阳极钢爪修复技术研究现状

王 蕾,杜全斌*,毛望军,屈龙轩,王星星,张国栋,薛松柏

(1.河南机电职业学院 河南省超硬材料智能制造装备集成重点实验室,河南 新郑 451191;2.华北水利水电大学 机械工程学院,河南 郑州 450045;3.武汉大学 动力与机械学院,湖北 武汉 450000;4.南京航空航天大学 材料科学与技术学院,江苏 南京 210016)

在“双碳”大背景下,节能降耗成为国内外铝电解工作者关注的首要问题,铝电解企业纷纷对电解工艺过程及其关键装备进行详细剖析,用以探索制铝过程节能降耗的有效途径。通过对铝电解过程及其关键装备分析发现,阳极钢爪作为重要的导电体连接铝导杆和阳极炭块,起到输送大电流和承担阳极炭块重量的双重作用。然而,阳极钢爪长期服役于高温、酸性腐蚀环境中,极易受极上料、电解烟气,以及高温液态电解质的侵蚀、腐蚀和烧损,产生“细腰”现象[1-3],如图1所示,导致其电阻率高,压降大,显著增加吨铝能耗,成为制约电解铝行业节能降耗的关键部件之一,是电解铝装备中易损易耗件,因此,需要对其进行修复或更换。据有关部门统计发现,对于年产20万吨原铝的铝厂,钢爪腐蚀严重时,阳极钢爪平均使用周期约为15个周期,每年因腐蚀报废的钢爪超1万根,修复费用高达1000万元以上,不仅增加生产成本,而且修复任务繁重[4-6]。

图1 阳极钢爪腐蚀形貌图[2]

长期以来,国内电解铝企业对阳极钢爪的修复均采用手工电弧围焊法,但因钢爪尺寸较大,以及坡口加工和焊接工艺的局限性,该焊接方法效率低,接头易出现未焊透、夹渣等缺陷,且焊接面积小、接头强度低、电阻率大、使用寿命短,严重影响并制约电解铝企业对生产成本的控制[7]。因此,开展电解铝阳极钢爪的高效、低耗修复新技术开发对电解铝企业节能降耗具有重大意义,并成为众多电解铝企业和研究者关注的热点。

本文检索了近十年阳极钢爪修复技术的相关论文和专利,并详细阐述了阳极钢爪修复新技术的技术原理、实施方案及其优缺点,为阳极钢爪修复技术的开发与应用提供技术参考。

1 电渣熔铸焊修复技术

针对手工电弧围焊修复阳极钢爪的诸多缺陷,相关机构研发了电渣熔铸焊修复技术[7],工艺流程图见图2,装配结构示意图见图3。其原理是:将阳极钢爪腐蚀段切除后,清理并打磨切除面使其呈金属光泽,然后将阳极钢爪倒置使切除面朝上,在钢爪切割面附近适当位置安装结晶器(或耐火材料制成的底部密封管状磨具)。结晶器内放置一段圆钢棒,采用较大的直流焊机作为熔铸焊电源,切割后的阳极钢爪作为电极一端,圆钢棒作为电极另一端,用电渣保护,将圆钢棒熔化,利用结晶器将熔化的钢水与切除后的钢爪熔铸在一起,直至达到钢爪所需的高度。

图2 电渣熔铸技术工艺流程图

图3 电渣熔铸技术结构示意图[7]

王日昕等[8]采用电渣熔铸焊技术修复腐蚀阳极钢爪,测定了铸钢母材与熔焊区的电阻率,以及某电解铝厂现场压降。结果表明,铸钢母材和熔铸焊缝的平均电阻率分别为0.16822 Ω·mm2/m和0.16722 Ω·mm2/m,熔铸焊缝的电阻率比铸钢母材的电阻率低0.6 %;大电流发生器线下测试电渣熔铸焊修复的钢爪压降小于原装钢爪压降,原装钢爪压降小于人工围焊修复钢爪压;槽上钢爪压降测试与大电流发生器测试压降结果一致,综合表明电渣熔铸焊修复技术可以实现阳极钢爪熔接面积与导电满足电解铝的生产要求。陆磊等[9]采用电渣熔铸焊技术制备再生新阳极,研究了再生新阳极的化学成分、金相组织、材料膨胀系数及拉伸强度。结果表明,电渣熔铸焊修复技术实现了再生新阳极与残余阳极之间的全截面冶金结合;再生阳极区P、S含量低于阳极母材;再生阳极区显微组织为魏氏组织,有明显的晶界,如图4a所示,这是由于二次熔融生长热量大,形成生长为粗晶,冷却时速度快,铁素体沿晶界析出而成;电渣熔铸焊修复阳极钢爪接头抗拉强度为417 MPa,断口位置处于阳极钢爪母材,表明再生阳极结合强度高于阳极母材,断口呈灰暗色,金属光泽弱,无纤维区,晶界有大小不一的圆形或椭圆形韧窝,如图4b所示;再生阳极钢爪的热膨胀系数与阳极钢爪母材在400～500℃工作温度区间非常接近,减少了因热胀产生的结合内应力,确保了工作时的结合强度。

图4 再生阳极结合面显微组织及其断口SEM形貌[9]

上述文献表明,电渣熔铸焊修复技术可以实现腐蚀钢爪的全截面熔焊修复,熔焊区组织纯净均匀,无气孔、夹杂和裂纹等缺陷,在一定程度上解决了手工电弧围焊接头电阻率大、强度低等问题。但该技术存在以下问题:

(1)熔铸焊整套设备较大,占地约80 m2,需要配套,要求场地配备较大容量的电源和大型的水冷系统,场地要求严格;

(2)设备配套设施多,设备投入大,耗电量大,运行成本高;

(3)电渣焊自耗电极、助焊剂、保护剂成本较高;

(4)套管密封模具或结晶器的安装制作工序多,操作复杂;

(5)熔铸焊设备具有繁杂的电气设施,易产生漏电事故,安全性不高。

2 重熔铸造修复技术

为合理利用被切除的腐蚀钢爪头,四川阿坝铝厂李远军[10]采用中频熔炼炉对切割下的钢爪进行重熔,通过复合重熔铸造的方式对阳极钢爪进行修复,其过程示意图如图5所示。具体实施步骤为:① 在阳极钢爪切割端表面开设槽孔,并对端面进行倒角处理;② 准备筒状外消失模和阶梯棒状内消失模,将内消失模下端插入槽孔内,外消失模套设于阳极钢爪切割端上方,然后将装配消失模的阳极钢爪放入沙箱中;③ 真空浇铸,冷却后在阳极钢爪切割端上方形成钢爪外壳,内模消失而在阳极钢爪切割端上方形成独立棒状结构空间;④ 对棒状结构空间进行复合浇铸,完成阳极钢爪的最终修复。

图5 复合重熔铸造修复技术过程示意图[10]

该技术通过设置扩口结构和增加复合浇铸接合位点,提高浇铸材料与阳极钢爪切割端面、复合浇铸层之间的结合强度。然而,该技术未对阳极钢爪切割面进行去膜和活性处理,由于氧化膜的存在,仅采用重熔浇铸难以实现浇铸层与母材之间良好的冶金结合,其结合面的强度和界面压降均不能达到理想状态。

3 圆钢置换修复技术

针对熔铸焊、重熔铸造修复存在的问题,近年来,铝电解工程师提出了圆钢置换阳极钢爪腐蚀段修复新技术,其原理为将阳极钢爪腐蚀段切除,选用合适的圆钢段代替钢爪腐蚀段,并将所选圆钢段与残余钢爪连接一起,完成阳极钢爪修复。张天华等[11]分析了Q235圆钢代替阳极钢爪腐蚀段(ZG230-450铸钢)的可行性。结果表明,在给定的焊接条件下,采用Q235圆钢进行更换腐蚀阳极钢爪在性能、经济上是可行的,可以达到快速修复阳极钢爪,满足电解生产周转循环使用。圆钢置换修复技术实现高强高导阳极钢爪高效低耗修复的关键在于圆钢段与残余钢爪的连接方法,并成为研究热点。

3.1 闪光对接焊

高伟等[12]利用闪光对焊原理,研发了用于阳极钢爪与钢爪头圆钢棒焊接修复的碰焊机,可实现直径为130～180 mm阳极钢爪头圆钢棒的全截面焊接修复,强度高,连接电阻值低,焊接修复时间短(平均烧化速度为0.8～1.5 mm/s,最快烧化速度5 mm/s),修复效率高,劳动强度低,但焊接时整体对中定位难度大,操作工艺复杂,焊接成本高,且大直径焊口处产生熔融铁的偏流现象,造成焊接质量差。

针对碰焊机的缺陷,该团队在其基础上设计了一种阳极钢爪立式碰焊机[13],如图6所示,该设备将2台400～800 kVA的交流变压器并联,或2～3台300 ～650 kVA的硅整流直流变压器并联,作为焊接变压器,其焊接变压器的两个输出导电极端头分别和两个导电焊接夹持卡具相连接,在进行焊接作业时,一个导电焊接夹持工装卡具与圆钢棒连接,另一个导电焊接夹持工装卡具与阳极钢爪连接,使两个导电焊接夹持工装卡具之间,通过阳极钢爪、圆钢棒形成一个串联焊接电路。同时在顶锻装置油缸的推力作用下,致使圆钢棒与阳极钢爪接口处,产生闪光电阻焊接效应,实现圆钢段与残余阳极钢爪的焊接。尽管立式碰焊机可直接进行移动定位焊接,防止熔融金属偏流,提高焊接组装效率和焊接质量,但该方法需要大功率直流的焊接电路系统及控制板,设备投资大,占用空间大,安全需要高,限制了该方法的推广应用。

图6 阳极钢爪焊接修复立式碰焊机结构示意图[13]

3.2 摩擦焊

王允臣等[14]提出了腐蚀阳极钢爪摩擦焊修复方法,开发了阳极钢爪摩擦焊专用装置,其俯视图如图7所示,包括主机、驱动机、液压站和控制台。采用摩擦焊专用装置替代人工电弧焊接钢爪,无有害气体排放与弧光闪烁,实现清洁生产;不需要添充料与气体保护,节约了成本;可完全焊透钢爪断面,生产效率提高4倍～6倍,节约电能60%～80%,解决了手工焊接钢爪劳动强度大、生产效率低,以及由不易焊透导致的强度低、压降大等现实问题。

图7 阳极钢爪摩擦焊修复专用装置结构示意图[14]

3.3 窄间隙焊

刘云飞等[15]发明了一种腐蚀阳极钢爪半圆形面堆焊修复方法,其特征是:将烧损的钢爪头用气焊割掉一段,从钢爪头的设计长度计,割掉段的长度大于烧损段的长度;准备一段与钢爪头等直径的圆柱形钢棒,将一片辅助连接片立焊在钢爪头切割面和圆柱形钢棒之间,将二者连接起来,并在圆柱形钢棒和钢爪头断面间形成两个对等的半圆体堆焊补充空间;用堆焊法将堆焊补充空间用焊肉堆满,一边的堆焊补充空间焊完后,将钢爪翻面,采用同样焊法将另一个堆焊补充空间焊接完毕,完成一个钢爪的修复。对修复后钢爪头进行切片检查和压降测试,结果表明,焊肉饱满、连接牢固、内部无任何裂纹,接头压降为0.2～0.3 mV,远低于围焊法修复方法(0.7～0.8 mV)和熔铸焊修复方法(0.4～0.6 mV)。

在手工辅助连接板电弧堆焊修复的基础上,王星星等[16]开发了用于阳极钢爪的摆弧窄间隙环形横焊修复技术,该技术采用圆钢棒置换腐蚀钢爪段的修复思路,具体实施步骤为:① 采用气割将待修复的阳极钢爪的烧损段完全切除,并将切割面修成平面;② 根据设计尺寸,制备端面为平面的圆钢棒和长度15～35 mm、直径4～10 mm的辅助连接棒;③ 将阳极钢爪、辅助连接棒和圆钢棒同轴定位焊,在阳极钢爪头和圆钢棒之间形成环形堆焊空间;④ 采用窄间隙单丝或双丝摆弧焊或熔化极气体保护焊(焊丝采用药芯焊丝或实芯焊丝)将整个环形堆焊空间焊实,完成阳极钢爪头的焊接修复。对采用该方法修复后的阳极钢爪进行破坏试验检测,发现接头实现全截面冶金结合,无裂纹、夹杂及未熔合等缺陷;接头压降接近新钢爪平均压降,满足使用要求。刘明等[17]提出阳极钢爪窄间隙自动焊接方法,并发明了配套焊接装置,该方法采用冷却装置代替焊接垫板,减少辅料和人工参与,采用截面自适应调节技术,实现全截面的焊接。

3.4 熔嘴电渣焊

为实现腐蚀阳极钢爪的高效修复,杜全斌等[18]开发了用于阳极钢爪的大熔敷电渣焊修复技术,焊接系统装配示意图如图8所示,实施方案为:① 切除阳极钢爪腐蚀段,加工制备圆钢棒、起焊槽和引出板;② 将阳极钢爪和圆钢棒同轴放置,调整钢爪切割面与圆钢棒端面间隙并固定,装配起焊槽、引出板和水冷滑块,形成电渣焊焊槽;③ 固定并调节熔嘴位置,使熔嘴处于起焊槽中心;④ 根据钢爪头和圆钢棒的材质及接头形式,采用合适的助焊剂、造渣剂,设置合适的焊接工艺参数(送丝速度180～200 m/h,焊接电压40～46 V,焊接速度0.6～0.8 m/h,渣池深度45～55 mm)进行施焊;⑤ 施焊完毕后,切除引出板、起焊槽,打磨焊缝金属使其与钢爪头和圆钢棒平滑过渡,完成该阳极钢爪头的修复。对电渣焊修复后的阳极钢爪头进行破坏试验检测。结果表明,接头全部实现冶金结合,无裂缝夹杂及未熔合等缺陷,槽上压降测试结果为53 mV,基本接近阳极钢爪平均压降50 mV的指标。

图8 电渣焊修复技术装配结构示意图

3.5 自钎预置钎焊/电弧堆焊复合修复技术

为实现阳极钢爪的高效、高强、高导修复,杜全斌、王星星等[19-20]提出了自钎预置钎焊/电弧堆焊复合修复技术,并开发了配套的钎焊修复装置。该技术实施方案为:① 切除阳极钢爪腐蚀段,选取与阳极钢爪同直径同材质的圆钢段,将待焊端面加工坡口,然后再依次进行酸洗、碱洗和蒸馏水冲洗,吹干备用;② 将阳极钢爪切除端和圆钢的待焊端面在细腰形感应线圈中进行对接接头装配,且铺设去膜剂和熔化温度径向渐变复合钎料,装配得到钎焊接头装配体;③ 对钎焊接头装配体未倒角的对接面进行感应加热,使熔化温度径向渐变复合钎料在整个对接面上同时熔化,润湿填充未倒角对接面间隙,待完全润湿后停止感应加热,实现阳极钢爪切除端和圆钢的待焊端面未倒角对接面的钎焊连接;④ 打磨处理后的坡口,在钎焊接头坡口上堆焊金属层并打磨,使其与阳极钢爪和圆钢平滑过渡。采用自钎预置钎焊/电弧堆焊复合修复技术修复后的阳极钢爪,其平均压降与新阳极钢爪相比,仅相差0.04 mV,显著降低了修复阳极钢爪的压降、减少能耗。

4 原位自蔓延焊修复技术

张国栋等[21]开发了用于阳极钢爪修复的原位自蔓延焊修复技术如图9所示,其技术方案为:① 首先清除腐蚀阳极钢爪表面残留石墨;② 根据阳极钢爪设计尺寸,及腐蚀阳极钢爪的腐蚀尺寸,设计制作石墨磨具;③ 将残余钢爪腿插入石墨模具中,石墨模具顶端面与钢爪座底面紧密贴合,石墨模具与残余钢爪腿之间形成空腔;④ 制作自蔓延石墨坩埚,石墨坩埚底部有通孔,通孔通过浇铸管与石墨模具与残余钢爪腿之间的空腔连接;⑤ 根据钢爪腿损坏程度计算浇铸钢水的量,然后确定自蔓延焊剂用量;⑥ 在石墨坩埚底部通孔上放置金属片挡片,然后将自蔓延焊剂(主要包括Al粉、Fe2O3粉、CaF2粉)放入石墨坩埚内,采用镁条引燃焊剂,焊剂燃烧发生自蔓延放热反应,将高温熔融的钢水浇铸到空腔内,熔焊池内的钢水冷却后,在残余钢爪腿的表面凝固结晶,使得残余钢爪腿恢复到原来的尺寸。采用原位自蔓延焊接修复技术克服了熔焊修复残余应力大、局部受热严重等缺点,修复质量好;在残余钢爪腿外部加厚一层,避免了割掉整个钢爪腿,节省材料,降低成本。

图9 原位自蔓延焊修复装配结构示意图

王会智[22]发明了一种阳极钢爪焊接用焊药,焊药主要由35%～42%的铝粉、25%～35%的镁粉、10%～15%的氧化铜、8%～10%的钛粉和7%～14%的铁粉,以及铝粉重量0.1%～0.3%的银粉组成。采用该焊药焊接阳极钢爪,焊接时,在钢爪连接杆和钢爪腿之间设置U型金属套,然后在U型金属套的缝隙中填充焊药并引燃,利用焊药产生的高温将钢爪连接杆、U型金属套和钢爪腿焊接起来。

5 电弧增材修复技术

借助电弧堆焊和逆向建模技术,杜全斌等[23]开发了阳极钢爪电弧增材修复技术,实施步骤为:① 将待修复的阳极钢爪头烧损段喷砂处理,清除烧损段表面污锈、铝渣和残留石墨,然后角磨机打磨烧损段使其表面呈金属光泽,采用酒精擦洗,吹干备用;② 借助逆向工程软件Imageware,逆向建立待电弧增材空间模型;③ 将待增材制造模型分割成填充模型和盖面模型;④ 采用3D打印设备自带切片软件对填充模型和盖面模型进行切片,填充模型的切片厚度为4 mm,盖面模型的切片厚度为3 mm;⑤ 采用屈服强度为300 MPa的低合金钢焊丝增材修复填充模型,采用镍铬焊丝增材修复盖面模型;⑥ 修复完毕后,打磨增材修复盖面层使其与钢爪无烧损部位平滑过渡,完成该阳极钢爪头的修复。

6 修复技术综合对比分析

上述文献分析表明,为解决手工电弧围焊修复钢爪存在强度低、压降大、效率低的问题,铝电解工程师先后开发了电渣熔铸焊修复、重熔铸造修复、圆钢置换修复、原位自蔓延焊修复和电弧增材修复五大类阳极钢爪修复新技术,均能实现阳极钢爪的全截面修复。但部分修复技术修复钢爪性能指标文献中未提供,且部分文献中已提供的修复钢爪压降值所采用测试方法不统一,为横向对比各种方法修复钢爪压降性能,本文测试了大电流发生器下修复钢爪等距压降(测试温度420℃,测点间距100 mm,检测电流3.2 kA)。结合上述文献对修复设备综述,将各种修复方法在技术指标、投资成本、经济效益等方面情况汇总如表1所示。

表1 阳极钢爪修复方法的技术指标、投资成本和经济效益

7 结 论

(1)电渣熔铸焊修复技术、重熔铸造修复技术效率高,但设备大、投入大、运行成本高;电气设施繁杂,安全性差;配套设施多,场地要求严格。因此,该方法适合大批量修复,对中小企业难以推广应用。

(2)圆钢置换修复方法的关键在于圆钢棒与残余钢爪的连接方法,主要有闪光对接焊、摩擦焊、电渣焊、窄间隙焊和预置钎焊/电弧堆焊复合修复技术。其中,闪光对接焊、摩擦焊修复效率高,但需要大功率设备,场地占用面积大,一次性投入成本高,限制其推广应用;电渣焊热输入大,修复效率高,但焊缝组织粗大,焊接应力大,易焊接变形,且电源功率大,助焊剂价格高,影响其推广应用;窄间隙焊有利于自动化,接头质量高,综合经济效益较好;预置钎焊/电弧堆焊复合修复技术焊接效率高,接头导电性较好。

(3)原位自蔓延焊修复技术效率高,操作简单,但修复结合区易出现缩松、缩孔、夹渣、气孔等缺陷,亟需开发适宜的自蔓延焊剂。

(4)电弧增材修复技术自动化程度高,修复效率高,接头强度大、电阻率低,综合修复成本低。