七冶炉窑建筑工程有限责任公司 贵州贵阳 550014
摘要：铝电解槽在长期运行过程中出现槽壳长侧板鼓肚、摇篮架开焊断裂以及电解槽出铝和烟道两端上翘等变形现象，严重破坏电解槽炉膛内型，给电解槽指标带来不利影响，并且这种状况在电解槽运行中很难修复，一直持续到停槽大修。本文全面分析了电解槽在每个运行阶段的变形原因，以及应采取的预防措施，保障电解槽规整稳定的炉膛内型，获得良好的运行指标。同时在槽大修方面给出了槽壳校正评判标准及槽壳校正方法，可以为电解槽槽壳校正提供借鉴和参考。
关键词：铝电解槽；槽壳变形；原因分析；槽壳校正
前言
槽壳是铝电解槽的重要组成部分，不仅作为结构件承载电解槽内衬的各种应力，而且对电解槽的通风散热起到关键性作用，是电解槽结构场、电热场和场设计的重要组成部分。而槽壳的结构形式也是随着不断革新，从直角摇篮架结构，发展到船型摇篮架结构，再到目前的新型一体化槽壳结构。
1 质量要求
在槽壳制作中，总结了以往的经验，采用新工艺提高了焊接质量和效率。采用的新工艺有如下特点：摇篮架依托T型钢技术，保证腹板与翼缘板熔深，防止变形；长侧立板和端侧立板连接立缝采用单面焊双面成型技术；底板拼接和大面侧板焊接采用翻转胎具；端侧围板与围带之间组对采用预先开坡口和二次下料，保证尺寸公差。
（1）尺寸规格。槽壳整体外形长度18500±5mm，宽度4900±3mm，高度2412±3mm，总重约44.86吨。由槽底板（含底梁）、端部组件、大面组件以及支i座梁共6个部件组成，各部件基本连接形式均为焊接。槽壳的制作难点为尺寸偏差和焊接质量的控制，因此采取反变形和二次下料手段控制变形，通过减少手工焊提高焊接质量，最后由分部件矫正和整体矫正两个步骤控制偏差。
（2）材料要求。焊接材料是根据所焊钢材的化学成分、机械性能、焊接接头的抗裂性能，耐蚀性能，焊后是否热处理、使用条件等综合因素考虑后选定的。钢材采用GB/T700-2006《碳素结构钢》中规定的Q235B和GB/T1591-2008《低合金高强度结构钢》中规定的Q345B钢材。
（3）制作流程。制作采用“工厂预制、工地组装”的建造模式和“机械化大流水”的进度安排，分部件预制，减小焊接难度，焊接细节控制精确；分专业班组制作，形成机械化流水，以缓解车间土建建设压力，便于与铝母线施工同步推进。
2 槽壳变形原因分析
2.1设计原因引起的变形
随着铝电解工业的发展，电解槽在设计上不断进步，前期设计上的不足在后续的应用中慢慢显现出来。例如：早期设计的双围板电解槽（160kA槽型、200kA槽型），熔体区钢窗口没有安装散热片，空气流动效果差，形成的炉帮薄厚不均，侧壁钢窗口温度相差较大，温度梯度产生的应力引起电解槽长侧板外鼓变形；电解槽槽壳不仅是盛内衬的容器，而且还起着支承电解槽重量，克服内衬材料在高温下产生的热应力和化学应力迫使槽壳变形的作用，所以槽壳必须具有较大的刚度和强度，而在某企业240kA系列电解槽长侧板采用12mm厚的钢板（通常设计钢板厚度的16mm），由于钢板的厚度变薄强度降低，对电解槽应力释放时的束缚力变差，造成槽壳严重变形；在某企业，设计中为了节省材料减低成本，将第二组摇篮架与倒数第二组摇篮架剔除，结果电解槽在该位置对应的长侧板出现局部的“S”弯，严重影响电解槽的安全运行。
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2.2焙烧阶段热膨胀作用造成的变形
电解槽焙烧阶段由于阴极炭块的热膨胀，槽壳上部受力大于槽壳下部，从而形成槽壳中间呈弧形上拱变形，随着工作电压、电解温度、铝量等工艺技术条件逐步稳定匹配后，该变形都会逐步恢复。
2.3正常运行阶段槽内衬膨胀挤压造成的变形
资料表明：电解槽启动初期新鲜的炭素阴极以及微细的缝隙中，钠元素析出后生成嵌入式碳钠化合物C64Na和C12Na，在温度变化时，这种化合物将产生体积膨胀应力，在应力释放的过程中导致槽壳变形。电解槽的正常生产阶段，钠渗透的影响逐步减弱，更多的影响来自铝和电解质的渗透，渗透的铝和电解质到达防渗层形成凝固结晶体，随着结晶体的不断积累产生的体积膨胀应力导致槽壳的变形；另外，当电解槽工艺技术条件波动时，电解槽热平衡波动加剧，热平衡破后产生温度梯度热膨胀应力，该应力释放的过程中引起槽壳的变形。所以，电解槽槽内衬的体积膨胀变应力和工艺技术条件波动时的热膨胀应力是造成槽壳变形的主要因素。因此，生产中提高电解槽工艺技术条件稳定性是缓解槽壳变形的重要举措。
2.4电解槽停槽冷却期间的弹性变形
电解槽在停槽冷却至常温期间，槽内衬各部下降速度不等，槽壳上口冷却收缩较快，在电解槽上部结构吊离后，会发现电解槽出铝和烟道两端产生弹性变形导致上翘。大修槽在槽内衬清理阶段，为使电解槽内衬材料快速降温，同时降低清理难度，近几年很多企业采用湿法挖掘机刨炉，就是向槽内注入一定量水，注水后的内衬材料产生体积膨胀，使得电解槽长侧板向外扩展变形，值得注意的是需要严格控制注水量，减缓电解槽槽壳变形。综合上述，电解槽变形原因主要为温差梯度作用产生的应力和槽内衬体积膨胀产生的应力，表现为正常生产时的槽壳长侧板外鼓变形。另外，电解槽在大修内衬清理结束后也会有槽壳的弹性变形，表现为出铝和烟道两端槽壳向上翘引起的变形。当槽壳的变形超出一定范围时需要校正，下面重点谈槽壳的校正。
3 电解槽槽壳校正工艺
3.1电解槽两端上翘的校正工艺
对于电解槽出铝和烟道两端上翘的弹性变形的校正，可使用预制的L型压铁放置在电解槽四角，也可在槽壳底部放置配重块，达到与上部结构同等配重的效果，这样可预防因槽内衬物料清理后的弹性变形；对于两端上翘严重的电解槽，建议采用先安装上部结构再扎固阴极糊料的办法，可避免因上部结构回吊，两端弹性归位而出现阴极中缝裂纹，为后续电解槽焙烧启动留下隐患。
3.2电解槽长侧板变形的校正工艺
长侧板变形的修复工艺：确定位置→安装手动倒链→火焰消除应力→拉拽手动倒链→摇篮架焊缝检查与修复→侧长板与摇篮架间隙补垫→紧固工具拆除；对于“S”弯的局部修复，应先在侧长板上找到拉伸位置，焊接胎具，接下来的步骤同上。具体校正过程如下：槽壳长侧板纵向变形校正时应在槽壳两侧对称分布的摇篮架上水平方向设置多个手拉倒链，一端固定在A面长侧板上沿，一端固定在B面对称位置的钢窗口（或长侧板上沿），然后通过600℃~800℃火焰加热校正，边加热边拉拽手拉倒链，拉拽的同时，注意观测摇篮架开裂缝的复位情况，如发现开裂的焊肉阻碍摇篮架开裂口复合时，应及时割除。
4 总结
电解槽槽壳技术将向着大幅提高槽壳结构的整体换热性能，回避传统槽壳设计缺陷的同时材料用量少、投资经济性好，以及适于新型建造模式的方向发展，新型400kA铝电解槽槽壳的焊接制作技术，在一定程度上将大大有利于我国的电解铝生产技术发展。
参考文献：
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论文作者:韩万新
论文发表刊物:《防护工程》2019年第5期
论文发表时间:2019/6/10
标签：电解槽论文; 应力论文; 内衬论文; 摇篮论文; 结构论文; 两端论文; 热膨胀论文; 《防护工程》2019年第5期论文;