阳极钢爪头的修复方法及其应用
技术领域
本发明涉及电解铝生产技术领域，尤其是涉及一种阳极钢爪头的修复方法及其应用。
背景技术
阳极钢爪是电解铝生产过程使用较多的设备配件，由于其长时间与电解铝液接触，在高温、大电流作业环境中极易被腐蚀，从而造成消耗量大，修复任务较为繁重。长期以来，国内电解铝企业对阳极钢爪的修复均采用手工电弧焊方法，即传统围焊法，但因焊件坡口加工及焊接工艺的局限性，该焊接方法不仅效率低，而且焊接接头存在焊接面积小，接头强度低，电阻率大，使用寿命短等缺点，因此严重影响并制约电解铝企业对生产成本的控制。
针对传统围焊法的诸多缺陷，近几年相关研究者研发了一些新的修复方法，并已经投入使用，如熔铸技术、堆焊法、电渣焊、自动窄间隙电弧焊以及钎焊等。上述方法在一定程度上克服了围焊法修复的阳极钢爪强度低、电阻率大的缺陷，但也存在局限性，如熔铸技术设备投入大、占地面积大、安全性较差；堆焊法、电渣焊和自动窄间隙电弧焊均需要辅助圆钢棒和连接片，前期准备工作量较大；钎焊法装配精度要求较高，且对工人技术水平要求较高。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阳极钢爪头的修复方法，该修复方法简单高效，可以快速地恢复烧损阳极钢爪的原始径向尺寸，自动化程度高，修复效率高，可实施性强。
本发明提供的阳极钢爪头的修复方法，包括：
利用3D打印对待修复的阳极钢爪头进行修复。
进一步地，包括：
对规则阳极钢爪头的模型和待修复的阳极钢爪头的模型进行布尔差运算，得到待增材制造模型；
利用所述待增材制造模型在所述待修复的阳极钢爪头上进行3D打印，完成对所述待修复的阳极钢爪头的修复。
进一步地，利用所述待增材制造模型对所述待修复的阳极钢爪头进行3D打印包括：
将所述待增材制造模型分割成填充模型和盖面模型；
依次利用所述填充模型和盖面模型在所述待修复的阳极钢爪头上进行3D打印；
优选地，对所述填充模型和盖面模型进行切片之后再在所述待修复的阳极钢爪头上进行3D打印；
优选地，所述3D打印包括电弧3D打印。
进一步地，所述盖面模型的厚度与所述待修复的阳极钢爪头的直径之比为1﹕(5～10)。
进一步地，所述填充模型的切片厚度为4～7mm，
和/或，所述盖面模型的切片厚度为3～5mm。
进一步地，进行3D打印的材料包括金属丝材；
优选地，利用所述填充模型在所述待修复的阳极钢爪头上进行3D打印采用的金属丝材包括低合金钢焊丝；
优选地，所述低合金钢焊丝的屈服强度为200～350MPa；
优选地，利用所述盖面模型在所述待修复的阳极钢爪头上进行3D打印采用的金属丝材包括镍铬焊丝、镍铬钼焊丝以及镍铬钨钼焊丝中的至少一种。
进一步地，采用逆向工程的方法重构待修复的阳极钢爪头的模型，和/或
采用三维软件构建所述规则阳极钢爪头的模型；
优选地，所述逆向工程的软件包括Imageware、Geomagic Studio、CopyCAD以及RapidForm中的至少一种；
优选地，所述三维软件包括UG、PROE以及SolidWorks中的至少一种。
进一步地，利用所述盖面模型在所述待修复的阳极钢爪头上进行3D打印后得到盖面层，对所述盖面层进行平滑处理；
优选地，所述平滑处理包括打磨。
进一步地，所述待修复的阳极钢爪头经过预处理，所述预处理包括对所述待修复的阳极钢爪头进行清洁处理；
优选地，所述清洁处理包括喷砂处理和/或打磨处理。
一种前面所述的修复方法在电解铝生产过程中的应用。
与现有技术相比，本发明至少可以取得以下有益效果：
本发明的阳极钢爪修复方法简单高效，可以快速地恢复阳极钢爪烧损段的原始径向尺寸，自动化程度高，修复效率高，可实施性强；修复后的阳极钢爪的接头处强度高、电阻率低，使用寿命长，综合修复成本得以大大降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a为本发明一个实施方式中待修复的阳极钢爪头的模型示意图；
图1b为本发明一个实施方式中待修复的阳极钢爪头的模型示意图；
图2为本发明一个实施方式中规则阳极钢爪头的模型示意图；
图3为本发明一个实施方式中修复后的阳极钢爪头的示意图；
图4为本发明另一个实施方式中修复后的阳极钢爪头的示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的一个方面，本发明提供了一种阳极钢爪头的修复方法，该修复方法包括：
利用3D打印对待修复的阳极钢爪头进行修复。
本发明的阳极钢爪修复方法简单高效，可以快速地恢复阳极钢爪烧损段的原始径向尺寸，自动化程度高，修复效率高，可实施性强；修复后的阳极钢爪的接头处强度高、电阻率低，使用寿命长，综合修复成本得以大大降低。
需要说明的是，阳极钢爪头在使用过程中会被腐蚀或者烧损，待修复的阳极钢爪头指的是被腐蚀或者烧损的阳极钢爪头，待修复的阳极钢爪头可以是部分被烧损或者全部被烧损的阳极钢爪头。
可以理解的是，利用3D打印对待修复的阳极钢爪头进行修复是利用3D打印将待修复的阳极钢爪头缺失的结构补全。
在本发明的一些实施方式中，所述待修复的阳极钢爪头经过预处理，所述预处理包括对所述待修复的阳极钢爪头进行清洁处理；优选地，所述清洁处理包括喷砂处理和/或打磨处理。由此，清洁处理后的阳极钢爪头表面更光滑、干净，利于后续3D打印的进行，且打印在待修复的阳极钢爪头表面的材料与待修复的阳极钢爪头结合的更密切，利于提高修复后的阳极钢爪头的强度。
需要说明的是，对待修复的阳极钢爪头进行清洁处理指的是，可以对待修复的阳极钢爪头的全部结构进行清洁处理，也可以只对阳极钢爪头腐蚀或者烧损部位进行清洁处理。
在本发明的一些实施方式中，所述预处理包括以下步骤：
将待修复的阳极钢爪头烧损段喷砂处理，清除烧损段表面圬锈、铝渣和残留石墨，然后角磨机打磨烧损段使其表面呈金属光泽，采用酒精擦洗，吹干备用。
在本发明的一些实施方式中，参照图1a、图1b和图2，阳极钢爪头的修复方法包括：
对规则阳极钢爪头的模型2和待修复的阳极钢爪头的模型1进行布尔差运算，得到待增材制造模型；
利用所述待增材制造模型在所述待修复的阳极钢爪头上进行3D打印，完成对所述待修复的阳极钢爪头的修复(修复后的阳极钢爪头可参照图3和图4)。
由此，可以精确地得到规则阳极钢爪头与待修复的阳极钢爪头相差的结构，利用该结构的模型在待修复的阳极钢爪头上进行3D打印可以精确地修复待修复的阳极钢爪头。
可以理解的是，规则阳极钢爪头的模型和待修复的阳极钢爪头的模型指的是带有工艺参数的软件模型。
需要说明的是，规则阳极钢爪头指的是没有任何烧损或者无缺陷的阳极钢爪头；利用所述待增材制造模型在所述待修复的阳极钢爪头上进行3D打印过程中，将待修复的阳极钢爪头放入3D打印机中，直接在待修复的阳极钢爪头表面进行3D打印，以便于将待修复的阳极钢爪头恢复至规则阳极钢爪头的结构。
在本发明的一些实施方式中，采用逆向工程的方法重构待修复的阳极钢爪头的模型，和/或采用三维软件构建所述规则阳极钢爪头的模型。
由此，可以精确地获得待修复的阳极钢爪头的模型和规则阳极钢爪头的模型。
在本发明的一些实施方式中，采用逆向工程的方法重构待修复的阳极钢爪头模型时，首先采用3D扫描仪对待修复的阳极钢爪头进行3D扫描，获取扫描点云数据，然后采用逆向工程软件处理和优化扫描点云以生成规则的结果点云，根据规则的结果点云构建出NURBS曲面输入到3D CAD软件，形成待修复的阳极钢爪头模型。
在本发明的一些实施方式中，所述逆向工程的软件包括Imageware、GeomagicStudio、CopyCAD以及RapidForm中的至少一种；所述三维软件包括UG、PROE以及SolidWorks中的至少一种。由此，更利于精确地获得待修复的阳极钢爪头的模型和规则阳极钢爪头的模型。
在本发明的一些实施方式中，参照图3和图4，利用所述待增材制造模型对所述待修复的阳极钢爪头进行3D打印包括：
将所述待增材制造模型分割成填充模型21和盖面模型22；
依次利用所述填充模型21和盖面模型22在所述待修复的阳极钢爪头上进行3D打印。
由此，先利用填充模型在待修复的阳极钢爪头上进行3D打印可以填补待修复的阳极钢爪头的空缺，再利用盖面模型在待修复的阳极钢爪头上进行3D打印可以将待修复的阳极钢爪头的直径恢复至规则阳极钢爪头的直径大小(修复后的阳极钢爪头可参照图3和图4)。
需要说明的是，利用所述填充模型和盖面模型在所述待修复的阳极钢爪头上进行3D打印是根据所述填充模型和盖面模型在计算机中设定所述填充模型和盖面模型的工艺参数，根据工艺参数进行3D打印。
在本发明的一些实施方式中，所述盖面模型的厚度与所述待修复的阳极钢爪头的直径之比为1﹕(5～10)，例如可以为1:5、1:6、1:7、1:8、1:9或者1:10等。相对于上述直径比范围，当盖面模型的厚度与所述待修复的阳极钢爪头的直径之比大于1:10时，盖面层厚度较大，填充层厚度较小，由于盖面层采用镍铬焊丝、镍铬钼焊丝以及镍铬钨钼焊丝，较厚的盖面层产生较大应力，形成裂纹等缺陷，不利于提高修复后阳极钢爪头的导电性，此外，Ni、Cr、Mo价格昂贵，增加成本；当盖面模型的厚度与所述待修复的阳极钢爪头的直径之比小于1:5时，盖面层较薄，电弧熔覆采用较小的热输入，减小熔深，降低了3D打印效率。
在本发明的一些实施方式中，对所述填充模型和盖面模型进行切片之后再在所述待修复的阳极钢爪头上进行3D打印。由此，切片操作利于后续3D打印的进行。
在本发明的一些实施方式中，所述填充模型的切片厚度为4～7mm(例如可以为4mm、5mm、6mm或者7mm等)，和/或，所述盖面模型的切片厚度为3～5mm(例如可以为3mm、4mm或者5mm等)。相对于上述厚度范围，当填充模型的切片厚度过厚时，则电弧熔覆的熔深较大，导致热输入较大，从而增大填充层熔覆金属的残余应力，且增加热影响区宽度，降低热影响区性能，当填充模型的切片厚度过薄时，则电弧熔覆的熔深小，热输入较小，降低3D打印效率；当盖面模型的切片厚度过厚时，则增加镍铬焊丝、镍铬钼焊丝或镍铬钨钼焊丝的用量，Ni、Cr、Mo价格昂贵，增加成本，同时较厚的盖面层产生较大应力，形成裂纹等缺陷，不利于提高修复后阳极钢爪头的导电性，当盖面模型的切片厚度过薄时，则电弧熔覆采用较小的热输入，减小熔深，降低了3D打印效率。
在本发明的一些实施方式中，所述3D打印包括电弧3D打印。
在本发明的一些实施方式中，进行3D打印的材料包括金属丝材。由此，利用金属丝材进行打印修复的阳极钢爪头强度较高。
在本发明的一些实施方式中，利用所述填充模型在所述待修复的阳极钢爪头上进行3D打印采用的金属丝材包括低合金钢焊丝；所述低合金钢焊丝的屈服强度为200～350MPa。由此，修复后的阳极钢爪头的强度较高。
在本发明的一些实施方式中，利用所述盖面模型在所述待修复的阳极钢爪头上进行3D打印采用的金属丝材包括镍铬焊丝、镍铬钼焊丝以及镍铬钨钼焊丝中的至少一种。由此，材料来源广泛，且上述材料耐高温，强度较高，修复后的阳极钢爪头的性能较佳。
在本发明的一些实施方式中，利用所述盖面模型在所述待修复的阳极钢爪头上进行3D打印后得到盖面层，对所述盖面层进行平滑处理。由此，平滑处理后使得该面层与无烧损部位可以平滑过渡，整体性更强。
在本发明的一些实施方式中，所述平滑处理包括打磨。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种前面所述的修复方法在电解铝生产过程中的应用。
可以理解的是，在电解铝生产过程中不可避免地会引起阳极钢爪头的损坏，可以利用前面所述的方法对损坏的阳极钢爪头进行修复。
下面结合具体实施方式，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例
实施例1
阳极钢爪头的修复方法包括以下步骤：
步骤一、前期准备：将待修复的阳极钢爪头烧损段喷砂处理，清除烧损段表面圬锈、铝渣和残留石墨，然后角磨机打磨烧损段使其表面呈金属光泽，采用酒精擦洗，吹干备用；
步骤二、三维建模：采用逆向工程的方法构建步骤一处理的待修复的阳极钢爪头模型，采用三维软件(UG)构建规则阳极钢爪头模型，将规则阳极钢爪头模型与待修复的阳极钢爪头模型进行布尔差运算，得到待增材制造模型，
其中，采用逆向工程的方法重构待修复的阳极钢爪头模型时，首先采用3D扫描仪对阳极钢爪烧损段进行3D扫描，获取扫描点云数据，然后采用逆向工程软件(Imageware)处理和优化扫描点云以生成规则的结果点云，根据规则的结果点云构建出NURBS曲面输入到3D CAD软件，形成待修复的阳极钢爪头模型；
步骤三、将待增材制造模型分割成填充模型和盖面模型，盖面模型的厚度与所述待修复的阳极钢爪头的直径之比为1﹕8；
步骤四、模型切片：选用金属丝电弧增材3D打印设备，采用3D打印设备自带切片软件对填充模型和盖面模型进行切片，填充模型的切片厚度为4mm，盖面模型的切片厚度为3mm；
步骤五、增材修复：设定填充层3D打印工艺参数，采用屈服强度为300Mpa的低合金钢焊丝打印填充模型；设定盖面层3D打印工艺参数，采用镍铬焊丝打印盖面模型；
步骤六、后期处理：打印完毕，打磨3D打印盖面层使其与钢爪头无烧损部位平滑过渡，完成该阳极钢爪头的修复。
实施例2
阳极钢爪头的修复方法同实施例1，不同之处在于填充模型的切片厚度为7mm，盖面模型的切片厚度为5mm。
实施例3
阳极钢爪头的修复方法同实施例1，不同之处在于填充模型的切片厚度为6mm，盖面模型的切片厚度为6mm。
实施例4
阳极钢爪头的修复方法同实施例1，不同之处在于填充模型的切片厚度为2mm，盖面模型的切片厚度为2mm。
实施例5
阳极钢爪头的修复方法同实施例1，不同之处在于填充模型的切片厚度为9mm，盖面模型的切片厚度为7mm。
对比例1
阳极钢爪头的修复方法包括以下步骤：
第一步，首先将待修复的阳极钢爪头的烧损段完全切除，切割面修成平面；根据钢爪头的设计尺寸，选取一段与该阳极钢爪头材质和直径相同的圆钢棒，端面车削成平面；
第二步，选取与待修复阳极钢爪头材质相同或相近、长度15～35mm、直径4～10mm的辅助连接棒，并将其环焊在阳极钢爪头的切割面和圆钢棒端面之间，保证阳极钢爪头、辅助连接棒和圆钢棒同轴，在阳极钢爪头和圆钢棒之间形成环形堆焊空间；所述辅助连接棒的直径≥6mm时，其两端为圆锥台结构，其锥度为90°，端部圆台直径为2mm；辅助连接棒的直径＜6mm时，辅助连接棒为圆柱体；
第三步，采用熔化极气体保护焊(所用焊丝为药芯焊丝)将整个环形堆焊空间焊实，即完成一个阳极钢爪头的焊接修复。
对利用实施例1-5和对比例1的修复方法修复后的阳极钢爪头，以及新钢爪头(即没有使用过的阳极钢爪头)进行取样，测试其压降，测试结果见下表1：
表1
压降的测试方法为采用电压降测试仪对所取试样测试其压降。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
