鋁電解槽槽殼校正與母線修復技術應用

馬顏光

（內蒙古大唐國際呼和浩特鋁電有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010206）

鋁電解槽在長期運行過程中出現槽殼外鼓變形，搖籃架開焊斷裂以及電解槽出鋁和煙道兩端上翹等變形現象，嚴重破壞電解槽爐膛內型并且該狀況一直持續到停槽大修，大修時進行槽殼校正，達到電解槽設計標準。

1 槽殼變形的校正

1.1 槽殼變形原因

槽殼變形的原因有槽型設計原因、焙燒階段熱膨脹原因、槽內襯膨脹擠壓原因、停槽冷卻期間的彈性變形原因[1]。

大型槽設計中沒有外沿板，沒有外沿板就沒有鋼梁緊箍作用，長側板外鼓現象嚴重，有的設計時電解槽雖然有外沿板，但沿板上增開多處散熱孔，改孔與外沿板相距僅12cm，外沿板難以抵抗電解槽應力的釋放產生變形。

資料表明[2]：電解槽啟動初期新鮮的炭素陰極以及微細的縫隙中，鈉元素析出后生成嵌入式碳鈉化合物C64Na和C12Na，這種化合物將產生體積膨脹應力，在應力釋放的過程中導致槽殼變形。電解槽的正常生產階段，滲透的鋁和電解質到達防滲層形成凝固結晶體，隨著結晶體的不斷積累產生的體積膨脹應力導致槽殼的變形；另外，當電解槽熱平衡波動加劇，熱平衡破后產生溫度梯度熱膨脹應力，該應力釋放的過程中引起槽殼的變形。

綜上分析，電解槽槽內襯的體積膨脹變應力和工藝技術條件波動時的熱膨脹應力是造成槽殼變形的主要因素。

1.2 槽殼校正工藝

長側板變形的修復工藝：確定位置→安裝手動倒鏈→火焰消除應力→拉拽手動倒鏈→搖籃架焊縫檢查與修復→側長板與搖籃架間隙補墊→緊固工具拆除；對局部“S”彎曲的槽殼修復時，應先找到拉伸位置焊接胎具，接下來的步驟同上。具體校正過程如下：

在槽殼兩側對稱分布的搖籃架上水平方向設置多個倒鏈如圖1所示，一端固定在A面長側板上沿，一端固定在B面對稱位置的鋼窗口（或長側板上沿），然后通過750℃～800℃火焰加熱校正[2]，邊加熱邊拉拽倒鏈；對搖籃架開焊的修復，拉拽倒鏈的同時及時割除阻礙搖籃架復合的焊肉。

圖1 電解槽長側板變形修復時的倒鏈對拉示意圖

電解槽在停槽冷卻期間的彈性變形，槽內襯各部下降速度不等，槽殼上口冷卻收縮較快，出現電解槽兩端上翹的彈性變形，可使用預制的L型壓鐵放置在電解槽四角，也可在槽殼底部放置配重塊起到與上部結構同等配重的效果[3]。

1.3 槽殼校正效果

通過不同槽型多臺槽槽殼校正，實際測量校正前后數據，符合修復校正標準。

2 陰極母線的修復

電解槽運行過程中由于發生漏爐，造成陰極母線部分沖毀或直接沖斷，盡快修復陰極母線，在保證系列運行安全的同時降低陰極母線修復費用，選擇合理的母線修復方法尤為重要，可根據現場損壞的程度制度不同的修復方案，本文重點驗證高溫鋁液澆鑄修復效果。

2.1 陰極母線的修復技術比較

陰極母線（包括陰極軟帶 ) 破損修復時，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、帶電磁屏蔽焊接式修復、高溫鋁液澆鑄熔接式修復等幾種方法。

表1 幾種母線修復方法的比較[4]

通過以上資料比對及同行調研，軟母線修復普遍采用壓接式修復，槽周母線修復多采用停電焊接式修復，若以15萬噸系列產能為例，系列停電6小時造成損失約160萬元，對電解生產影響巨大。

經調研武漢某大學焊接研究所、貴陽某設計院研發出電解槽屏蔽短路裝置，不論不停電母線焊接技術，還是將電解槽磁場有效屏蔽的裝置，均存在費用高問題。為實現不停電情況下的母線有效修復，查閱采用高溫鋁液澆鑄法修復母線相關資料，驗證高溫鋁液澆鑄法的可行性。

2.2 高溫鋁液澆鑄資料

鋁液澆鑄熔接修復方法是在陰極母線破損位置加裝模具，利用高溫鋁液熔融破損斷面、使破損母線重新融合[5]。修復過程中無需系列停電或銑削斷面，適合于斷口較大的陰極槽周母線、軟母線修復，為了驗證該技術實施效果，確保澆鑄質量，開展了澆鑄工藝的相關試驗、檢驗、方案優化的研究。

2.3 前期試驗研究

選取兩段母線模擬受損母線，在母材斷面安裝自攻螺絲釘，按照模型制作-斷面處理-母線預加熱-鋁液溫度控制-母線澆鑄五個環節進行試驗，首先使用噴槍對斷口母線加熱至350℃，鋁液溫度在700℃，緩慢將高溫鋁液倒入模具中，邊倒入鋁液邊緩慢放流，待母材溫度升高后封堵溢鋁口，繼續倒鋁待鋁液充滿整個空腔澆鑄完畢，自然冷卻后拆下模具，進行斷面切割探傷分析。

探傷分析切片基本無氣泡，斷面熔為一體；選取同等長度，同等規格的母材與澆鑄母線進行電阻測試，使用壓降測量儀，接入200A電流，其電阻分別為0.5μΩ和1.5μΩ，可滿足使用要求。若電解槽上在線澆鑄時可通過增大斷面截面積的方法進一步降低電阻，實驗證明該方法是行性的。

2.4 實施母線修復

2.4.1 模型制作

根據上述試驗效果，對某槽沖斷的槽周母線實施澆鑄，根據破損母線截面寬度、長度確定模具鋼板尺寸。采用16mm 的鋼板和M16螺桿，制作U型模型，模型的下端留出∮40mm～50mm的溢流孔。

2.4.2 斷面處理

用鋼刷打磨斷面表面電解質，再用煤油刷洗斷面粉塵，最后用電鉆加工出不規則的孔洞，當高溫鋁液充滿孔洞時形成類似“錨釘”的固定腳，這些“錨釘”在澆鑄母線收縮過程中可以起到與原母材同步收縮的作用[6]。

2.4.3 模型安裝

為保證澆鑄質量，降低澆鑄母線壓降，安裝時模型底面應比原母線低10mm左右，增大斷面截面積；模型與破損母線之間的空隙用石棉絨膩子內外封堵；模型與其它母線間加裝絕緣材料。為克服操作空間狹小的困難，制作導流槽與蓄鋁槽，導流管連接，如圖3所示。

圖2 澆鑄示意圖

圖3 澆鑄流程圖

2.4.4 澆鑄修復與效果檢查

依據上述方案對某槽損壞的母線實施澆鑄，待母線自然冷卻后拆除模型，測量壓降，測試方法如圖4。

圖4 母線修復檢測示意圖

圖5 脫模后的澆鑄母線

按照上述圖4檢測方法，使用壓降測量儀進行等距測量，當電流200A的條件下冷態測量，母材電阻2.47μΩ，澆鑄段電阻為2.03μΩ；在電解槽啟動后熱態測量，母材壓降為11.7mv，澆鑄段壓降為12.8mv，修復效果良好，滿足設計要求。

3 結語

本文通過對槽殼外鼓長側板變形校正與槽周母線損壞的修復過程闡述，實踐證明：均達到了設計要求，為后續電解槽大修及穩定運行打下堅實的基礎。