王 蕾,杜全斌*,毛望軍,屈龍軒,王星星,張國(guó)棟,薛松柏

(1.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院 河南省超硬材料智能制造裝備集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 新鄭 451191;2.華北水利水電大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河南 鄭州 450045;3.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院,湖北 武漢 450000;4.南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210016)

在“雙碳”大背景下,節(jié)能降耗成為國(guó)內(nèi)外鋁電解工作者關(guān)注的首要問(wèn)題,鋁電解企業(yè)紛紛對(duì)電解工藝過(guò)程及其關(guān)鍵裝備進(jìn)行詳細(xì)剖析,用以探索制鋁過(guò)程節(jié)能降耗的有效途徑。通過(guò)對(duì)鋁電解過(guò)程及其關(guān)鍵裝備分析發(fā)現(xiàn),陽(yáng)極鋼爪作為重要的導(dǎo)電體連接鋁導(dǎo)桿和陽(yáng)極炭塊,起到輸送大電流和承擔(dān)陽(yáng)極炭塊重量的雙重作用。然而,陽(yáng)極鋼爪長(zhǎng)期服役于高溫、酸性腐蝕環(huán)境中,極易受極上料、電解煙氣,以及高溫液態(tài)電解質(zhì)的侵蝕、腐蝕和燒損,產(chǎn)生“細(xì)腰”現(xiàn)象[1-3],如圖1所示,導(dǎo)致其電阻率高,壓降大,顯著增加噸鋁能耗,成為制約電解鋁行業(yè)節(jié)能降耗的關(guān)鍵部件之一,是電解鋁裝備中易損易耗件,因此,需要對(duì)其進(jìn)行修復(fù)或更換。據(jù)有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),對(duì)于年產(chǎn)20萬(wàn)噸原鋁的鋁廠,鋼爪腐蝕嚴(yán)重時(shí),陽(yáng)極鋼爪平均使用周期約為15個(gè)周期,每年因腐蝕報(bào)廢的鋼爪超1萬(wàn)根,修復(fù)費(fèi)用高達(dá)1000萬(wàn)元以上,不僅增加生產(chǎn)成本,而且修復(fù)任務(wù)繁重[4-6]。

圖1 陽(yáng)極鋼爪腐蝕形貌圖[2]

長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)電解鋁企業(yè)對(duì)陽(yáng)極鋼爪的修復(fù)均采用手工電弧圍焊法,但因鋼爪尺寸較大,以及坡口加工和焊接工藝的局限性,該焊接方法效率低,接頭易出現(xiàn)未焊透、夾渣等缺陷,且焊接面積小、接頭強(qiáng)度低、電阻率大、使用壽命短,嚴(yán)重影響并制約電解鋁企業(yè)對(duì)生產(chǎn)成本的控制[7]。因此,開(kāi)展電解鋁陽(yáng)極鋼爪的高效、低耗修復(fù)新技術(shù)開(kāi)發(fā)對(duì)電解鋁企業(yè)節(jié)能降耗具有重大意義,并成為眾多電解鋁企業(yè)和研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。

本文檢索了近十年陽(yáng)極鋼爪修復(fù)技術(shù)的相關(guān)論文和專(zhuān)利,并詳細(xì)闡述了陽(yáng)極鋼爪修復(fù)新技術(shù)的技術(shù)原理、實(shí)施方案及其優(yōu)缺點(diǎn),為陽(yáng)極鋼爪修復(fù)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 電渣熔鑄焊修復(fù)技術(shù)

針對(duì)手工電弧圍焊修復(fù)陽(yáng)極鋼爪的諸多缺陷,相關(guān)機(jī)構(gòu)研發(fā)了電渣熔鑄焊修復(fù)技術(shù)[7],工藝流程圖見(jiàn)圖2,裝配結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。其原理是:將陽(yáng)極鋼爪腐蝕段切除后,清理并打磨切除面使其呈金屬光澤,然后將陽(yáng)極鋼爪倒置使切除面朝上,在鋼爪切割面附近適當(dāng)位置安裝結(jié)晶器(或耐火材料制成的底部密封管狀磨具)。結(jié)晶器內(nèi)放置一段圓鋼棒,采用較大的直流焊機(jī)作為熔鑄焊電源,切割后的陽(yáng)極鋼爪作為電極一端,圓鋼棒作為電極另一端,用電渣保護(hù),將圓鋼棒熔化,利用結(jié)晶器將熔化的鋼水與切除后的鋼爪熔鑄在一起,直至達(dá)到鋼爪所需的高度。

圖2 電渣熔鑄技術(shù)工藝流程圖

圖3 電渣熔鑄技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖[7]

王日昕等[8]采用電渣熔鑄焊技術(shù)修復(fù)腐蝕陽(yáng)極鋼爪,測(cè)定了鑄鋼母材與熔焊區(qū)的電阻率,以及某電解鋁廠現(xiàn)場(chǎng)壓降。結(jié)果表明,鑄鋼母材和熔鑄焊縫的平均電阻率分別為0.16822 Ω·mm2/m和0.16722 Ω·mm2/m,熔鑄焊縫的電阻率比鑄鋼母材的電阻率低0.6 %;大電流發(fā)生器線(xiàn)下測(cè)試電渣熔鑄焊修復(fù)的鋼爪壓降小于原裝鋼爪壓降,原裝鋼爪壓降小于人工圍焊修復(fù)鋼爪壓;槽上鋼爪壓降測(cè)試與大電流發(fā)生器測(cè)試壓降結(jié)果一致,綜合表明電渣熔鑄焊修復(fù)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極鋼爪熔接面積與導(dǎo)電滿(mǎn)足電解鋁的生產(chǎn)要求。陸磊等[9]采用電渣熔鑄焊技術(shù)制備再生新陽(yáng)極,研究了再生新陽(yáng)極的化學(xué)成分、金相組織、材料膨脹系數(shù)及拉伸強(qiáng)度。結(jié)果表明,電渣熔鑄焊修復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了再生新陽(yáng)極與殘余陽(yáng)極之間的全截面冶金結(jié)合;再生陽(yáng)極區(qū)P、S含量低于陽(yáng)極母材;再生陽(yáng)極區(qū)顯微組織為魏氏組織,有明顯的晶界,如圖4a所示,這是由于二次熔融生長(zhǎng)熱量大,形成生長(zhǎng)為粗晶,冷卻時(shí)速度快,鐵素體沿晶界析出而成;電渣熔鑄焊修復(fù)陽(yáng)極鋼爪接頭抗拉強(qiáng)度為417 MPa,斷口位置處于陽(yáng)極鋼爪母材,表明再生陽(yáng)極結(jié)合強(qiáng)度高于陽(yáng)極母材,斷口呈灰暗色,金屬光澤弱,無(wú)纖維區(qū),晶界有大小不一的圓形或橢圓形韌窩,如圖4b所示;再生陽(yáng)極鋼爪的熱膨脹系數(shù)與陽(yáng)極鋼爪母材在400～500℃工作溫度區(qū)間非常接近,減少了因熱脹產(chǎn)生的結(jié)合內(nèi)應(yīng)力,確保了工作時(shí)的結(jié)合強(qiáng)度。

圖4 再生陽(yáng)極結(jié)合面顯微組織及其斷口SEM形貌[9]

上述文獻(xiàn)表明,電渣熔鑄焊修復(fù)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)腐蝕鋼爪的全截面熔焊修復(fù),熔焊區(qū)組織純凈均勻,無(wú)氣孔、夾雜和裂紋等缺陷,在一定程度上解決了手工電弧圍焊接頭電阻率大、強(qiáng)度低等問(wèn)題。但該技術(shù)存在以下問(wèn)題:

(1)熔鑄焊整套設(shè)備較大,占地約80 m2,需要配套,要求場(chǎng)地配備較大容量的電源和大型的水冷系統(tǒng),場(chǎng)地要求嚴(yán)格;

(2)設(shè)備配套設(shè)施多,設(shè)備投入大,耗電量大,運(yùn)行成本高;

(3)電渣焊自耗電極、助焊劑、保護(hù)劑成本較高;

(4)套管密封模具或結(jié)晶器的安裝制作工序多,操作復(fù)雜;

(5)熔鑄焊設(shè)備具有繁雜的電氣設(shè)施,易產(chǎn)生漏電事故,安全性不高。

2 重熔鑄造修復(fù)技術(shù)

為合理利用被切除的腐蝕鋼爪頭,四川阿壩鋁廠李遠(yuǎn)軍[10]采用中頻熔煉爐對(duì)切割下的鋼爪進(jìn)行重熔,通過(guò)復(fù)合重熔鑄造的方式對(duì)陽(yáng)極鋼爪進(jìn)行修復(fù),其過(guò)程示意圖如圖5所示。具體實(shí)施步驟為:① 在陽(yáng)極鋼爪切割端表面開(kāi)設(shè)槽孔,并對(duì)端面進(jìn)行倒角處理;② 準(zhǔn)備筒狀外消失模和階梯棒狀內(nèi)消失模,將內(nèi)消失模下端插入槽孔內(nèi),外消失模套設(shè)于陽(yáng)極鋼爪切割端上方,然后將裝配消失模的陽(yáng)極鋼爪放入沙箱中;③ 真空澆鑄,冷卻后在陽(yáng)極鋼爪切割端上方形成鋼爪外殼,內(nèi)模消失而在陽(yáng)極鋼爪切割端上方形成獨(dú)立棒狀結(jié)構(gòu)空間;④ 對(duì)棒狀結(jié)構(gòu)空間進(jìn)行復(fù)合澆鑄,完成陽(yáng)極鋼爪的最終修復(fù)。

圖5 復(fù)合重熔鑄造修復(fù)技術(shù)過(guò)程示意圖[10]

該技術(shù)通過(guò)設(shè)置擴(kuò)口結(jié)構(gòu)和增加復(fù)合澆鑄接合位點(diǎn),提高澆鑄材料與陽(yáng)極鋼爪切割端面、復(fù)合澆鑄層之間的結(jié)合強(qiáng)度。然而,該技術(shù)未對(duì)陽(yáng)極鋼爪切割面進(jìn)行去膜和活性處理,由于氧化膜的存在,僅采用重熔澆鑄難以實(shí)現(xiàn)澆鑄層與母材之間良好的冶金結(jié)合,其結(jié)合面的強(qiáng)度和界面壓降均不能達(dá)到理想狀態(tài)。

3 圓鋼置換修復(fù)技術(shù)

針對(duì)熔鑄焊、重熔鑄造修復(fù)存在的問(wèn)題,近年來(lái),鋁電解工程師提出了圓鋼置換陽(yáng)極鋼爪腐蝕段修復(fù)新技術(shù),其原理為將陽(yáng)極鋼爪腐蝕段切除,選用合適的圓鋼段代替鋼爪腐蝕段,并將所選圓鋼段與殘余鋼爪連接一起,完成陽(yáng)極鋼爪修復(fù)。張?zhí)烊A等[11]分析了Q235圓鋼代替陽(yáng)極鋼爪腐蝕段(ZG230-450鑄鋼)的可行性。結(jié)果表明,在給定的焊接條件下,采用Q235圓鋼進(jìn)行更換腐蝕陽(yáng)極鋼爪在性能、經(jīng)濟(jì)上是可行的,可以達(dá)到快速修復(fù)陽(yáng)極鋼爪,滿(mǎn)足電解生產(chǎn)周轉(zhuǎn)循環(huán)使用。圓鋼置換修復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)高導(dǎo)陽(yáng)極鋼爪高效低耗修復(fù)的關(guān)鍵在于圓鋼段與殘余鋼爪的連接方法,并成為研究熱點(diǎn)。

3.1 閃光對(duì)接焊

高偉等[12]利用閃光對(duì)焊原理,研發(fā)了用于陽(yáng)極鋼爪與鋼爪頭圓鋼棒焊接修復(fù)的碰焊機(jī),可實(shí)現(xiàn)直徑為130～180 mm陽(yáng)極鋼爪頭圓鋼棒的全截面焊接修復(fù),強(qiáng)度高,連接電阻值低,焊接修復(fù)時(shí)間短(平均燒化速度為0.8～1.5 mm/s,最快燒化速度5 mm/s),修復(fù)效率高,勞動(dòng)強(qiáng)度低,但焊接時(shí)整體對(duì)中定位難度大,操作工藝復(fù)雜,焊接成本高,且大直徑焊口處產(chǎn)生熔融鐵的偏流現(xiàn)象,造成焊接質(zhì)量差。

針對(duì)碰焊機(jī)的缺陷,該團(tuán)隊(duì)在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種陽(yáng)極鋼爪立式碰焊機(jī)[13],如圖6所示,該設(shè)備將2臺(tái)400～800 kVA的交流變壓器并聯(lián),或2～3臺(tái)300 ～650 kVA的硅整流直流變壓器并聯(lián),作為焊接變壓器,其焊接變壓器的兩個(gè)輸出導(dǎo)電極端頭分別和兩個(gè)導(dǎo)電焊接夾持卡具相連接,在進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí),一個(gè)導(dǎo)電焊接夾持工裝卡具與圓鋼棒連接,另一個(gè)導(dǎo)電焊接夾持工裝卡具與陽(yáng)極鋼爪連接,使兩個(gè)導(dǎo)電焊接夾持工裝卡具之間,通過(guò)陽(yáng)極鋼爪、圓鋼棒形成一個(gè)串聯(lián)焊接電路。同時(shí)在頂鍛裝置油缸的推力作用下,致使圓鋼棒與陽(yáng)極鋼爪接口處,產(chǎn)生閃光電阻焊接效應(yīng),實(shí)現(xiàn)圓鋼段與殘余陽(yáng)極鋼爪的焊接。盡管立式碰焊機(jī)可直接進(jìn)行移動(dòng)定位焊接,防止熔融金屬偏流,提高焊接組裝效率和焊接質(zhì)量,但該方法需要大功率直流的焊接電路系統(tǒng)及控制板,設(shè)備投資大,占用空間大,安全需要高,限制了該方法的推廣應(yīng)用。

圖6 陽(yáng)極鋼爪焊接修復(fù)立式碰焊機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖[13]

3.2 摩擦焊

王允臣等[14]提出了腐蝕陽(yáng)極鋼爪摩擦焊修復(fù)方法,開(kāi)發(fā)了陽(yáng)極鋼爪摩擦焊專(zhuān)用裝置,其俯視圖如圖7所示,包括主機(jī)、驅(qū)動(dòng)機(jī)、液壓站和控制臺(tái)。采用摩擦焊專(zhuān)用裝置替代人工電弧焊接鋼爪,無(wú)有害氣體排放與弧光閃爍,實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn);不需要添充料與氣體保護(hù),節(jié)約了成本;可完全焊透鋼爪斷面,生產(chǎn)效率提高4倍～6倍,節(jié)約電能60%～80%,解決了手工焊接鋼爪勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低,以及由不易焊透導(dǎo)致的強(qiáng)度低、壓降大等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

圖7 陽(yáng)極鋼爪摩擦焊修復(fù)專(zhuān)用裝置結(jié)構(gòu)示意圖[14]

3.3 窄間隙焊

劉云飛等[15]發(fā)明了一種腐蝕陽(yáng)極鋼爪半圓形面堆焊修復(fù)方法,其特征是:將燒損的鋼爪頭用氣焊割掉一段,從鋼爪頭的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度計(jì),割掉段的長(zhǎng)度大于燒損段的長(zhǎng)度;準(zhǔn)備一段與鋼爪頭等直徑的圓柱形鋼棒,將一片輔助連接片立焊在鋼爪頭切割面和圓柱形鋼棒之間,將二者連接起來(lái),并在圓柱形鋼棒和鋼爪頭斷面間形成兩個(gè)對(duì)等的半圓體堆焊補(bǔ)充空間;用堆焊法將堆焊補(bǔ)充空間用焊肉堆滿(mǎn),一邊的堆焊補(bǔ)充空間焊完后,將鋼爪翻面,采用同樣焊法將另一個(gè)堆焊補(bǔ)充空間焊接完畢,完成一個(gè)鋼爪的修復(fù)。對(duì)修復(fù)后鋼爪頭進(jìn)行切片檢查和壓降測(cè)試,結(jié)果表明,焊肉飽滿(mǎn)、連接牢固、內(nèi)部無(wú)任何裂紋,接頭壓降為0.2～0.3 mV,遠(yuǎn)低于圍焊法修復(fù)方法(0.7～0.8 mV)和熔鑄焊修復(fù)方法(0.4～0.6 mV)。

在手工輔助連接板電弧堆焊修復(fù)的基礎(chǔ)上,王星星等[16]開(kāi)發(fā)了用于陽(yáng)極鋼爪的擺弧窄間隙環(huán)形橫焊修復(fù)技術(shù),該技術(shù)采用圓鋼棒置換腐蝕鋼爪段的修復(fù)思路,具體實(shí)施步驟為:① 采用氣割將待修復(fù)的陽(yáng)極鋼爪的燒損段完全切除,并將切割面修成平面;② 根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸,制備端面為平面的圓鋼棒和長(zhǎng)度15～35 mm、直徑4～10 mm的輔助連接棒;③ 將陽(yáng)極鋼爪、輔助連接棒和圓鋼棒同軸定位焊,在陽(yáng)極鋼爪頭和圓鋼棒之間形成環(huán)形堆焊空間;④ 采用窄間隙單絲或雙絲擺弧焊或熔化極氣體保護(hù)焊(焊絲采用藥芯焊絲或?qū)嵭竞附z)將整個(gè)環(huán)形堆焊空間焊實(shí),完成陽(yáng)極鋼爪頭的焊接修復(fù)。對(duì)采用該方法修復(fù)后的陽(yáng)極鋼爪進(jìn)行破壞試驗(yàn)檢測(cè),發(fā)現(xiàn)接頭實(shí)現(xiàn)全截面冶金結(jié)合,無(wú)裂紋、夾雜及未熔合等缺陷;接頭壓降接近新鋼爪平均壓降,滿(mǎn)足使用要求。劉明等[17]提出陽(yáng)極鋼爪窄間隙自動(dòng)焊接方法,并發(fā)明了配套焊接裝置,該方法采用冷卻裝置代替焊接墊板,減少輔料和人工參與,采用截面自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù),實(shí)現(xiàn)全截面的焊接。

3.4 熔嘴電渣焊

為實(shí)現(xiàn)腐蝕陽(yáng)極鋼爪的高效修復(fù),杜全斌等[18]開(kāi)發(fā)了用于陽(yáng)極鋼爪的大熔敷電渣焊修復(fù)技術(shù),焊接系統(tǒng)裝配示意圖如圖8所示,實(shí)施方案為:① 切除陽(yáng)極鋼爪腐蝕段,加工制備圓鋼棒、起焊槽和引出板;② 將陽(yáng)極鋼爪和圓鋼棒同軸放置,調(diào)整鋼爪切割面與圓鋼棒端面間隙并固定,裝配起焊槽、引出板和水冷滑塊,形成電渣焊焊槽;③ 固定并調(diào)節(jié)熔嘴位置,使熔嘴處于起焊槽中心;④ 根據(jù)鋼爪頭和圓鋼棒的材質(zhì)及接頭形式,采用合適的助焊劑、造渣劑,設(shè)置合適的焊接工藝參數(shù)(送絲速度180～200 m/h,焊接電壓40～46 V,焊接速度0.6～0.8 m/h,渣池深度45～55 mm)進(jìn)行施焊;⑤ 施焊完畢后,切除引出板、起焊槽,打磨焊縫金屬使其與鋼爪頭和圓鋼棒平滑過(guò)渡,完成該陽(yáng)極鋼爪頭的修復(fù)。對(duì)電渣焊修復(fù)后的陽(yáng)極鋼爪頭進(jìn)行破壞試驗(yàn)檢測(cè)。結(jié)果表明,接頭全部實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合,無(wú)裂縫夾雜及未熔合等缺陷,槽上壓降測(cè)試結(jié)果為53 mV,基本接近陽(yáng)極鋼爪平均壓降50 mV的指標(biāo)。

圖8 電渣焊修復(fù)技術(shù)裝配結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 自釬預(yù)置釬焊/電弧堆焊復(fù)合修復(fù)技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極鋼爪的高效、高強(qiáng)、高導(dǎo)修復(fù),杜全斌、王星星等[19-20]提出了自釬預(yù)置釬焊/電弧堆焊復(fù)合修復(fù)技術(shù),并開(kāi)發(fā)了配套的釬焊修復(fù)裝置。該技術(shù)實(shí)施方案為:① 切除陽(yáng)極鋼爪腐蝕段,選取與陽(yáng)極鋼爪同直徑同材質(zhì)的圓鋼段,將待焊端面加工坡口,然后再依次進(jìn)行酸洗、堿洗和蒸餾水沖洗,吹干備用;② 將陽(yáng)極鋼爪切除端和圓鋼的待焊端面在細(xì)腰形感應(yīng)線(xiàn)圈中進(jìn)行對(duì)接接頭裝配,且鋪設(shè)去膜劑和熔化溫度徑向漸變復(fù)合釬料,裝配得到釬焊接頭裝配體;③ 對(duì)釬焊接頭裝配體未倒角的對(duì)接面進(jìn)行感應(yīng)加熱,使熔化溫度徑向漸變復(fù)合釬料在整個(gè)對(duì)接面上同時(shí)熔化,潤(rùn)濕填充未倒角對(duì)接面間隙,待完全潤(rùn)濕后停止感應(yīng)加熱,實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極鋼爪切除端和圓鋼的待焊端面未倒角對(duì)接面的釬焊連接;④ 打磨處理后的坡口,在釬焊接頭坡口上堆焊金屬層并打磨,使其與陽(yáng)極鋼爪和圓鋼平滑過(guò)渡。采用自釬預(yù)置釬焊/電弧堆焊復(fù)合修復(fù)技術(shù)修復(fù)后的陽(yáng)極鋼爪,其平均壓降與新陽(yáng)極鋼爪相比,僅相差0.04 mV,顯著降低了修復(fù)陽(yáng)極鋼爪的壓降、減少能耗。

4 原位自蔓延焊修復(fù)技術(shù)

張國(guó)棟等[21]開(kāi)發(fā)了用于陽(yáng)極鋼爪修復(fù)的原位自蔓延焊修復(fù)技術(shù)如圖9所示,其技術(shù)方案為:① 首先清除腐蝕陽(yáng)極鋼爪表面殘留石墨;② 根據(jù)陽(yáng)極鋼爪設(shè)計(jì)尺寸,及腐蝕陽(yáng)極鋼爪的腐蝕尺寸,設(shè)計(jì)制作石墨磨具;③ 將殘余鋼爪腿插入石墨模具中,石墨模具頂端面與鋼爪座底面緊密貼合,石墨模具與殘余鋼爪腿之間形成空腔;④ 制作自蔓延石墨坩堝,石墨坩堝底部有通孔,通孔通過(guò)澆鑄管與石墨模具與殘余鋼爪腿之間的空腔連接;⑤ 根據(jù)鋼爪腿損壞程度計(jì)算澆鑄鋼水的量,然后確定自蔓延焊劑用量;⑥ 在石墨坩堝底部通孔上放置金屬片擋片,然后將自蔓延焊劑(主要包括Al粉、Fe2O3粉、CaF2粉)放入石墨坩堝內(nèi),采用鎂條引燃焊劑,焊劑燃燒發(fā)生自蔓延放熱反應(yīng),將高溫熔融的鋼水澆鑄到空腔內(nèi),熔焊池內(nèi)的鋼水冷卻后,在殘余鋼爪腿的表面凝固結(jié)晶,使得殘余鋼爪腿恢復(fù)到原來(lái)的尺寸。采用原位自蔓延焊接修復(fù)技術(shù)克服了熔焊修復(fù)殘余應(yīng)力大、局部受熱嚴(yán)重等缺點(diǎn),修復(fù)質(zhì)量好;在殘余鋼爪腿外部加厚一層,避免了割掉整個(gè)鋼爪腿,節(jié)省材料,降低成本。

圖9 原位自蔓延焊修復(fù)裝配結(jié)構(gòu)示意圖

王會(huì)智[22]發(fā)明了一種陽(yáng)極鋼爪焊接用焊藥,焊藥主要由35%～42%的鋁粉、25%～35%的鎂粉、10%～15%的氧化銅、8%～10%的鈦粉和7%～14%的鐵粉,以及鋁粉重量0.1%～0.3%的銀粉組成。采用該焊藥焊接陽(yáng)極鋼爪,焊接時(shí),在鋼爪連接桿和鋼爪腿之間設(shè)置U型金屬套,然后在U型金屬套的縫隙中填充焊藥并引燃,利用焊藥產(chǎn)生的高溫將鋼爪連接桿、U型金屬套和鋼爪腿焊接起來(lái)。

5 電弧增材修復(fù)技術(shù)

借助電弧堆焊和逆向建模技術(shù),杜全斌等[23]開(kāi)發(fā)了陽(yáng)極鋼爪電弧增材修復(fù)技術(shù),實(shí)施步驟為:① 將待修復(fù)的陽(yáng)極鋼爪頭燒損段噴砂處理,清除燒損段表面污銹、鋁渣和殘留石墨,然后角磨機(jī)打磨燒損段使其表面呈金屬光澤,采用酒精擦洗,吹干備用;② 借助逆向工程軟件Imageware,逆向建立待電弧增材空間模型;③ 將待增材制造模型分割成填充模型和蓋面模型;④ 采用3D打印設(shè)備自帶切片軟件對(duì)填充模型和蓋面模型進(jìn)行切片,填充模型的切片厚度為4 mm,蓋面模型的切片厚度為3 mm;⑤ 采用屈服強(qiáng)度為300 MPa的低合金鋼焊絲增材修復(fù)填充模型,采用鎳鉻焊絲增材修復(fù)蓋面模型;⑥ 修復(fù)完畢后,打磨增材修復(fù)蓋面層使其與鋼爪無(wú)燒損部位平滑過(guò)渡,完成該陽(yáng)極鋼爪頭的修復(fù)。

6 修復(fù)技術(shù)綜合對(duì)比分析

上述文獻(xiàn)分析表明,為解決手工電弧圍焊修復(fù)鋼爪存在強(qiáng)度低、壓降大、效率低的問(wèn)題,鋁電解工程師先后開(kāi)發(fā)了電渣熔鑄焊修復(fù)、重熔鑄造修復(fù)、圓鋼置換修復(fù)、原位自蔓延焊修復(fù)和電弧增材修復(fù)五大類(lèi)陽(yáng)極鋼爪修復(fù)新技術(shù),均能實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極鋼爪的全截面修復(fù)。但部分修復(fù)技術(shù)修復(fù)鋼爪性能指標(biāo)文獻(xiàn)中未提供,且部分文獻(xiàn)中已提供的修復(fù)鋼爪壓降值所采用測(cè)試方法不統(tǒng)一,為橫向?qū)Ρ雀鞣N方法修復(fù)鋼爪壓降性能,本文測(cè)試了大電流發(fā)生器下修復(fù)鋼爪等距壓降(測(cè)試溫度420℃,測(cè)點(diǎn)間距100 mm,檢測(cè)電流3.2 kA)。結(jié)合上述文獻(xiàn)對(duì)修復(fù)設(shè)備綜述,將各種修復(fù)方法在技術(shù)指標(biāo)、投資成本、經(jīng)濟(jì)效益等方面情況匯總?cè)绫?所示。

表1 陽(yáng)極鋼爪修復(fù)方法的技術(shù)指標(biāo)、投資成本和經(jīng)濟(jì)效益

7 結(jié) 論

(1)電渣熔鑄焊修復(fù)技術(shù)、重熔鑄造修復(fù)技術(shù)效率高,但設(shè)備大、投入大、運(yùn)行成本高;電氣設(shè)施繁雜,安全性差;配套設(shè)施多,場(chǎng)地要求嚴(yán)格。因此,該方法適合大批量修復(fù),對(duì)中小企業(yè)難以推廣應(yīng)用。

(2)圓鋼置換修復(fù)方法的關(guān)鍵在于圓鋼棒與殘余鋼爪的連接方法,主要有閃光對(duì)接焊、摩擦焊、電渣焊、窄間隙焊和預(yù)置釬焊/電弧堆焊復(fù)合修復(fù)技術(shù)。其中,閃光對(duì)接焊、摩擦焊修復(fù)效率高,但需要大功率設(shè)備,場(chǎng)地占用面積大,一次性投入成本高,限制其推廣應(yīng)用;電渣焊熱輸入大,修復(fù)效率高,但焊縫組織粗大,焊接應(yīng)力大,易焊接變形,且電源功率大,助焊劑價(jià)格高,影響其推廣應(yīng)用;窄間隙焊有利于自動(dòng)化,接頭質(zhì)量高,綜合經(jīng)濟(jì)效益較好;預(yù)置釬焊/電弧堆焊復(fù)合修復(fù)技術(shù)焊接效率高,接頭導(dǎo)電性較好。

(3)原位自蔓延焊修復(fù)技術(shù)效率高,操作簡(jiǎn)單,但修復(fù)結(jié)合區(qū)易出現(xiàn)縮松、縮孔、夾渣、氣孔等缺陷,亟需開(kāi)發(fā)適宜的自蔓延焊劑。

(4)電弧增材修復(fù)技術(shù)自動(dòng)化程度高,修復(fù)效率高,接頭強(qiáng)度大、電阻率低,綜合修復(fù)成本低。