淺談大型鋁電解槽陰極母線維修技術(shù)

李元山

（酒鋼集團(tuán)甘肅東興鋁業(yè)有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

在電解鋁生產(chǎn)中，因內(nèi)襯砌筑施工或材料缺陷、啟動(dòng)后期管理不足及槽齡增加等因素，會(huì)造成鋁電解槽滲漏或漏爐，該過程中損壞或熔斷槽周陰極母線的現(xiàn)象非常普遍，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋁電解槽或鋁電解系列停運(yùn)[1]。為了盡可能快的修復(fù)陰極母線，保證系列運(yùn)行安全，最大限度地降低因修復(fù)陰極母線帶來的經(jīng)濟(jì)損失，選擇合理的母線修復(fù)方法就顯得尤為重要了。

1 維修方法

破損陰極母線（包括陰極軟帶)修復(fù)時(shí)，根據(jù)母線破損部位和損毀程度，一般有壓接式修復(fù)、停電焊接式修復(fù)、帶電焊接式、高溫鋁液澆鑄熔接式修復(fù)、藥粉自蔓延焊接修復(fù)5種方法。上述幾種修復(fù)方法，在實(shí)際應(yīng)用過程中各有利弊。

1.1 壓接式修復(fù)（俗稱打夾板）

壓接式修復(fù)方法與電解生產(chǎn)中的導(dǎo)電母線連接原理相同，適合作業(yè)空間大、母線截面積小、電流密度大、破損輕微、需要暫時(shí)處理（補(bǔ)欠或補(bǔ)強(qiáng)）的情況[2]。其優(yōu)點(diǎn)是快速、不需停電即可操作，但該方式要求導(dǎo)電壓接平面必須光滑平整；缺點(diǎn)是破損陰極母線可能與其他母線間距小，進(jìn)而無法對(duì)壓接平面進(jìn)行銑削加工，只能打磨處理，會(huì)影響接觸導(dǎo)電性能。圖1為鋁電解槽陰極母線壓接式修復(fù)示意圖。

1.2 停電焊接修復(fù)

停電焊接修復(fù)方式是鋁電解槽陰極母線最早、也是最為傳統(tǒng)的修復(fù)方式，一般在小型鋁電解槽上應(yīng)用，但隨著槽型變大，一般不會(huì)在使用此種方法。

其具體內(nèi)容是：在全電解系列停電情況下，利用鋁焊片（鋁板）及氬弧焊機(jī)對(duì)母線破損部位進(jìn)行焊接。該過程中需要完成鋁板準(zhǔn)備、焊機(jī)安裝及接電等工作，要求系列停電4小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間，往往造成上百萬元經(jīng)濟(jì)損失（系列電流越大、槽臺(tái)數(shù)越多，損失越高），并影響系列中的正常生產(chǎn)槽。該方式的優(yōu)點(diǎn)是一勞永逸，可以一次性實(shí)現(xiàn)破損陰極母線的較高質(zhì)量修復(fù)。

圖1 鋁電解槽陰極母線壓接式修復(fù)示意圖

1.3 帶電焊接修復(fù)

鋁電解系列帶電情況下，陰極母線（槽周母線或槽底母線）所在的作業(yè)空間狹窄，槽底形成的磁場(chǎng)強(qiáng)度大，在陰極母線修復(fù)時(shí)，氬弧焊接過程中鋁液飛濺嚴(yán)重，焊接質(zhì)量無法保證，作業(yè)危險(xiǎn)性大，且設(shè)備投資大，故此種修復(fù)方式不常用。

1.4 鋁液澆鑄熔接修復(fù)

鋁液澆鑄熔接修復(fù)方法是在陰極母線破損位置加裝模具，利用高溫鋁液溶融破損斷面、使破損母線重新融合。其優(yōu)點(diǎn)是修復(fù)過程中，不需系列停電或銑削斷面，適合于斷口較大的陰極母線破損修復(fù)，具有修復(fù)成本低的特點(diǎn)；缺點(diǎn)是對(duì)施工溫度、熔斷面清理程度要求高，若澆鑄過程處理不當(dāng)，模具中鋁液冷卻后因體積收縮，會(huì)在破損部位形成空隙，給后續(xù)生產(chǎn)帶來隱患。

1.5 藥粉自蔓延焊接修復(fù)

藥粉自蔓延焊接修復(fù)方式是在陰極母線破損位置安裝的模具中，利用含鋁藥粉燃燒，形成高溫鋁液，使母線的兩個(gè)斷面融合。該方法適用于停槽或運(yùn)行槽陰極母線斷口較小、截面積較小的情況。

藥粉自蔓延焊接修復(fù)方式的優(yōu)點(diǎn)是斷面融合效果好；缺點(diǎn)是對(duì)斷面處理的要求高、修復(fù)成本高。

2 鋁液澆鑄熔接及藥粉自蔓延焊接

論文重點(diǎn)介紹大型鋁電解槽修復(fù)過程中常用的鋁液澆鑄溶解和藥粉自蔓延2種修復(fù)方式。

2.1 鋁液澆鑄熔接修復(fù)

該方式適合截面積較大、斷面破損較大的陰極母線修復(fù)。實(shí)施過程中需要把握3個(gè)重點(diǎn)環(huán)節(jié)：一是斷面處理，二是模型制作與安裝，三是澆鑄溫度的控制。

2.1.1 斷面處理

（1）根據(jù)斷面粘附電解質(zhì)或鋁的薄厚，用鋼刷或風(fēng)動(dòng)工具打磨，使斷面清潔無電解質(zhì)或鋁屑，再用煤油或丙酮刷洗斷面的粉塵和氧化物。

（2）在母線兩個(gè)斷面處，可用電鉆加工一些方向不規(guī)則的孔洞，孔洞要盡可能深、密?？锥醋饔檬窃跐茶T鋁液時(shí)，高溫鋁液充滿孔洞，形成類似錨釘?shù)墓潭_，在澆鑄母線收縮過程中，這些“錨釘”可以起到減少收縮的作用。

2.1.2 模型制作與安裝

（1）根據(jù)破損陰極母線截面寬度、長(zhǎng)度確定模具鋼板厚度。

鋁液澆鑄熔接修復(fù)方式多用于厚度為120mm、210mm以上母線，因此，建議鋼板厚度采用16mm以上（根據(jù)空間大?。┕潭輻U也采用M16以上；模型采用U型。

（2）模型鋼板尺寸：底板為母線厚度+兩塊鋼板厚度+余量（根據(jù)空間情況確定）。

（3）兩側(cè)板長(zhǎng)度：母線破損口長(zhǎng)度+200mm（根據(jù)空間情況確定）。

（4）兩側(cè)板寬度以破損母線寬度為準(zhǔn)。若空間安裝位置足夠或便于安裝，可將三塊鋼板焊接成型，直接安裝在破損母線處并進(jìn)行固定、封堵即可。實(shí)際情況下，陰極母線位置處大多空間狹小，因此焊接可由3塊鋼板活動(dòng)安裝，利用夾板及雙頭螺桿固定。

（5）夾板鋼板尺寸：以16mm以上為好，寬度80mm以上，長(zhǎng)度一般為母線寬度+100mm，數(shù)量為4塊（兩端開孔穿固定螺桿）。

（6）螺桿尺寸：母線厚度+兩塊夾板厚度+兩螺帽（及墊片）厚度+余量

（7）模型安裝

①為保證澆鑄部分冷卻凝固后補(bǔ)縮，安裝時(shí)模型底面可比原母線低10mm左右，澆鑄時(shí)上方液面比原母線高10mm左右，目的是補(bǔ)償澆鑄鋁液冷卻后的體積收縮（具體實(shí)施時(shí)，還要根據(jù)母線截面及破損長(zhǎng)度大小調(diào)整）。

②模型封堵。模型鋼板與破損母線之間的空隙，用高溫玻璃膩?zhàn)樱ㄋＡ?、石棉絨）密封（內(nèi)外均進(jìn)行封堵）。

③為緩解母線和鋁液熱量散失，降低鋁液和母線間的溫差，在模型處適當(dāng)用石棉進(jìn)行保溫。

④模型與其他母線間加裝絕緣材料。

2.1.3 澆鑄漏斗

為保證施工人員安全，防止因鋁液漏出造成的其他母線損壞，過程中可制作澆鑄漏斗。

2.1.4 澆鑄

（1）條件檢查

①檢查模型是否固定牢固、密封是否嚴(yán)實(shí)、與其他母線絕緣是否完好。

②檢查灌鋁漏斗是否安裝到位、牢固。

③檢查盛鋁容器是否到位（斷口大可用小抬包）（2）加熱

①用丙酮清洗澆鑄處端面，確保無粉塵。

②用燃油噴燈或烤槍將斷口母線和鑄模加熱，使斷口母線和鑄模溫度至少達(dá)到350℃以上。

（3）澆鑄

①停止加熱斷口，確保鑄模安裝牢固，無大縫隙，即可進(jìn)行澆鑄。

②用盛鋁容器將高溫鋁液注入漏斗，澆鑄初期鋁液流速不能過快，中期要加快澆鑄速度，待模型中的液面較高時(shí)放慢速度，最后澆鑄液面要高出原母線上平面5～10mm。該過程的重點(diǎn)是必須連續(xù)，不允許間斷、停頓，一氣呵成。

③澆鑄出的母線一般通過自然冷卻。通過此種方式修復(fù)后的鋁電解槽，若不馬上通電焙燒，應(yīng)保證澆鑄母線自然冷卻。

2.1.5 檢查、測(cè)量

（1）通電完畢后，應(yīng)對(duì)澆鑄部位作必要的檢查和測(cè)量。一般通過壓降測(cè)試設(shè)備測(cè)量其壓降數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)與正常槽相同位置無較大差異，則修復(fù)質(zhì)量較好。

（2）安裝模型和夾板時(shí)，修復(fù)母線與其他母線間要有良好絕緣，澆鑄完成后為增強(qiáng)澆鑄段母線的穩(wěn)固性和聯(lián)接強(qiáng)度，應(yīng)長(zhǎng)期保留。

2.2 藥粉自蔓延焊接修復(fù)

2.2.1 停槽維修

以500kA鋁電解系列為例，截面厚度為40mm、60mm、90mm、1200mm陰極母線及附屬陰極軟帶常常由于漏爐事故被沖毀。實(shí)踐證明，利用含鋁藥粉，將母線的兩個(gè)斷面融合到一起，能夠達(dá)到恢復(fù)母線導(dǎo)電功能的效果。

2.2.2 預(yù)制母線

藥粉自蔓延焊接修復(fù)主要適用于母線破損量較大，不便修復(fù)的情況。

利用直流焊機(jī)切割損毀母線的不規(guī)則斷面，在預(yù)制相同規(guī)格母線及其附屬軟帶和爆炸塊的過程中，母線應(yīng)比被切割部位短60mm～100mm(焊接過程中，存在4個(gè)斷面、2處焊縫，焊縫寬度30mm～50mm)。

2.2.3 斷面處理

（1）利用鋼刷或風(fēng)動(dòng)工具，使陰極母線斷面無電解質(zhì)或鋁屑，再用煤油或丙酮刷洗母線斷面粉塵和氧化物。

（2）在破損母線兩個(gè)斷面上（包括預(yù)制母線），加工出一些方向不規(guī)則的孔洞，孔洞盡可能深、密。

2.2.4 安裝固定

（1）將預(yù)制母線安裝到母線破損位置，確保預(yù)制母線下部支撐牢靠，不位移，留出預(yù)制母線端面與破損母線斷面間的縫隙。

（2）斷口模型。斷口模型制作步驟與鋁液澆鑄模型制相同。存在差異的地方是藥粉自蔓延焊接修復(fù)過程中，模型為30mm～50mm寬的碳素材料。

（3）模型底板寬度為母線厚度（可為負(fù)公差），厚度為25mm～35mm。模型兩側(cè)板寬度按照預(yù)留口寬度+100mm（可為正公差）加工。

（4）模型安裝。利用木方將模型板固定成U型，下部支撐牢靠不得位移。

（5）模型封堵。模型與母線間空隙，利用高溫玻璃膩?zhàn)觾?nèi)外封堵。

（6）為減少熱量流失，降低鋁液和母線溫差，還需在模型處用石棉材料保溫。

2.2.5 加熱、焊接

（1）在清潔斷面基礎(chǔ)上，用烤槍將熱預(yù)制母線、破損母線及模型處加熱至350℃以上。

（2）焊接

①停止加熱，確保鑄模牢固。

②將盛藥粉容器（坩堝）放置在模型上方，下口對(duì)準(zhǔn)型腔，點(diǎn)燃藥粉，完成焊接（過程中藥量與型腔要匹配）。圖2為藥粉自蔓延焊接修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)施工圖。

圖2 藥粉自蔓延焊接修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)施工圖

2.2.6 檢查與測(cè)量

（1）待修復(fù)部位冷卻后，拆除炭素模型及木方。在鋁電解槽重新啟動(dòng)前，需要對(duì)焊接部位作必要的檢查和測(cè)量工作。

（2）對(duì)個(gè)別截面積較大的損毀母線，可在修復(fù)后用夾板作二次固定，過程中，做好夾板與其它母線間的絕緣。

3 結(jié)語

（1）針對(duì)鋁電解槽損毀陰極母線的修復(fù)，各電解鋁企業(yè)可結(jié)合本單位槽型、破損母線規(guī)格、位置，選擇經(jīng)濟(jì)、可靠、安全的修復(fù)方式。

（2）針對(duì)處于生產(chǎn)狀態(tài)、母線破損量較少的鋁電解槽，可只作局部修復(fù)，方法與停槽大修時(shí)的情況類似。