)可以降低后續(xù)陰極方鋼焊接工序施工成本。自動(dòng)化切割技術(shù)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(dāng)而產(chǎn)生的切割誤差或質(zhì)量問題。此外，自動(dòng)切割小車可選擇不同的操作模式，如手動(dòng)控制與自動(dòng)控制，可進(jìn)行靈活切換。但是在這個(gè)施工過程前需要提前做足準(zhǔn)備，對(duì)于操作人員要進(jìn)行自動(dòng)化小車相關(guān)的技術(shù)操作培訓(xùn)，讓相關(guān)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(jìn)行自動(dòng)化的施工作業(yè)。

另外，廣泛采用機(jī)械自動(dòng)化切割技術(shù)，可以很好地降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，特別是在一些施工作業(yè)環(huán)境比較苛刻、人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、重復(fù)性強(qiáng)的作業(yè)，可以采用機(jī)械自動(dòng)化切割技術(shù)，通過相應(yīng)的電氣控制手段，讓自動(dòng)化切割小車及其相關(guān)部件按照相關(guān)的指令去進(jìn)行相應(yīng)的操作活動(dòng)，以此促進(jìn)陰極方鋼切割作業(yè)的完成。這極大地減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且自動(dòng)化切割小車其施工效率是施工人員所不能達(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的作用是十分明顯的。

4 總結(jié)

綜上所述，機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)在電解槽施工過程中被廣泛應(yīng)用是一種發(fā)展趨勢(shì)，在電解槽刨槽大修過程中，廣泛運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)，可以很好地減少企業(yè)的人力資源成本、作業(yè)強(qiáng)度以及保證施工的質(zhì)量。盡管電解槽內(nèi)工況具有特殊性，作業(yè)空間極為狹小，且施工質(zhì)量要求嚴(yán)格、難度較大，陰極方鋼的切割質(zhì)量不能滿足要求時(shí)，將影響下一步的焊接質(zhì)量及效率，影響流經(jīng)陰極方鋼棒的電流強(qiáng)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(guó)工業(yè)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展以及鋁行業(yè)向智能制造方向的邁進(jìn)，以往的施工技術(shù)手段已經(jīng)逐漸跟不上時(shí)代的發(fā)展，傳統(tǒng)的手持式氣割方式不再適應(yīng)整體施工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，自動(dòng)化技術(shù)及設(shè)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(zhì)量與效率顯得尤為重要，而引入自動(dòng)化切割技術(shù)對(duì)提升陰極方鋼切割作業(yè)有著重要意義。但是在采用機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)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(jī)制來充分保證地質(zhì)施工的質(zhì)量。