400 kA 鋁電解槽不停電母線自蔓延焊接技術(shù)

袁艷強(qiáng)

（陜西有色榆林新材料集團(tuán)有限公司，陜西榆林 719000）

0 引言

在電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)因突發(fā)漏爐、電解質(zhì)外溢等情況，造成400 kA 鋁電解槽槽周母線被沖斷等事故，輕則造成事故槽的上游槽及下游槽出現(xiàn)電壓波動(dòng)、磁場(chǎng)紊亂等不利于穩(wěn)定生產(chǎn)的現(xiàn)象，重則可能造成電解槽短路口爆炸、系列停產(chǎn)等事故，給電解生產(chǎn)帶來(lái)致命打擊。因此需要及時(shí)修復(fù)母線斷開(kāi)部位，減少母線斷開(kāi)期間造成的生產(chǎn)損失，保證安全生產(chǎn)。不停電母線自蔓延焊接技術(shù)能夠起到較好的修復(fù)作用，需要就其進(jìn)行探究。

1 實(shí)施背景

國(guó)內(nèi)某電解鋁廠因自備電廠跳機(jī)，致使兩個(gè)系列576 臺(tái)SY400 型電解槽突然停電停產(chǎn)。經(jīng)多方努力搶修后，在系列電解槽連續(xù)斷電6 h 后，開(kāi)始逐級(jí)恢復(fù)供送直流電，電解槽開(kāi)始全面“二次啟動(dòng)”。升電流后期，2204#電解槽發(fā)生難滅效應(yīng)，出鋁口不斷有鋁液外涌，進(jìn)而沖斷了槽周母線，為能夠保證系列供電安全，該廠選擇賽爾開(kāi)關(guān)不斷電短路該槽。2204#電解槽短路停槽后，系列電流由其上游電解槽陰極母線經(jīng)2204#槽周母線引向下游電解槽立柱母線。因2204#出鋁端槽周母線沖斷，其上游電解槽立柱1 電流無(wú)法引向下游電解槽立柱2，該供電處原槽周母線的三維立體旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（漩渦磁場(chǎng)）強(qiáng)度與磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，導(dǎo)致其上下游相鄰在生產(chǎn)電解槽均出現(xiàn)電壓波動(dòng)等問(wèn)題[1]，不能平穩(wěn)運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理人員利用等距離測(cè)量叉在進(jìn)行陽(yáng)極電流分布測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)：上游電解槽（2205#）B1—B2 陽(yáng)極及下游電解槽（2203#）A3—A4 陽(yáng)極電流分布在1～4 mA擺動(dòng)，全槽電流分布紊亂，需盡快恢復(fù)母線供電能力，保證系列平穩(wěn)生產(chǎn)，400 kA 鋁電解槽母線斷裂實(shí)際情況如圖1 所示，2204#電解槽出鋁瑞母線被流鋁沖刷斷裂，目前已影響到2203#在生產(chǎn)電解槽12 立柱母線供電，存在嚴(yán)重安全隱患，需盡快接通該位置母線，恢復(fù)供電功能。

圖1 400 kA 鋁電解槽母線斷裂

2 技術(shù)分析

2.1 方案選擇

焊接方案的選擇較多，其中主要包括自蔓延焊接、氬弧焊、鋁基熔焊接等方案。其中自蔓延焊接是比較常見(jiàn)的一種技術(shù)，其可以在不停電的情況下對(duì)母線斷裂處進(jìn)行焊接，其在焊接過(guò)程中會(huì)首先將母線斷面清理干凈，檢查母線是否發(fā)生位移，并利用木板或其他絕緣材料做好母線支撐。然后利用點(diǎn)燃焊劑產(chǎn)生的高溫鋁液將斷裂鋁母線之間實(shí)現(xiàn)相互連接。

氬弧焊是需要停電的一種焊接技術(shù)，其需要預(yù)留出600 mm的合口為后續(xù)的焊接工作提供良好的準(zhǔn)備條件[2]。在焊接過(guò)程中，其需要使用連接片將母線連接起來(lái)，使不同的母線之間相互連接在一起，以便后續(xù)使用連接。在焊接過(guò)程中，需要停電10～13次，在針對(duì)母線自身進(jìn)行施工的過(guò)程中會(huì)具備較大的難度。

鋁基熔焊接與氬弧焊相似之處在于其同樣需要預(yù)留出合口進(jìn)行施工，但是在實(shí)際的焊接過(guò)程中，鋁基熔焊接并不需要連接片將母線連接起來(lái)進(jìn)行焊接，其需要設(shè)計(jì)準(zhǔn)備模具來(lái)將母線放入其中進(jìn)行焊接。在模具中，可以使用熱熔方法將不同的母線連接起來(lái)，其熔合的程度可以超過(guò)90%。但是在實(shí)際的作業(yè)過(guò)程中，該種方法仍然需要當(dāng)場(chǎng)進(jìn)行短時(shí)間、高頻次的停電，每個(gè)合口停電約4 次，整體停電的時(shí)間較短，但是仍然會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成影響。

400 kA 鋁電解槽存在復(fù)雜的導(dǎo)電鋁母線設(shè)計(jì)及較大電流特性，導(dǎo)致電解車間中產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁場(chǎng)，而在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中其磁場(chǎng)所產(chǎn)生的強(qiáng)度極高，如果是在停電的背景之下，其所剩余的磁強(qiáng)度，無(wú)法在短時(shí)間之內(nèi)消除。為能夠有效對(duì)損傷進(jìn)行安全修復(fù)，且保證系列其他電解槽的正常生產(chǎn)，則要選擇抗磁能力較強(qiáng)以及不受周圍磁場(chǎng)干擾的不停電焊接方法。

2.2 修復(fù)前準(zhǔn)備

自蔓延焊接技術(shù)是一種無(wú)釬焊的熔焊技術(shù)。通過(guò)把不同成分的金屬（鋁、鎂、銅等）分別加入不同量的惰性氣體作為助燃劑，同時(shí)把一定比例的助燃劑與熔劑混合，在特定的時(shí)間內(nèi)使其形成可燃混合物。將該混合物通入電弧中，在特定時(shí)間內(nèi)，自蔓延焊接材料發(fā)生分解并擴(kuò)散到基體表面，然后迅速形成焊縫。當(dāng)電弧熄滅時(shí)，通過(guò)控制適當(dāng)時(shí)間內(nèi)所加助燃劑量和氣體濃度，可使焊絲熔化成金屬條；或直接以焊接形式將金屬條牢固地焊合在母線上。

自蔓延焊接技術(shù)主要應(yīng)用于鋁電解生產(chǎn)中鋁棒和母線的連接焊接，該技術(shù)將母線橋用熔焊方式連接起來(lái)，不僅可以實(shí)現(xiàn)不停電作業(yè)的目的，還能提高生產(chǎn)效率。焊藥在焊接過(guò)程中起著關(guān)鍵性的作用，對(duì)于焊劑的熔點(diǎn)和熔解溫度、熔化時(shí)間、熔融速率等都有重要影響。同時(shí)對(duì)于焊接工藝、熔點(diǎn)也有重要影響。如果焊藥在加熱過(guò)程中熔化不均勻會(huì)出現(xiàn)氣泡、氣孔和夾渣等缺陷和熔池過(guò)大或者溫度過(guò)高的情況出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)或工件表面出現(xiàn)燒痕或損傷等缺陷。母線連接情況如圖2 所示。

圖2 400 kA 鋁電解槽母線連接

一般情況下，鋁母線自身的熔化的溫度為660 ℃。需要選擇合適的鋁液加熱方式，但是焊劑用量會(huì)受到工件材料影響，不同材料之間的選擇是有區(qū)別的，例如鎳和銅具有相同熔點(diǎn)而鉻、鈦則較軟，不能與不銹鋼一起使用，不同金屬之間也會(huì)有差別，因此需要在焊接過(guò)程中形成良好的焊接藥劑，以起到良好的焊接作用。在準(zhǔn)備過(guò)程中，施工人員可以將焊劑按質(zhì)量比0.20%加入50 kg 蒸餾水中攪拌，使焊劑充分溶解，形成鋁液。

2.3 作業(yè)流程

在開(kāi)始作業(yè)的過(guò)程中，需要使用自蔓延焊劑裝入特制的碳素坩堝內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)燃誘發(fā)電化學(xué)反應(yīng)（燃燒），產(chǎn)生大量的鋁液從下方流出備用。之后需要針對(duì)作業(yè)場(chǎng)所進(jìn)行清理，不能有雜物在上面，可以將地坪鑿開(kāi)清理，將母線露出來(lái)，確認(rèn)母線自身的基本情況。同時(shí)將母線表面上的雜質(zhì)清理干凈，并且對(duì)母線連接進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)有母線出現(xiàn)位移就進(jìn)行調(diào)整。之后需要對(duì)母線進(jìn)行切割、打磨至見(jiàn)金屬光澤，按照母線的情況進(jìn)行母線下料，同時(shí)將母線斷面進(jìn)行連接。按照母線下料過(guò)程中測(cè)量得出的具體數(shù)值來(lái)開(kāi)展母線模具的設(shè)計(jì)與制造工作。

在完成前置工作后，將母線放進(jìn)模具底板內(nèi)部，使用夾具將母線與側(cè)板固定好。之后可以開(kāi)始進(jìn)行鋁母線澆鑄，施工人員需要將坩堝中加熱之后產(chǎn)生的鋁液倒入模具中對(duì)母線進(jìn)行加工。在澆筑過(guò)程中，由于不停電的緣故，其會(huì)受電磁場(chǎng)影響產(chǎn)生較大的電流波動(dòng)，很容易導(dǎo)致母線焊接過(guò)程中鋁液出現(xiàn)旋渦現(xiàn)象，需要盡可能注意該種情況的出現(xiàn)，保障焊接人員自身的安全，等待冷凝之后才能繼續(xù)進(jìn)行鋁液灌注。在母線焊接前，需要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)熱，在母線上安裝一個(gè)溫度計(jì)，用來(lái)檢測(cè)溫度在規(guī)定范圍內(nèi)波動(dòng)的變化情況。一般情況下會(huì)采用氣割預(yù)熱的方法，在預(yù)熱過(guò)程中針對(duì)預(yù)熱溫度進(jìn)行嚴(yán)格把控，將其控制在400～500℃范圍內(nèi)。預(yù)熱后，為坩堝底部鋪設(shè)鋁墊片用以封堵坩堝底部澆鑄孔，然后在坩堝內(nèi)加入一定量的熱熔焊劑及引燃物（一般為火藥），蓋好坩堝蓋。將坩堝放置在焊口上方，點(diǎn)燃引燃物，待焊接澆鑄成型后，脫模、清理打磨母線焊口。

在母線進(jìn)行修復(fù)以及焊接之后，再次對(duì)其自身的情況進(jìn)行檢測(cè)，在此次焊接完成之后，母線自身的壓降大小為12.8 mV，比正常母線大0.3 mV，焊縫電阻與母材電阻非常接近，說(shuō)明不停電母線自蔓延焊接技術(shù)的應(yīng)用效果相對(duì)較好[4]。

2.4 焊接裂紋問(wèn)題

鋁電解生產(chǎn)線不停電母線自蔓延焊接技術(shù)的使用，在實(shí)際鋁電解槽運(yùn)行過(guò)程中，由于受電解槽結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的限制，400 kA電解槽無(wú)法進(jìn)行不停電母線自蔓延焊接技術(shù)的使用，導(dǎo)致母線焊接口出現(xiàn)裂紋。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作時(shí)，焊接口經(jīng)常出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。而且在鋁液灌入過(guò)程中，其產(chǎn)生的熱應(yīng)力較高，且自身的溫度掌控不佳，出現(xiàn)溫度過(guò)高的情況，也會(huì)對(duì)母線自身造成焊接裂紋的問(wèn)題。針對(duì)這種情況，需要施工人員對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究和實(shí)踐，總結(jié)出一套適用于400 kA 電解槽底側(cè)母線自蔓延焊接技術(shù)，為鋁電解生產(chǎn)線不停電母線自蔓延焊接提供解決方案。

具體方案如下：母線自蔓延焊法不停電狀態(tài)下對(duì)母線進(jìn)行焊接時(shí)，母線的接頭端點(diǎn)焊接處在母線上，母線的另一端點(diǎn)安裝在母線上，然后由母線鉗把連接好的焊絲兩端點(diǎn)固定在母線上，最后進(jìn)行焊接，整個(gè)過(guò)程中不需要任何操作人員對(duì)母線鉗的位置進(jìn)行調(diào)整，母線的接頭端點(diǎn)處有母線自蔓延電弧焊接頭可直接固定住，避免焊藥熔化位置不準(zhǔn)確導(dǎo)致母線出現(xiàn)裂紋情況，之后還需要將連接好的焊接焊口進(jìn)行預(yù)熱并將母線鉗放置到相應(yīng)位置后開(kāi)始焊接，在焊接過(guò)程中需要將預(yù)熱好的母線鉗上取出，放置到指定位置后再進(jìn)行焊接。在母線應(yīng)用之前，需要通過(guò)電流測(cè)試器對(duì)母線鉗在電流下進(jìn)行電阻測(cè)試，以確認(rèn)焊口所承受電流、電阻、接觸電壓是否符合要求。通過(guò)對(duì)焊縫表面進(jìn)行拋光處理，使得焊縫表面光滑平整無(wú)凸凹不平現(xiàn)象，以此來(lái)降低不停電母線焊接過(guò)程中的裂紋產(chǎn)生概率，保障母線自身的修復(fù)質(zhì)量。

2.5 母線熔接驗(yàn)收

母線熔接驗(yàn)收是鋁電解企業(yè)生產(chǎn)中遇到最多的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在不停電母線熔接過(guò)程中由于人工操作存在很多問(wèn)題，容易造成母線焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、母線熔接口焊接速度慢、母線熔接時(shí)間短等問(wèn)題，嚴(yán)重影響生產(chǎn)指標(biāo)。

首先在安裝好的母線上測(cè)試母線各點(diǎn)溫度，測(cè)量母線熔接處溫度。然后在每個(gè)母線的熔接位置處焊接3 根長(zhǎng)0.5 m、高0.6 m，直徑0.8 mm 厚的鋁帶板，并焊接出一條50 mm 寬、6 mm長(zhǎng)、8 根直徑0.8 mm 和一條50 mm 寬的鋁帶板和若干根3 m、Φ0.5 mm 的鋁帶板，在每個(gè)母線上安裝2 塊鋁板并焊成一個(gè)母線熔接點(diǎn)（高度10～15 cm）。在母線熔接驗(yàn)收前，對(duì)熔接材料的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)每條母線的所有焊口進(jìn)行逐個(gè)檢查，確認(rèn)母線連接情況和焊口質(zhì)量。對(duì)每條母線熔接材料檢查合格后，開(kāi)始使用專用工具測(cè)量母線絕緣電阻。測(cè)量人員可以使用兩根導(dǎo)線、一根導(dǎo)體，將其放置在母線上進(jìn)行電流檢測(cè)，觀測(cè)電流通過(guò)的實(shí)際數(shù)值以及波動(dòng)情況，同時(shí)將相應(yīng)的母線熔接部位的電流流通情況進(jìn)行計(jì)算，以確認(rèn)相應(yīng)的母線情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熔接驗(yàn)收，保障母線焊接質(zhì)量。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于母線焊接屬于自愈性的焊接，它不需要外加熱源，因此可以實(shí)現(xiàn)不停電的焊接方法。在實(shí)際的操作中，母線自蔓延技術(shù)能夠達(dá)到很好的效果，這種燃燒合成以及手工電弧焊的集成方法，應(yīng)用簡(jiǎn)便，對(duì)于后期鋁電解槽的維修能夠起到關(guān)鍵性作用，有效避免立柱以及短路母線受到損傷。