淺談大型鋁電解槽陰極母線維修技術

李元山

（酒鋼集團甘肅東興鋁業有限公司，甘肅 嘉峪關 735100）

在電解鋁生產中，因內襯砌筑施工或材料缺陷、啟動后期管理不足及槽齡增加等因素，會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象非常普遍，嚴重時會導致鋁電解槽或鋁電解系列停運[1]。為了盡可能快的修復陰極母線，保證系列運行安全，最大限度地降低因修復陰極母線帶來的經濟損失，選擇合理的母線修復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)修復時，根據母線破損部位和損毀程度，一般有壓接式修復、停電焊接式修復、帶電焊接式、高溫鋁液澆鑄熔接式修復、藥粉自蔓延焊接修復5種方法。上述幾種修復方法，在實際應用過程中各有利弊。

1.1 壓接式修復（俗稱打夾板）

壓接式修復方法與電解生產中的導電母線連接原理相同，適合作業空間大、母線截面積小、電流密度大、破損輕微、需要暫時處理（補欠或補強）的情況[2]。其優點是快速、不需停電即可操作，但該方式要求導電壓接平面必須光滑平整；缺點是破損陰極母線可能與其他母線間距小，進而無法對壓接平面進行銑削加工，只能打磨處理，會影響接觸導電性能。圖1為鋁電解槽陰極母線壓接式修復示意圖。

1.2 停電焊接修復

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

其具體內容是：在全電解系列停電情況下，利用鋁焊片（鋁板）及氬弧焊機對母線破損部位進行焊接。該過程中需要完成鋁板準備、焊機安裝及接電等工作，要求系列停電4小時甚至更長時間，往往造成上百萬元經濟損失（系列電流越大、槽臺數越多，損失越高），并影響系列中的正常生產槽。該方式的優點是一勞永逸，可以一次性實現破損陰極母線的較高質量修復。

圖1 鋁電解槽陰極母線壓接式修復示意圖

1.3 帶電焊接修復

鋁電解系列帶電情況下，陰極母線（槽周母線或槽底母線）所在的作業空間狹窄，槽底形成的磁場強度大，在陰極母線修復時，氬弧焊接過程中鋁液飛濺嚴重，焊接質量無法保證，作業危險性大，且設備投資大，故此種修復方式不常用。

1.4 鋁液澆鑄熔接修復

鋁液澆鑄熔接修復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。其優點是修復過程中，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，具有修復成本低的特點；缺點是對施工溫度、熔斷面清理程度要求高，若澆鑄過程處理不當，模具中鋁液冷卻后因體積收縮，會在破損部位形成空隙，給后續生產帶來隱患。

1.5 藥粉自蔓延焊接修復

藥粉自蔓延焊接修復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，使母線的兩個斷面融合。該方法適用于停槽或運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方式的優點是斷面融合效果好；缺點是對斷面處理的要求高、修復成本高。

2 鋁液澆鑄熔接及藥粉自蔓延焊接

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

2.1 鋁液澆鑄熔接修復

該方式適合截面積較大、斷面破損較大的陰極母線修復。實施過程中需要把握3個重點環節：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）根據斷面粘附電解質或鋁的薄厚，用鋼刷或風動工具打磨，使斷面清潔無電解質或鋁屑，再用煤油或丙酮刷洗斷面的粉塵和氧化物。

（2）在母線兩個斷面處，可用電鉆加工一些方向不規則的孔洞，孔洞要盡可能深、密。孔洞作用是在澆鑄鋁液時，高溫鋁液充滿孔洞，形成類似錨釘的固定腳，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）根據破損陰極母線截面寬度、長度確定模具鋼板厚度。

鋁液澆鑄熔接修復方式多用于厚度為120mm、210mm以上母線，因此，建議鋼板厚度采用16mm以上（根據空間大小）固定螺桿也采用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（根據空間情況確定）。

（3）兩側板長度：母線破損口長度+200mm（根據空間情況確定）。

（4）兩側板寬度以破損母線寬度為準。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行固定、封堵即可。實際情況下，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，長度一般為母線寬度+100mm，數量為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縮，安裝時模型底面可比原母線低10mm左右，澆鑄時上方液面比原母線高10mm左右，目的是補償澆鑄鋁液冷卻后的體積收縮（具體實施時，還要根據母線截面及破損長度大小調整）。

②模型封堵。模型鋼板與破損母線之間的空隙，用高溫玻璃膩子（水玻璃、石棉絨）密封（內外均進行封堵）。

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

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、密封是否嚴實、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。該過程的重點是必須連續，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。通過此種方式修復后的鋁電解槽，若不馬上通電焙燒，應保證澆鑄母線自然冷卻。

2.1.5 檢查、測量

（1）通電完畢后，應對澆鑄部位作必要的檢查和測量。一般通過壓降測試設備測量其壓降數據，若數據與正常槽相同位置無較大差異，則修復質量較好。

（2）安裝模型和夾板時，修復母線與其他母線間要有良好絕緣，澆鑄完成后為增強澆鑄段母線的穩固性和聯接強度，應長期保留。

2.2 藥粉自蔓延焊接修復

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。實踐證明，利用含鋁藥粉，將母線的兩個斷面融合到一起，能夠達到恢復母線導電功能的效果。

2.2.2 預制母線

藥粉自蔓延焊接修復主要適用于母線破損量較大，不便修復的情況。

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

2.2.3 斷面處理

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

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

2.2.4 安裝固定

（1）將預制母線安裝到母線破損位置，確保預制母線下部支撐牢靠，不位移，留出預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（可為負公差），厚度為25mm～35mm。模型兩側板寬度按照預留口寬度+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，利用高溫玻璃膩子內外封堵。

（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）在清潔斷面基礎上，用烤槍將熱預制母線、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，下口對準型腔，點燃藥粉，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現場施工圖。

圖2 藥粉自蔓延焊接修復現場施工圖

2.2.6 檢查與測量

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

（2）對個別截面積較大的損毀母線，可在修復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 結語

（1）針對鋁電解槽損毀陰極母線的修復，各電解鋁企業可結合本單位槽型、破損母線規格、位置，選擇經濟、可靠、安全的修復方式。

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