浅述大型铝电解槽阴极母线维修技术的应用与发展

赵晓燕

对经过生产运行后的大型铝电解槽要停槽进行维修。对于预焙阳极型电解槽而言，其阴极软带与阴极钢棒之间过去常采用焊接方法而结合在一起。这种预焙阳极电解槽进行维修时，其需要在停电状下进行。为了提高预焙阳极电解槽的生产效率，达到节能、降耗与降低生产与维护成本的目的，其需要研发有关的技术与装备来解决存在的问题。

1 对大型铝电解槽阴极母线维修技术应用的分析与认识

1.1 维修方法

破损阴极母线（包括阴极软带）修复时，根据母线破损部位和损毁程度，一般有压接式修复、停电焊接式修复、带电焊接式、高温铝液浇铸熔接式修复与药粉自蔓延焊接修复等5 种方法。这几种修复方法，在实际应用过程中各有利弊。

1.1.1压接式修复（俗称打夹板）

压接式修复方法与电解生产中的导电母线连接原理相同。其适合作业空间大、母线截面积小、电流密度大、破损轻微、需要暂时处理（补欠或补强）等情况。其优点是快速、不需停电即可操作，但该方式要求导电压接平面必须光滑平整;缺点是破损阴极母线可能与其他母线间距小，进而无法对压接平面进行铣削加工。其只能进行打磨处理，而且会影响接触导电性能。

1.1.2停电焊接修复

停电焊接修复方式是铝电解槽阴极母线最早、也是最为传统的修复方式。其一般在小型铝电解槽上应用。但随着槽型变大，其一般不会在使用此种方法。

其具体内容是：在全电解系列停电情况下，利用铝焊片（铝板）及氨弧焊机对母线破损部位进行焊接。该过程中需要完成铝板准备、焊机安装及接电等工作，而且要求系列停电4h 甚至更长时间。这种情况往往会造成上百万元经济损失（系列电流越大、槽台数越多，损失越高），而且影响系列中的正常生产槽。该方式的优点是一劳永逸，即可以一次性实现破损阴极母线的较高质量修复。

1.1.3带电焊接修复

铝电解系列带电情况下，因为阴极母线（槽周母线或槽底母线）所在的作业空间狭窄，槽底形成的磁场强度大，而且在阴极母线修复时，氨弧焊接过程中铝液飞溅严重，所以其焊接质量无法保证。由于其作业危险性大，设备投资大，因此此种修复方式不常用。

1.1.4铝液浇铸熔接修复

铝液浇铸熔接修复方法是在阴极母线破损位置加装模具，利用高温铝液溶融破损断面、使破损母线重新融合。其优点是修复过程中，不需系列停电或铣削断面，即适合于断口较大的阴极母线破损修复，而且具有修复成本低等特点。其缺点是对施工温度、熔断面清理程度要求高。若其浇铸过程处理不当的话，则模具中铝液冷却后因体积收缩，即会在破损部位形成空隙，进而给后续生产带来隐患。

1.1.5药粉自蔓延焊接修复

药粉自蔓延焊接修复方式是在阴极母线破损位置安装的模具中，利用含铝药粉燃烧，形成高温铝液，使母线的两个断面融合。该方法适用于停槽或运行槽阴极母线断口较小、截面积较小的情况。

药粉自蔓延焊接修复方式的优点是断面融合效果好；缺点是对断面处理的要求高、修复成本高。

1.2 铝液浇铸熔接及药粉自蔓延焊接

1.2.1铝液浇铸熔接修复

该方式适合截面积较大、断面破损较大的阴极母线修复。其实施过程中需要把握3 个重点环节，即：一是断面处理，二是模型制作与安装，三是浇铸温度的控制。

（1）断面处理。①根据断面粘附电解质或铝的薄厚，用钢刷或风动工具打磨，使断面清洁无电解质或铝屑，再用煤油或丙酮刷洗断面的粉尘和氧化物。②在母线两个断面处，可用电钻加工一些方向不规则的孔洞，而且孔洞要尽可能深、密。其孔洞作用是在浇铸铝液时，高温铝液充满孔洞，形成类似锚钉的固定脚，在浇铸母线收缩过程中，这些“锚钉”可以起到减少收缩的作用。

（2）模型制作与安装。①根据破损阴极母线截面宽度、长度确定模具钢板厚度。由于铝液浇铸熔接修复方式多用于厚度为120mm、210mm 以上母线，因此，建议钢板厚度采用16mm 以上（根据空间大小）；固定螺杆也采用M16 以上；模型采用U 型。②模型钢板尺寸：底板为母线厚度+两块钢板厚度+余量（根据空间情况确定）。③两侧板长度：母线破损口长度+200mm（根据空间情况确定）。④两侧板宽度以破损母线宽度为准。若空间安装位置足够或便于安装的话，则可将三块钢板焊接成型，然后直接安装在破损母线处，而且进行固定、封堵即可。在实际情况下，由于阴极母线位置处大多空间狭小，因此其焊接可由3 块钢板活动安装，利用夹板及双头螺杆固定。⑤夹板钢板尺寸：以厚度16mm 以上为好，宽度80mm 以上，长度一般为母线宽度+100mm，数量为4 块（两端开孔穿固定螺杆）。⑥螺杆尺寸：母线厚度+两块夹板厚度+两螺帽（及垫片）厚度+余量。⑦模型安装。为保证浇铸部分冷却凝固后补缩，安装时模型底面可比原母线低10mm 左右，浇铸时上方液面比原母线高10mm 左右。其目的是补偿浇铸铝液冷却后的体积收缩（具体实施时，还要根据母线截面及破损长度大小调整）。模型封堵。模型钢板与破损母线之间的空隙，用高温玻璃腻子（水玻璃、石棉绒）密封（内外均进行封堵）。为缓解母线和铝液热量散失，降低铝液和母线间的温差，在模型处适当用石棉进行保温。模型与其他母线间加装绝缘材料。

1.2.2药粉自蔓延焊接修复

（1）停槽维修。以500kA 铝电解系列为例，截面厚度为40mm、60mm、90mm、1200mm 阴极母线及附属阴极软带常常由于漏炉事故被冲毁。实践证明，利用含铝药粉，将母线的两个断面融合到一起，即能够达到恢复母线导电功能的效果。

（2）预制母线。药粉自蔓延焊接修复主要适用于母线破损量较大，不便修复等情况。利用直流焊机切割损毁母线的不规则断面，在预制相同规格母线及其附属软带和爆炸块的过程中，母线应比被切割部位短60mm ～100mm（焊接过程中，存在4个断面、2 处焊缝，焊缝宽度30mm-50mm）。

2 依靠技术进步，以促进新技术、新工艺与新装备在大型铝电解槽阴极母线维修过程中的应用

2.1 全电流降磁方法的实施

在进行大修的铝电解槽中，其电流通过短板由母线通入位于下游的电解槽中。铝电解槽周围不仅有高电流通过，而且还有上游、下游运行电解槽中电流的影响。在这种情况下，铝电解槽周围处于强磁场的环境中。如果电解槽母线此时发生短路现象，就会因在短路母线中电流产生的强磙场作用而使铝电解槽母线在大修过程中无法实施焊接修复方法。

利用引流磁补偿装置可实现全电流降磁功能。其功能可分为。

2.1.1引流

其能将电流从进行正常大修的铝电解槽周围通过短路块由母线而进入位于下游的铝电解槽的方法更改为从两个电流回路进入位于下游的铝电解槽。在这两个电流回路中，一路电流从短路块由铝电解槽周围的母线而进入位于下游的铝电解槽；另一路电流从铝电解槽的立柱母线通过阳极母线与引流磁补偿装置而进入位于下游的铝电解槽。

2.1.2磁补偿

位于铝电解槽上部引流磁补偿装置中的电流与位于铝电解槽下部短路母线的电流可形成电流环路。由于此电流环路所产生的磁场相互影响，因此在铝电解槽母线施焊点处磙场值显著降低，进而减轻了电流磁场对铝电解槽母线施焊的影响。

目前在使用的铝电流槽所包括的区域（约20m×7m）内，槽周围的母线位于操作面下面的空间（1m ～2m）中。在这个空间区域内，基可实施磁补偿措施，对不同的引流量及电流分配方法进行调整。

根据实际使用的过程，引流补偿装置能够实现多级变阻型功能。为了实现最佳的降磁功能，其可通过电流分布状态的调整，以达到可用的引流值，进而实现铝电解槽母线施焊处磁场强度最大程度地降低与补偿。

2.2 维修位于铝电解槽槽底部的母线

2.2.1对铝电解槽槽底部母线问题的分析

用L1 到L6 表示铝电解槽中的立柱母线从第一根到第六根的位置。用LX1 到LX6 表示处于下游铝电解槽中的立柱母线从第一根到第六根的位置。用D1 到D6 表示在铝电解槽中处于第一根立柱母线处槽底短路母线到第六根立柱线母线槽底短路母线的位置。其是采用从铝电解槽的出铝端到烟道端来进行编号排序工作的方法。

某公司使用的119#350kA 铝电解槽出现漏炉事故。其位于槽底A 梁下方的第五根短路母线被高温铝熔体烧损。

在铝电解槽大修工作现场，其对被铝熔体涮断的铝电解槽槽底母线的磁场值进行测试。其测试数据表明：铝电解槽槽底母线对应位置的磁场平均值为78.00Gs；最大值为103.00Gs。在这种情况下，使用焊接方法无法进行铝电解槽母线的修复工作。

2.2.2降磁过程的实施与结果

其通过电解槽槽底母线的分布情况可以了解到使熔毁母线受到影响的磁场是D4、D6 短路母线电流与第六根立柱母线所携带电流而产生的。

在铝电解槽进行正常的大修时，D4、D5、D6 槽底母线上的电流与L4、L5、L6 立柱母线的电流互相对应。在铝电解槽发生事故的情况下，D5 短路母线已不能导电。其对应的60kA 电流会从L5 立柱母线通入阳极母线再次分配，而且经过L4、L6 立柱母线流入到与其对应的D4、D6 短路母线，再通入位于下游的铝电解槽中。此时D4、D6 短路母线中电流远大于60kA。

在系列电流状态下进行铝电觖槽母线的修复工作时，位于短路母线处的磁场需要降低。其需要对D4 与D6 处电流值的降低方法进行研发。如果其采取在第四、第六处的短路口处插入绝缘板的方法，那么其只能让D4、D6 短路母线不通电流，而使电流经阳极母线分流后，再从其他短路母线处通入在下游处的铝电解槽。这种方法只能是让其他电解槽短路母线超负荷运行电流，而且在下游处的铝电解槽也会产生严重的偏流现象。

其可在进行大修工作的铝电解槽的阳极母线上连接引流磁补偿装置的一端；在位于下游铝电解槽的立柱母线上连接引流磁补偿装置的另一端；在立柱母线第4 组、第6 组上对应安装两个引流磁补偿装置；在立柱母线第四组的短路板上插入绝缘板，以使D4 短路母线不通入电流。

铝电解槽经降磁处理后进行测试的结果。数据可说明：相应测点位置的磁场值平均为43.00Gs；磁场值测试最大值为59.00Gs。其可使用铝板在铝电解槽原母线侧面进行层层焊接的措施来进行现场的铝电解槽母线的现场修复。

2.3 铝电解槽槽立柱母线的维护

2.3.1对铝电解槽槽立柱母线问题的分析

某公司在其电解分厂通道第一端处配置301#350kA 铝电解槽。其电解工实施操作规程不正确而把第二根铝电解槽立柱线线撞坏。此时在铝电解槽母线底部与位于过道处母线相连接的铝板发生开裂、脱落现象。其需要重新进行施焊而修复铝电解槽的母线。

其要对铝电解槽磁场值进行测试。在进行磁场值的测试时，其可在过道母线焊接位置上面选取平面测试点。在立柱母线焊接位置垂直立面选取垂直面测试点。其测试结果是主要是Bz 方向的磁场分量。其对引流磁补偿方法的设计要针对地进行。两个焊接面测试点磁场值平均为：188.00Gs，142.00Gs。在铝电解槽母线的焊接过程中，这样的磁场值不能满足要求。经过对磁场值测试数据分析得出：水平面处磁场影响主要是在by 与bz 向的磁场分量；垂直面处磁场影响主要是bz 方向的磁场分量。其对引流磁补偿方法的设计要针对地进行。

2.3.2 降磁过程的实施与结果

降磁过程实施方法是分别在第一组立柱母线处与第三组立柱母线处安引流磁补偿设备。在第三组立柱母线短路板处插绝缘板，即不使电流从D3 处短路母线流过。实施降磁过程后，由测试结果可知，其磁场值最大值在50Gs 以下。其达到这样的磁场环境，即可保证铝电解槽母线实施焊接方法来进行维修过程。

2.4 焊接机器人在铝电解槽母线维修中的应用

2.4.1 焊接机器人的应用原理

为了完成焊接工作，在焊接过程进行的过程中，焊工要进行焊枪的使用，搬运焊块以及定位焊块等工作。使用双臂型机器人可模拟焊工操作来进行焊块的搬运与定位等工作。在铝电解槽母线的焊接操作过程中，焊接机器人不仅可利用其焊接机械臂与搬运机械臂组合而进行操作，而且可利用相同构型来完成焊接工作。其可根据D-H 参数法求解运动学模型建立焊接过程运动学方程。其可根据遵循轻量化的设计原则来设计焊接机器人。

2.4.2 焊接机器人技术的设计思路

焊接机器人技术设计的思路：

（1）设计自动焊接系统装置。其是为进行阴极母线和焊炸钢片自动焊接而设计的装置。其不仅具有般运和定位连接钢片的功能，而且还有在不同种类的阴极进行焊接时能够具有便于移动，便用有利等优点。其对焊接质量的要求是焊缝中无气孔存在。

（2）在焊接机器人的结构设计中采用双臂配合型机构型设计。其制造材料选用轻量化型与防磁化型材等材料。

（3）机器人电气控制系统的设计。此系统中有此次臂机器人主控制器。在此主控制器中有TrioMC464 运动控制卡。这种运动控制卡支持RTEX 总线协议。此系统还有控制机器人规划、协调运动和视觉信息处理等装置；根据视觉对机器人示教进行负责的视觉处理摄像机等。其由上层为工业平板电脑，底层是1 个Trio 运动控制器与8 个交流伺服电机等组成控制系统拓扑。此系统使用高速总线型通讯方式。

2.4.3 焊接机器人使用的引流磁补偿装置

（1）引流磁补偿装置的组成。引流磁补偿装置为设计机器人设计而采用的引流磁补偿装置三维示意图。此系统包括液压控制装置、大容量型变阻器与支撑机构等。

其每个独立型触头压力组匹配1 个独立式触头单组。独立式触头单组可与外接分极型端部母排组成，而且有8 个分电流回路的总电流回路。此总电流回路中有4 组独立式触头单组、独立式触头压力组和顶杆滚轮等组件。为了保证电流回路中各组件的接触完好，其使用纯银型触头材料，以获得良好的接触效果，进而使接触电压下降。

（2）引流电流回路的安全接通与断开。其可根据电流稳定的状态，通过仿真计算比例分配的系列电流等方法进行正确连接电流回路实施引流磁补偿装置与目标铝解槽的槽底短路母线系统的运行。因为有大电流瞬时接入引流装置上的导体的现象会在系统的安装过程中出现，所以其会有火花、弧光等现象在其连接过程中出现。这种现象不仅会灼伤压接面而影响后续的电流分流，而且还会对作业人员的人身安全造成威胁。其可以根据经过智能控制系统指导的工艺策略来进行不同的分流组合模式的选择。为了降低目标铝解槽母线施焊点磁场强度的峰值，其可采用断开目标引流磁补偿装置上的一组或多组导体的方法来进行。从解槽母线通流系统中接入或退出引流磁补偿装置，其需要使用非常严格的操作方法。

在《电接触理论》书中有论述：

①在接触面上进行开合前后的电势及其变化梯度越小，燃弧总能量值和电弧最大功率值就越小；②在接触面上进行开合前后的电流胶其变化梯度越小，燃弧总能量值和电弧最大功率值越小；③在接触面上进行开合过程的时间越短，燃弧总能量越小。

根据这些论述，在带电情况下进行电器组件压接面安装与拆卸的作业时，其一切后续工作的前提条件是在带电作业状态下保障压接面安装和拆卸作业的安全性。

采用在不停电的情况下开或关铝电解槽装置的方式在导电之间串联开关。这种方法不仅会使目标引流磁补偿装置的制造成本增加，而且会在现有的槽型空间进行安装操作时，其操作过程无法适应。在国内外对超大容量、长时工作、低压大电流开关等产品均无可适合的产品来进行选择。其需要研发一种快速开闭压接面型装置，以降低电弧能量的损耗。

3 结语

为了保障铝电解槽系列运行稳定，克服因在铝电解槽中维修熔毁母线而需要停电作业的困难，其可通过降低工作现场作业点的磁场至可实施焊接操作的范围内，而且将短路口开合操作做为辅助工作等，以实现在全电流状况下对铝电解槽母线的焊接维修操作。与传统的人工焊接方法相比较，采用机器人自动焊接铝电解槽母线的技术是完全可行的，而且其优点如下：

（1）为了大幅度地节省使用的焊料，以降低铝电解槽母线的维修成本，可使用窄间隙焊接过程。

（2）为了大幅度地降低铝电解槽母线连接的电压降，以节省耗电量，可使用窄间隙焊接过程。

（3）利用机器人进行铝电解槽母线的焊接，其会获得最佳的精确性和稳定性。

（4）焊接机器人可在恶劣环境下进行长时间的焊接工作，而且其具有极高的焊接工作效率。