铝电解槽内自动切割技术研究与实践

昌振利

（新疆众和股份有限公司，乌鲁木齐 830013）

随着我国工业制造的不断发展，铝因其独特的物理和化学性质被大量的应用在各工业制造产品中，如新能源、房地产、包装、电力电子、交通运输等制造业领域。据统计[1]2020年我国消费了约3700余万吨以上原铝，从消费结构来看，房地产、交通运输、电力电子分别占比28%、23%、17%左右。随着科学技术的不断发展，自动化技术已经被广泛应用于我国各行各业的生产中，为各个行业的生产经营活动及发展带来了极大的便利。

就以铝电解槽大修施工为例，特别刨槽施工过程中，机械自动化技术和设备的应用极大地解放了人力，对于一些施工作业环境较差、人员劳动强度大、重复性强的工作，完全可以利用自动化机械取代或辅助施工人员作业。当前,国内的铝电解技术其总体效果已经达到国际化水准,可是中国在电解槽施工技术方面,同国际先进水平比较,还存在较大的差距。

随着现代自动化技术的不断发展，铝电解施工技术向更加节能高效、绿色环保、长寿命、智能化、自动化等多方向发展，开发应用更先进的铝电解槽施工技术，这对于推动中国电解铝工业技术发展与升级，提升中国铝工业技术水平与发展现代化绿色铝工业具有较大意义。本篇文章是基于铝电解槽施工过程中阴极方钢切割技术提升方面的实践研究，目的是提升施工技术水平与改善施工质量。

1 阴极方钢

预焙电解槽是金属铝电解生产的重要设备。铝电解生产是在950℃左右的熔融电解质中进行的，内衬材料承受着高温、化学侵蚀、熔盐的冲刷、磨损[2]。由于电解槽筑炉材料、筑炉工艺、日常生产管理等因素[3]造成铝电解槽运行周期一般为三至五年，即进入大修期，需要对电解槽内衬及时更换和大修[4]。阴极方钢切割是电解槽大修施工中的必要工序之一，而切割面平整程度直接关系到后续焊接施工及质量。电解槽大修质量直接关系到电解槽的寿命，进而影响到大修周期，与企业经济效益息息相关[5]。

根据槽型的不同，每种系列的电解槽内阴极方钢规格及数量均有所不同。每台电解槽内部有96根或104根钢棒均匀排列在铝电解槽内部。阴极方钢将阴极炭块和阴极母线通过焊接连成整体，并起到疏通电流的作用。

预焙电解槽内阴极方钢切割是钢棒焊接的前道工序，电解槽大修时需要对阴极炭块及电解槽内阴极方钢等内衬材料进行更换，因此大修时需要根据电解槽大修施工工艺要求将阴极方钢从与槽周母线连接处固定位置切断，然后将阴极炭块吊出，更换新的阴极炭块后将新炭块上阴极方钢与切割后留下的阴极方钢端面进行全截面焊接，因此阴极方钢端面切割质量是影响焊接质量最为重要的影响因素。

2 传统切割技术

2.1 切割方法

在铝电解槽大修施工过程中，一般需要将原有内衬一一刨除。阴极方钢切割是大修施工中一道重要工序，一般开展此工序前，都需要刨除其上顶面、侧面及下底面坚硬的渣料与浇注料，阴极方钢掏空到距其下表面至少5cm，在靠近槽壳长侧面形成两道较深的沟槽，以便于操作者施工。一般对于作业者而言，其所处的工况环境里阴极方钢切割位置狭小，钢棒截面大，切割时难度较大。现有的切割方式中，主要采用人工气割方式对阴极方钢进行切割，通过人工连接氧气及乙炔至手工割枪，在阴极方钢切割位置进行画线，人工手持割枪在画线位置进行预热，切割时人工上下移动割枪直至阴极方钢全部切割完毕。

2.2 切割方式存在在的问题

2.2.1 切割质量差

由于作业空间及施工作业环境条件的限制，操作者需要手持割枪半蹲在沟槽中，每台电解槽切割数量之多，对工人的耐力与体力考验非常大。人工气割作业无法保证切割时的垂直度及水平度，切割时容易出现抖动等情况，因此整体切割质量较差，切割端面参差不齐（见图2），切割完成后大修更换钢棒时再进行阴极方钢焊接易造成焊接质量差、未焊合等焊缝质量缺陷。

图1 阴极方钢

图2 人工气割阴极方钢

2.2.2 切割过量，影响工期

人工气割后容易造成切割过量、歪斜等现象，焊接时部分切割钢棒尺寸不足，无法达到焊接工艺要求焊缝宽度，焊接前都需要人工进行二次处理，用氧气割枪将原有切割处切割平整并达到工艺要求焊缝宽度。然而二次处理即耗费时间又耗费人力物力，二次处理造成整体切割效率较既慢又差，严重影响工期。

2.2.3 影响焊接作业

人工气割后进行焊接时部分钢棒切割尺寸过大，过大的焊缝尺寸需要更多的焊材填充，一方面造成原有钢棒材料的浪费，焊材的使用量增加，非常不利于资源的节约，另一方面焊缝宽度的增加也需要适当改变焊接参数以适应多变的焊缝宽度。焊接时焊接工作量增大并影响焊接质量，增加焊材使用量、焊接成本和焊接施工时间。

3 自动切割技术

3.1 设计必要性

随着工业自动化、信息化技术的不断发展,传统制造业受到严重的冲击，铝电解槽施工作业亦如此。从目前的铝电解槽内阴极方钢切割作业来看，人工气割作业存在费时、费工以及切割面歪斜、精度不够准确的弊端。为了解决电解槽大修过程中阴极方钢切割过程中采用人工气割切割质量差、切割效率低、自动化水平低及人员劳动强度大、切割质量差，同时造成阴极方钢焊接工作量增大且成本升高等问题，引入自动化火焰切割技术。自动化火焰切割技术是利用自控技术控制切割设备系统的步进电机驱动器和气动控制，通过设置步进电机的控制参数和运动规划路径，以满足切割对象的自动化需求。因而借助自控技术手段提升阴极方钢切割质量及效率，代替人手工切割，同时降低后续焊接工序成本。

3.2 设计原理及过程

本设计思路主要是取代人工手持割枪切割，规避人为因素造成的技术缺陷问题及对下一道焊接工序影响。结合现有研究对象所处工况及施工条件的局限性，自动阴极方钢切割设备设计采用两大系统构成，包括切割系统和电器控制系统，并配套相关必要组成部件，如切割小车、升降体、轨道、滚轮等。

图3 自动切割设计

阴极方钢自动切割小车由切割控制部分及切割执行部分组成，切割控制部分通过电器元件控制切割装置实现设备开关、点火、自动切割、自动小车移位、自动切割调速等功能，切割执行部分由升降体及割枪、轨道组成，升降体自动进行升降，配合割枪实现阴极方钢的自动切割，轨道实现切割装置的快速移位。移动小车内置减速箱、电器盒，通过永磁直流电机驱动，经过两级蜗轮蜗杆减速后，通过离合器带动滚轮在导轨上行走。面板上设有指示灯、顺逆开关、速度调节旋钮、离合器手柄等。电控系统通过控制晶闸管导通角的方法，实现电动机的无极调速。通过转动电位器带刻度的电位器旋钮，就可实现切割速度在设定范围值内的调节。

切割系统由割炬、割嘴、气管、分配器、横向移动装置、竖向移动装置、夹持器等部分组成。通过齿轮与齿条的船东方式，实现割炬在上下左右方向的位置调整，以适应不同切割现场的需要。通过操纵装置按钮进行自动切割，切割时调整割枪位置至阴极方钢顶部，预热后按下自动切割下降按钮，根据阴极方钢厚度调节合适速度后进行自动切割，切割完成后关闭高压氧，割枪返回，设备通过滑轨移至下一钢棒处继续进行下一个阴极方钢的切割。

3.3 实践效果

在某铝企400KA系列和500KA系列铝电解槽内采用上述设计小车进行多台槽阴极方钢切割作业。以135#铝电解槽为例，切割过程中仅需操作者1名，只需要操纵按钮即可完成阴极方钢切割作业，规避了人工手持割枪长时间操作带来的不适与切割质量问题，一方面大大减轻了工人的劳动强度及不适感，另一方面有效改善了切割质量,从图中可以看出切割端面比较平整（见图4）。

图4 现场应用及效果

自动切割技术可解决电解槽内阴极方钢切割困难、切割端面不平整及切割效率低等问题，不仅适用于普通工况，也适用于特殊恶劣工况作业（如强磁场环境）。能有效改善铝电解槽内阴极方钢切割耗用时间长、耗费人力和切割精度差等技术缺陷，确保槽内阴极方钢的切割质量和效率，这对于提高规模化施工作业、质量与精度具有积极的促进作用。

实践证明:引入自动化技术可以提升电解槽大修阴极方钢切割质量、切割效率及切割自动化水平，同时可以降低后续阴极方钢焊接工序施工成本。自动化切割技术及小车不仅能满足各种不同规格尺寸的钢棒切割需求，大大提高了加工工件的精度与效率，规避人工手持气割作业不当而产生的切割误差或质量问题。此外，自动切割小车可选择不同的操作模式，如手动控制与自动控制，可进行灵活切换。但是在这个施工过程前需要提前做足准备，对于操作人员要进行自动化小车相关的技术操作培训，让相关的操作工人熟练地掌握各种操作指令及操作按钮的功能，能够有效地使用切割小车进行自动化的施工作业。

另外，广泛采用机械自动化切割技术，可以很好地降低工人的劳动强度，特别是在一些施工作业环境比较苛刻、人员劳动强度大、重复性强的作业，可以采用机械自动化切割技术，通过相应的电气控制手段，让自动化切割小车及其相关部件按照相关的指令去进行相应的操作活动，以此促进阴极方钢切割作业的完成。这极大地减轻了工人的劳动强度，而且自动化切割小车其施工效率是施工人员所不能达到的，施工人员由于耐受性、体力及生理状况原因等在施工过程中的效率远远不如切割小车的施工效率高，所以在电解槽阴极方钢切割施工过程中，采用机械自动化技术的作用是十分明显的。

4 总结

综上所述，机械自动化技术在电解槽施工过程中被广泛应用是一种发展趋势，在电解槽刨槽大修过程中，广泛运用自动化技术，可以很好地减少企业的人力资源成本、作业强度以及保证施工的质量。尽管电解槽内工况具有特殊性，作业空间极为狭小，且施工质量要求严格、难度较大，阴极方钢的切割质量不能满足要求时，将影响下一步的焊接质量及效率，影响流经阴极方钢棒的电流强度，从而引起电解槽的电流分布不均造成易破损、使用寿命短等。但随着我国工业领域的蓬勃发展以及铝行业向智能制造方向的迈进，以往的施工技术手段已经逐渐跟不上时代的发展，传统的手持式气割方式不再适应整体施工技术的发展趋势，自动化技术及设备的引入可替代传统的手持气割作业方式。因而，一种便捷的操作方法用以改善人工作业、提升切割质量与效率显得尤为重要，而引入自动化切割技术对提升阴极方钢切割作业有着重要意义。但是在采用机械自动化技术进行电解槽切割与焊接施工的过程中，仍然要建立一些比较完善的管理体制和机制来充分保证地质施工的质量。