铝电解槽上部结构的工法制造.docx

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铝电解槽上部结构的工法制造

铝电解槽上部结构的工厂化制造工法

中国长城铝业公司建设公司

2010年5月20日

目录

一、立项背景………………………………………………………………………1

二、技术难度和关键技术创新点…………………………………………………1

1.铝罩板的加工和焊接………………………………………………………2

1.1铝罩板成型设备的设计相关技术开发…………………………………2

1.2铝罩板成型设备技术应用………………………………………………4

2.箱形梁的防变形处理………………………………………………………5

3.阳极母线大梁的加工………………………………………………………6

3.1母线阳极大梁的加工设备的设计相关技术开发………………………6

3.2母线阳极大梁的加工设备的应用………………………………………7

4.料斗旋转胎具的设计………………………………………………………8

5.上部结构的总装……………………………………………………………9

三、转化应用和推广情况…………………………………………………………12

一、立项背景

2007年中国长城铝业建设公司和卡塔尔铝业有限公司签署了铝电解设备上部结构的供应合同，合同内容包括708套铝电解槽上部结构及相关附属设备，总重量1.8万吨。

合同工期两年多，合同额约五千多万欧元，是长铝建设公司涉足海外市场以来最大的单子，也是我国铝电解设备出口额最大、加工零部件最多的一个项目。

该项目对长铝建设公司实施“走出去”发展战略具有十分深远的影响，该项目如果按照既定的方针、目标顺利运作成功，对公司在海外市场的经营将是一个新的里程碑式跨越，将进一步巩固长铝建设公司在海外出口业务板块的基础，并进一步提高公司的品牌效应，将为公司赢得更多的市场创造了非常有利的条件。

为了确保该项目成功运作，2007年9月24日，长铝建设公司召开了海德鲁卡塔尔铝电解项目部成立大会，同时成立了以张中伟同志为组长的铝电解槽上部结构的制造工法的技术攻关小组，并把此科研项目列入了中国长城铝业公司建设公司2008年度的科技攻关计划中。

二、技术难度和关键技术创新点

该项目由世界知名铝业公司挪威海德鲁铝业设计，铝电解槽上部结构长12700mm，宽4250mm，高3050mm，单重23吨，主要有框架支撑部件（门型柱、箱形梁等）、氧化铝供料系统（料斗、气动打壳机构、定容下料器等）、阳极提升装置（阳极提升机构、阳极母线等）、作业环境密封和废气收集系统（水平罩板、边罩板、角罩板、出铝端门、集气管等）等组成，结构复杂，零部件多，材料、制造公差、焊接等涉及到EN欧标、DIN德标、BS英标等世界标准。

因为设备外形尺寸大，制造质量标准又极其严格，这就给我们带来了一系列技术难题，例如铝罩板的成型；箱形梁的防变形处理；阳极铝母线大梁加工；上部结构的总装方案，这些问题能否成功解决决定着整个项目的运作成败。

此外，此次铝电解项目与以往国内类似电解工程加工方式不同，阳极上部结构不在电解车间进行组装，而是在生产车间直接制作组装成完整的设备，包括氧化铝喂料系统、气动打壳系统、母线提升机构及支撑系统、烟气密封系统在内整体上部结构各部分组装完整，设备运抵卡塔尔现场后可直接在电解槽上就位，这样更增加了加工制造难度。

经过多次分析讨论，我们根据设备产品各部分特性和结构特点对该上部结构进行了必要的部件拆分，同时考虑到组装时的方法和难度，提出适合的改进意见，对产品结构的具体细节部分进行优化，分部件进行制造，集中在整体组装胎具上进行最终的组装、检验和模拟功能性测试。

将整体箱型梁拆分成三段进行制作，这为阳极母线升降装置留下了安装空间并且不影响结构安全性；依靠顶部集气管的结构强度与稳定性，将左中右三段箱型梁有机连为一体；风动管道整组的安装在集气管内侧的管道支架上，可以得到有效地保护，而且每根管路已与打壳气缸接口连接，到现场只需连通气源、气控柜，打壳系统即可运作；这些措施的采用更加有利于上部结构工厂化生产的实施。

1、铝罩板的加工和焊接

该项目的铝罩板一共有24000块，由厚度1.5mm的5052H14铝合金板压制成型后再组对焊接成成品，板型复杂，分A、B、C、D4种类型，每种板型各异，见附图板型A结构，既带波纹还有折边，因密封要求，每相邻两块罩板的活动间隙必须控制在3~5mm，两块罩板搭接密封面平行度、平面度均为2，且表面不得有压制划痕，因此其制造的难点主要是压制成型和焊接防变形。

1.1铝罩板成型设备的设计相关技术开发

前期，中国长城铝业公司建设公司的科技攻关小组，结合车间实操工人的经验，设计了简易的板式压力机，如下图所示：

压力机制作完成后就进行了试压，没有成功，又通过完善液压控制，精准控制压力，精加工压制胎具等措施，经过多次的试验，仍然没有生产出合格的产品，存在的问题主要有：

ａ、板材的表面光洁度不能保证；

ｂ、成型不到位有回弹；

ｃ、过压有断裂；

ｄ、生产效率低。

经过失败的教训，技术组对试验结果进行了总结，对失败的原因进行了分析，对于这种材质的铝合金板，弹性比较大，如果采用强制挤压的方法成型，在压制过程中如果板材的应力没有得到充分的释放，压力不够就反弹，压力过大就断裂。

所以说要想保证铝罩板的产品质量又要满足合同工期的要求，没有新的思路是行不通的。

针对于卡塔尔项目的工期以及质量要求，新的铝罩板生产设备必须要能保证生产效率同时还要保证产品质量。

基于这样的目标，技术组经查阅过大量的相关技术资料联想到建筑用彩钢板的制作工艺后，决定依据彩钢板制作工艺的原理重新设计一台设备。

经过市场考察，技术组和新乡一家机械生产厂家建立了联系，并签署了技术协议，共同就新的铝罩板挤压成型设备进行设计。

生产线功能要求按照入料——校平——送料——切口——成型——切断——出料的生产工艺流程，完成铝罩板的生产。

其中入料导正要求完成板料进入成型前的导向，导向装置可以纵向对中可调，可定位锁紧或独立微调；校平装置需要含动力夹送辊，并可以自由调节升降，方便调整校平间隙及校平倾角；切口装置采用液压驱动方式，停机切断，并采用可调结构适应不同宽度的板材；成型机设计采用独立牌坊结构，由交流电机、减速机驱动成型机、齿型链传动和机架组成，需要精加工去应力处理；剪切装置同样采用液压传动，设定长度，到达测定长度时液压缸动作带动切断模具将型材切断。

1.2铝罩板成型设备技术应用

新的设备采用了彩钢板的生产线原理设计，并加以改进，采用渐变的挤压轮使铝板成型，充分释放应力，使其不再回弹。

同时针对项目对产品的不同形状要求，采用更换挤压轮的方法生产不同形状的铝罩板。

为了提高生产力，新的设备采用的是流水线式作业，极大的提高了生产效率，充分满足了产品的工期要求，成型设备如下图示：

经过生产试制，此台设备流水线生产能够充分满足技术合同规定的产品表面质量及尺寸要求，生产效率得到了极大的提高，减少了大量人工，每件产品按节省人工5个，每个人工50元，则总计节省人工费用50×5×24000=600万元。

2、箱形梁的防变形处理

该项目的箱形梁共计708台，每一台分为左中右三段，主要采用8mm碳钢制作，总重3.79吨：

箱形梁是铝电解槽上部结构最主要的支撑件，上部结构的绝大部分的部件都是安装在其上面的。

为保证各个部件的准确定位和稳定性，箱形梁的尺寸公差和焊接质量要求是非常严格的，由于箱形梁的焊缝比较多，焊缝长度超百米，且筋板比较多，生产操作过程中焊接极易产生变形，造成尺寸偏差，出现不合格品，所以说，箱形梁的组对成型的难点主要在组对焊接过程中防变形处理。

技术组在讨论解决防变形方案时，一致认为仅靠合理的施焊工艺是不能根除焊接变形的问题的，必须要采用一定的强制措施才能保证变形量在合格范围内，通过集思广益，结合钢构的生产经验，技术组设计了一系列的防变形胎具，以强制限制变形量，其简要胎具布置如下图示：

这一系列的胎具，经过试生产，运用成果良好，既保证了产品的尺寸误差又有效控制了产品的焊接变形。

3、阳极母线大梁的加工

3.1母线阳极大梁的加工设备的设计相关技术开发

    3.1.1每台阳极上部结构安装一组阳极母线大梁，铝母线梁是上部结构的核心部件，结构见下面的附图，根据设计要求需要先将厚度为150MM的铝排组对焊接成整体，然后再进行机加工，组对后外形尺寸12000*1600*650，重6.7吨，像这种大型精密加工母线梁在国内尚属少见，加工难度可想而知。

两侧的阳极挂架安装孔共计60组，孔径和孔距都必须满足ISO2768MK级标准的规定，两侧的两组150mm直径的阳极提升机安装孔必须保证双侧的同轴度关系0.02mm并且孔距公差也必须控制在0.02mm，孔的内表面加工精度为3.2。

另外母线梁两外侧面需要精加工，要求两工作面的平行度为2，平面度2，以确保与其连接件铝导杆的紧密结合保证电流的有效传送，因此在加工中如何保证螺栓孔的精确定位和母线外表面的粗糙度的问题就成了该项目的关键技术点。

而传统的大型普通机床无法实现多功能和多方向，并且在公差保证上不可避免的产生由于工序倒换造成的累积误差过大。

3.1.2技术组结合铝罩板加工设备的设计经验，认为采用传统的一般加工设备均不能保证生产出合格的阳极母线大梁，必须开拓创新设计出新的加工设备来完成。

这就需要加工设备需要具备机、电、液压先进技术于一体的机械加工设备，还应具备平面、曲面和孔的加工。

对工作平台的要求就需要平台长度大于12m宽度大于1.6m，工作台的承重需要大于7吨。

进给轴向运动的参数也要均大于母线梁的尺寸。

在设备的配置方面要求具有良好的减震性、热稳定性、整机的结构强度与刚性要高。

在结构方面需要具备刀具的冷却和铁屑的收集装置，设备的导轨结构需要采用硬轨结构，结构刚性好避免部件运动有粘合、无爬行和间隙的现象出现。

还需要有自动润滑、防护保护装置和数控、电控系统等。

3.2母线阳极大梁的加工设备的应用

有了初步的设计思路，通过考察市场，技术组和山东威海一家生产数控加工设备的厂家取得了联系，并就共同设计开发生产阳极大梁的设备达成了共识，签署了技术协议，历时5个月的时间，新的加工设备应运而生，如下图示：

新的能够采用计算机数控系统，具备镗、铣、刨、钻等多项机械加工功能，既保证了加工精度，又扩展了设备使用用途，不仅加工阳极母线大梁能用，日后加工其他的大型加工件也可以使用。

机床的龙门框架的床身、工作台、立柱、横梁、横向流板、铣头滑枕等基础件均采用树脂砂造型，高强度HT300优质铸铁，并经过时效处理，具有高刚度，良好的抗挠性和优良的精度稳定性。

其中工作台面有固定或夹紧工件的“T”型槽，工作台导轨采用涂含氟的耐磨涂层复印成型导轨技术。

横梁式龙门机床的关键部件，它除支撑历史镗铣头外，还承受立式镗铣头加工时产生的主切削力，具有足够的刚性保证加工精度。

龙门刨床的按钮站采用悬挂按钮实行集中远距离操作，按钮站可以左右移动，操作方便，并设有安全联锁保护保证了工作的安全可靠。

机床主要的技术参数：

工作台尺寸2000×13000mm，工作台承重8000kg/m，可以完全满足阳极母线的加工要求。

进给轴运动参数：

在X、Y和Z向行程分别为13500、3200和1200mm。

机床的运动定位精度在X、Y和Z轴分别可达0.085、0.035、0.025m，精度完全可以满足加工件的要求。

设备投入生产立即体现出其优良的加工性能，既保证了产品的表面质量以及螺栓孔的定位施钻符合合同技术文件要求，同时阳极母线大梁的生产效率也得到了极大的提高，节省了大量的加工费用，常规加工需要铣面、镗孔多个工序，需要多台加工设备才能完成，加工一套母线大梁少则需2天，而采用新的设备流水线作业，日平均生产母线2套，大大缩短了加工时间，为后续的总装工序提供了强有力的时间保证，从所用人工角度考虑可节省人工费用一半以上，就加工费用而言，常规外委加工费每吨3000元左右，采用新设备只需1500元/吨，则总计节省加工费用1500×6.7×709=712.5万元。

4、料斗旋转胎具的设计

该项目每台铝电解槽上部结构有5个料斗，共计3555个，置于箱形梁中部，搭载进口的气动打壳装置，是铝电解槽上部结构的储料下料部件，其结构相对复杂，施焊量也比较大，每台料斗仅角焊缝就超过30米，为了提高焊接的质量、提高施焊生产率，技术组通过对产品的熟悉、分析设计了施焊用翻转胎具：

胎具设计的具体结构：

2个方钢管立柱、1个套筒、2个旋转轴、1备用法兰、1个带孔法兰、2方钢管焊接成90度的弯头外加1个简易支撑。

胎具设计应用的技术实施过程：

套筒与立柱固定焊接，轴与法兰1焊接后与料斗本体的法兰2固定连接，这样轴就可以自由在套筒中旋转；翻转胎具另一端同样采用轴与方钢管焊接后，确保与左端支架的轴同心，与料斗本体的方钢管套接在一起。

在带孔法兰的孔部用插销的方式控制料斗的旋转角度。

根据料斗旋转后的高度选择不同高度的支撑，以保证料斗在施焊过程中的稳固性。

料斗是在整体点焊后放到该支架上可以360度旋转焊接，避免仰角焊接。

具体结构见下图。

结构简单，但是作用非常大，可以保证施焊工人在操作的过程中一直保持合适的施焊方式，既减小了施焊难度，降低了工人劳动强度，又提高了生产效率，而且充分保证了合同技术文件的质量和工期要求。

5、

上部结构的总装

前几项都是上部结构关键部件的制造加工难点也是该项目的制造加工手段的创新点，是生产出合格产品的基础和前提条件，那么到了出产品的最后一道工序——设备的总装，其总装的工艺是否科学就决定了产品的最终质量和项目运作最终的效益。

铝电解槽的上部结构应该说是电解设备中最复杂的设备，如何设计出合理、科学的配工艺也是该项目一个难点，也是铝电解槽上部结构工厂化制造的关键技术点。

技术组总结以往海外项目各方面经验，深入研讨，根据产品特性和结构特点进行划分，逐渐细化各个结构或功能部件，开展了部分试制，通过样品的试组装，最终归纳制定出一套切实有效地铝电解设备整体车间化生产流程和制造加工工艺。

该工艺是以设备的结构特点为依据，进行必要的部件拆分，同时考虑到组装时的方法和难度，提出适合的改进意见，对产品结构的具体细节部分进行优化，分部件进行制造，集中在整体组装胎具上进行最终的组装、检验和模拟功能性测试。

设备总装步骤如下：

第一步：

首先将水平罩板置于组装平台上，校平；

第二步：

选取4个位置放置母线梁临时支撑架，然后将加工好的阳极母线梁放置于支架上面，保证母线梁与水平罩板中心相吻合，并确保母线梁高度处于行程中间位置；

第三步：

将门型柱贴于水平罩板两端位置，调整两门型柱中心距离；

第四步：

将事先组对好的箱型梁体正方向置于水平罩板上，注意集气管两侧对准门型柱上端转矩轴两侧的连接板；

接下来进行焊接，焊接顺序为：

首先焊接水平罩板与门型立柱连接部位角焊缝，然后焊接集气管与扭转轴两侧的连接板部位焊缝，之后进行转矩轴挂臂的安装与焊接，最后焊接水平罩板与箱型梁接触部位角焊缝。

焊接过程采取夹具控制焊接应力变形，尤其控制水平罩板及箱型梁上拱。

第五步：

安装减速机底座板，注意两块处于同一水平面，然后阳极提升装置就位，再穿母线梁提升横轴，最后将母线梁临时支撑取走。

到此为止，主体结构组装基本结束，可以逐次安装铝料斗、打壳缸、空气管路系统和端部罩板及出铝端铝合金门等附属内外部构件。

采用该组装工艺后，样品一次验收合格，产品质量完全达到欧美标准。

这与以往类似工程加工方式不同，阳极上部结构不在电解车间进行组装，而是在生产车间直接制作组装成完整的设备，设备运抵卡塔尔现场后可直接在电解槽上就位，这种施工方式开创了中国国内电解槽上部结构工厂化施工的先河，把传统的施工现场拼装变为工厂化施工，大大缩短了电解工程的工期，提高了质量水平，减少了安全隐患，并且大大降低了生产成本，实现良好的经济效益。

新工艺可以日平均组装上部结构两台，大大缩短了制造工期，节省了大量工程成本。

与以往电解项目施工方法相比，以往在现场组装电解槽及上部结构每吨需制作费用至少2000元，而现在每吨成本只需800元左右，直接节省工程成本：

1200×23×709=1956.8万元。

三、转化应用和推广情况

该铝电解槽上部结构的工厂化制造工法在2007年至2009年的卡塔尔合同实施过程中，进行了全面的应用和推广，随着项目的顺利进展，此工法也在每台设备的制造过程中得到了一次又一次的成功验证。

截止2010年初合同履行完毕，赢得外方的信任和赞许，产品在卡塔尔投产试运行一次成功，该工法的成功应用进一步提高了中国长城铝业建设公司在海外市场的知名度，为长铝建设公司日后全面拓展海外市场创造了有力条件，同时该成果的应用也为中国长城铝业公司创造了非常好的经济效益。

该工法与传统方法相比，产品质量好、工期有保证、工程成本低，总计节省工程成本近3300万元。