400 kA 铝电解槽不停电母线自蔓延焊接技术

2023-10-26袁艳强

设备管理与维修 2023年17期

袁艳强

（陕西有色榆林新材料集团有限公司，陕西榆林 719000）

0 引言

在电解铝生产过程中，经常会因突发漏炉、电解质外溢等情况，造成400 kA 铝电解槽槽周母线被冲断等事故，轻则造成事故槽的上游槽及下游槽出现电压波动、磁场紊乱等不利于稳定生产的现象，重则可能造成电解槽短路口爆炸、系列停产等事故，给电解生产带来致命打击。因此需要及时修复母线断开部位，减少母线断开期间造成的生产损失，保证安全生产。不停电母线自蔓延焊接技术能够起到较好的修复作用，需要就其进行探究。

1 实施背景

国内某电解铝厂因自备电厂跳机，致使两个系列576 台SY400 型电解槽突然停电停产。经多方努力抢修后，在系列电解槽连续断电6 h 后，开始逐级恢复供送直流电，电解槽开始全面“二次启动”。升电流后期，2204#电解槽发生难灭效应，出铝口不断有铝液外涌，进而冲断了槽周母线，为能够保证系列供电安全，该厂选择赛尔开关不断电短路该槽。2204#电解槽短路停槽后，系列电流由其上游电解槽阴极母线经2204#槽周母线引向下游电解槽立柱母线。因2204#出铝端槽周母线冲断，其上游电解槽立柱1 电流无法引向下游电解槽立柱2，该供电处原槽周母线的三维立体旋转磁场（漩涡磁场）强度与磁场旋转方向发生变化，导致其上下游相邻在生产电解槽均出现电压波动等问题[1]，不能平稳运行。现场生产管理人员利用等距离测量叉在进行阳极电流分布测量时发现：上游电解槽（2205#）B1—B2 阳极及下游电解槽（2203#）A3—A4 阳极电流分布在1～4 mA摆动，全槽电流分布紊乱，需尽快恢复母线供电能力，保证系列平稳生产，400 kA 铝电解槽母线断裂实际情况如图1 所示，2204#电解槽出铝瑞母线被流铝冲刷断裂，目前已影响到2203#在生产电解槽12 立柱母线供电，存在严重安全隐患，需尽快接通该位置母线，恢复供电功能。

图1 400 kA 铝电解槽母线断裂

2 技术分析

2.1 方案选择

焊接方案的选择较多，其中主要包括自蔓延焊接、氩弧焊、铝基熔焊接等方案。其中自蔓延焊接是比较常见的一种技术，其可以在不停电的情况下对母线断裂处进行焊接，其在焊接过程中会首先将母线断面清理干净，检查母线是否发生位移，并利用木板或其他绝缘材料做好母线支撑。然后利用点燃焊剂产生的高温铝液将断裂铝母线之间实现相互连接。

氩弧焊是需要停电的一种焊接技术，其需要预留出600 mm的合口为后续的焊接工作提供良好的准备条件[2]。在焊接过程中，其需要使用连接片将母线连接起来，使不同的母线之间相互连接在一起，以便后续使用连接。在焊接过程中，需要停电10～13次，在针对母线自身进行施工的过程中会具备较大的难度。

铝基熔焊接与氩弧焊相似之处在于其同样需要预留出合口进行施工，但是在实际的焊接过程中，铝基熔焊接并不需要连接片将母线连接起来进行焊接，其需要设计准备模具来将母线放入其中进行焊接。在模具中，可以使用热熔方法将不同的母线连接起来，其熔合的程度可以超过90%。但是在实际的作业过程中，该种方法仍然需要当场进行短时间、高频次的停电，每个合口停电约4 次，整体停电的时间较短，但是仍然会对生产造成影响。

400 kA 铝电解槽存在复杂的导电铝母线设计及较大电流特性，导致电解车间中产生极强的电磁场，而在实际运行的过程中其磁场所产生的强度极高，如果是在停电的背景之下，其所剩余的磁强度，无法在短时间之内消除。为能够有效对损伤进行安全修复，且保证系列其他电解槽的正常生产，则要选择抗磁能力较强以及不受周围磁场干扰的不停电焊接方法。

2.2 修复前准备

自蔓延焊接技术是一种无钎焊的熔焊技术。通过把不同成分的金属（铝、镁、铜等）分别加入不同量的惰性气体作为助燃剂，同时把一定比例的助燃剂与熔剂混合，在特定的时间内使其形成可燃混合物。将该混合物通入电弧中，在特定时间内，自蔓延焊接材料发生分解并扩散到基体表面，然后迅速形成焊缝。当电弧熄灭时，通过控制适当时间内所加助燃剂量和气体浓度，可使焊丝熔化成金属条；或直接以焊接形式将金属条牢固地焊合在母线上。

自蔓延焊接技术主要应用于铝电解生产中铝棒和母线的连接焊接，该技术将母线桥用熔焊方式连接起来，不仅可以实现不停电作业的目的，还能提高生产效率。焊药在焊接过程中起着关键性的作用，对于焊剂的熔点和熔解温度、熔化时间、熔融速率等都有重要影响。同时对于焊接工艺、熔点也有重要影响。如果焊药在加热过程中熔化不均匀会出现气泡、气孔和夹渣等缺陷和熔池过大或者温度过高的情况出现，会导致热影响区或工件表面出现烧痕或损伤等缺陷。母线连接情况如图2 所示。

图2 400 kA 铝电解槽母线连接

一般情况下，铝母线自身的熔化的温度为660 ℃。需要选择合适的铝液加热方式，但是焊剂用量会受到工件材料影响，不同材料之间的选择是有区别的，例如镍和铜具有相同熔点而铬、钛则较软，不能与不锈钢一起使用，不同金属之间也会有差别，因此需要在焊接过程中形成良好的焊接药剂，以起到良好的焊接作用。在准备过程中，施工人员可以将焊剂按质量比0.20%加入50 kg 蒸馏水中搅拌，使焊剂充分溶解，形成铝液。

2.3 作业流程

在开始作业的过程中，需要使用自蔓延焊剂装入特制的碳素坩埚内，对其进行点燃诱发电化学反应（燃烧），产生大量的铝液从下方流出备用。之后需要针对作业场所进行清理，不能有杂物在上面，可以将地坪凿开清理，将母线露出来，确认母线自身的基本情况。同时将母线表面上的杂质清理干净，并且对母线连接进行检查，如发现有母线出现位移就进行调整。之后需要对母线进行切割、打磨至见金属光泽，按照母线的情况进行母线下料，同时将母线断面进行连接。按照母线下料过程中测量得出的具体数值来开展母线模具的设计与制造工作。

在完成前置工作后，将母线放进模具底板内部，使用夹具将母线与侧板固定好。之后可以开始进行铝母线浇铸，施工人员需要将坩埚中加热之后产生的铝液倒入模具中对母线进行加工。在浇筑过程中，由于不停电的缘故，其会受电磁场影响产生较大的电流波动，很容易导致母线焊接过程中铝液出现旋涡现象，需要尽可能注意该种情况的出现，保障焊接人员自身的安全，等待冷凝之后才能继续进行铝液灌注。在母线焊接前，需要对其进行检测和预热，在母线上安装一个温度计，用来检测温度在规定范围内波动的变化情况。一般情况下会采用气割预热的方法，在预热过程中针对预热温度进行严格把控，将其控制在400～500℃范围内。预热后，为坩埚底部铺设铝垫片用以封堵坩埚底部浇铸孔，然后在坩埚内加入一定量的热熔焊剂及引燃物（一般为火药），盖好坩埚盖。将坩埚放置在焊口上方，点燃引燃物，待焊接浇铸成型后，脱模、清理打磨母线焊口。

在母线进行修复以及焊接之后，再次对其自身的情况进行检测，在此次焊接完成之后，母线自身的压降大小为12.8 mV，比正常母线大0.3 mV，焊缝电阻与母材电阻非常接近，说明不停电母线自蔓延焊接技术的应用效果相对较好[4]。

2.4 焊接裂纹问题

铝电解生产线不停电母线自蔓延焊接技术的使用，在实际铝电解槽运行过程中，由于受电解槽结构和设计的限制，400 kA电解槽无法进行不停电母线自蔓延焊接技术的使用，导致母线焊接口出现裂纹。在现场进行操作时，焊接口经常出现裂纹，严重影响正常生产。而且在铝液灌入过程中，其产生的热应力较高，且自身的温度掌控不佳，出现温度过高的情况，也会对母线自身造成焊接裂纹的问题。针对这种情况，需要施工人员对其进行相关研究和实践，总结出一套适用于400 kA 电解槽底侧母线自蔓延焊接技术，为铝电解生产线不停电母线自蔓延焊接提供解决方案。

具体方案如下：母线自蔓延焊法不停电状态下对母线进行焊接时，母线的接头端点焊接处在母线上，母线的另一端点安装在母线上，然后由母线钳把连接好的焊丝两端点固定在母线上，最后进行焊接，整个过程中不需要任何操作人员对母线钳的位置进行调整，母线的接头端点处有母线自蔓延电弧焊接头可直接固定住，避免焊药熔化位置不准确导致母线出现裂纹情况，之后还需要将连接好的焊接焊口进行预热并将母线钳放置到相应位置后开始焊接，在焊接过程中需要将预热好的母线钳上取出，放置到指定位置后再进行焊接。在母线应用之前，需要通过电流测试器对母线钳在电流下进行电阻测试，以确认焊口所承受电流、电阻、接触电压是否符合要求。通过对焊缝表面进行抛光处理，使得焊缝表面光滑平整无凸凹不平现象，以此来降低不停电母线焊接过程中的裂纹产生概率，保障母线自身的修复质量。

2.5 母线熔接验收

母线熔接验收是铝电解企业生产中遇到最多的问题，主要体现在不停电母线熔接过程中由于人工操作存在很多问题，容易造成母线焊接质量不稳定、母线熔接口焊接速度慢、母线熔接时间短等问题，严重影响生产指标。

首先在安装好的母线上测试母线各点温度，测量母线熔接处温度。然后在每个母线的熔接位置处焊接3 根长0.5 m、高0.6 m，直径0.8 mm 厚的铝带板，并焊接出一条50 mm 宽、6 mm长、8 根直径0.8 mm 和一条50 mm 宽的铝带板和若干根3 m、Φ0.5 mm 的铝带板，在每个母线上安装2 块铝板并焊成一个母线熔接点（高度10～15 cm）。在母线熔接验收前，对熔接材料的质量进行检验。对每条母线的所有焊口进行逐个检查，确认母线连接情况和焊口质量。对每条母线熔接材料检查合格后，开始使用专用工具测量母线绝缘电阻。测量人员可以使用两根导线、一根导体，将其放置在母线上进行电流检测，观测电流通过的实际数值以及波动情况，同时将相应的母线熔接部位的电流流通情况进行计算，以确认相应的母线情况，进而实现熔接验收，保障母线焊接质量。