阴极扁钢通透缝切割质量的试验分析*

马绍华

(甘肃酒钢集团西部重工股份有限公司，甘肃 嘉峪关 735100)

0 引 言

电解铝工业由于生产能耗、污染过高，成为国家重点调控的产业之一。2010年酒钢东兴铝业与沈阳铝镁设计研究院有限公司(SAMI)进行合作，推广铝电解槽磁流体稳定技术和新式阴极扁钢结构，其关键点之一在阴极扁钢上开一个贯穿的槽(通透缝)，可以使阴极扁钢与炭块接触面积变大，电阻变小，显著降低工作电压，提高电解槽的稳定性[1]。

目前，阴极扁钢在酒钢东兴铝业全面推广使用中节能效果显著，但不足之处是通透缝质量合格率偏低(在80%～85%之间)。如何提高通透缝的切割质量及产品的合格率，成为我们首要解决的问题。

1 存在的问题

工程上把厚度超过100 mm的钢板，归纳到超厚板范畴。铝业用的阴极扁钢一般厚度在100～130 mm之间的范围 。切割中存在能耗高、切割不透陷、温度高、变形大等诸多问题。导致生产效率低下，废品率高。酒钢东兴铝业用的阴极扁钢如图1 所示。

一般资料的介绍是整体切断的比较多，技术成熟。但在切割内封闭通透缝上，从现有资料查询是空白的。从实际的切割中效果上看，有相当大的难度。厚度大于100 mm阴极扁钢存在：缝隙直线度差、收尾处豁口过大、下口宽度过窄等问题，如图2所示。

图1 阴极扁钢生产图纸

图2 缺陷产品

其次，在切割压力出现不稳定时，整体切割质量严重下降。正反两面都出现大小不一的豁口及成片的焊渣粘连，甚至出现废品。如图3所示。

图3 废品

根据相关资料介绍，厚度大于100 mm的扁钢通透缝切割都存在一些缺陷，如收尾豁口/小尾巴，下口窄等等。一般在20%～30%左右，我们在切割东铝120 mm的扁钢，达到40%～60%左右，个别情况下在80%左右，不得不进行补焊打磨．切割质量和效率制约我们产能的提高。

分析原因主要问题在切割的压力不够稳定，随着切割厚度的增加，压力逐步降低，气体的燃烧效率随之下降，底面容易挂渣，切割面不平。其次，切割速度是影响通透缝质量的另一个因素，切割速度过快会使切割面出现凹陷和挂渣等质量缺陷，严重的有可能造成切割不透；切割速度过慢会使切口上边缘熔化塌边、局部出现凹坑、豁口等。在其次，割嘴合理的选用。直径过大过小会产生豁口、挂渣、切不透等现象。

2 解决措施和实验方法

为提高切割通透缝的质量，我们从扁钢表面处理、切割气体、切割割嘴的选择、切割压力、速度等方面来选择参数，实验步骤如下：

(1) 扁钢表面处理：扁钢在轧制完成后的冷却、吊运等过程中，发生变形，影响下料、切割后的尺寸精度，必需要进行专项矫直。其次，轧制的扁钢表面有氧化皮或锈斑。氧化皮熔点高，不容易熔化，影响切割速度；加热时，氧化皮飞溅后易堵塞割嘴，降低割嘴的寿命[2]。工作前务必要清扫干净。

(2) 通透孔加工。按图纸要求划线，加工出φ6和φ8通透孔两组各4件。

(3) 切割设备选择：超厚板切切割一般选用：数控火焰切割机(最大可切割250 mm)，该设备投资成本最低，切割下料效果也较好。作为扁钢切割，综合考虑现场的各方面因素，我们选用经济实用型：半自动火焰切割机。

(4) 切割气体选择：切割超厚板时，气体选择两种：乙炔和丙烷。根据相关资料推荐选择总热值高的。丙烷总热值(104 457 kJ/ m3)大于乙炔总热值 (55 245 kJ/ m3)[3]，且丙烷气体安全性和环保方面优于乙炔气体。我们选用丙烷气体。

(5) 切割割嘴选择：根据相关资料，选用6号或7号割嘴。

我们以120 mm厚的扁钢为例，割嘴型号按6#和7#各切割4件。整个实验的参数控制及效果，如表1所列。

表1 分组实验参数数据表

3 对比分析

(1) 从实验结果可以得知，割嘴选用7#效果不如6#，表现为通透缝缝隙忽大忽小，局部有粘连现象。原因是气体切割过程中气体压力因各种因素影响存在一定波动范围，大直径割嘴压力相应需要大一些，压力在低点位时，切割通透缝有缝隙小、割不透的现象，所以选择小规格的割嘴为宜。

(2) 切割气体选择丙烷，考虑是总热值高。但缺点是预热时间长、切割速度慢。为提高丙烷的气割性能, 使用时加入少量的添加剂,但添加剂的使用影响丙烷的纯度，气体的纯度会影响切割边缘的光滑度。切割时气体不稳，会产生豁口等质量缺陷，综合因素切割速度宜选择慢一些。

图4、5为7#阴极扁钢正反面切割效果图。

图4 合格品正面

图5 合格品背面

4 结 论

通过前期的试验及后期大量切割加工，重点总结出以下四点关键措施：

(1) 切割前预先进行矫直及清理氧化皮必不可少，是确保通透缝切割直线度符合要求的前提。

(2)φ8的通透孔底面切割效果最理想，同时因钻头直径增大，使用寿命延长。

(3) 切割使用6#割嘴，氧气、丙烷压力保持在2～1.8 MPa和1.4～1.2 MPa之间。切割速度控制在100～80 mm/min。过程中气体压力必须保持稳定，通透缝整体切割效果最好。

(4) 切割起步前，火焰切割机要对切割面进行4-5 s来回预热处理。切割中速度尽量一次调整到位，切割到终点时，要停顿2 s左右，可以减少收尾中的小尾巴缺陷。

通过上述充分的准备和严格的工艺执行，产品切口质量满足工艺要求，合格率提升到95%。据相关材料介绍采用新结构的阴极扁钢，电解槽平均电压降低 90 mV，电流效率提高 1.08% ，吨铝直流电耗降低 420 kWh[4]。以酒钢东兴铝业电解铝40万吨产量计算，年降低电耗：40万吨/年×420 kWh×0.33元/每度电=5 544万，经济效益十分显著。