一種450KA預(yù)焙陽極電解槽配套鋁母線制作安裝創(chuàng)新施工方法研究

李新明

（八冶建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 金昌 737100）

0 引言

電解鋁工業(yè)是電力密集型產(chǎn)業(yè)，也是高耗能產(chǎn)業(yè)。為降低單位電解鋁生產(chǎn)能耗，國內(nèi)各大鋁廠的規(guī)模均趨向大型化、規(guī)模化發(fā)展。其用于生產(chǎn)的核心設(shè)備預(yù)焙陽極電解槽的槽型也向大型化發(fā)展，設(shè)計(jì)型號(hào)由較早的170KA、220KA、300KA、400KA 等發(fā)展至450KA，其配套的鋁母線規(guī)模也相應(yīng)發(fā)展至450KA。

通過對(duì)已建成投產(chǎn)的鋁電解項(xiàng)目的運(yùn)行情況分析，鋁母線制作安裝的施工質(zhì)量對(duì)項(xiàng)目的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)有很大的影響，而施工方法是保證施工質(zhì)量達(dá)標(biāo)的重要因素，先進(jìn)的施工方法更是能夠提升施工質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。本文旨在提供一種相對(duì)于傳統(tǒng)工藝更先進(jìn)的創(chuàng)新施工方法，以期解決具體的施工難點(diǎn)。

1 項(xiàng)目背景

甘肅東興鋁業(yè)有限公司酒嘉風(fēng)電基地高載能特色鋁合金節(jié)能技改一期一系列45 萬噸電解鋁工程，包含336 臺(tái)450KA 預(yù)焙陽極電解槽，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了世界一流水平。

經(jīng)過在青銅峽鋁廠三期13 萬噸電解鋁工程、蘭州鋁廠10 萬噸電解鋁工程、青海鑫業(yè)黃河水電鋁型材聯(lián)營項(xiàng)目50 萬噸（分一、二期）電解鋁工程、蘭州鋁業(yè)大型預(yù)焙槽電解鋁技術(shù)改造工程施工基礎(chǔ)上總結(jié)研究的經(jīng)驗(yàn)和方法，在甘肅東興鋁業(yè)有限公司酒嘉風(fēng)電基地高載能特色鋁合金節(jié)能技改一期一系列45 萬噸電解鋁工程施工中，進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新實(shí)踐，自主研發(fā)專用鉆床、剪切機(jī)和專用胎具并應(yīng)用，研究形成了一種450KA 預(yù)焙陽極電解槽配套鋁母線制作安裝創(chuàng)新施工方法。

2 施工難點(diǎn)

2.1 傳統(tǒng)施工方法對(duì)控制鋁母線加工精度、焊接質(zhì)量受操作人員的人為因素影響較大，加工過程機(jī)械化程度不高，不能嚴(yán)格保證施工質(zhì)量符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 本工程項(xiàng)目及類似的工程中鋁母線的規(guī)格種類多、數(shù)量多，加工程序多，質(zhì)量要求嚴(yán)，施工工期緊，不易采用流水線作業(yè)批量生產(chǎn)，工程施工效率較低。

3 施工方法

3.1 三維實(shí)體演示

采用三維繪圖軟件Solidworks、AutoCAD 對(duì)450KA預(yù)培陽極電解槽配套鋁母線制作三維立體圖，逐一驗(yàn)證母線部件設(shè)計(jì)尺寸及組裝的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)專業(yè)技術(shù)人員的空間認(rèn)識(shí)感，避免了以往出現(xiàn)的技術(shù)準(zhǔn)備死角、大量重復(fù)使用圖紙等現(xiàn)象的發(fā)生。電解槽配套鋁母線三維實(shí)體演示示意圖如圖1。

3.2 鋁母線加工

3.2.1 鑄鋁母線的加工

1）鑄鋁母線在加工前必須進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查和幾何尺寸測量，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《鋁母線焊接工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50586-2010）的要求進(jìn)行逐項(xiàng)檢查，其結(jié)果必須符合設(shè)計(jì)圖紙技術(shù)要求的規(guī)定，檢查合格方可進(jìn)行加工操作。

2）加工工藝流程

外觀質(zhì)量檢查→幾何尺寸測量→檢查結(jié)果合格→放樣劃線→鋸切加工→銑鋸切面→孔加工→清除毛刺和污染物→刮研加工面→構(gòu)件編號(hào)→分類存放。

3）按圖紙的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鑄鋁母線構(gòu)件的幾何尺寸加工，保證各類加工面的表面質(zhì)量合格，并做好質(zhì)量檢查記錄。

圖1 電解槽配套鋁母線系統(tǒng)配置三維立體裝配圖

4）按圖紙的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鉆孔，保證成型孔加工質(zhì)量合格。

5）加工成型的鑄鋁母線構(gòu)件應(yīng)采取防護(hù)措施。存放地點(diǎn)應(yīng)平整、封閉，存放環(huán)境盡量保證干燥，堆放應(yīng)安全、不易倒塌，加工面應(yīng)采用柔軟、防水防潮的材料包裹，不得使加工面受到損傷。母線吊裝采用吊裝帶進(jìn)行。

6）母線加工后按規(guī)格進(jìn)行編號(hào)，分組保管，便于安裝時(shí)領(lǐng)用。

3.2.2 鋁軟帶制作

1）加工工藝流程

原材料外觀質(zhì)量檢查→軟帶幾何尺寸測量→放樣劃線→剪板機(jī)加工→清除剪切毛刺和污垢→單件整體平整→整束壓制成型→整束軟帶封焊→整束軟標(biāo)識(shí)→分類存放。

2）為保證軟帶束的幾何尺寸精準(zhǔn)，特別是保證整束軟帶的弧度成型精確，可自行設(shè)計(jì)制作軟帶成型胎具，圖2為自制的適用于本工程軟帶束加工參數(shù)的一種胎具形式。也可以設(shè)計(jì)為單片軟帶成形胎具形式。

圖2 鋁軟帶制作胎具示意圖

3）使用我單位自主研制的自動(dòng)送料式鋁軟帶自動(dòng)剪切機(jī)進(jìn)行軟帶的剪切加工，剪切后的單片軟帶用軟性木質(zhì)的木錘敲擊平整，平整后進(jìn)行整束成型和固定封焊。若固定封焊后的軟帶束存在端部不齊整、焊接坡口不符合要求，可用電刨等機(jī)械工具進(jìn)行修整至合格，但嚴(yán)禁使用氧-乙炔火焰切割等熱加工方法進(jìn)行修整。

4）鋁軟帶束制作成型后，按不同規(guī)格分類存放，并標(biāo)識(shí)清楚。

3.2.3 連接硬鋁板制作

1）連接鑄鋁母線用的硬鋁板數(shù)量大且規(guī)格不一，在制作前應(yīng)統(tǒng)計(jì)統(tǒng)籌，編制制作清單，進(jìn)行批量加工，以保證施工效率，節(jié)約原材料。

2）連接硬鋁板制作工藝流程：

原材料外觀檢查→鋁板幾何尺寸復(fù)測→整體平整→放樣劃線→剪板機(jī)加工→單片硬鋁板平整→標(biāo)識(shí)→分類存放。

3）加工成型的硬鋁板幾何尺寸必須在設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定的允許偏差的范圍內(nèi)，剪切后單片硬鋁板若受剪板機(jī)擠壓發(fā)生變形時(shí)，必須進(jìn)行平整。其平整、標(biāo)識(shí)、存放要求與鑄鋁母線和鋁軟帶的相應(yīng)要求相同。

3.2.4 壓接器安裝

壓接器是連接陰極鋼棒和陰極軟帶的銅鋁過渡板，壓接器和陰極鋼棒連接時(shí)，處理好壓接面，接觸面達(dá)到90%以上，進(jìn)行二次緊固。

3.2.5 鑄鋁母線加工面刮研

1）本工程中的立柱母線、短路母線及短路塊母線在銑面后需要進(jìn)行刮研處理。

2）刮研工藝流程：粗刮→精刮→安裝前處理。

3）工具及材料：標(biāo)準(zhǔn)鑄鐵平臺(tái)、三角刮刀、牛耳刮刀、平面刮刀和檢測塞尺、紅丹顯示劑（或其它種類的顯示劑均可）等。

4）粗刮

A、清除銑面產(chǎn)生的卷邊和毛刺；

B、涂抹紅丹顯示劑溶液；

C、利用標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)初步找點(diǎn)；

D、用刮刀破開加工面上的凸點(diǎn)；

E、反復(fù)操作，直至研磨面質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定。

5）精刮

A、涂抹紅丹顯示劑；

B、用標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)找點(diǎn)；

C、用刮刀破點(diǎn)刮削；

D、反復(fù)操作，直至研磨面質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定。

6）刮研后的研磨面必須做好保護(hù)，不得被氧化，避免灰塵和雜質(zhì)污染。

3.3 鋁母線安裝

3.3.1 現(xiàn)場應(yīng)具備的條件

1）為保證母線布置、安裝的準(zhǔn)確性，在電解槽基礎(chǔ)檢查驗(yàn)收的同時(shí)，對(duì)母線基礎(chǔ)的平面位置及頂面標(biāo)高進(jìn)行一次系統(tǒng)測量，并填寫測量記錄表，作為安裝調(diào)整的依據(jù)。

2）對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行一次徹底的清掃，清除一切妨礙安裝作業(yè)的雜物和垃圾。

3.3.2 母線安裝

1）母線的預(yù)制

A、根據(jù)陰極母線的最大幾何尺寸，制作陰極母線加工平臺(tái)。母線的安裝采用在胎具預(yù)制的方法，能使整個(gè)陰極母線的制作角度一致[4]。在平臺(tái)上用胎具組對(duì)母線與通常的槽上組對(duì)相比，能節(jié)省大量的材料和人工，提高了工效，使整個(gè)陰極母線的組裝尺寸能得到滿足，同時(shí)有利于控制焊接變形[1]。

B、根據(jù)槽底母線和其相連母線的幾何尺寸、標(biāo)高差制作合適的胎具[2]。胎具固定卡具的幾何尺寸應(yīng)大于母線的幾何尺寸，便于母線的組對(duì)且有利于控制母線的焊接變形[1]。

C、預(yù)制母線的焊接應(yīng)先用封板確定母線的組對(duì)尺寸，確認(rèn)無誤并用頂絲和楔子固定后再進(jìn)行施焊。

D、預(yù)制步驟

先在平臺(tái)上制作胎具[1]，[2]，胎具的大樣按1：1 的比列與圖紙相一致；放出焊片大樣，并做一塊標(biāo)準(zhǔn)樣板；將加工好的母線放置在胎具上，用標(biāo)準(zhǔn)樣板將它們之間的組裝尺寸、角度找正。并對(duì)母線的直線度、垂直度用水平、直尺等工具按規(guī)范要求校驗(yàn)；確認(rèn)無誤后用頂絲和楔子固定；焊接時(shí)，應(yīng)從下往上依次焊接，同一道焊縫必須一次焊接完畢。為減小焊接變形，采用相鄰兩層焊片的焊縫焊接方向相反的焊接方式進(jìn)行施焊，可避免和減少變形的累加，有效保障鋁母線成型構(gòu)件的幾何尺寸[1]，[3]。

2）鋁母線安裝

鋁母線安裝流程應(yīng)配合電解槽殼和槽殼砌筑進(jìn)行。安裝應(yīng)以電解槽縱橫中心線和標(biāo)高為基礎(chǔ)。電解車間平臺(tái)施工時(shí)，必須在平臺(tái)上預(yù)留母線吊裝孔，以便于過道、端頭母線的吊裝。

安裝前按照設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行鋁母線基礎(chǔ)復(fù)測驗(yàn)收，基礎(chǔ)的質(zhì)量和尺寸必須合格。鋁母線安裝工藝流程見圖3。

圖3 母線安裝工藝流程圖

3.3.3 母線安裝技術(shù)要求

1）母線壓接面螺栓聯(lián)接處必須清理干凈，可用丙酮清洗加工面[4]，兩根母線接觸面面積應(yīng)符合工程驗(yàn)收規(guī)定。

2）單臺(tái)母線對(duì)支承點(diǎn)間的絕緣電阻應(yīng)大于1MΩ，隔離母線間應(yīng)大于5MΩ，全系列母線對(duì)地絕緣電阻應(yīng)大于0.5MΩ。為保證絕緣電阻達(dá)到技術(shù)要求，采取以下措施：

A、所有絕緣材料質(zhì)量應(yīng)符合設(shè)計(jì)和國家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，且應(yīng)注意檢驗(yàn)和保存，不得變形、破損、曝曬或潮濕。

B、短路口母線應(yīng)注意加工和組對(duì)精度，以保證螺栓孔的同心度和與表面的垂直度，防止絕緣套管在螺栓緊固時(shí)開裂[4]。

C、高分子絕緣材料要輕拿輕放，防止強(qiáng)烈彎曲和沖擊。

D、用絕緣電阻測試儀對(duì)施工部位進(jìn)行跟蹤檢查，合格后方可轉(zhuǎn)入下道工序。

3.4 鋁母線焊接

3.4.1 焊接材料要求

1）本工程中使用的焊接材料有純鋁焊絲、氬氣、鎢極。

2）純鋁焊絲質(zhì)量必須合格，應(yīng)有制造質(zhì)量證明書、合格證，其化學(xué)成分、機(jī)械性能和焊絲直徑偏差必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定。使用前應(yīng)進(jìn)行焊絲質(zhì)量復(fù)檢。

3）氬氣的純度和含水率等質(zhì)量要求應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定。

4）鎢極應(yīng)選適用規(guī)格型號(hào)，鎢極端頭加工的形狀和尺寸應(yīng)符合焊機(jī)操作要求。

3.4.2 焊接前，將鋁母線的焊接面、鋁焊絲表面的油、水、氧化膜、污染物等必須除去。

3.4.3 鑄鋁母線預(yù)制焊接時(shí)應(yīng)在專用胎具上進(jìn)行，減小焊接變形[1]。

3.4.4 焊接坡口

1）鋁母線的焊接坡口是指在鋁軟帶束和連接硬鋁板上加工的坡口。坡口加工應(yīng)采用機(jī)械方法，加工后清除毛刺、卷邊，坡口面無裂紋、夾渣、分層和氣孔等缺陷[4]。

2）焊接坡口的加工質(zhì)量必須符合設(shè)計(jì)圖紙技術(shù)要求。

3）露天進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，禁止在雨雪霜天氣、風(fēng)速超過規(guī)定、相對(duì)濕度大于90%、環(huán)境溫度低于5℃的情況下施工。

4）連接接頭形式如圖4所示。

圖4 鑄造鋁母線連接接頭形式示意圖

3.4.5 焊接要求

1）焊接前通過焊接工藝評(píng)定確定焊接參數(shù)和工藝，可先進(jìn)行試焊，合格后再正式焊接；在焊接過程中根據(jù)焊接質(zhì)量情況可適當(dāng)調(diào)整焊接工藝。

2）同一條焊縫必須一次性連續(xù)完成焊接，但較長的焊縫應(yīng)進(jìn)行分段焊接[1]。

3）分層焊接時(shí)，每層焊完后再焊上一層，相鄰層焊接方向相反，最后再焊兩端，封頭[4]。

3.4.6 焊接質(zhì)量

焊縫質(zhì)量必須符合標(biāo)準(zhǔn)《鋁母線焊接工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50586-2010）和設(shè)計(jì)圖紙技術(shù)要求的合格規(guī)定，并做好質(zhì)量檢查記錄；及時(shí)向工程管理各相關(guān)單位進(jìn)行報(bào)驗(yàn)。

3.5 實(shí)用新型專利的研發(fā)與應(yīng)用

3.5.1 鋁母線加工專用立式銑床（專利號(hào)：ZL201120476157.3）

使用自主研制的升降式立柱母線45°夾板面加工專用母線銑床進(jìn)行鑄鋁母線加工，保證鑄鋁母線加工面的加工質(zhì)量，有效提高了母線接觸面。結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

3.5.2 鋁母線加工專用立式圓鋸床（專利號(hào)：ZL201120476116.4）

使用自主研制的變頻調(diào)速圓鋸床進(jìn)行鑄鋁母線鋸削加工，此圓鋸床包括床身和電氣系統(tǒng)，床身上平行安裝有絲杠和兩個(gè)導(dǎo)軌副，兩個(gè)導(dǎo)軌副上安裝有工作臺(tái)，絲杠與進(jìn)給動(dòng)力機(jī)構(gòu)相連接，絲杠驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)沿導(dǎo)軌副的軸線方向往復(fù)移動(dòng)，工作臺(tái)上安裝有主軸電機(jī)和主軸，主軸電機(jī)通過動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與主軸的一端相連接，進(jìn)給動(dòng)力機(jī)構(gòu)和主軸電機(jī)分別與電氣系統(tǒng)電連接。該圓鋸床主要進(jìn)行母線45°夾板面的鋸切，采用自動(dòng)控制，可進(jìn)行變頻調(diào)速，操作方便；冷卻水可循環(huán)使用，既經(jīng)濟(jì)又節(jié)能，大大提高了加工效率，有效保證了母線鋸削加工質(zhì)量。結(jié)構(gòu)示意圖如6所示。

圖5 鋁母線加工專用立式銑床結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 鋁母線加工專用立式圓鋸床結(jié)構(gòu)示意圖

3.5.3 鋁電解槽陽極母線專用四孔鉆床（專利號(hào)：ZL201120476191.0）

結(jié)構(gòu)示意圖如7所示。

3.5.4 鋁電解槽短路口母線鉆孔專用五孔鉆床（專利號(hào)：ZL201120476285.8）201120476266.5

結(jié)構(gòu)示意圖如8所示。

3.5.5 鋁電解槽短路口母線鉆孔專用六孔鉆床（專利號(hào)：ZL201120476297.0）

結(jié)構(gòu)示意圖如9所示。

使用自主研制的四孔、五孔、六孔鉆床分別進(jìn)行陽極母線、短路口母線、立柱母線鉆孔。多孔鉆床框架上安裝有可沿框架上下往復(fù)移動(dòng)的齒輪箱，齒輪箱上安裝有多根鉆桿軸，該框架上還安裝有減速器，減速器位于齒輪箱的上方，減速器驅(qū)動(dòng)豎直設(shè)置的絲桿上下往復(fù)移動(dòng)，絲桿的下端與齒輪箱相連接。經(jīng)多孔鉆床加工的母線孔間距一致、互換性強(qiáng)，保證了螺栓孔的同心度和立柱、短路母線的裝配質(zhì)量，提高了工作效率和工程質(zhì)量

3.5.6 鋁電解槽軟帶專用半自動(dòng)剪板機(jī)（專利號(hào)：ZL201120476266.5）

使用自主研制的自動(dòng)送料式鋁軟帶自動(dòng)剪切機(jī)進(jìn)行鋁軟帶剪切，提高了鋁軟帶的剪切質(zhì)量和焊接質(zhì)量，降低了陽極母線的軟帶端板壓接面的電壓降，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了流水線批量加工。該半自動(dòng)剪切機(jī)由精敏輪送料裝置、單片機(jī)控制裝置和剪板機(jī)三部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。

圖7 四孔鉆床結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 五孔鉆床結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 六孔鉆床結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)語

4.1 本施工方法的關(guān)鍵技術(shù)具有的先進(jìn)性

4.1.1 采用三維繪圖軟件Solidworks、AutoCAD 對(duì)鋁母線制作安裝過程進(jìn)行三維建模，優(yōu)化了鋁母線制安工藝流程，確保了質(zhì)量。

4.1.2 使用自主研制的12m 銑床、升降式立柱母線45°夾板面加工專用母線銑床、變頻調(diào)速圓鋸床進(jìn)行鑄鋁母線加工，確保了加工面質(zhì)量，降低了母線壓接處的電壓降。

4.1.3 使用自主研制的自動(dòng)送料式鋁軟帶自動(dòng)剪切機(jī)進(jìn)行鋁軟帶剪切，保證了鋁軟帶的剪切質(zhì)量，提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.1.4 使用自主研制的四孔、五孔、六孔鉆床分別進(jìn)行陽極母線、短路口母線、立柱母線制孔，保證了母線鉆孔質(zhì)量和裝配質(zhì)量，提高了效率，降低了成本。

4.1.5 使用自主研制的專用工裝胎具和剛性固定技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鋁母線批量制作，有效控制了焊接變形，保證了鋁母線的焊接質(zhì)量。同時(shí)無需反復(fù)移動(dòng)焊接設(shè)備，操作簡便，減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了人力。

4.2 本施工方法在甘肅東興鋁業(yè)有限公司酒嘉風(fēng)電基地高載能特色鋁合金節(jié)能技改一期一系列45 萬噸電解鋁工程施工中成功應(yīng)用，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明：保證了工程質(zhì)量，保證了安全生產(chǎn)，加快了施工進(jìn)度，降低了施工成本，對(duì)有效增大鋁母線壓接面、降低母線壓接處電壓降等方面有重要作用，提高了施工單位的工程利潤，降低了業(yè)主單位生產(chǎn)過程的整體能耗。施工后的鋁母線接觸面積由原來的85%提高至95%左右，立柱母線壓接處電壓降從原來的5mv 降為2mv，短路口壓接處電壓降從原來的15mv降為5mv，節(jié)能效益可觀，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)保效益。

4.3 本施工方法具有先進(jìn)性、科學(xué)性、適用性、可推廣性，適用于電解鋁工程項(xiàng)目規(guī)格為450KA 及以上的大型預(yù)焙陽極電解槽配套鋁母線制作安裝工程施工，對(duì)大型預(yù)焙陽極電解槽配套鋁母線制作安裝具有借鑒意義，對(duì)設(shè)計(jì)單位研發(fā)更大型鋁電解系統(tǒng)提供了決策依據(jù)和技術(shù)指標(biāo)。

圖10 自動(dòng)送料式鋁軟帶自動(dòng)剪切機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖