鋁電解槽槽殼校正與母線修復(fù)技術(shù)應(yīng)用

馬顏光

（內(nèi)蒙古大唐國(guó)際呼和浩特鋁電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010206）

鋁電解槽在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)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(xiàn)象，嚴(yán)重破壞電解槽爐膛內(nèi)型并且該狀況一直持續(xù)到停槽大修，大修時(shí)進(jìn)行槽殼校正，達(dá)到電解槽設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

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(shè)計(jì)原因、焙燒階段熱膨脹原因、槽內(nèi)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(shè)計(jì)中沒有外沿板，沒有外沿板就沒有鋼梁緊箍作用，長(zhǎng)側(cè)板外鼓現(xiàn)象嚴(yán)重，有的設(shè)計(jì)時(shí)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(yīng)力的釋放產(chǎn)生變形。

資料表明[2]：電解槽啟動(dòng)初期新鮮的炭素陰極以及微細(xì)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(chǎn)生體積膨脹應(yīng)力，在應(yīng)力釋放的過(guò)程中導(dǎo)致槽殼變形。電解槽的正常生產(chǎn)階段，滲透的鋁和電解質(zhì)到達(dá)防滲層形成凝固結(jié)晶體，隨著結(jié)晶體的不斷積累產(chǎn)生的體積膨脹應(yīng)力導(dǎo)致槽殼的變形；另外，當(dāng)電解槽熱平衡波動(dòng)加劇，熱平衡破后產(chǎn)生溫度梯度熱膨脹應(yīng)力，該應(yīng)力釋放的過(guò)程中引起槽殼的變形。

綜上分析，電解槽槽內(nèi)襯的體積膨脹變應(yīng)力和工藝技術(shù)條件波動(dòng)時(shí)的熱膨脹應(yīng)力是造成槽殼變形的主要因素。

1.2 槽殼校正工藝

長(zhǎng)側(cè)板變形的修復(fù)工藝：確定位置→安裝手動(dòng)倒鏈→火焰消除應(yīng)力→拉拽手動(dòng)倒鏈→搖籃架焊縫檢查與修復(fù)→側(cè)長(zhǎng)板與搖籃架間隙補(bǔ)墊→緊固工具拆除；對(duì)局部“S”彎曲的槽殼修復(fù)時(shí)，應(yīng)先找到拉伸位置焊接胎具，接下來(lái)的步驟同上。具體校正過(guò)程如下：

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

圖1 電解槽長(zhǎng)側(cè)板變形修復(fù)時(shí)的倒鏈對(duì)拉示意圖

電解槽在停槽冷卻期間的彈性變形，槽內(nèi)襯各部下降速度不等，槽殼上口冷卻收縮較快，出現(xiàn)電解槽兩端上翹的彈性變形，可使用預(yù)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(jié)構(gòu)同等配重的效果[3]。

1.3 槽殼校正效果

通過(guò)不同槽型多臺(tái)槽槽殼校正，實(shí)際測(cè)量校正前后數(shù)據(jù)，符合修復(fù)校正標(biāo)準(zhǔn)。

2 陰極母線的修復(fù)

電解槽運(yùn)行過(guò)程中由于發(fā)生漏爐，造成陰極母線部分沖毀或直接沖斷，盡快修復(fù)陰極母線，在保證系列運(yùn)行安全的同時(shí)降低陰極母線修復(fù)費(fèi)用，選擇合理的母線修復(fù)方法尤為重要，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)損壞的程度制度不同的修復(fù)方案，本文重點(diǎn)驗(yàn)證高溫鋁液澆鑄修復(fù)效果。

2.1 陰極母線的修復(fù)技術(shù)比較

陰極母線（包括陰極軟帶 ) 破損修復(fù)時(shí)，根據(jù)母線破損部位和損毀程度，一般有壓接式修復(fù)、停電焊接式修復(fù)、帶電磁屏蔽焊接式修復(fù)、高溫鋁液澆鑄熔接式修復(fù)等幾種方法。

表1 幾種母線修復(fù)方法的比較[4]

通過(guò)以上資料比對(duì)及同行調(diào)研，軟母線修復(fù)普遍采用壓接式修復(fù)，槽周母線修復(fù)多采用停電焊接式修復(fù)，若以15萬(wàn)噸系列產(chǎn)能為例，系列停電6小時(shí)造成損失約160萬(wàn)元，對(duì)電解生產(chǎn)影響巨大。

經(jīng)調(diào)研武漢某大學(xué)焊接研究所、貴陽(yáng)某設(shè)計(jì)院研發(fā)出電解槽屏蔽短路裝置，不論不停電母線焊接技術(shù)，還是將電解槽磁場(chǎng)有效屏蔽的裝置，均存在費(fèi)用高問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)不停電情況下的母線有效修復(fù)，查閱采用高溫鋁液澆鑄法修復(fù)母線相關(guān)資料，驗(yàn)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(fù)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(fù)過(guò)程中無(wú)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(fù)，為了驗(yàn)證該技術(shù)實(shí)施效果，確保澆鑄質(zhì)量，開展了澆鑄工藝的相關(guān)試驗(yàn)、檢驗(yàn)、方案優(yōu)化的研究。

2.3 前期試驗(yàn)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(yù)加熱-鋁液溫度控制-母線澆鑄五個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)，首先使用噴槍對(duì)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(xù)倒鋁待鋁液充滿整個(gè)空腔澆鑄完畢，自然冷卻后拆下模具，進(jìn)行斷面切割探傷分析。

探傷分析切片基本無(wú)氣泡，斷面熔為一體；選取同等長(zhǎng)度，同等規(guī)格的母材與澆鑄母線進(jìn)行電阻測(cè)試，使用壓降測(cè)量?jī)x，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(shí)可通過(guò)增大斷面截面積的方法進(jìn)一步降低電阻，實(shí)驗(yàn)證明該方法是行性的。

2.4 實(shí)施母線修復(fù)

2.4.1 模型制作

根據(jù)上述試驗(yàn)效果，對(duì)某槽沖斷的槽周母線實(shí)施澆鑄，根據(jù)破損母線截面寬度、長(zhǎng)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(zhì)，再用煤油刷洗斷面粉塵，最后用電鉆加工出不規(guī)則的孔洞，當(dāng)高溫鋁液充滿孔洞時(shí)形成類似“錨釘”的固定腳，這些“錨釘”在澆鑄母線收縮過(guò)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(zhì)量，降低澆鑄母線壓降，安裝時(shí)模型底面應(yīng)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?zhàn)觾?nèi)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(dǎo)流槽與蓄鋁槽，導(dǎo)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(fù)與效果檢查

依據(jù)上述方案對(duì)某槽損壞的母線實(shí)施澆鑄，待母線自然冷卻后拆除模型，測(cè)量壓降，測(cè)試方法如圖4。

圖4 母線修復(fù)檢測(cè)示意圖

圖5 脫模后的澆鑄母線

按照上述圖4檢測(cè)方法，使用壓降測(cè)量?jī)x進(jìn)行等距測(cè)量，當(dāng)電流200A的條件下冷態(tài)測(cè)量，母材電阻2.47μΩ，澆鑄段電阻為2.03μΩ；在電解槽啟動(dòng)后熱態(tài)測(cè)量，母材壓降為11.7mv，澆鑄段壓降為12.8mv，修復(fù)效果良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)槽殼外鼓長(zhǎng)側(cè)板變形校正與槽周母線損壞的修復(fù)過(guò)程闡述，實(shí)踐證明：均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)電解槽大修及穩(wěn)定運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。