阳极导杆组全流程自动化修复解决方案.pdf
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1、阳极导杆组全流程自动化修复解决方案吴道林,李摇 猛,伍祖槐,张摇 晔,周摇 冰(贵阳铝镁设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550081)摘摇 要 阳极导杆组件是电解铝生产的重要组成部分之一。目前阳极导杆组件基本由人工修复,这种方式存在人员劳动强度大、修复效率低、质量不稳定等问题,导致阳极导杆组件在生产阶段易发生脱落、开裂或寿命降低等情况。本文介绍了一种阳极导杆组全流程自动化修复解决方案。该方案涵盖了窄间隙全截面焊接工艺及装备、基于电阻热压力焊的阳极钢爪修复技术及装备、铝导杆修复全流程自动化技术及装备。应用该方案每日修复组件数量可达40 组以上,使用寿命延长一半以上,同时降低作业人员的劳动强度,并
2、使电解铝行业吨铝节电15 kW h 以上。关键词 电解铝;阳极导杆组;窄间隙全截面焊;电阻热压力焊中图分类号 TF821摇 摇 摇 文献标志码 B摇 摇 摇 文章编号 1003-8884(2023)04-0014-06DOI:10.19611/11鄄2919/tg.2023.04.003收稿日期 2023-05-15第一作者 吴道林(1985),男,贵州贵阳人,工程师,硕士,主要从事机械制造、数字化设计、设计管理相关工作,现任贵阳铝镁设计研究院有限公司设计工程事业部副部长。引用格式 吴道林,李猛,伍祖槐,等.阳极导杆组全流程自动化修复解决方案J.有色设备,2023,37(4):14-19.1摇
3、 工艺背景当前金属铝生产主要采用熔盐电解法,阳极导杆组件作为铝电解生产的重要导电部件,具有使用时间长、使用频率高、使用数量多的特点。由于电解槽内的高温和电离作用,经过一定使用周期阳极导杆组会出现钢爪损坏(弯曲、细爪、断爪)、爆炸焊块铝-钢、铝-铝焊缝开裂等问题,出现上述问题的阳极导杆组需要及时下线,进行焊接修复后才能继续使用。根据某年产 40 万吨的电解铝企业数据显示,每天阳极导杆组件修复量约 36 个,全年修复量约为全系列阳极导杆的 49郾 1%。首先对于钢爪构件,大多数国内铝电解企业阳极导杆组钢爪修复流程完全由人工作业完成,手工焊接工艺的局限性导致修复后的阳极钢爪在生产运行中存在使用寿命短
4、、连接压降高、易断裂脱落等诸多问题。另外,由于该工序劳动环境恶劣、劳动强度大、劳动保护差,许多企业陆续出现招工难的问题,不得不高价外包维修业务,进一步增加生产质量风险的管控难度,极大增加了企业的相关运营成本。其次对导杆构件,人工采用千斤顶、碳弧气刨等简单工具拆解爆炸焊块后重新组对焊接,作业过程劳动强度大、不可避免歪拉斜吊等粗放操作,存在安全生产隐患。爆炸焊块与导杆铝-铝焊接过程中产生的电离辐射、含氧化铝烟气对人体的职业危害极大,数倍于钢-钢焊接,与以人为本的科学发展观悖离。国内电解铝企业在阳极导杆组修复工艺环节迫切需要突破传统技术瓶颈且实现经济可行的自动化设备解决方案,为中国铝工业建设智能工厂
5、、绿色工厂迈出坚实一步。2摇 技术现状国内外电解铝企业用于阳极导杆组件修复的焊接技术及技术特点,如表 1 所示。表 1摇 主要焊接技术焊接技术技术特点电阻热压力焊高焊接质量、焊接速度较快、无需填充材料设备成本高、限制于焊接街头形状、操作技术要求高摩擦焊修复效率高、热影响区域小、材料表面质量要求高、需要大功率设备、场地占用面积大、需要较大的设备投资电渣熔铸焊热输入大、快速、高效、焊接应力大、易焊接变形、助焊剂价格高窄间隙焊有利于自动化、接头质量高、综合效益好氩弧焊高质量焊接、适用性广、易于自动化、保护效果好和可斜焊41有色设备摇 2023 年第 4 期摇 摇 目前国外铝电解厂在阳极钢爪修复生产线
6、上主要采用气体保护焊工艺,圆钢边缘开坡口焊接,非全截面熔合、连接压降较大,腐蚀程度及位置与国内实际工况存在很大差异,不能满足国内电解铝企业对经济性、可靠性等方面实际需求。近年来,国内多家设备厂商针对阳极钢爪开发试制自动焊接装设备,目前基于窄缝电渣焊技术的设备有较为成熟的应用,但作为过渡技术产品仍存在以下缺陷:1)窄缝电渣焊热输入大,焊接后需要正火处理以细化晶粒,主要用于抗压结构件,难以实现高质量焊接,相关厂家采用含镍的特种焊料提高接头处冲击韧性,单头焊料成本已达到 80 元以上,与气体保护焊 6 8 元焊丝成本相比,经济性相差甚远。2)窄缝电渣焊用于钢爪头焊接,需要使用铜质冷却水套在焊缝空间形
7、成熔池,冷却水套一旦出现滴漏接触高温渣液会产生剧烈飞溅,长期使用对就近操作的人员存在安全隐患与风险。3)人工通过敷设耐火泥填充熔池缝隙,不能形成输送、切割、装夹、对位等环节完整的自动化流水线,与国际先进的自动化水平有明显差距。3摇 研究内容与方向3郾 1摇 面向阳极导杆组件修复窄间隙全截面焊接工艺及装备研究依据阳极导杆组全流程自动化的现实需求,项目团队研制出一种基于窄缝熔化极气体保护焊的钢爪焊接工艺及专机设备。窄间隙焊接专机机构原理见图 1。1)窄缝气体保护焊接工艺特点a.焊接过程中熔池中心温度分布极不均匀,电弧处温度极高,远离电弧处温度较低。b.当焊接时间达到某个值时,熔池形状基本维持不变,
8、存在固液两相区。c.在熔池内部,液相区与完全固相区交接的地方应力最大。2)窄缝气体保护焊主要特点a.减少了填充金属用量,降低了成本。b.焊接热输入量低,所以焊缝金属与热影响区的力学性能好。c.采用射流过渡的熔滴过渡形式,所以可以进行全位置焊。d.变形小且易控制。图 1摇 窄间隙焊接专机机构原理摇3)焊接工艺试验研究根据现有研究成果,窄间隙深焊缝焊接质量可以采用连接强度和连接压降进行描述。前期实践经验表明,焊接质量与焊接线能量、焊缝宽度、焊缝方向和焊丝摆动频率有关。为此,针对阳极导杆组件典型截面设计上述各因素的正交实验或均匀实验,检测不同截面、不同工艺下的焊接质量,建立合理、可靠的焊接工艺和焊接
9、参数模型。4)窄间隙深焊缝焊接过程仿真分析窄间隙深焊缝焊接过程是一个复杂的多场耦合问题,温度场、应力场、相场、流场等交互作用,相互影响。焊接质量时这些物理场交互作用的结果。由于焊接位置空间限制,上述各场的检测极为困难,需要通过模拟计算对其进行研究。焊接过程仿真分析,主要模拟钢-钢截面和铝-铝截面焊缝深度、焊缝宽度、焊缝方向、焊接速度等参数对于焊接过程各物理场的影响规律。建立不同参数下的热量计算模型、相变计算模型、为专用焊接设备的研发提供理论依据。同时,模拟冷却装置作用下焊接过程的温度分布规律,为冷却装置的设计提供数据支撑。5)深间隙全截面自动焊接专机在前期项目工作的基础上,集成各功能系统和控制
10、系统,优化结构和控制策略,研制结构紧凑、生产效率高的旋弧自动焊专机。窄深间隙全截面自动焊接专机拟由焊枪机构、送丝机构、强制冷却系统、位姿调整系统、焊机和控制系统等功能模块组成。实现焊缝识别、焊缝跟踪、51吴道林等:阳极导杆组全流程自动化修复解决方案焊缝冷却、自动化焊接等功能。6)深间隙全截面自动焊接专机产业化深入调研国内外阳极导杆组件的修复工艺需求,拟定窄深间隙全截面自动焊接专机的实施对象,将其标准化、系列化。同时,结合各电解铝企业的调研结果,设计普适性的辅助功能结构解决旋弧自动焊专机的转运、安装等问题,从而适应各种工作环境、气候等工作条件。通过集成,形成独立的产品,进行工业化示范应用并进行实
11、践检验。3郾 2摇 阳极钢爪自动修复技术方案3郾 2郾 1摇 单、双阳极钢爪修复及并线回流目前电解铝生产企业中,根据企业不同的工艺配置及自身技术选择,有的是单阳极配置,有的是双阳极配置,有的单双阳极同时配置,阳极导杆组件修复要满足单双阳极的修复。钢爪修复采取在环形生产线线上卧式修复,将阳极导杆卧式装夹在轨道上的液压工装小车上,由液压工装小车将阳极导杆运输至每个工位进行切割、焊接等作业,实现以下功能。单双阳极并线三维布局见图 2。1)自动流转:以工装小车为导杆组运载工具及夹持工作,实现阳极导杆组的自动、便捷流转。2)自动上线:通过翻转上线台自动将导杆组翻转至工装车上夹紧及流转。3)自动锯切:通过
12、锯切工作站实现阳极钢爪自动锯切。4)自动上料、对位:通过钢棒上料机器人及夹持定位机实现钢棒自动上料并与待焊钢梁自动对位。5)自动下枪、焊接:通过焊接机器人实现焊枪自动下枪并进行自动焊接。图 2摇 单双阳极并线三维布局摇该生产线主要由以下模块构成。1)导杆组件上线工位导杆组件在导杆上线工位上,由导杆组件上线翻转台上,将竖立的导杆组件翻转倾倒至液压工装小车上,实现导杆组件的上线。导杆上线工位配备一台导杆组件上线翻转台。2)钢爪切割工位钢爪切割工位用于对需修复钢爪腐蚀严重的爪头进行切割,采用等离子切割机方式切割废弃爪头。3)钢爪焊接工位及钢棒上料钢爪的焊接在钢爪焊接工位采用深窄缝焊接方式进行。钢爪焊
13、接工位配备两台钢爪焊接专机进行焊接、两台钢棒夹持对位机、两套视觉系统、一台上料机器人和两个移动钢棒料箱。配备两个钢爪焊接工位,每个焊接工位包括一台钢爪焊接专机、一台钢棒夹持对位机构及一套视觉。钢爪焊接过程中由上料机器人将配焊衬板后的新钢棒从移动钢棒料箱中抓取出来,放置在钢棒夹持对位机构上夹紧,由钢棒夹持对位机构将新钢棒自动运至焊接位置。新钢棒到达位置后,由钢爪焊接专机对新钢棒和钢爪进行焊接。4)双阳极翻转变位工位因双阳极使用两个并列的阳极进行电解铝生产,所以修复方案要考虑阳极的翻转修复。双阳极在钢爪修复过程中,在以上工位完成单侧钢爪的修复,修复完成后需将双阳极导杆组件送至翻转变位工位,在翻转变
14、位工位进行翻转,翻转完后再将双阳极导杆组件送至上述工位进行切割、焊接工作,完成另一侧钢爪的修复。翻转变位工位配备一台翻转变位机。3郾 2郾 2摇 单阳极钢爪修复生产线部分电解铝生产仅采用单阳极配置,因此生产线可以采用对称布局,以焊接专机机器人系统和钢棒抓取机器人系统为中心,两边布置有两个切割工作站和两个上下料工位,两侧各自上下料和切割,轮流在中间焊接工位进行焊接,产能为 50 组/8 h,仅需 1 2 人巡检作业。单阳极线三维布局见图 3。3郾 2郾 3摇 双阳极钢爪修复生产线生产线采用直线布局,双阳极翻转工装台固定不动,切割小车、焊接小车轮流对四个工位进行切割、焊接作业。双阳极自动焊接生产线
15、包括一套切割系统和两套焊接系统,产能为 40 组/8 h,仅需 1 2 人巡检作业。双阳极线三维布局见图 4。61有色设备摇 2023 年第 4 期图 3摇 单阳极线三维布局摇图 4摇 双阳极线三维布局摇3郾 3摇 阳极导杆自动修复技术方案3郾 3郾 1摇 铝-铝自动焊接工作站铝-铝焊接工作站主要构成:六轴关节机器人、专用焊接电源、带冷却功能的爆炸焊块自定心工装、导杆定位夹持系统、带升降功能的电动滚筒线、焊接执行机构、循环冷却系统、液压系统、机器人控制系统、焊接执行机构控制系统。铝导杆自动焊接工作站示意见图 5。1)带冷却功能的爆炸焊块自定心工装爆炸焊块自定心夹具由前置式自定心夹具和水冷卡具构
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