400 kA電解槽槽殼焊接安裝工藝的探索

馮國杰

【摘? 要】飛速發展的鋁冶金技術讓400 kA級一體化鋁電解槽技術成為生產引領，槽殼作為電解槽的重要構成，其焊接安裝的質量直接影響電解槽的使用性能。在整個焊接過程中變形控制是重中之重，為有效應對焊接變形，論文對400 kA電解槽槽殼焊接安裝技術難題進行了分析，從多角度對400 kA電解槽槽殼焊接安裝工藝進行了探索，在保證電解槽槽殼質量的同時為其制作生產效率的提升提供有力輔助。

【Abstract】The rapid development of aluminum metallurgy technology makes the 400 kA integrated aluminum electrolytic cell technology become the production leader. Cell shell is an important part of electrolytic cell， and its welding and installation quality directly affects the service performance of electrolytic cell. In the whole welding process， deformation control is the top priority. In order to effectively deal with welding deformation， this paper analyzes the technical problems of welding and installation of 400 kA electrolytic cell shell， and explores the welding and installation technology of 400 kA electrolytic cell shell from multiple angles， so as to provide powerful assistance for the improvement of its manufacturing and production efficiency while ensuring the quality of electrolytic cell shell.

【關鍵詞】400 kA電解槽;槽殼焊接;工藝

【Keywords】400 kA electrolytic cell; cell shell welding; technology

【中圖分類號】TF821;TG47 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2022）04-0191-03

1 引言

鋁金屬以及鋁合金材料憑借密度小、強度高、易加工等特點被廣泛應用于航空航天、電力生產等諸多領域，隨著使用需求的增加，其生產規模也逐漸完成了大型化擴張的轉變。400 kA電解槽作為鋁材料的主要生產設備，若槽殼在焊接的過程中產生變形，不僅會出現外觀以及整體質量的缺陷，同時會影響電鋁母線以及設備的產生安全，造成修磨量以及探傷費用的增加，嚴重的甚至會影響正常生產。因此，在400 kA電解槽槽殼焊接安裝過程中只有經過嚴格的工藝控制才能有效防止變形，在保證生產效率的同時實現能源的節約。

2 400 kA電解槽槽殼焊接安裝的特點

400 kA電解槽槽殼以搖籃式為主，整體結構重量大、制作難度大，主要構成包含槽底板、底梁、端頭、堵頭板以及長側板5個部分（見圖1），通過焊接方法組成[1]。在生產過程中承載著各種熱應力以及化學力，其是電解槽生產過程中通風散熱的良好輔助。本次研究中400 kA電解槽的槽底板長度為18.36 m，但板厚僅為12 mm，若采用整體拼裝方法，其在運輸過程中會產生諸多不便，故采用工廠預制、工地組裝的形式。槽殼焊接完成之后，需要對焊縫進行射線探傷檢查以保證100%的合格率，而在質量要求上，不僅要保證焊縫的外觀滿足技術要求，同時，要保證焊接細節實現精準的控制防止焊接變形，在機械化的流水施工過程中減緩電解車間生產組裝的壓力，保證生產過程當中的鋁母線施工同步推進。

3 400 kA電解槽槽殼焊接安裝技術難題

3.1 電解槽槽殼焊接變形

3.1.1 電弧熱作用產生塑性變形

電解槽槽殼在焊接過程當中，由于電弧熱的輸入會導致電弧附近的金屬材料因局部受熱過高產生熱膨脹，而遠離電弧的金屬材料依舊能夠保持較低溫度，因此，受熱的不均勻性會導致高熱部分產生壓應力，而低溫部分產生拉應力，在此過程中一旦壓應力超出材料屈服點，便會產生壓縮塑性變形[2]。同時，在焊接完成之后的冷卻過程當中，高熱部分金屬材料會受到拉應力的影響，而低溫部分金屬材料反而會受到壓應力的影響，因此，二者的不協調應變會直接導致焊接金屬失去內部平衡，在縱向以及橫向的殘余焊接應力作用下產生波浪變形。一旦變形產生，不僅影響槽殼外觀尺寸的精度，同時會導致承載力的降低。

3.1.2 焊接金屬材料的影響

材料引起的變形是由于受到焊接材料和母材的影響，因為不同的金屬材料擁有不同的力學性能參數以及熱物理性能參數，物理性能參數與熱傳導系數密切相關，隨著熱傳導系數的增加，相應的溫度梯度會有所降低，反之隨著熱傳導系數的降低，溫度梯度反而會逐漸增大。力學性能參數與熱膨脹系數密切相關，在焊接過程當中，隨著熱膨脹系數以及傳導系數的增加，槽殼變形也會呈現出遞增的趨勢[3]。

3.1.3 焊接安裝工藝的影響

在400 kA電解槽槽殼焊接過程中，安裝工藝的選擇也有著明顯的影響，整個焊接安裝過程中涉及多個控制要點，包含焊接方法的選擇、焊接過程中電流電壓量的輸入以及焊接順序的確定，同時，包含構件定位的準確性、穩固性等多重因素。一旦焊接安裝工藝選擇不當，焊接過程當中殘余應力的分布以及整體應力狀態必定發生變化[4]，隨著應力分布和應力狀態的改變焊接變形不可避免。

3.2 電解槽槽殼焊縫缺陷

焊縫缺陷包含咬邊、氣孔、錯邊以及條渣等多種形式，產生焊縫缺陷的主要原因在于焊接安裝過程中尚未實現良好的控制。首先，焊接安裝工作實施之前應對焊接部位進行嚴格的檢查，一旦有異物或者污垢殘留必定影響整體焊接質量。其次，焊接過程當中對應力的掌握十分必要，若應力過大不僅會產生偏焊，相應的焊縫間隙也會出現大小不一的現象。因為焊縫間隙的大小不一，在完成焊接組裝的過程當中必定采用強制組裝方式，因而在強制組裝的應力作用下焊縫性能會逐漸降低，而焊縫錯邊量也難以得到有效保證。最后，在整個槽殼焊接安裝的過程中工作內容較為復雜，且需要消耗較長的焊接時間，如果工作人員在焊接過程中沒有形成嚴謹的工作態度，焊后沒有進行詳細的檢查，焊接缺陷是不可避免的。

4 400 kA電解槽槽殼焊接安裝工藝要點

4.1 施工準備

施工準備是保證焊接安裝工藝質量的基礎，在400 kA電解槽槽殼焊接安裝的施工準備過程中，首先要進行的是完成對金屬焊接材料的檢查，檢查的重點包含合格證書以及相應的坡口等材料參數是否與實際設計要求達成一致，同時，包括對其外觀以及基本性能的檢查，要保證焊接金屬材料的包裝外觀無明顯缺陷且無雜物、無生銹、無油污。其次，在焊接過程當中應該選用正確的焊接順序及焊接方式。當前，多層焊接的方式保證了焊接參數以及線能量的降低[5]，為此，在400 kA電解槽槽殼焊接安裝過程中應遵循先短焊再長焊的基本原則，可通過多名焊工同時焊接施工的方式保證多層焊接安裝相互交錯，實現焊接應力的消除。焊接安裝過程中二氧化碳保護氣體的使用，不僅能夠保證焊接速度，同時，在提升焊接質量、減少焊接變形上也發揮著積極的作用。表1為400 kA電解槽槽殼焊接工藝規范。

4.2 底側板焊接加工

4.2.1 底板焊接

400 kA電解槽槽殼底板由4塊鋼板板材拼接而成（見圖2），焊接加工過程中應按照施工圖紙的詳盡要求將底板置于翻轉臺上完成預組裝工作。同時，通過防變形裝置的加裝來保證背面焊縫處無明顯變形產生。對于400 kA電解槽槽殼底板而言，必須保證預組裝板材焊縫間隙小于2 mm，因此，在焊接過程當中可以通過點焊來保證固定效果。由于底板面積較大，板件切割線較長，為保證板件切割邊緣的直線度，板件切割采用半自動切割機完成。組對前須對4塊預拼鋼板進行校平，不平度須符合設計及制作規程要求。拼接板的板端坡口按設計或規范要求開設，確保對接錯邊量符合要求[6]。檢查對接底板的長度、寬度、對角線差等項目，待滿足要求后在焊道內用Φ3.2 mm的焊條每隔500 mm分段均勻點焊固定，點焊長度為25 mm左右，然后將100 mm×150 mm的引弧板焊于對接縫的端部，待全部焊接工作結束后再拆除磨平。在底板拼接過程中不得直接敲擊，以免損傷母材及焊縫金屬。底板正面焊接時采用焊劑墊法，即用細顆粒焊劑將組對間隙較大的部位填滿填實，從組對間隙較小的一側開始引弧施焊，先焊橫向短焊縫，再焊縱向長焊縫。焊接時不得隨意停弧，以免接頭處焊縫成形不良，受熱過大引起變形。同時，焊工須在施焊過程中根據焊縫組對間隙的大小隨時對焊接電流、電弧電壓、焊接速度等參數進行調整，避免焊接時因燒穿、燒漏引起焊接變形。此外，為保證引弧和滅弧可以將引弧板以及滅弧板焊接在底板的兩端，待完成焊接工作任務之后進行引弧板和滅弧板的拆除。值得注意的是，在電解槽槽殼底板焊接安裝的過程中采用的是雙面焊接的方式，焊接安裝過程中通過埋弧自動焊來完成，因此，在正面焊接完成之后需要進行底板的翻轉，由于底板面積大，為防止翻轉吊起變形，采用多吊點式專門吊具對底板進行翻轉，翻轉完成后通過夾鉗碳弧氣刨的使用保證焊縫根部雜質的清除，之后進行背面焊接[7]。

4.2.2 短側板焊接

400 kA電解槽槽殼的短側板以組合方式構成，需要在組合胎具上完成焊接組裝。在焊接安裝工藝實施之前，要保證將其牢牢固定在焊接胎具上，同時，標出組裝中心線以保證焊裝的精準度。由于端頭壁板外側筋板縱橫交錯、焊縫密集，焊接后其開口度變大，內壁不平度超差，特別是1/4圓弧偏差較大，直接影響了電解槽的質量和使用壽命，因此，必須對其加以預防和控制。可以分3層采用二氧化碳氣體保護焊，先焊縱向短焊縫，再焊橫向長焊縫，每人每層相互交錯施焊，避免熱量過于集中，產生應力而引起變形。在焊接過程中，為保證端頭壁板整體始終固定在胎架上，每隔250 mm左右設一剛性固定卡，1/4圓弧部位剛性固定卡的數量不少于4個。同時，焊接時須將焊接胎架墊平墊穩，以免受熱后胎架扭曲變形引起端頭壁板變形[8]。

在焊接安裝工藝完成之后，需要保證短側板的夾緊狀態維持24 h，24 h冷卻之后再進行胎具的拆除。在整個焊接過程中坡口需要通過刨邊機或者火焰切割的方式進行開制，短側板過渡邊的最小長度計算公式如下：

L=3（a-a）

式中，L為過渡邊的最小長度（mm）;a為短側板的厚度（mm）;a為長側板的厚度（mm）。

4.2.3 長側板焊接

側面壁板、斜側壁板以及立板是4 000 kA電解槽槽殼長側板的主要構成，側面璧板與斜側壁板在完成焊接任務的過程中需要在焊接胎架的輔助下完成（見圖3）。另外，在長側板和短側板的焊接過程中，埋弧自動焊為主要焊接方式，焊接時應遵循先背面后內側的施工流程，焊接前通過氣刨完成清根工作。焊接時先進行長側板與側部環板的焊接，后進行側部搖籃立板、長側板筋板的焊接，最后進行長側板與斜側板間的焊接。長側板與斜側板間的焊縫為主要焊縫，將矯正合格的長側板吊放在焊接胎架上，然后對斜側板進行點焊固定，點焊長度為25 mm左右，利用二氧化碳氣體保護焊進行施焊，焊完冷卻后按設計要求進行無損檢測，合格后方可進入下道工序。因為長側板和短側板之間的焊縫是整個電解槽槽殼結構當中的重要部分，所以在焊接過程當中要完成焊接破口的及時清理和打磨，保證整個焊接質量達到焊接要求。

注：b為胎架長度，h為寬度且可按長側板實際尺寸適當增加。

圖3? 焊接胎架

4.3 槽殼組對焊接及變形修整

4.3.1 槽殼的組對焊接

正式焊接前，須裝設可調絲杠、手拉葫蘆。端頭壁板、長側板分別裝配定位后，檢查各部位幾何尺寸，確認合格后方可進行整體焊接。槽殼焊接收縮后變形會影響爐腔的砌筑，縮短電解槽的使用壽命。為消除槽殼變形，可以采用8～10個重物箱壓在底板上消除底板焊接后的熱變形，同時，采用6根可調式絲杠和6副倒鏈分別作用于長側板和斜側板，將其分別頂緊或拉緊。焊接時采用焊接變形較小的二氧化碳氣體保護焊施焊，背面清根及焊完后用超聲波檢測的手段，控制搖籃槽殼的焊接質量[9]。

4.3.2 校正和修整

400 kA電解槽槽殼焊接安裝完成之后須對其變形進行校正和修整，整個校正修整過程當中最常見的方法有火焰加熱校正修整、大錘錘擊校正修整以及千斤頂頂正矯正修整等。但值得注意的是，400 kA電解槽槽殼尺寸較大，因此，在整個校正修整過程中需要進行嚴格的控制，并適度地根據修整進度完成中心線以及標高的找正。通過適當的校正修整控制和防止由二次應力作用導致的槽殼變形。首先，在通過火焰加熱校正修整的過程當中，要保證火焰加熱的溫度在600～800 ℃，防止溫度過高而產生熱應力導致的變形加劇。其次，在應用大錘錘擊的方式進行校正修整的過程當中，要防止過度錘擊而導致的槽殼面板表面損傷，在錘擊的過程當中可以通過錘墊的使用有效減緩錘擊應力并沿著焊縫方向輕輕錘擊。另外，在進行大錘錘擊的過程當中，為防止焊接焊縫的開裂，需要保證錘擊部位避開焊縫連接處。最后，在電解槽陰極槽殼組裝完畢除銹后，需要在槽殼外表進行兩次耐熱瀝青漆涂刷以保證其使用性能。

5 結論

在400 kA電解槽槽殼制作過程中，焊接是十分關鍵的步驟，具有工程量大、技術要求高的特點，為保證焊接質量需要從多方面入手，要對焊接材料以及焊接參數進行嚴格的控制，同時，在焊接安裝過程當中必須遵循施工規范、保證變形控制并完成適當的變形校正和修整以達到節約成本、提高效率、推進生產的目的。

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