淺述大型鋁電解槽陰極母線維修技術的應用與發展

趙曉燕

對經過生產運行后的大型鋁電解槽要停槽進行維修。對于預焙陽極型電解槽而言，其陰極軟帶與陰極鋼棒之間過去常采用焊接方法而結合在一起。這種預焙陽極電解槽進行維修時，其需要在停電狀下進行。為了提高預焙陽極電解槽的生產效率，達到節能、降耗與降低生產與維護成本的目的，其需要研發有關的技術與裝備來解決存在的問題。

1 對大型鋁電解槽陰極母線維修技術應用的分析與認識

1.1 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與藥粉自蔓延焊接修復等5 種方法。這幾種修復方法，在實際應用過程中各有利弊。

1.1.1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。其適合作業空間大、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）等情況。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。其只能進行打磨處理，而且會影響接觸導電性能。

1.1.2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。其一般在小型鋁電解槽上應用。但隨著槽型變大，其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）及氨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，而且要求系列停電4h 甚至更長時間。這種情況往往會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），而且影響系列中的正常生產槽。該方式的優點是一勞永逸，即可以一次性實現破損陰極母線的較高質量修復。

1.1.3帶電焊接修復

鋁電解系列帶電情況下，因為陰極母線（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，而且在陰極母線修復時，氨弧焊接過程中鋁液飛濺嚴重，所以其焊接質量無法保證。由于其作業危險性大，設備投資大，因此此種修復方式不常用。

1.1.4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，即適合于斷口較大的陰極母線破損修復，而且具有修復成本低等特點。其缺點是對施工溫度、熔斷面清理程度要求高。若其澆鑄過程處理不當的話，則模具中鋁液冷卻后因體積收縮，即會在破損部位形成空隙，進而給后續生產帶來隱患。

1.1.5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。

1.2 鋁液澆鑄熔接及藥粉自蔓延焊接

1.2.1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。其實施過程中需要把握3 個重點環節，即：一是斷面處理，二是模型制作與安裝，三是澆鑄溫度的控制。

（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，而且孔洞要盡可能深、密。其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）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。由于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?。?；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的話，則可將三塊鋼板焊接成型，然后直接安裝在破損母線處，而且進行固定、封堵即可。在實際情況下，由于陰極母線位置處大多空間狹小，因此其焊接可由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：以厚度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。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。其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）。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）。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。模型與其他母線間加裝絕緣材料。

1.2.2藥粉自蔓延焊接修復

（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，即能夠達到恢復母線導電功能的效果。

（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，不便修復等情況。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 依靠技術進步，以促進新技術、新工藝與新裝備在大型鋁電解槽陰極母線維修過程中的應用

2.1 全電流降磁方法的實施

在進行大修的鋁電解槽中，其電流通過短板由母線通入位于下游的電解槽中。鋁電解槽周圍不僅有高電流通過，而且還有上游、下游運行電解槽中電流的影響。在這種情況下，鋁電解槽周圍處于強磁場的環境中。如果電解槽母線此時發生短路現象，就會因在短路母線中電流產生的強磙場作用而使鋁電解槽母線在大修過程中無法實施焊接修復方法。

利用引流磁補償裝置可實現全電流降磁功能。其功能可分為。

2.1.1引流

其能將電流從進行正常大修的鋁電解槽周圍通過短路塊由母線而進入位于下游的鋁電解槽的方法更改為從兩個電流回路進入位于下游的鋁電解槽。在這兩個電流回路中，一路電流從短路塊由鋁電解槽周圍的母線而進入位于下游的鋁電解槽；另一路電流從鋁電解槽的立柱母線通過陽極母線與引流磁補償裝置而進入位于下游的鋁電解槽。

2.1.2磁補償

位于鋁電解槽上部引流磁補償裝置中的電流與位于鋁電解槽下部短路母線的電流可形成電流環路。由于此電流環路所產生的磁場相互影響，因此在鋁電解槽母線施焊點處磙場值顯著降低，進而減輕了電流磁場對鋁電解槽母線施焊的影響。

目前在使用的鋁電流槽所包括的區域（約20m×7m）內，槽周圍的母線位于操作面下面的空間（1m ～2m）中。在這個空間區域內，基可實施磁補償措施，對不同的引流量及電流分配方法進行調整。

根據實際使用的過程，引流補償裝置能夠實現多級變阻型功能。為了實現最佳的降磁功能，其可通過電流分布狀態的調整，以達到可用的引流值，進而實現鋁電解槽母線施焊處磁場強度最大程度地降低與補償。

2.2 維修位于鋁電解槽槽底部的母線

2.2.1對鋁電解槽槽底部母線問題的分析

用L1 到L6 表示鋁電解槽中的立柱母線從第一根到第六根的位置。用LX1 到LX6 表示處于下游鋁電解槽中的立柱母線從第一根到第六根的位置。用D1 到D6 表示在鋁電解槽中處于第一根立柱母線處槽底短路母線到第六根立柱線母線槽底短路母線的位置。其是采用從鋁電解槽的出鋁端到煙道端來進行編號排序工作的方法。

某公司使用的119#350kA 鋁電解槽出現漏爐事故。其位于槽底A 梁下方的第五根短路母線被高溫鋁熔體燒損。

在鋁電解槽大修工作現場，其對被鋁熔體涮斷的鋁電解槽槽底母線的磁場值進行測試。其測試數據表明：鋁電解槽槽底母線對應位置的磁場平均值為78.00Gs；最大值為103.00Gs。在這種情況下，使用焊接方法無法進行鋁電解槽母線的修復工作。

2.2.2降磁過程的實施與結果

其通過電解槽槽底母線的分布情況可以了解到使熔毀母線受到影響的磁場是D4、D6 短路母線電流與第六根立柱母線所攜帶電流而產生的。

在鋁電解槽進行正常的大修時，D4、D5、D6 槽底母線上的電流與L4、L5、L6 立柱母線的電流互相對應。在鋁電解槽發生事故的情況下，D5 短路母線已不能導電。其對應的60kA 電流會從L5 立柱母線通入陽極母線再次分配，而且經過L4、L6 立柱母線流入到與其對應的D4、D6 短路母線，再通入位于下游的鋁電解槽中。此時D4、D6 短路母線中電流遠大于60kA。

在系列電流狀態下進行鋁電觖槽母線的修復工作時，位于短路母線處的磁場需要降低。其需要對D4 與D6 處電流值的降低方法進行研發。如果其采取在第四、第六處的短路口處插入絕緣板的方法，那么其只能讓D4、D6 短路母線不通電流，而使電流經陽極母線分流后，再從其他短路母線處通入在下游處的鋁電解槽。這種方法只能是讓其他電解槽短路母線超負荷運行電流，而且在下游處的鋁電解槽也會產生嚴重的偏流現象。

其可在進行大修工作的鋁電解槽的陽極母線上連接引流磁補償裝置的一端；在位于下游鋁電解槽的立柱母線上連接引流磁補償裝置的另一端；在立柱母線第4 組、第6 組上對應安裝兩個引流磁補償裝置；在立柱母線第四組的短路板上插入絕緣板，以使D4 短路母線不通入電流。

鋁電解槽經降磁處理后進行測試的結果。數據可說明：相應測點位置的磁場值平均為43.00Gs；磁場值測試最大值為59.00Gs。其可使用鋁板在鋁電解槽原母線側面進行層層焊接的措施來進行現場的鋁電解槽母線的現場修復。

2.3 鋁電解槽槽立柱母線的維護

2.3.1對鋁電解槽槽立柱母線問題的分析

某公司在其電解分廠通道第一端處配置301#350kA 鋁電解槽。其電解工實施操作規程不正確而把第二根鋁電解槽立柱線線撞壞。此時在鋁電解槽母線底部與位于過道處母線相連接的鋁板發生開裂、脫落現象。其需要重新進行施焊而修復鋁電解槽的母線。

其要對鋁電解槽磁場值進行測試。在進行磁場值的測試時，其可在過道母線焊接位置上面選取平面測試點。在立柱母線焊接位置垂直立面選取垂直面測試點。其測試結果是主要是Bz 方向的磁場分量。其對引流磁補償方法的設計要針對地進行。兩個焊接面測試點磁場值平均為：188.00Gs，142.00Gs。在鋁電解槽母線的焊接過程中，這樣的磁場值不能滿足要求。經過對磁場值測試數據分析得出：水平面處磁場影響主要是在by 與bz 向的磁場分量；垂直面處磁場影響主要是bz 方向的磁場分量。其對引流磁補償方法的設計要針對地進行。

2.3.2 降磁過程的實施與結果

降磁過程實施方法是分別在第一組立柱母線處與第三組立柱母線處安引流磁補償設備。在第三組立柱母線短路板處插絕緣板，即不使電流從D3 處短路母線流過。實施降磁過程后，由測試結果可知，其磁場值最大值在50Gs 以下。其達到這樣的磁場環境，即可保證鋁電解槽母線實施焊接方法來進行維修過程。

2.4 焊接機器人在鋁電解槽母線維修中的應用

2.4.1 焊接機器人的應用原理

為了完成焊接工作，在焊接過程進行的過程中，焊工要進行焊槍的使用，搬運焊塊以及定位焊塊等工作。使用雙臂型機器人可模擬焊工操作來進行焊塊的搬運與定位等工作。在鋁電解槽母線的焊接操作過程中，焊接機器人不僅可利用其焊接機械臂與搬運機械臂組合而進行操作，而且可利用相同構型來完成焊接工作。其可根據D-H 參數法求解運動學模型建立焊接過程運動學方程。其可根據遵循輕量化的設計原則來設計焊接機器人。

2.4.2 焊接機器人技術的設計思路

焊接機器人技術設計的思路：

（1）設計自動焊接系統裝置。其是為進行陰極母線和焊炸鋼片自動焊接而設計的裝置。其不僅具有般運和定位連接鋼片的功能，而且還有在不同種類的陰極進行焊接時能夠具有便于移動，便用有利等優點。其對焊接質量的要求是焊縫中無氣孔存在。

（2）在焊接機器人的結構設計中采用雙臂配合型機構型設計。其制造材料選用輕量化型與防磁化型材等材料。

（3）機器人電氣控制系統的設計。此系統中有此次臂機器人主控制器。在此主控制器中有TrioMC464 運動控制卡。這種運動控制卡支持RTEX 總線協議。此系統還有控制機器人規劃、協調運動和視覺信息處理等裝置；根據視覺對機器人示教進行負責的視覺處理攝像機等。其由上層為工業平板電腦，底層是1 個Trio 運動控制器與8 個交流伺服電機等組成控制系統拓撲。此系統使用高速總線型通訊方式。

2.4.3 焊接機器人使用的引流磁補償裝置

（1）引流磁補償裝置的組成。引流磁補償裝置為設計機器人設計而采用的引流磁補償裝置三維示意圖。此系統包括液壓控制裝置、大容量型變阻器與支撐機構等。

其每個獨立型觸頭壓力組匹配1 個獨立式觸頭單組。獨立式觸頭單組可與外接分極型端部母排組成，而且有8 個分電流回路的總電流回路。此總電流回路中有4 組獨立式觸頭單組、獨立式觸頭壓力組和頂桿滾輪等組件。為了保證電流回路中各組件的接觸完好，其使用純銀型觸頭材料，以獲得良好的接觸效果，進而使接觸電壓下降。

（2）引流電流回路的安全接通與斷開。其可根據電流穩定的狀態，通過仿真計算比例分配的系列電流等方法進行正確連接電流回路實施引流磁補償裝置與目標鋁解槽的槽底短路母線系統的運行。因為有大電流瞬時接入引流裝置上的導體的現象會在系統的安裝過程中出現，所以其會有火花、弧光等現象在其連接過程中出現。這種現象不僅會灼傷壓接面而影響后續的電流分流，而且還會對作業人員的人身安全造成威脅。其可以根據經過智能控制系統指導的工藝策略來進行不同的分流組合模式的選擇。為了降低目標鋁解槽母線施焊點磁場強度的峰值，其可采用斷開目標引流磁補償裝置上的一組或多組導體的方法來進行。從解槽母線通流系統中接入或退出引流磁補償裝置，其需要使用非常嚴格的操作方法。

在《電接觸理論》書中有論述：

①在接觸面上進行開合前后的電勢及其變化梯度越小，燃弧總能量值和電弧最大功率值就越?。虎谠诮佑|面上進行開合前后的電流膠其變化梯度越小，燃弧總能量值和電弧最大功率值越?。虎墼诮佑|面上進行開合過程的時間越短，燃弧總能量越小。

根據這些論述，在帶電情況下進行電器組件壓接面安裝與拆卸的作業時，其一切后續工作的前提條件是在帶電作業狀態下保障壓接面安裝和拆卸作業的安全性。

采用在不停電的情況下開或關鋁電解槽裝置的方式在導電之間串聯開關。這種方法不僅會使目標引流磁補償裝置的制造成本增加，而且會在現有的槽型空間進行安裝操作時，其操作過程無法適應。在國內外對超大容量、長時工作、低壓大電流開關等產品均無可適合的產品來進行選擇。其需要研發一種快速開閉壓接面型裝置，以降低電弧能量的損耗。

3 結語

為了保障鋁電解槽系列運行穩定，克服因在鋁電解槽中維修熔毀母線而需要停電作業的困難，其可通過降低工作現場作業點的磁場至可實施焊接操作的范圍內，而且將短路口開合操作做為輔助工作等，以實現在全電流狀況下對鋁電解槽母線的焊接維修操作。與傳統的人工焊接方法相比較，采用機器人自動焊接鋁電解槽母線的技術是完全可行的，而且其優點如下：

（1）為了大幅度地節省使用的焊料，以降低鋁電解槽母線的維修成本，可使用窄間隙焊接過程。

（2）為了大幅度地降低鋁電解槽母線連接的電壓降，以節省耗電量，可使用窄間隙焊接過程。

（3）利用機器人進行鋁電解槽母線的焊接，其會獲得最佳的精確性和穩定性。

（4）焊接機器人可在惡劣環境下進行長時間的焊接工作，而且其具有極高的焊接工作效率。