陰極扁鋼通透縫切割質量的試驗分析*

馬紹華

(甘肅酒鋼集團西部重工股份有限公司，甘肅 嘉峪關 735100)

0 引 言

電解鋁工業由于生產能耗、污染過高，成為國家重點調控的產業之一。2010年酒鋼東興鋁業與沈陽鋁鎂設計研究院有限公司(SAMI)進行合作，推廣鋁電解槽磁流體穩定技術和新式陰極扁鋼結構，其關鍵點之一在陰極扁鋼上開一個貫穿的槽(通透縫)，可以使陰極扁鋼與炭塊接觸面積變大，電阻變小，顯著降低工作電壓，提高電解槽的穩定性[1]。

目前，陰極扁鋼在酒鋼東興鋁業全面推廣使用中節能效果顯著，但不足之處是通透縫質量合格率偏低(在80%～85%之間)。如何提高通透縫的切割質量及產品的合格率，成為我們首要解決的問題。

1 存在的問題

工程上把厚度超過100 mm的鋼板，歸納到超厚板范疇。鋁業用的陰極扁鋼一般厚度在100～130 mm之間的范圍 。切割中存在能耗高、切割不透陷、溫度高、變形大等諸多問題。導致生產效率低下，廢品率高。酒鋼東興鋁業用的陰極扁鋼如圖1 所示。

一般資料的介紹是整體切斷的比較多，技術成熟。但在切割內封閉通透縫上，從現有資料查詢是空白的。從實際的切割中效果上看，有相當大的難度。厚度大于100 mm陰極扁鋼存在：縫隙直線度差、收尾處豁口過大、下口寬度過窄等問題，如圖2所示。

圖1 陰極扁鋼生產圖紙

圖2 缺陷產品

其次，在切割壓力出現不穩定時，整體切割質量嚴重下降。正反兩面都出現大小不一的豁口及成片的焊渣粘連，甚至出現廢品。如圖3所示。

圖3 廢品

根據相關資料介紹，厚度大于100 mm的扁鋼通透縫切割都存在一些缺陷，如收尾豁口/小尾巴，下口窄等等。一般在20%～30%左右，我們在切割東鋁120 mm的扁鋼，達到40%～60%左右，個別情況下在80%左右，不得不進行補焊打磨．切割質量和效率制約我們產能的提高。

分析原因主要問題在切割的壓力不夠穩定，隨著切割厚度的增加，壓力逐步降低，氣體的燃燒效率隨之下降，底面容易掛渣，切割面不平。其次，切割速度是影響通透縫質量的另一個因素，切割速度過快會使切割面出現凹陷和掛渣等質量缺陷，嚴重的有可能造成切割不透；切割速度過慢會使切口上邊緣熔化塌邊、局部出現凹坑、豁口等。在其次，割嘴合理的選用。直徑過大過小會產生豁口、掛渣、切不透等現象。

2 解決措施和實驗方法

為提高切割通透縫的質量，我們從扁鋼表面處理、切割氣體、切割割嘴的選擇、切割壓力、速度等方面來選擇參數，實驗步驟如下：

(1) 扁鋼表面處理：扁鋼在軋制完成后的冷卻、吊運等過程中，發生變形，影響下料、切割后的尺寸精度，必需要進行專項矯直。其次，軋制的扁鋼表面有氧化皮或銹斑。氧化皮熔點高，不容易熔化，影響切割速度；加熱時，氧化皮飛濺后易堵塞割嘴，降低割嘴的壽命[2]。工作前務必要清掃干凈。

(2) 通透孔加工。按圖紙要求劃線，加工出φ6和φ8通透孔兩組各4件。

(3) 切割設備選擇：超厚板切切割一般選用：數控火焰切割機(最大可切割250 mm)，該設備投資成本最低，切割下料效果也較好。作為扁鋼切割，綜合考慮現場的各方面因素，我們選用經濟實用型：半自動火焰切割機。

(4) 切割氣體選擇：切割超厚板時，氣體選擇兩種：乙炔和丙烷。根據相關資料推薦選擇總熱值高的。丙烷總熱值(104 457 kJ/ m3)大于乙炔總熱值 (55 245 kJ/ m3)[3]，且丙烷氣體安全性和環保方面優于乙炔氣體。我們選用丙烷氣體。

(5) 切割割嘴選擇：根據相關資料，選用6號或7號割嘴。

我們以120 mm厚的扁鋼為例，割嘴型號按6#和7#各切割4件。整個實驗的參數控制及效果，如表1所列。

表1 分組實驗參數數據表

3 對比分析

(1) 從實驗結果可以得知，割嘴選用7#效果不如6#，表現為通透縫縫隙忽大忽小，局部有粘連現象。原因是氣體切割過程中氣體壓力因各種因素影響存在一定波動范圍，大直徑割嘴壓力相應需要大一些，壓力在低點位時，切割通透縫有縫隙小、割不透的現象，所以選擇小規格的割嘴為宜。

(2) 切割氣體選擇丙烷，考慮是總熱值高。但缺點是預熱時間長、切割速度慢。為提高丙烷的氣割性能, 使用時加入少量的添加劑,但添加劑的使用影響丙烷的純度，氣體的純度會影響切割邊緣的光滑度。切割時氣體不穩，會產生豁口等質量缺陷，綜合因素切割速度宜選擇慢一些。

圖4、5為7#陰極扁鋼正反面切割效果圖。

圖4 合格品正面

圖5 合格品背面

4 結 論

通過前期的試驗及后期大量切割加工，重點總結出以下四點關鍵措施：

(1) 切割前預先進行矯直及清理氧化皮必不可少，是確保通透縫切割直線度符合要求的前提。

(2)φ8的通透孔底面切割效果最理想，同時因鉆頭直徑增大，使用壽命延長。

(3) 切割使用6#割嘴，氧氣、丙烷壓力保持在2～1.8 MPa和1.4～1.2 MPa之間。切割速度控制在100～80 mm/min。過程中氣體壓力必須保持穩定，通透縫整體切割效果最好。

(4) 切割起步前，火焰切割機要對切割面進行4-5 s來回預熱處理。切割中速度盡量一次調整到位，切割到終點時，要停頓2 s左右，可以減少收尾中的小尾巴缺陷。

通過上述充分的準備和嚴格的工藝執行，產品切口質量滿足工藝要求，合格率提升到95%。據相關材料介紹采用新結構的陰極扁鋼，電解槽平均電壓降低 90 mV，電流效率提高 1.08% ，噸鋁直流電耗降低 420 kWh[4]。以酒鋼東興鋁業電解鋁40萬噸產量計算，年降低電耗：40萬噸/年×420 kWh×0.33元/每度電=5 544萬，經濟效益十分顯著。