一種450KA預焙陽極電解槽配套鋁母線制作安裝創新施工方法研究

李新明

（八冶建設集團有限公司，甘肅 金昌 737100）

0 引言

電解鋁工業是電力密集型產業，也是高耗能產業。為降低單位電解鋁生產能耗，國內各大鋁廠的規模均趨向大型化、規?；l展。其用于生產的核心設備預焙陽極電解槽的槽型也向大型化發展，設計型號由較早的170KA、220KA、300KA、400KA 等發展至450KA，其配套的鋁母線規模也相應發展至450KA。

通過對已建成投產的鋁電解項目的運行情況分析，鋁母線制作安裝的施工質量對項目的各項設計指標有很大的影響，而施工方法是保證施工質量達標的重要因素，先進的施工方法更是能夠提升施工質量的標準。本文旨在提供一種相對于傳統工藝更先進的創新施工方法，以期解決具體的施工難點。

1 項目背景

甘肅東興鋁業有限公司酒嘉風電基地高載能特色鋁合金節能技改一期一系列45 萬噸電解鋁工程，包含336 臺450KA 預焙陽極電解槽，其各項技術指標均達到了世界一流水平。

經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、青海鑫業黃河水電鋁型材聯營項目50 萬噸（分一、二期）電解鋁工程、蘭州鋁業大型預焙槽電解鋁技術改造工程施工基礎上總結研究的經驗和方法，在甘肅東興鋁業有限公司酒嘉風電基地高載能特色鋁合金節能技改一期一系列45 萬噸電解鋁工程施工中，進一步總結經驗，創新實踐，自主研發專用鉆床、剪切機和專用胎具并應用，研究形成了一種450KA 預焙陽極電解槽配套鋁母線制作安裝創新施工方法。

2 施工難點

2.1 傳統施工方法對控制鋁母線加工精度、焊接質量受操作人員的人為因素影響較大，加工過程機械化程度不高，不能嚴格保證施工質量符合設計標準。

2.2 本工程項目及類似的工程中鋁母線的規格種類多、數量多，加工程序多，質量要求嚴，施工工期緊，不易采用流水線作業批量生產，工程施工效率較低。

3 施工方法

3.1 三維實體演示

采用三維繪圖軟件Solidworks、AutoCAD 對450KA預培陽極電解槽配套鋁母線制作三維立體圖，逐一驗證母線部件設計尺寸及組裝的準確性，增強專業技術人員的空間認識感，避免了以往出現的技術準備死角、大量重復使用圖紙等現象的發生。電解槽配套鋁母線三維實體演示示意圖如圖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行外觀質量檢查和幾何尺寸測量，依據標準《鋁母線焊接工程施工及驗收規范》（GB50586-2010）的要求進行逐項檢查，其結果必須符合設計圖紙技術要求的規定，檢查合格方可進行加工操作。

2）加工工藝流程

外觀質量檢查→幾何尺寸測量→檢查結果合格→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→構件編號→分類存放。

3）按圖紙的設計要求進行鑄鋁母線構件的幾何尺寸加工，保證各類加工面的表面質量合格，并做好質量檢查記錄。

圖1 電解槽配套鋁母線系統配置三維立體裝配圖

4）按圖紙的設計要求進行鉆孔，保證成型孔加工質量合格。

5）加工成型的鑄鋁母線構件應采取防護措施。存放地點應平整、封閉，存放環境盡量保證干燥，堆放應安全、不易倒塌，加工面應采用柔軟、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行。

6）母線加工后按規格進行編號，分組保管，便于安裝時領用。

3.2.2 鋁軟帶制作

1）加工工藝流程

原材料外觀質量檢查→軟帶幾何尺寸測量→放樣劃線→剪板機加工→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→整束軟標識→分類存放。

2）為保證軟帶束的幾何尺寸精準，特別是保證整束軟帶的弧度成型精確，可自行設計制作軟帶成型胎具，圖2為自制的適用于本工程軟帶束加工參數的一種胎具形式。也可以設計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送料式鋁軟帶自動剪切機進行軟帶的剪切加工，剪切后的單片軟帶用軟性木質的木錘敲擊平整，平整后進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，可用電刨等機械工具進行修整至合格，但嚴禁使用氧-乙炔火焰切割等熱加工方法進行修整。

4）鋁軟帶束制作成型后，按不同規格分類存放，并標識清楚。

3.2.3 連接硬鋁板制作

1）連接鑄鋁母線用的硬鋁板數量大且規格不一，在制作前應統計統籌，編制制作清單，進行批量加工，以保證施工效率，節約原材料。

2）連接硬鋁板制作工藝流程：

原材料外觀檢查→鋁板幾何尺寸復測→整體平整→放樣劃線→剪板機加工→單片硬鋁板平整→標識→分類存放。

3）加工成型的硬鋁板幾何尺寸必須在設計圖紙規定的允許偏差的范圍內，剪切后單片硬鋁板若受剪板機擠壓發生變形時，必須進行平整。其平整、標識、存放要求與鑄鋁母線和鋁軟帶的相應要求相同。

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，處理好壓接面，接觸面達到90%以上，進行二次緊固。

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：標準鑄鐵平臺、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、清除銑面產生的卷邊和毛刺；

B、涂抹紅丹顯示劑溶液；

C、利用標準平臺初步找點；

D、用刮刀破開加工面上的凸點；

E、反復操作，直至研磨面質量達到設計技術要求和相關標準規范的規定。

5）精刮

A、涂抹紅丹顯示劑；

B、用標準平臺找點；

C、用刮刀破點刮削；

D、反復操作，直至研磨面質量達到設計技術要求和相關標準規范的規定。

6）刮研后的研磨面必須做好保護，不得被氧化，避免灰塵和雜質污染。

3.3 鋁母線安裝

3.3.1 現場應具備的條件

1）為保證母線布置、安裝的準確性，在電解槽基礎檢查驗收的同時，對母線基礎的平面位置及頂面標高進行一次系統測量，并填寫測量記錄表，作為安裝調整的依據。

2）對現場進行一次徹底的清掃，清除一切妨礙安裝作業的雜物和垃圾。

3.3.2 母線安裝

1）母線的預制

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

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

C、預制母線的焊接應先用封板確定母線的組對尺寸，確認無誤并用頂絲和楔子固定后再進行施焊。

D、預制步驟

先在平臺上制作胎具[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，并做一塊標準樣板；將加工好的母線放置在胎具上，用標準樣板將它們之間的組裝尺寸、角度找正。并對母線的直線度、垂直度用水平、直尺等工具按規范要求校驗；確認無誤后用頂絲和楔子固定；焊接時，應從下往上依次焊接，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行施焊，可避免和減少變形的累加，有效保障鋁母線成型構件的幾何尺寸[1]，[3]。

2）鋁母線安裝

鋁母線安裝流程應配合電解槽殼和槽殼砌筑進行。安裝應以電解槽縱橫中心線和標高為基礎。電解車間平臺施工時，必須在平臺上預留母線吊裝孔，以便于過道、端頭母線的吊裝。

安裝前按照設計圖紙和相關標準規范的規定進行鋁母線基礎復測驗收，基礎的質量和尺寸必須合格。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 母線安裝技術要求

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

2）單臺母線對支承點間的絕緣電阻應大于1MΩ，隔離母線間應大于5MΩ，全系列母線對地絕緣電阻應大于0.5MΩ。為保證絕緣電阻達到技術要求，采取以下措施：

A、所有絕緣材料質量應符合設計和國家相應標準規范要求，且應注意檢驗和保存，不得變形、破損、曝曬或潮濕。

B、短路口母線應注意加工和組對精度，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開裂[4]。

C、高分子絕緣材料要輕拿輕放，防止強烈彎曲和沖擊。

D、用絕緣電阻測試儀對施工部位進行跟蹤檢查，合格后方可轉入下道工序。

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）純鋁焊絲質量必須合格，應有制造質量證明書、合格證，其化學成分、機械性能和焊絲直徑偏差必須符合相關標準規范的規定。使用前應進行焊絲質量復檢。

3）氬氣的純度和含水率等質量要求應符合設計要求和相關標準規范的規定。

4）鎢極應選適用規格型號，鎢極端頭加工的形狀和尺寸應符合焊機操作要求。

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 鑄鋁母線預制焊接時應在專用胎具上進行，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。坡口加工應采用機械方法，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）焊接坡口的加工質量必須符合設計圖紙技術要求。

3）露天進行焊接作業時，禁止在雨雪霜天氣、風速超過規定、相對濕度大于90%、環境溫度低于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定確定焊接參數和工藝，可先進行試焊，合格后再正式焊接；在焊接過程中根據焊接質量情況可適當調整焊接工藝。

2）同一條焊縫必須一次性連續完成焊接，但較長的焊縫應進行分段焊接[1]。

3）分層焊接時，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 焊接質量

焊縫質量必須符合標準《鋁母線焊接工程施工及驗收規范》（GB50586-2010）和設計圖紙技術要求的合格規定，并做好質量檢查記錄；及時向工程管理各相關單位進行報驗。

3.5 實用新型專利的研發與應用

3.5.1 鋁母線加工專用立式銑床（專利號：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行鑄鋁母線加工，保證鑄鋁母線加工面的加工質量，有效提高了母線接觸面。結構示意圖如圖5所示。

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

使用自主研制的變頻調速圓鋸床進行鑄鋁母線鋸削加工，此圓鋸床包括床身和電氣系統，床身上平行安裝有絲杠和兩個導軌副，兩個導軌副上安裝有工作臺，絲杠與進給動力機構相連接，絲杠驅動工作臺沿導軌副的軸線方向往復移動，工作臺上安裝有主軸電機和主軸，主軸電機通過動力傳動機構與主軸的一端相連接，進給動力機構和主軸電機分別與電氣系統電連接。該圓鋸床主要進行母線45°夾板面的鋸切，采用自動控制，可進行變頻調速，操作方便；冷卻水可循環使用，既經濟又節能，大大提高了加工效率，有效保證了母線鋸削加工質量。結構示意圖如6所示。

圖5 鋁母線加工專用立式銑床結構示意圖

圖6 鋁母線加工專用立式圓鋸床結構示意圖

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

結構示意圖如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：ZL201120476285.8）201120476266.5

結構示意圖如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：ZL201120476297.0）

結構示意圖如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移動的齒輪箱，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，減速器驅動豎直設置的絲桿上下往復移動，絲桿的下端與齒輪箱相連接。經多孔鉆床加工的母線孔間距一致、互換性強，保證了螺栓孔的同心度和立柱、短路母線的裝配質量，提高了工作效率和工程質量

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

使用自主研制的自動送料式鋁軟帶自動剪切機進行鋁軟帶剪切，提高了鋁軟帶的剪切質量和焊接質量，降低了陽極母線的軟帶端板壓接面的電壓降，降低了工人的勞動強度，實現了流水線批量加工。該半自動剪切機由精敏輪送料裝置、單片機控制裝置和剪板機三部分組成，結構示意圖如圖10所示。

圖7 四孔鉆床結構示意圖

圖8 五孔鉆床結構示意圖

圖9 六孔鉆床結構示意圖

4 結語

4.1 本施工方法的關鍵技術具有的先進性

4.1.1 采用三維繪圖軟件Solidworks、AutoCAD 對鋁母線制作安裝過程進行三維建模，優化了鋁母線制安工藝流程，確保了質量。

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、變頻調速圓鋸床進行鑄鋁母線加工，確保了加工面質量，降低了母線壓接處的電壓降。

4.1.3 使用自主研制的自動送料式鋁軟帶自動剪切機進行鋁軟帶剪切，保證了鋁軟帶的剪切質量，提高了工作效率，降低了勞動強度。

4.1.4 使用自主研制的四孔、五孔、六孔鉆床分別進行陽極母線、短路口母線、立柱母線制孔，保證了母線鉆孔質量和裝配質量，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實現了鋁母線批量制作，有效控制了焊接變形，保證了鋁母線的焊接質量。同時無需反復移動焊接設備，操作簡便，減輕了作業人員的勞動強度，節約了人力。

4.2 本施工方法在甘肅東興鋁業有限公司酒嘉風電基地高載能特色鋁合金節能技改一期一系列45 萬噸電解鋁工程施工中成功應用，經生產實踐證明：保證了工程質量，保證了安全生產，加快了施工進度，降低了施工成本，對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，降低了業主單位生產過程的整體能耗。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，節能效益可觀，取得了明顯的經濟效益、社會效益和環保效益。

4.3 本施工方法具有先進性、科學性、適用性、可推廣性，適用于電解鋁工程項目規格為450KA 及以上的大型預焙陽極電解槽配套鋁母線制作安裝工程施工，對大型預焙陽極電解槽配套鋁母線制作安裝具有借鑒意義，對設計單位研發更大型鋁電解系統提供了決策依據和技術指標。

圖10 自動送料式鋁軟帶自動剪切機結構示意圖