李 猛

(貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院， 貴州 貴陽(yáng) 550004)

?

輕金屬

鋁電解系列不停電停(開(kāi))槽技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐

李 猛

(貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院， 貴州 貴陽(yáng) 550004)

敘述了鋁電解系列不停電停(開(kāi))槽技術(shù)中具有代表性的三種工藝方法，即短路口機(jī)械同步開(kāi)閉法、短路口換流開(kāi)關(guān)降壓法及綜合集成法的特點(diǎn)及應(yīng)用，其中綜合集成法由于實(shí)現(xiàn)了短路口換流開(kāi)關(guān)與機(jī)械開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的一體化集成，可以遠(yuǎn)距離操作短路口分合，故最安全可靠。文中針對(duì)不停電停(開(kāi))槽技術(shù)應(yīng)用中常見(jiàn)的問(wèn)題提出了建議。

鋁電解； 不停電停(開(kāi))槽； 換流開(kāi)關(guān)； 短路口機(jī)械開(kāi)閉機(jī)構(gòu)

鋁電解系列不停電停(開(kāi))槽技術(shù)是最近十余年逐步發(fā)展起來(lái)的高效環(huán)保節(jié)能技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各種鋁電解槽型，幾乎涵蓋600 kA以下所有生產(chǎn)系列，其解決了大型預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽不能在全電流工況下停(開(kāi))檢修槽的傳統(tǒng)技術(shù)難題，對(duì)電解鋁企業(yè)節(jié)能降耗、減少電網(wǎng)沖擊、增產(chǎn)增收、提高槽壽命具有重大意義，相關(guān)裝備也迅速成為鋁電解工藝的標(biāo)準(zhǔn)配置。不停電停(開(kāi))槽技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段，其中以短路口機(jī)械同步開(kāi)閉法、短路口換流開(kāi)關(guān)降壓法、綜合集成法為代表，這些方法在不同時(shí)期以及特定范圍內(nèi)均獲得過(guò)成功應(yīng)用。筆者為不停電停(開(kāi))槽技術(shù)的研發(fā)者，本文結(jié)合科研實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)上述三種工藝方法，特別是綜合集成法在引入短路口機(jī)械開(kāi)閉機(jī)構(gòu)方面作重點(diǎn)闡述。

1 短路口機(jī)械同步開(kāi)閉法

短路口機(jī)械同步開(kāi)閉法的主要代表是Dubal鋁廠于上世紀(jì)70年代推出的CD200系列槽用短路裝置，其結(jié)構(gòu)是在短路口間設(shè)置一個(gè)短路契塊(如圖1所示)，利用V型口的導(dǎo)向性和自鎖性，用柱塞缸快速將短路契塊推入或拉出短路口，達(dá)到將目標(biāo)槽接入或短路的目的。這種方法可以遠(yuǎn)距離通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)剛性同步分合多組短路口，對(duì)于操作人員以及生產(chǎn)運(yùn)行有可靠的安全保障，因此同時(shí)期在國(guó)外多家鋁廠得以工業(yè)化應(yīng)用。但是，配套此法的機(jī)構(gòu)部件重量大、工作速度較慢，無(wú)法將短路口電弧能量降到很低水平，短路母線在分合過(guò)程中產(chǎn)生的電弧對(duì)壓接面會(huì)造成一定程度灼傷，導(dǎo)致接觸電阻升高、能耗加大。

圖1 Dubal 鋁廠短路口機(jī)械開(kāi)閉裝置

這種工藝方法對(duì)于目前我國(guó)主流大型鋁電解槽的母線結(jié)構(gòu)形式不適用，而且該方法需要生產(chǎn)系列中的每臺(tái)槽均配置一套相應(yīng)設(shè)備，經(jīng)濟(jì)性不理想，所以在國(guó)內(nèi)未得到實(shí)際應(yīng)用。

2 短路口換流開(kāi)關(guān)降壓法

電接觸理論[1]指出：①電壓等級(jí)的提高將極大程度增加電弧的燃弧時(shí)間和電弧能量； ②在一定電壓等級(jí)下，電弧燃弧時(shí)間和電弧能量隨電流上升而增加，比電壓引起的增幅要小。另有研究表明[2]，在相同的工作電流下，電壓等級(jí)提高1.5倍，電弧持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)2.5倍以上，增速約為前者的2倍。因此，該方法的技術(shù)原理是通過(guò)在電解槽立柱母線和短路母線之間并聯(lián)一組換流開(kāi)關(guān)，降低短路口開(kāi)合前后的電勢(shì)差，實(shí)現(xiàn)高效降低短路口電弧能量目的。

短路口換流開(kāi)關(guān)降壓法在電解鋁工業(yè)的應(yīng)用始于德國(guó)VAW公司生產(chǎn)的基于換流開(kāi)關(guān)的旁路電流轉(zhuǎn)換裝置，該產(chǎn)品主要針對(duì)縱向單排配置的鋁電解系列，在目標(biāo)槽前側(cè)和后側(cè)各配置一組開(kāi)關(guān)，在停槽或開(kāi)槽時(shí)將短路開(kāi)關(guān)用天車吊入電解槽前后兩側(cè)，兩端各夾緊上游槽及下游槽的立柱母線，然后合上換流開(kāi)關(guān)，人工閉合或斷開(kāi)短路口，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電解槽的停槽和開(kāi)槽。日本輕金屬株式會(huì)社上世紀(jì)80年代初也推出過(guò)類似的裝置，但由于日本逐步退出鋁工業(yè)市場(chǎng)，相關(guān)裝置沒(méi)有得到進(jìn)一步發(fā)展和推廣。上世紀(jì)90年代平果鋁廠用熔斷器替代換流開(kāi)關(guān)做過(guò)類似的試驗(yàn)，但由于熔斷器材料的差異，實(shí)際操作時(shí)常會(huì)出現(xiàn)熔斷器不同時(shí)熔斷的現(xiàn)象，尤其當(dāng)只剩一個(gè)熔斷器沒(méi)有熔斷時(shí)，人工強(qiáng)行拆卸會(huì)發(fā)生劇烈拉弧的現(xiàn)象，有較大安全隱患。2005年河南中孚鋁業(yè)公司率先在350 kA大型鋁電解槽系列上用短路口并聯(lián)換流開(kāi)關(guān)的方法完成全電流停(開(kāi))槽作業(yè)，取得了良好效果，促進(jìn)該技術(shù)逐步走向?qū)嵱没ｋm然短路口換流開(kāi)關(guān)降壓法具有極佳的滅弧效果以及對(duì)槽型空間良好適應(yīng)性，使不停電停(開(kāi))槽技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用于大型鋁電解系列成為可能，但國(guó)內(nèi)外許多專家也指出，短路口換流開(kāi)關(guān)降壓法存在明顯的技術(shù)缺陷，對(duì)其可靠性及潛在的安全隱患表示憂慮。現(xiàn)代大型預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽進(jìn)電母線數(shù)量多達(dá)6個(gè)(甚至更多)，這種工藝方法要求在每個(gè)進(jìn)電母線處均安裝一組換流開(kāi)關(guān)，每組開(kāi)關(guān)在可靠性方面形成相互串聯(lián)的關(guān)系，多組換流開(kāi)關(guān)在分合時(shí)必須保持高度同步性，即一組換流開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障，都可能造成緊急甚至事故工況，特別是在多組人力帶電開(kāi)閉短路口的作業(yè)環(huán)節(jié)存在明顯的安全隱患，如果出現(xiàn)諸如開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)接觸不良、外部連接面接觸不良、違反操作規(guī)程等極端工況，短路口仍可能出現(xiàn)劇烈的拉弧現(xiàn)象，且目前所采用的控制技術(shù)難以確?？煽康念A(yù)警，對(duì)操作人員人身安全乃至整個(gè)生產(chǎn)安全缺乏足夠的后續(xù)保護(hù)措施。西方先進(jìn)鋁業(yè)公司的專家雖對(duì)該法的易用性和實(shí)際作業(yè)效果認(rèn)可，但并未大規(guī)模效仿應(yīng)用。

3 綜合集成法

鑒于短路口機(jī)械同步開(kāi)閉法與短路口換流開(kāi)關(guān)降壓法存在上述問(wèn)題，中國(guó)鋁業(yè)公司貴陽(yáng)分公司研發(fā)了一種結(jié)合兩種方法優(yōu)點(diǎn)的工藝方法，即根據(jù)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)原理，可將短路口視為大電流開(kāi)關(guān)的主觸頭，并配套設(shè)計(jì)相應(yīng)的滅弧開(kāi)關(guān)和短路口機(jī)械開(kāi)閉機(jī)構(gòu)，形成一體化的新型電解槽不停電停開(kāi)槽裝置。通過(guò)滅弧開(kāi)關(guān)和機(jī)械開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的配合聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)短路口遠(yuǎn)距離閉合與打開(kāi)，總體設(shè)計(jì)電氣原理如圖2所示。

I—系列電流； R—目標(biāo)鋁電解槽等效電阻； R′—短路母線等效電阻； QF—直流負(fù)荷開(kāi)關(guān)； QS—短路口； M—機(jī)械開(kāi)閉機(jī)構(gòu)圖2 綜合集成法總體設(shè)計(jì)電氣原理

特大型鋁電解槽短路口載流負(fù)荷最高可達(dá)100 kA, 用負(fù)荷開(kāi)關(guān)旁路完成一次換流過(guò)程將短路口電流能量轉(zhuǎn)移是安全分?jǐn)嗟募夹g(shù)基礎(chǔ)。本方法創(chuàng)造性地應(yīng)用機(jī)械手裝置閉合短路口完成二次換流過(guò)程，通過(guò)自適應(yīng)控制的液壓力使短路口在聯(lián)接件操作過(guò)程中處于均勻壓緊狀態(tài)，大部分電流能量在二次換流過(guò)程中重新轉(zhuǎn)移至短路口。在機(jī)械手的同步操作下，短路口閉合過(guò)程低于1 s，不同步時(shí)間小于50 ms，高效實(shí)現(xiàn)了電流能量的無(wú)弧轉(zhuǎn)移目標(biāo)。同時(shí)負(fù)荷開(kāi)關(guān)在20 min的額定工作時(shí)間(95%以上用于完成聯(lián)接件操作過(guò)程)內(nèi)僅承受一次換流負(fù)荷的50%～60%，有效工作載荷大幅降低，實(shí)現(xiàn)以較小的通流截面和散熱空間保持熱穩(wěn)定，且主、弧觸頭機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)慣量減小得以完成輕量化設(shè)計(jì)，在同功率操作機(jī)構(gòu)下分合閘速度顯著提高，分合閘時(shí)間小于10 ms,不同步時(shí)間小于3 ms，開(kāi)關(guān)組分?jǐn)嚯娏髂芰ι仙?00 kA以上。二次換流策略和時(shí)序控制技術(shù)，首次使特大型鋁電解槽不間斷系列電流檢修維護(hù)作業(yè)達(dá)到安全水平，全機(jī)電一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人帶電操作短路口，滿足重要電器設(shè)備的N-1原則要求，即在一個(gè)開(kāi)關(guān)(甚至若干開(kāi)關(guān))出現(xiàn)合閘故障時(shí)短路口不產(chǎn)生有害電弧，且在開(kāi)關(guān)組出現(xiàn)極端故障時(shí)，機(jī)械開(kāi)閉機(jī)構(gòu)可遠(yuǎn)距離有效分?jǐn)喽搪房趶?qiáng)電弧，不會(huì)造成人員傷亡和重大安全事故。

4 常見(jiàn)問(wèn)題及建議

目前國(guó)內(nèi)能提供鋁電解系列不停電停(開(kāi))槽技術(shù)及裝備的廠商有多家，大都是遵循短路口換流開(kāi)關(guān)降壓法的路線。在充分考慮不同鋁電解系列的具體情況以及結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，筆者針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)中存在若干共性問(wèn)題給出了建議，使其能夠正確合理運(yùn)用。

4.1 換流開(kāi)關(guān)電壓參數(shù)的確定

鋁電解系列不停電停(開(kāi))槽中使用的換流開(kāi)關(guān)均為直流負(fù)荷開(kāi)關(guān)，這種開(kāi)關(guān)的額定工作電壓是根據(jù)焙燒啟動(dòng)時(shí)鋁電解槽的沖擊電壓確定的，現(xiàn)有的焙燒啟動(dòng)方法為保證焙燒質(zhì)量一般要求沖擊電壓不高于6 V。實(shí)際開(kāi)槽過(guò)程中影響沖擊電壓的因素很多，出現(xiàn)6 V以上的情況也常見(jiàn)，但應(yīng)限制在10 V以下。對(duì)于鋁電解槽低壓大電流工況特殊設(shè)計(jì)的直流負(fù)荷開(kāi)關(guān)，額定工作電壓過(guò)高將嚴(yán)重影響觸頭部件的使用壽命，導(dǎo)致維護(hù)成本升高，因此將直流負(fù)荷開(kāi)關(guān)的額定工作電壓規(guī)定為10 V比較合適。直流負(fù)荷開(kāi)關(guān)的最高工作電壓30 V，是考慮目標(biāo)電解槽出現(xiàn)效應(yīng)時(shí)的工況而定的，在該工況下觸頭允許過(guò)度燒損，但直流負(fù)荷開(kāi)關(guān)組應(yīng)能有效分?jǐn)嘞盗须娏鳌?/p>

4.2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

鋁電解系列不停電停(開(kāi))槽技術(shù)目前雖然已大量應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各種槽型，但是現(xiàn)有槽型的短路口設(shè)計(jì)并未充分考慮與直流負(fù)荷開(kāi)關(guān)工藝連接的需要，沒(méi)有對(duì)通流接觸面進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋C(jī)加工處理，因此通流接觸面多處于鑄造毛坯狀態(tài)。設(shè)計(jì)者應(yīng)明確在這種工況下不停電停(開(kāi))槽裝置是否能滿足短路口操作安全電壓的要求和操作時(shí)間的要求，先在生產(chǎn)運(yùn)行的電解系列上對(duì)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，然后再編制操作規(guī)程細(xì)節(jié)交付用戶使用。

驗(yàn)證內(nèi)容至少應(yīng)包括下列兩項(xiàng):①換流開(kāi)關(guān)組合閘后，槽電壓應(yīng)小于0.8 V；②換流開(kāi)關(guān)主要部件溫升應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 直流負(fù)荷開(kāi)關(guān)主要部件允許溫升 K

4.3 兩點(diǎn)進(jìn)電槽型的技術(shù)方案

兩點(diǎn)進(jìn)電的鋁電解槽型目前國(guó)內(nèi)主要為160 kA系列，雖然正逐漸淘汰，但部分存量企業(yè)仍然使用。停電停(開(kāi))槽作業(yè)對(duì)其生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)際危害更大，筆者認(rèn)為：首先，在短路口處安裝換流開(kāi)關(guān)的方式對(duì)于該槽型不合適，主要原因是短路口處既不方便吊裝，也沒(méi)有足夠的安裝空間，以及壓接面狀況差、打磨處理困難等。另有廠家給出換流開(kāi)關(guān)數(shù)量少于短路塊數(shù)量的配置方案，而在實(shí)際操作中存在母線過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)，甚至無(wú)法確保短路口電壓降到足夠安全范圍，不提倡使用。

針對(duì)上述情況，建議將換流開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)位置選在相鄰陽(yáng)極大母線中間，兩側(cè)配置搭接母排，用快裝夾具與之相互聯(lián)接，不再利用原槽底短路母線，如圖3所示。

圖3 兩點(diǎn)進(jìn)電槽型換流開(kāi)關(guān)旁路三維示意圖

這種布置經(jīng)過(guò)合理的誤差補(bǔ)償設(shè)計(jì)，雖然安裝路線長(zhǎng)，但操作人員安裝速度并不比安裝在短路口處慢，目前已在中鋁青海分公司成功投入應(yīng)用，效果比較理想。這種配置存在的主要問(wèn)題是難以采用綜合集成法的設(shè)計(jì)一體化設(shè)備，即換流開(kāi)關(guān)不能機(jī)械開(kāi)閉機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，提高安全性的方法只是利用其空間不受限制，加大換流開(kāi)關(guān)的安全裕度，付出的經(jīng)濟(jì)代價(jià)高于短路口換流開(kāi)關(guān)降壓法，特別是為了縮減體積采用銅母排的方案更為顯著。針對(duì)這種情況，中鋁青海分公司的技術(shù)人員提出一種兩級(jí)分流降壓的方法用于開(kāi)槽作業(yè)，即多增加兩組銅質(zhì)分流片(對(duì)應(yīng)每進(jìn)電點(diǎn))安裝于相鄰槽底部母線處，由于在槽底母線上容易找到很短的安裝路線，所以銅質(zhì)分流片的尺寸小、重量輕，可通過(guò)專用工具快速安裝、拆卸，與已進(jìn)入分流狀態(tài)的開(kāi)關(guān)共同分流降壓。由于多了這一級(jí)高效的分流旁路，短路口開(kāi)合前后的電勢(shì)差很容易降至安全值以下，短路口操作即使長(zhǎng)達(dá)40～50 min也再不會(huì)產(chǎn)生有害電弧，作業(yè)完畢后先拆除分流片再斷開(kāi)開(kāi)關(guān)即可，使處理一些老舊槽螺栓卡阻等工況有了充裕的時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)

鋁電解系列不停電停(開(kāi))槽技術(shù)是我國(guó)相關(guān)企業(yè)獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)且在全行業(yè)迅速得以推廣的科技創(chuàng)新典范，尤其是與綜合集成法相關(guān)的裝置擁有多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在國(guó)際上處于領(lǐng)先水平。目前該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用中仍存在水平良莠不齊、忽視安全要素提升等問(wèn)題，亟待國(guó)家相關(guān)部門進(jìn)一步規(guī)范管理。綜合集成法技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，由于實(shí)現(xiàn)了短路口換流開(kāi)關(guān)與機(jī)械開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的一體化集成，可以遠(yuǎn)距離操作短路口分合，是目前該項(xiàng)技術(shù)中最安全可靠的工藝方法，應(yīng)大力推廣應(yīng)用，以適應(yīng)我國(guó)鋁電解槽技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。

[1] 華中工學(xué)院.電接觸理論及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

[2] 周瑋,臧春艷,何俊佳.電氣參數(shù)和機(jī)械參數(shù)對(duì)繼電器直流電弧的影響[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2006,(19)：151-155.

中科院金屬所研發(fā)“綠色”滲鋁技術(shù)

中科院金屬所研究人員研發(fā)出顛覆傳統(tǒng)的“綠色”滲鋁技術(shù)，使先進(jìn)鋁化物涂層制備像真空鍍膜一樣，實(shí)現(xiàn)無(wú)毒氣排放、無(wú)有害元素?fù)诫s，涂層抗氧化性能優(yōu)越于普通的鋁化物涂層。

鋁化物涂層技術(shù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片高溫腐蝕防護(hù)的主要方法之一。該技術(shù)已申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利，為高溫合金葉片滲鋁工藝升級(jí)換代提供保障和基礎(chǔ)，相關(guān)機(jī)理研究已公開(kāi)發(fā)表在國(guó)際期刊上。

Application & practices of the shut down/restart cell technology in aluminum reduction potline without power interruption

LI Meng

This article introduces respectively the application & practices of the three representative process methods for the shut down/restart cell technology in aluminum reduction potline without power interruption, i.e. the mechanical synchronous open/close method of short-circuit opening, voltage reduction method of commutation switch of short-circuit opening and the comprehensive integration method, and their corresponding characteristics, and indicates especially that the comprehensive integration method is the safest and most reliable process method, which can realize the remote control of open/close for short-circuit opening due to the integration of commutation switch and mechanical open/close of the short-circuit opening. Some suggestions are made for the common issues in the shut down/restart cell technology without power interruption.

aluminum reduction potline; shut down/restart aluminum reduction cells without power interruption; commutation switch, mechanical open/close of the short-circuit opening

李猛(1974-)，男，貴州貴陽(yáng)人，大學(xué)本科學(xué)歷，高級(jí)工程師,從事非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的研發(fā)與設(shè)計(jì)工作。

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題(2013AA041002)

2016-04-25

2016-06-02

TF821

B

1672-6103(2016)04-0022-04