陽極導桿組全流程自動化修復解決方案

吳道林,李 猛,伍祖槐,張 曄,周 冰

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

1 工藝背景

當前金屬鋁生產主要采用熔鹽電解法,陽極導桿組件作為鋁電解生產的重要導電部件,具有使用時間長、使用頻率高、使用數量多的特點。由于電解槽內的高溫和電離作用,經過一定使用周期陽極導桿組會出現鋼爪損壞(彎曲、細爪、斷爪)、爆炸焊塊鋁-鋼、鋁-鋁焊縫開裂等問題,出現上述問題的陽極導桿組需要及時下線,進行焊接修復后才能繼續使用。根據某年產40 萬噸的電解鋁企業數據顯示,每天陽極導桿組件修復量約36 個,全年修復量約為全系列陽極導桿的49.1%。

首先對于鋼爪構件,大多數國內鋁電解企業陽極導桿組鋼爪修復流程完全由人工作業完成,手工焊接工藝的局限性導致修復后的陽極鋼爪在生產運行中存在使用壽命短、連接壓降高、易斷裂脫落等諸多問題。另外,由于該工序勞動環境惡劣、勞動強度大、勞動保護差,許多企業陸續出現招工難的問題,不得不高價外包維修業務,進一步增加生產質量風險的管控難度,極大增加了企業的相關運營成本。其次對導桿構件,人工采用千斤頂、碳弧氣刨等簡單工具拆解爆炸焊塊后重新組對焊接,作業過程勞動強度大、不可避免歪拉斜吊等粗放操作,存在安全生產隱患。爆炸焊塊與導桿鋁-鋁焊接過程中產生的電離輻射、含氧化鋁煙氣對人體的職業危害極大,數倍于鋼-鋼焊接,與以人為本的科學發展觀悖離。國內電解鋁企業在陽極導桿組修復工藝環節迫切需要突破傳統技術瓶頸且實現經濟可行的自動化設備解決方案,為中國鋁工業建設智能工廠、綠色工廠邁出堅實一步。

2 技術現狀

國內外電解鋁企業用于陽極導桿組件修復的焊接技術及技術特點,如表1 所示。

目前國外鋁電解廠在陽極鋼爪修復生產線上主要采用氣體保護焊工藝,圓鋼邊緣開坡口焊接,非全截面熔合、連接壓降較大,腐蝕程度及位置與國內實際工況存在很大差異,不能滿足國內電解鋁企業對經濟性、可靠性等方面實際需求。近年來,國內多家設備廠商針對陽極鋼爪開發試制自動焊接裝設備,目前基于窄縫電渣焊技術的設備有較為成熟的應用,但作為過渡技術產品仍存在以下缺陷:

1)窄縫電渣焊熱輸入大,焊接后需要正火處理以細化晶粒,主要用于抗壓結構件,難以實現高質量焊接,相關廠家采用含鎳的特種焊料提高接頭處沖擊韌性,單頭焊料成本已達到80 元以上,與氣體保護焊6～8 元焊絲成本相比,經濟性相差甚遠。

2)窄縫電渣焊用于鋼爪頭焊接,需要使用銅質冷卻水套在焊縫空間形成熔池,冷卻水套一旦出現滴漏接觸高溫渣液會產生劇烈飛濺,長期使用對就近操作的人員存在安全隱患與風險。

3)人工通過敷設耐火泥填充熔池縫隙,不能形成輸送、切割、裝夾、對位等環節完整的自動化流水線,與國際先進的自動化水平有明顯差距。

3 研究內容與方向

3.1 面向陽極導桿組件修復窄間隙全截面焊接工藝及裝備研究

依據陽極導桿組全流程自動化的現實需求,項目團隊研制出一種基于窄縫熔化極氣體保護焊的鋼爪焊接工藝及專機設備。窄間隙焊接專機機構原理見圖1。

圖1 窄間隙焊接專機機構原理

1)窄縫氣體保護焊接工藝特點

a.焊接過程中熔池中心溫度分布極不均勻,電弧處溫度極高,遠離電弧處溫度較低。

b.當焊接時間達到某個值時,熔池形狀基本維持不變,存在固液兩相區。

c.在熔池內部,液相區與完全固相區交接的地方應力最大。

2)窄縫氣體保護焊主要特點

a.減少了填充金屬用量,降低了成本。

b.焊接熱輸入量低,所以焊縫金屬與熱影響區的力學性能好。

c.采用射流過渡的熔滴過渡形式,所以可以進行全位置焊。

d.變形小且易控制。

3)焊接工藝試驗研究

根據現有研究成果,窄間隙深焊縫焊接質量可以采用連接強度和連接壓降進行描述。前期實踐經驗表明,焊接質量與焊接線能量、焊縫寬度、焊縫方向和焊絲擺動頻率有關。為此,針對陽極導桿組件典型截面設計上述各因素的正交實驗或均勻實驗,檢測不同截面、不同工藝下的焊接質量,建立合理、可靠的焊接工藝和焊接參數模型。

4)窄間隙深焊縫焊接過程仿真分析

窄間隙深焊縫焊接過程是一個復雜的多場耦合問題,溫度場、應力場、相場、流場等交互作用,相互影響。焊接質量時這些物理場交互作用的結果。由于焊接位置空間限制,上述各場的檢測極為困難,需要通過模擬計算對其進行研究。

焊接過程仿真分析,主要模擬鋼-鋼截面和鋁-鋁截面焊縫深度、焊縫寬度、焊縫方向、焊接速度等參數對于焊接過程各物理場的影響規律。建立不同參數下的熱量計算模型、相變計算模型、為專用焊接設備的研發提供理論依據。同時,模擬冷卻裝置作用下焊接過程的溫度分布規律,為冷卻裝置的設計提供數據支撐。

5)深間隙全截面自動焊接專機

在前期項目工作的基礎上,集成各功能系統和控制系統,優化結構和控制策略,研制結構緊湊、生產效率高的旋弧自動焊專機。

窄深間隙全截面自動焊接專機擬由焊槍機構、送絲機構、強制冷卻系統、位姿調整系統、焊機和控制系統等功能模塊組成。實現焊縫識別、焊縫跟蹤、焊縫冷卻、自動化焊接等功能。

6)深間隙全截面自動焊接專機產業化

深入調研國內外陽極導桿組件的修復工藝需求,擬定窄深間隙全截面自動焊接專機的實施對象,將其標準化、系列化。同時,結合各電解鋁企業的調研結果,設計普適性的輔助功能結構解決旋弧自動焊專機的轉運、安裝等問題,從而適應各種工作環境、氣候等工作條件。通過集成,形成獨立的產品,進行工業化示范應用并進行實踐檢驗。

3.2 陽極鋼爪自動修復技術方案

3.2.1 單、雙陽極鋼爪修復及并線回流

目前電解鋁生產企業中,根據企業不同的工藝配置及自身技術選擇,有的是單陽極配置,有的是雙陽極配置,有的單雙陽極同時配置,陽極導桿組件修復要滿足單雙陽極的修復。鋼爪修復采取在環形生產線線上臥式修復,將陽極導桿臥式裝夾在軌道上的液壓工裝小車上,由液壓工裝小車將陽極導桿運輸至每個工位進行切割、焊接等作業,實現以下功能。單雙陽極并線三維布局見圖2。

1)自動流轉:以工裝小車為導桿組運載工具及夾持工作,實現陽極導桿組的自動、便捷流轉。

2)自動上線:通過翻轉上線臺自動將導桿組翻轉至工裝車上夾緊及流轉。

3)自動鋸切:通過鋸切工作站實現陽極鋼爪自動鋸切。

4)自動上料、對位:通過鋼棒上料機器人及夾持定位機實現鋼棒自動上料并與待焊鋼梁自動對位。

5)自動下槍、焊接:通過焊接機器人實現焊槍自動下槍并進行自動焊接。

該生產線主要由以下模塊構成。

1)導桿組件上線工位

導桿組件在導桿上線工位上,由導桿組件上線翻轉臺上,將豎立的導桿組件翻轉傾倒至液壓工裝小車上,實現導桿組件的上線。導桿上線工位配備一臺導桿組件上線翻轉臺。

2)鋼爪切割工位

鋼爪切割工位用于對需修復鋼爪腐蝕嚴重的爪頭進行切割,采用等離子切割機方式切割廢棄爪頭。

3)鋼爪焊接工位及鋼棒上料

鋼爪的焊接在鋼爪焊接工位采用深窄縫焊接方式進行。鋼爪焊接工位配備兩臺鋼爪焊接專機進行焊接、兩臺鋼棒夾持對位機、兩套視覺系統、一臺上料機器人和兩個移動鋼棒料箱。配備兩個鋼爪焊接工位,每個焊接工位包括一臺鋼爪焊接專機、一臺鋼棒夾持對位機構及一套視覺。

鋼爪焊接過程中由上料機器人將配焊襯板后的新鋼棒從移動鋼棒料箱中抓取出來,放置在鋼棒夾持對位機構上夾緊,由鋼棒夾持對位機構將新鋼棒自動運至焊接位置。新鋼棒到達位置后,由鋼爪焊接專機對新鋼棒和鋼爪進行焊接。

4)雙陽極翻轉變位工位

因雙陽極使用兩個并列的陽極進行電解鋁生產,所以修復方案要考慮陽極的翻轉修復。雙陽極在鋼爪修復過程中,在以上工位完成單側鋼爪的修復,修復完成后需將雙陽極導桿組件送至翻轉變位工位,在翻轉變位工位進行翻轉,翻轉完后再將雙陽極導桿組件送至上述工位進行切割、焊接工作,完成另一側鋼爪的修復。翻轉變位工位配備一臺翻轉變位機。

3.2.2 單陽極鋼爪修復生產線

部分電解鋁生產僅采用單陽極配置,因此生產線可以采用對稱布局,以焊接專機機器人系統和鋼棒抓取機器人系統為中心,兩邊布置有兩個切割工作站和兩個上下料工位,兩側各自上下料和切割,輪流在中間焊接工位進行焊接,產能為50 組/8 h,僅需1～2 人巡檢作業。單陽極線三維布局見圖3。

圖3 單陽極線三維布局

3.2.3 雙陽極鋼爪修復生產線

生產線采用直線布局,雙陽極翻轉工裝臺固定不動,切割小車、焊接小車輪流對四個工位進行切割、焊接作業。雙陽極自動焊接生產線包括一套切割系統和兩套焊接系統,產能為40 組/8 h,僅需1～2 人巡檢作業。雙陽極線三維布局見圖4。

圖4 雙陽極線三維布局

3.3 陽極導桿自動修復技術方案

3.3.1 鋁-鋁自動焊接工作站

鋁-鋁焊接工作站主要構成:六軸關節機器人、專用焊接電源、帶冷卻功能的爆炸焊塊自定心工裝、導桿定位夾持系統、帶升降功能的電動滾筒線、焊接執行機構、循環冷卻系統、液壓系統、機器人控制系統、焊接執行機構控制系統。鋁導桿自動焊接工作站示意見圖5。

圖5 鋁導桿自動焊接工作站示意

1)帶冷卻功能的爆炸焊塊自定心工裝

爆炸焊塊自定心夾具由前置式自定心夾具和水冷卡具構成,自定心夾具是爆炸焊塊和導桿定位一致性的重要保障部分,使用前置式自定心夾具可使得導桿和爆炸焊塊在焊接過程中既能有很好的夾持力又能不影響翻轉,水冷卡具能夠在焊接時帶走爆炸焊塊側多余熱量,避免因溫度過高造成的爆炸焊塊質量缺陷。爆炸焊塊自定心夾具結構圖見圖6。

圖6 爆炸焊塊自定心夾具結構圖

2)導桿定位夾持系統工裝

針對客戶產品專門設計的兩兩同步夾持工裝,由寬度方向和高度方向兩個CP 同步夾和無齒回轉支撐組成,使用時能夠確保導桿處于回轉中心線對稱位置,不論導桿尺寸規格,統一以中心線作為定位參考,配合爆炸焊塊自定心夾具,始終能夠使導桿位于爆炸焊塊中心位置。導桿定位夾持系統工裝示意見圖7。

圖7 導桿定位夾持系統工裝示意

3)帶升降功能的電動滾筒線

滾筒線有獨立動力系統,具備升降功能,以便于導桿翻轉。

4)焊接執行機構

執行機構具有兩個自由度及擺動功能,集成多層多道焊接工藝包。

5)循環冷卻系統

內循環冷卻系統,為爆炸焊塊持續降溫,確保焊接過程中爆炸焊塊不超過警戒溫度,是焊接質量的有效保障。

6)工作流程

a.工人將爆炸焊塊放在自定心爆炸焊塊夾具上,啟動夾具將爆炸焊塊夾持住;

b.將導桿放在電動滾筒線上,啟動滾筒線將導桿輸送至焊接位置并和爆炸焊塊緊密接觸;

c.啟動兩兩同步夾具將導桿定位夾持住;

d.此時輸送線處于導桿下方的部分向下降,以避免后續導桿翻轉干涉;

e.啟動6 軸關節機器人將焊接執行機構送至焊接位置;

f.焊接執行機構開始執行預定多層多道焊工藝(此時導桿向上面為A 面,向機器人側為B 面,向下面為C 面,向操作者面為D 面);

g.焊接執行機構執行A 面打底焊接,完成后翻轉至C 面;

h.焊接執行機構執行C 面打底焊接及填充焊接,完成后翻轉至B 面或D 面,執行打底及填充焊接;

i.執行機構對四面進行蓋面焊接;

j.焊接完成,6 軸關節機器人將焊接執行機構送至安全位置;

k.爆炸焊塊自定心夾具釋放,導桿兩兩同步夾具釋放;

l.輸送線升降部分升起,將焊接完的導桿輸送回起始位置。

m.完成一個焊接周期。

3.3.2 鋁導桿修復全流程自動化解決方案

根據前期科研實踐成果,項目團隊研究了鋁導桿修復生產線技術能實現從導桿脫斷、爆炸塊拆解、坡口加工、多層多道焊接等工序全流程自動化修復作業。同時引入先進的離線激光傳感器技術,自動掃描焊縫形狀及尺寸,能適應工件非結構化形位偏差,顯著提高生產效率及焊接質量,真正實現無人化操作。鋁導桿全流程自動修復配置圖見圖8。

圖8 鋁導桿全流程自動修復配置圖

3.4 基于電阻熱壓力焊的陽極鋼爪修復全流程自動化技術及成套裝備

鋼爪電阻熱壓力焊技術是在快速形成的高溫淺層渣液中對被擠壓兩端面快速加熱至微熔狀態(1 200～1 300 ℃),在大壓力的作用下兩端面塑性結合從而達到冶金結合的效果,這個過程中由于渣液的保護與空氣隔絕實現無氧化結合,因此強度及結合面積得到保障。項目團隊在前期技術實踐的基礎上,進一步開發了基于電阻熱壓力焊的陽極鋼爪修復全流程自動化技術及成套裝備,可實現在陽極組裝懸鏈線上進行鋼爪全截面自動修復,以適應不同企業用戶多種應用場合的需求。采用環形懸鏈系統作為導桿運轉媒介,實現陽極鋼爪的上線、輸送、鋸切、鋼棒上料、鋼棒對位、焊接、收塵全流程自動化作業。電阻壓力焊原理示意圖見圖9,在線修復配置見圖10。

圖9 電阻壓力焊原理示意圖

圖10 電阻壓力焊在線修復配置

該項技術及裝備預期實現與陽極組裝懸鏈并線運行,與基于窄縫氣體保護焊的自動化產線設備配伍,在不同應用場合下已形成高、中、低配的完整產品系列。

4 預期社會效益及經濟效益

陽極導桿組修復是電解鋁節能降耗的關鍵環節,本文提出的的解決方案,預期為鋁電解生產行業帶來重要的社會效益和經濟效益。首先,通過實現自動化修復,可以提高修復效率和質量,降低操作人員的人為錯誤風險,進而提升生產線的整體效能和質量穩定。其次,能夠減少能源和材料的浪費,有效地降低生產成本。第三,自動化修復還能夠降低勞動強度,提高操作人員的勞動效率。

根據現場檢測情況對比,陽極導桿組自動化修復解決方案將降低連接壓降5 mV 以上,使噸鋁節電15 kW·h 以上。2021 年全國電解鋁產量3 850.3萬t,以此計算基數,全國電解鋁企業每年可節電約5.77 億kW·h,減少二氧化碳排放57.58 萬t,減少碳排放15.71 萬t。

5 結語

本研究旨在提出一種陽極導桿組全流程自動化修復解決方案,以應對當前陽極導桿組修復生產中存在的問題和挑戰。本文解決方案針對不同企業的單雙陽極配置提出了單陽極、雙陽極及單雙陽極鋼爪修復的自動化生產線。還提出了陽極導桿自動焊接技術方案,包括鋁-鋁自動焊接工作站和鋁導桿修復全流程自動化解決方案。此外,還探索了窄間隙全截面焊接工藝及裝備和基于電阻熱壓力焊的陽極鋼爪修復全流程自動化技術及成套裝備。通過該解決方案的研發和實施,本文期望為鋁電解行業的生產和維護工作帶來顯著的改進和提升,同時推動鋁工業自動化進一步發展。