胡 超，张红霞

（邹平市（县）汇才新材料科技有限公司，山东邹平 256200）

0 引言

在产电解铝在系列运行情况下增加一套整流机组，直流大母线对接是整个项目的关键点。靠近整流所的直流大母线处于室外，与电解厂房内母线熔接在环境温度上有区别，特别是冬季施工；同时正负母线间距较近易造成施工短路；另整流所出线的汇流直流大母线电压高，磁场强。

新增整流机组整流柜的分支母线与新增汇流正负直流大母线的连接采用焊接和压延母线螺栓的压接方式。但是新增机组的正负汇流母线与原直流母线对接，因为处于运行电流强磁场中，经焊接试验，普通的焊接工艺无法满足在不停电的情况下完成母线对接的工作。如果停电焊接，需要对电解系列进行降电流处理，由于电解铝生产的特殊性，必须保证整流系列供电的连续性。短时间的停电及降电流也会影响电解槽寿命及电解生产指标。要想完成新增整流机组母线与原母线的对接，不停电母线熔接工艺解决了在施工过程中存在的技术难题，通过实践也确定了方案的可行性。

1 不停电自动焊接技术概述

不停电自动熔接技术是根据需要对熔接铝母线部分的尺寸进行确定后，先进行支模，然后对模具及铝母线进行加热至300 ℃左右，然后将药剂进行加热点火，药剂自身发生化学反应，产生作为熔接接口的熔液及大量的热量，因熔液温度很高，将需要熔接的铝母线表面融化，加之焊药内的特殊成分，最终将焊药产生的铝水与原铝母线熔接形成一个整体。

2 母线熔方案的确定

某600 kA 电解铝动力分厂在确定新增一台整流机组后，新增机组的正负汇流母线与原母线存在对接点2 处：正极母线1 处，距离地面约2.5 m；负极母线1 处，距离地面约1.5 m。母线截面尺寸为520 mm（高）×500 mm（宽）。母线工作时电压为750 V，系列电流600 kA。关于此次新增整流机组母线与原直流母线的对接工作，根据现场情况制定以下3 种焊接方案。

方案1：氩弧焊堆焊铝连接片（停电）（图1）。

此种焊接方式下，原母线之间需要预留合口尺寸500 mm，并保证两母线之间的高度差为±5 mm 以内，通过连接片一层层堆焊将分离的两根母线连接为一体。连接片尺寸为500 mm（长）×490 mm（宽）×10 mm（厚 度），490 mm 的宽度方向上双边开5 mm×45°坡口保证全截面焊接，连接片共计52 片。此种焊接方式需要进行停电焊接，预计焊接效率为4 片/h，因此完成一个开口处母线焊接共计需要停电52/4=13 次，每次停电1 h，每次停电时同时进行正极和负极的焊接工作，因此完成每个系列母线合 口焊接共需要停电13 h。

图1 氩弧焊堆焊铝连接片示意

方案2：铝基熔焊接（停电）（图2）。

此种焊接方案下，原母线之间需要预留合口尺寸为40 mm，保证高度差±5 mm 以内。根据母线尺寸及相对位置关系制作相应热熔焊接模具两套，用热熔焊接方式将两母线焊接为一体，保证焊接融合率90%以上。此种焊接方式下停电时进行焊接，完成一个母线合口焊接需要停电4 次，每次1 h，其中2 h 用于支模、固定及防漏检查工作，2 h用于热熔焊接。每次停电时同时进行正极和负极的焊接，因此完成每个系列母线合口焊接需要停电4 h。

图2 铝基熔焊接示意

方案3：铝基热熔焊接（不停电）。

此种焊接方案实施方法及所需材料与方案二相同，此种方案不需要停电，直接在不停电、不降负荷的情况下焊接，对电解槽的生产及寿命无任何不良影响。此前无此方面的先例，可行性无法考证。

通过对以上3 个方案的对比，前两种方案都需要对电解系列进行停电操作，并且次数较多，对电解槽的寿命及生产指标带来很大不良影响。铝母线的带电熔接技术在行业内已有先例，但是都是在系列电流较小或在电解槽之间的母线熔接，在600 kA系列，且熔接部位处于直流大母线处，在不停电、不降电流的情况下，以前无可借鉴经验，但是考虑到电解槽的寿命及经济指标等众多因数，经过多方论证，最终决定采取第三套方案。

3 母线带电熔接前的准备工作及保证措施

整个焊接过程在高电压及大电流下带电进行，加之正负母线之间距离较近，熔接过程中应考虑会产生大量的烟气及高温明火、飞溅火花，此外还应考虑模具倒塌铝水外溢、坩埚破裂引起的铝水外溢导致直流母线短路或接地等因素。不停电作业过程中的安全措施是否齐全、完善，关乎着整个电解系列及作业人员的安全，一旦出现意外或防护不当，将造成不可挽回的损失。通过事前预控及对整个作业过程进行安全监管，现对重要的风险点及预控措施分析如下。

3.1 防高空坠落、触电、烫伤等人身伤害

工作前对工作班成员做好安全培训；工作现场搭设牢固的检修平台，作业面周围设置绝缘防护围栏，检修平台搭设采用不锈钢等防磁材质，同时不锈钢支架需进行彻底的绝缘防护，避免在作业过程中磁场的干扰及踩踏或碰触短路或接地；作业过程劳保齐全，必须穿绝缘鞋，戴劳保手套，佩戴防护面罩，作业过程中严禁作业人员同时接触母线正、负极。提前准备好耐高温的石棉布、岩棉板、保温砖等，便于移动坩埚时防止烫伤。现场设专职监护人对现场安全进行监管。

3.2 防热熔反应过程烟气、火光引起正负母线短路、接地

此项安全措施务必到位，一旦点火，燃烧期间大量的烟气及高温明火将会引燃周围的可燃物，甚至通过烟气、火光直接造成正负母线接地或短路。且热熔反应剧烈，反应过程作业人员无法靠近，一旦出现不安全情况，现场人员无法应急中止热熔反应过程，无法对故障点进行隔离，可能引起系列停电及整流设备损坏的极端恶劣事故。

通过作业观察及试验，部分不燃材料如：钢材、铝材、石棉布、高分子密度板、绝缘板等在点火后药剂燃烧喷出的高温火焰作用下，其耐火完整性及结构承受能力也无法满足隔离及支撑的要求。用于隔离的材料在高温下能否保持耐火完整性及结构的承受能力，其材料的选择起着至关重要的作用，经实践发现，比较经济并便于取材的耐火保温砖及岩棉板这两种耐火材料在作为隔离高温耐火措施时能起到良好的效果。

汇流母线下母线对接必须考虑反应火焰所能波及范围内与上母线的防火隔离，耐火砖可靠搭建多面防火隔离墙使用效果较好，同时需做好防火墙一旦坍塌，火焰外溢波及范围内，非同极母线的石棉板绝缘防火第二道安全防护措施。另在搭建防火隔离墙时需考虑当日风向，以确定火焰可能波及范围。

一次热熔反应持续时间的长短对耐火材料的耐火性影响也较大，经实践发现，25 kg 的热熔药剂，反应产生强火光浓烟的时间在60 s 左右，37.5 kg 的热熔药剂反应产生强火光浓烟的时间在90 s 左右，而50 kg 的反应时间>120 s，90 s 以内的反应时间整个耐火材料的耐火性比较受控，同时浓烟弧光对现场监控人员产生的的心理紧张情绪在90 s 以内比较合适，120 s会强烈感觉反应过长，心里紧张加剧。

4 熔接过程中可能存在的问题及对策

4.1 冬季施工模具及母线加热温度问题

母线熔接前，为了保持母线熔接咬合度，需提前将原母线及焊药进行预热，一般需预热至300 ℃左右，冬季室外气温较低，加热缓慢，加热结束至点火准备工作时间不宜过长，否则母线温度下降速度快，必然影响前期加热效果及熔接质量，可能导致焊剂与原母线的咬合度不够而造成返工问题。

针对冬季室外施工，应根据环境温度联系药剂单位去配比合适发热量的热熔药剂，发热量小会出现反应不充分，产出铝质较差（气孔多，电流密度小），发热量过大又会造成反应剧烈，母线熔蚀过大。同时冬季施工还应做好保温，加热母线周围做好挡风措施，装盛焊药的坩埚也需要提前进行加热保温，加热结束至点火期间的准备时间应尽可能的缩短，避免温度下降过快。

4.2 大磁场作用下，母线熔接顺序

母线对接时，原母线处于大电流、高电压状态，新接入母线不带电，加之直流大母线处磁场属于最大的地方，熔接第一锅时，往往会发生铝液流入接口处时发生迸溅，或铝液在接口内形成漩涡，铝液气孔情况严重，熔接效果不理想，无法满足使用需求，需进行返工处理。鉴于此情况，可对熔接顺序及工艺进行适当调整，可采取第一锅焊药药剂适当少放，熔化的药剂主要用于带电母线与非带电母线的连接，一旦母线连接好后，原带电母线与非带电母线熔接为一个整体，电流及磁场的影响在后期熔接中的影响会降低，后期可适当加大药剂，通过此措施，可大大提高焊接质量及节约药剂，并能大幅降低施工周期。

5 母线熔接完毕后验收检查

5.1 母线熔接完毕后外观检查

母线熔接完毕，应对熔接口及表面进行检查和处理，如出现两个熔接面熔合度不到位有缝隙或产生铝品质差，都需要清理后重新熔接。熔接合格后，要进行最后的打磨平整处理，最终完工焊接件见图3。

图3 带电铝基熔焊接完工

5.2 母线带负荷后熔接各部位运行参数监测

母线熔接后，首次带负荷，需制定升负荷梯度表，每个梯度所带负荷及运行时间需严谨，确保对熔接口的温升、压降、位移等情况可进行详细的检测（表1）。根据电流梯度，进行细致对比分析，发现异常及时处理。同时在刚投运的第一年需加强对焊接口温升和压降的监测，以确定环境温度、负荷及热胀冷缩等变化对熔接口运行参数的影响。后期运行正常后可减少频次，但熔接口须持续作为风险点去管控。

表1 母线熔接口压降 mV

6 结语

通过对母线熔接完毕后的熔接质量进行跟踪，其压降、温度、外观基本能满足预期及使用要求。且焊接过程不需降电流，对电解槽的安全稳定性提供了保障。不停电熔接技术在大电流、高电压的整流所正负直流汇流大母线的熔接应用中，只要安全措施完善，就能保证施工过程作业人员及系列运行的安全性要求，并满足使用要求。