400 kA 鋁電解槽不停電母線自蔓延焊接技術

袁艷強

（陜西有色榆林新材料集團有限公司，陜西榆林 719000）

0 引言

在電解鋁生產過程中，經常會因突發漏爐、電解質外溢等情況，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電壓波動、磁場紊亂等不利于穩定生產的現象，重則可能造成電解槽短路口爆炸、系列停產等事故，給電解生產帶來致命打擊。因此需要及時修復母線斷開部位，減少母線斷開期間造成的生產損失，保證安全生產。不停電母線自蔓延焊接技術能夠起到較好的修復作用，需要就其進行探究。

1 實施背景

國內某電解鋁廠因自備電廠跳機，致使兩個系列576 臺SY400 型電解槽突然停電停產。經多方努力搶修后，在系列電解槽連續斷電6 h 后，開始逐級恢復供送直流電，電解槽開始全面“二次啟動”。升電流后期，2204#電解槽發生難滅效應，出鋁口不斷有鋁液外涌，進而沖斷了槽周母線，為能夠保證系列供電安全，該廠選擇賽爾開關不斷電短路該槽。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磁場（漩渦磁場）強度與磁場旋轉方向發生變化，導致其上下游相鄰在生產電解槽均出現電壓波動等問題[1]，不能平穩運行。現場生產管理人員利用等距離測量叉在進行陽極電流分布測量時發現：上游電解槽（2205#）B1—B2 陽極及下游電解槽（2203#）A3—A4 陽極電流分布在1～4 mA擺動，全槽電流分布紊亂，需盡快恢復母線供電能力，保證系列平穩生產，400 kA 鋁電解槽母線斷裂實際情況如圖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#在生產電解槽12 立柱母線供電，存在嚴重安全隱患，需盡快接通該位置母線，恢復供電功能。

圖1 400 kA 鋁電解槽母線斷裂

2 技術分析

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的一種技術，其可以在不停電的情況下對母線斷裂處進行焊接，其在焊接過程中會首先將母線斷面清理干凈，檢查母線是否發生位移，并利用木板或其他絕緣材料做好母線支撐。然后利用點燃焊劑產生的高溫鋁液將斷裂鋁母線之間實現相互連接。

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

鋁基熔焊接與氬弧焊相似之處在于其同樣需要預留出合口進行施工，但是在實際的焊接過程中，鋁基熔焊接并不需要連接片將母線連接起來進行焊接，其需要設計準備模具來將母線放入其中進行焊接。在模具中，可以使用熱熔方法將不同的母線連接起來，其熔合的程度可以超過90%。但是在實際的作業過程中，該種方法仍然需要當場進行短時間、高頻次的停電，每個合口停電約4 次，整體停電的時間較短，但是仍然會對生產造成影響。

400 kA 鋁電解槽存在復雜的導電鋁母線設計及較大電流特性，導致電解車間中產生極強的電磁場，而在實際運行的過程中其磁場所產生的強度極高，如果是在停電的背景之下，其所剩余的磁強度，無法在短時間之內消除。為能夠有效對損傷進行安全修復，且保證系列其他電解槽的正常生產，則要選擇抗磁能力較強以及不受周圍磁場干擾的不停電焊接方法。

2.2 修復前準備

自蔓延焊接技術是一種無釬焊的熔焊技術。通過把不同成分的金屬（鋁、鎂、銅等）分別加入不同量的惰性氣體作為助燃劑，同時把一定比例的助燃劑與熔劑混合，在特定的時間內使其形成可燃混合物。將該混合物通入電弧中，在特定時間內，自蔓延焊接材料發生分解并擴散到基體表面，然后迅速形成焊縫。當電弧熄滅時，通過控制適當時間內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。

自蔓延焊接技術主要應用于鋁電解生產中鋁棒和母線的連接焊接，該技術將母線橋用熔焊方式連接起來，不僅可以實現不停電作業的目的，還能提高生產效率。焊藥在焊接過程中起著關鍵性的作用，對于焊劑的熔點和熔解溫度、熔化時間、熔融速率等都有重要影響。同時對于焊接工藝、熔點也有重要影響。如果焊藥在加熱過程中熔化不均勻會出現氣泡、氣孔和夾渣等缺陷和熔池過大或者溫度過高的情況出現，會導致熱影響區或工件表面出現燒痕或損傷等缺陷。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，但是焊劑用量會受到工件材料影響，不同材料之間的選擇是有區別的，例如鎳和銅具有相同熔點而鉻、鈦則較軟，不能與不銹鋼一起使用，不同金屬之間也會有差別，因此需要在焊接過程中形成良好的焊接藥劑，以起到良好的焊接作用。在準備過程中，施工人員可以將焊劑按質量比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 作業流程

在開始作業的過程中，需要使用自蔓延焊劑裝入特制的碳素坩堝內，對其進行點燃誘發電化學反應（燃燒），產生大量的鋁液從下方流出備用。之后需要針對作業場所進行清理，不能有雜物在上面，可以將地坪鑿開清理，將母線露出來，確認母線自身的基本情況。同時將母線表面上的雜質清理干凈，并且對母線連接進行檢查，如發現有母線出現位移就進行調整。之后需要對母線進行切割、打磨至見金屬光澤，按照母線的情況進行母線下料，同時將母線斷面進行連接。按照母線下料過程中測量得出的具體數值來開展母線模具的設計與制造工作。

在完成前置工作后，將母線放進模具底板內部，使用夾具將母線與側板固定好。之后可以開始進行鋁母線澆鑄，施工人員需要將坩堝中加熱之后產生的鋁液倒入模具中對母線進行加工。在澆筑過程中，由于不停電的緣故，其會受電磁場影響產生較大的電流波動，很容易導致母線焊接過程中鋁液出現旋渦現象，需要盡可能注意該種情況的出現，保障焊接人員自身的安全，等待冷凝之后才能繼續進行鋁液灌注。在母線焊接前，需要對其進行檢測和預熱，在母線上安裝一個溫度計，用來檢測溫度在規定范圍內波動的變化情況。一般情況下會采用氣割預熱的方法，在預熱過程中針對預熱溫度進行嚴格把控，將其控制在400～500℃范圍內。預熱后，為坩堝底部鋪設鋁墊片用以封堵坩堝底部澆鑄孔，然后在坩堝內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。

在母線進行修復以及焊接之后，再次對其自身的情況進行檢測，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，說明不停電母線自蔓延焊接技術的應用效果相對較好[4]。

2.4 焊接裂紋問題

鋁電解生產線不停電母線自蔓延焊接技術的使用，在實際鋁電解槽運行過程中，由于受電解槽結構和設計的限制，400 kA電解槽無法進行不停電母線自蔓延焊接技術的使用，導致母線焊接口出現裂紋。在現場進行操作時，焊接口經常出現裂紋，嚴重影響正常生產。而且在鋁液灌入過程中，其產生的熱應力較高，且自身的溫度掌控不佳，出現溫度過高的情況，也會對母線自身造成焊接裂紋的問題。針對這種情況，需要施工人員對其進行相關研究和實踐，總結出一套適用于400 kA 電解槽底側母線自蔓延焊接技術，為鋁電解生產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下對母線進行焊接時，母線的接頭端點焊接處在母線上，母線的另一端點安裝在母線上，然后由母線鉗把連接好的焊絲兩端點固定在母線上，最后進行焊接，整個過程中不需要任何操作人員對母線鉗的位置進行調整，母線的接頭端點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確導致母線出現裂紋情況，之后還需要將連接好的焊接焊口進行預熱并將母線鉗放置到相應位置后開始焊接，在焊接過程中需要將預熱好的母線鉗上取出，放置到指定位置后再進行焊接。在母線應用之前，需要通過電流測試器對母線鉗在電流下進行電阻測試，以確認焊口所承受電流、電阻、接觸電壓是否符合要求。通過對焊縫表面進行拋光處理，使得焊縫表面光滑平整無凸凹不平現象，以此來降低不停電母線焊接過程中的裂紋產生概率，保障母線自身的修復質量。

2.5 母線熔接驗收

母線熔接驗收是鋁電解企業生產中遇到最多的問題，主要體現在不停電母線熔接過程中由于人工操作存在很多問題，容易造成母線焊接質量不穩定、母線熔接口焊接速度慢、母線熔接時間短等問題，嚴重影響生產指標。

首先在安裝好的母線上測試母線各點溫度，測量母線熔接處溫度。然后在每個母線的熔接位置處焊接3 根長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、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，在每個母線上安裝2 塊鋁板并焊成一個母線熔接點（高度10～15 cm）。在母線熔接驗收前，對熔接材料的質量進行檢驗。對每條母線的所有焊口進行逐個檢查，確認母線連接情況和焊口質量。對每條母線熔接材料檢查合格后，開始使用專用工具測量母線絕緣電阻。測量人員可以使用兩根導線、一根導體，將其放置在母線上進行電流檢測，觀測電流通過的實際數值以及波動情況，同時將相應的母線熔接部位的電流流通情況進行計算，以確認相應的母線情況，進而實現熔接驗收，保障母線焊接質量。

3 結束語

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