直流匯流母線不停電鋁基熔焊接的應用

胡 超，張紅霞

（鄒平市（縣）匯才新材料科技有限公司，山東鄒平 256200）

0 引言

在產電解鋁在系列運行情況下增加一套整流機組，直流大母線對接是整個項目的關鍵點。靠近整流所的直流大母線處于室外，與電解廠房內母線熔接在環境溫度上有區別，特別是冬季施工；同時正負母線間距較近易造成施工短路；另整流所出線的匯流直流大母線電壓高，磁場強。

新增整流機組整流柜的分支母線與新增匯流正負直流大母線的連接采用焊接和壓延母線螺栓的壓接方式。但是新增機組的正負匯流母線與原直流母線對接，因為處于運行電流強磁場中，經焊接試驗，普通的焊接工藝無法滿足在不停電的情況下完成母線對接的工作。如果停電焊接，需要對電解系列進行降電流處理，由于電解鋁生產的特殊性，必須保證整流系列供電的連續性。短時間的停電及降電流也會影響電解槽壽命及電解生產指標。要想完成新增整流機組母線與原母線的對接，不停電母線熔接工藝解決了在施工過程中存在的技術難題，通過實踐也確定了方案的可行性。

1 不停電自動焊接技術概述

不停電自動熔接技術是根據需要對熔接鋁母線部分的尺寸進行確定后，先進行支模，然后對模具及鋁母線進行加熱至300 ℃左右，然后將藥劑進行加熱點火，藥劑自身發生化學反應，產生作為熔接接口的熔液及大量的熱量，因熔液溫度很高，將需要熔接的鋁母線表面融化，加之焊藥內的特殊成分，最終將焊藥產生的鋁水與原鋁母線熔接形成一個整體。

2 母線熔方案的確定

某600 kA 電解鋁動力分廠在確定新增一臺整流機組后，新增機組的正負匯流母線與原母線存在對接點2 處：正極母線1 處，距離地面約2.5 m；負極母線1 處，距離地面約1.5 m。母線截面尺寸為520 mm（高）×500 mm（寬）。母線工作時電壓為750 V，系列電流600 kA。關于此次新增整流機組母線與原直流母線的對接工作，根據現場情況制定以下3 種焊接方案。

方案1：氬弧焊堆焊鋁連接片（停電）（圖1）。

此種焊接方式下，原母線之間需要預留合口尺寸500 mm，并保證兩母線之間的高度差為±5 mm 以內，通過連接片一層層堆焊將分離的兩根母線連接為一體。連接片尺寸為500 mm（長）×490 mm（寬）×10 mm（厚 度），490 mm 的寬度方向上雙邊開5 mm×45°坡口保證全截面焊接，連接片共計52 片。此種焊接方式需要進行停電焊接，預計焊接效率為4 片/h，因此完成一個開口處母線焊接共計需要停電52/4=13 次，每次停電1 h，每次停電時同時進行正極和負極的焊接工作，因此完成每個系列母線合 口焊接共需要停電13 h。

圖1 氬弧焊堆焊鋁連接片示意

方案2：鋁基熔焊接（停電）（圖2）。

此種焊接方案下，原母線之間需要預留合口尺寸為40 mm，保證高度差±5 mm 以內。根據母線尺寸及相對位置關系制作相應熱熔焊接模具兩套，用熱熔焊接方式將兩母線焊接為一體，保證焊接融合率90%以上。此種焊接方式下停電時進行焊接，完成一個母線合口焊接需要停電4 次，每次1 h，其中2 h 用于支模、固定及防漏檢查工作，2 h用于熱熔焊接。每次停電時同時進行正極和負極的焊接，因此完成每個系列母線合口焊接需要停電4 h。

圖2 鋁基熔焊接示意

方案3：鋁基熱熔焊接（不停電）。

此種焊接方案實施方法及所需材料與方案二相同，此種方案不需要停電，直接在不停電、不降負荷的情況下焊接，對電解槽的生產及壽命無任何不良影響。此前無此方面的先例，可行性無法考證。

通過對以上3 個方案的對比，前兩種方案都需要對電解系列進行停電操作，并且次數較多，對電解槽的壽命及生產指標帶來很大不良影響。鋁母線的帶電熔接技術在行業內已有先例，但是都是在系列電流較小或在電解槽之間的母線熔接，在600 kA系列，且熔接部位處于直流大母線處，在不停電、不降電流的情況下，以前無可借鑒經驗，但是考慮到電解槽的壽命及經濟指標等眾多因數，經過多方論證，最終決定采取第三套方案。

3 母線帶電熔接前的準備工作及保證措施

整個焊接過程在高電壓及大電流下帶電進行，加之正負母線之間距離較近，熔接過程中應考慮會產生大量的煙氣及高溫明火、飛濺火花，此外還應考慮模具倒塌鋁水外溢、坩堝破裂引起的鋁水外溢導致直流母線短路或接地等因素。不停電作業過程中的安全措施是否齊全、完善，關乎著整個電解系列及作業人員的安全，一旦出現意外或防護不當，將造成不可挽回的損失。通過事前預控及對整個作業過程進行安全監管，現對重要的風險點及預控措施分析如下。

3.1 防高空墜落、觸電、燙傷等人身傷害

工作前對工作班成員做好安全培訓；工作現場搭設牢固的檢修平臺，作業面周圍設置絕緣防護圍欄，檢修平臺搭設采用不銹鋼等防磁材質，同時不銹鋼支架需進行徹底的絕緣防護，避免在作業過程中磁場的干擾及踩踏或碰觸短路或接地；作業過程勞保齊全，必須穿絕緣鞋，戴勞保手套，佩戴防護面罩，作業過程中嚴禁作業人員同時接觸母線正、負極。提前準備好耐高溫的石棉布、巖棉板、保溫磚等，便于移動坩堝時防止燙傷。現場設專職監護人對現場安全進行監管。

3.2 防熱熔反應過程煙氣、火光引起正負母線短路、接地

此項安全措施務必到位，一旦點火，燃燒期間大量的煙氣及高溫明火將會引燃周圍的可燃物，甚至通過煙氣、火光直接造成正負母線接地或短路。且熱熔反應劇烈，反應過程作業人員無法靠近，一旦出現不安全情況，現場人員無法應急中止熱熔反應過程，無法對故障點進行隔離，可能引起系列停電及整流設備損壞的極端惡劣事故。

通過作業觀察及試驗，部分不燃材料如：鋼材、鋁材、石棉布、高分子密度板、絕緣板等在點火后藥劑燃燒噴出的高溫火焰作用下，其耐火完整性及結構承受能力也無法滿足隔離及支撐的要求。用于隔離的材料在高溫下能否保持耐火完整性及結構的承受能力，其材料的選擇起著至關重要的作用，經實踐發現，比較經濟并便于取材的耐火保溫磚及巖棉板這兩種耐火材料在作為隔離高溫耐火措施時能起到良好的效果。

匯流母線下母線對接必須考慮反應火焰所能波及范圍內與上母線的防火隔離，耐火磚可靠搭建多面防火隔離墻使用效果較好，同時需做好防火墻一旦坍塌，火焰外溢波及范圍內，非同極母線的石棉板絕緣防火第二道安全防護措施。另在搭建防火隔離墻時需考慮當日風向，以確定火焰可能波及范圍。

一次熱熔反應持續時間的長短對耐火材料的耐火性影響也較大，經實踐發現，25 kg 的熱熔藥劑，反應產生強火光濃煙的時間在60 s 左右，37.5 kg 的熱熔藥劑反應產生強火光濃煙的時間在90 s 左右，而50 kg 的反應時間>120 s，90 s 以內的反應時間整個耐火材料的耐火性比較受控，同時濃煙弧光對現場監控人員產生的的心理緊張情緒在90 s 以內比較合適，120 s會強烈感覺反應過長，心里緊張加劇。

4 熔接過程中可能存在的問題及對策

4.1 冬季施工模具及母線加熱溫度問題

母線熔接前，為了保持母線熔接咬合度，需提前將原母線及焊藥進行預熱，一般需預熱至300 ℃左右，冬季室外氣溫較低，加熱緩慢，加熱結束至點火準備工作時間不宜過長，否則母線溫度下降速度快，必然影響前期加熱效果及熔接質量，可能導致焊劑與原母線的咬合度不夠而造成返工問題。

針對冬季室外施工，應根據環境溫度聯系藥劑單位去配比合適發熱量的熱熔藥劑，發熱量小會出現反應不充分，產出鋁質較差（氣孔多，電流密度小），發熱量過大又會造成反應劇烈，母線熔蝕過大。同時冬季施工還應做好保溫，加熱母線周圍做好擋風措施，裝盛焊藥的坩堝也需要提前進行加熱保溫，加熱結束至點火期間的準備時間應盡可能的縮短，避免溫度下降過快。

4.2 大磁場作用下，母線熔接順序

母線對接時，原母線處于大電流、高電壓狀態，新接入母線不帶電，加之直流大母線處磁場屬于最大的地方，熔接第一鍋時，往往會發生鋁液流入接口處時發生迸濺，或鋁液在接口內形成漩渦，鋁液氣孔情況嚴重，熔接效果不理想，無法滿足使用需求，需進行返工處理。鑒于此情況，可對熔接順序及工藝進行適當調整，可采取第一鍋焊藥藥劑適當少放，熔化的藥劑主要用于帶電母線與非帶電母線的連接，一旦母線連接好后，原帶電母線與非帶電母線熔接為一個整體，電流及磁場的影響在后期熔接中的影響會降低，后期可適當加大藥劑，通過此措施，可大大提高焊接質量及節約藥劑，并能大幅降低施工周期。

5 母線熔接完畢后驗收檢查

5.1 母線熔接完畢后外觀檢查

母線熔接完畢，應對熔接口及表面進行檢查和處理，如出現兩個熔接面熔合度不到位有縫隙或產生鋁品質差，都需要清理后重新熔接。熔接合格后，要進行最后的打磨平整處理，最終完工焊接件見圖3。

圖3 帶電鋁基熔焊接完工

5.2 母線帶負荷后熔接各部位運行參數監測

母線熔接后，首次帶負荷，需制定升負荷梯度表，每個梯度所帶負荷及運行時間需嚴謹，確保對熔接口的溫升、壓降、位移等情況可進行詳細的檢測（表1）。根據電流梯度，進行細致對比分析，發現異常及時處理。同時在剛投運的第一年需加強對焊接口溫升和壓降的監測，以確定環境溫度、負荷及熱脹冷縮等變化對熔接口運行參數的影響。后期運行正常后可減少頻次，但熔接口須持續作為風險點去管控。

表1 母線熔接口壓降 mV

6 結語

通過對母線熔接完畢后的熔接質量進行跟蹤，其壓降、溫度、外觀基本能滿足預期及使用要求。且焊接過程不需降電流，對電解槽的安全穩定性提供了保障。不停電熔接技術在大電流、高電壓的整流所正負直流匯流大母線的熔接應用中，只要安全措施完善，就能保證施工過程作業人員及系列運行的安全性要求，并滿足使用要求。