關(guān)永軍

（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166）

1 技術(shù)背景

在傳統(tǒng)鋁電解生產(chǎn)中，為了陽極保溫并且防止氧化，需要在陽極組的上方及周邊覆蓋一層150～250mm覆蓋料，覆蓋料通常由破碎電解質(zhì)和氧化鋁粉按一定比例配置而成。殘極處理包括電解質(zhì)的清理和殘極壓脫，電解質(zhì)在清理及其后續(xù)處理過程中的工作量很大，電解質(zhì)要通過人工或機(jī)械設(shè)備進(jìn)行清理，清理下來的塊狀料經(jīng)過輸送、破碎、篩分、倉儲(chǔ)，再返回電解車間使用，整個(gè)生產(chǎn)過程及多種設(shè)備的運(yùn)行需要消耗大量能源。電解質(zhì)在輸送、破碎、篩分、使用的整個(gè)循環(huán)過程中均有揚(yáng)塵，即使增加了除塵凈化系統(tǒng)，也難免對(duì)周邊環(huán)境造成影響，除塵凈化系統(tǒng)的運(yùn)行需要消耗大量的電能，再次增加運(yùn)行成本。電解生產(chǎn)中使用電解質(zhì)及氧化鋁粉作為覆蓋料，無論是車間建設(shè)投資還是運(yùn)行成本都很高。為了降低生產(chǎn)成本，有的電解鋁廠在單塊陽極借助保溫裝置進(jìn)行保溫，但這種做法，增加了工序，綜合成本未降反增。

2 問題分析

鋁電解槽的保溫須適度，過分的保溫將妨礙槽側(cè)部結(jié)殼的形成，容易導(dǎo)致側(cè)部腐蝕和槽的早期破損。但如果保溫效果太差將導(dǎo)致槽幫結(jié)殼過厚，則容易造成壓槽等生產(chǎn)事故。無論是覆蓋料還是保溫裝置，都起到保持電解槽能量平衡、防止陽極被氧化，減少電解質(zhì)揮發(fā)等諸多作用。覆蓋料的成分、粒度、厚度、導(dǎo)熱系數(shù)和安息角等參數(shù)決定了覆蓋料的性能。因此，覆蓋料的后續(xù)處理包括清理、破碎、篩分、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)等工序，對(duì)其中的破碎、篩分存儲(chǔ)等工序要求比較嚴(yán)格，對(duì)相關(guān)設(shè)備的選型，設(shè)備的性能要求也非常嚴(yán)格。探索覆蓋料的替代產(chǎn)品成為諸多鋁廠及相關(guān)工作人員一直努力的目標(biāo)，但因各種因素，均未獲得成功。

3 解決方法

為解決上文所述覆蓋料存在的諸多問題，設(shè)計(jì)一種保溫蓋板來替代覆蓋料成為解決問題的核心。保溫蓋板系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，涉及兩方面內(nèi)容：一方面保溫蓋板設(shè)計(jì)，另一方面是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。保溫蓋板設(shè)計(jì)，需要借助ANSYS軟件對(duì)保溫材料理化性能、厚度和保溫蓋板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，我院與某保溫材料廠家合作，經(jīng)過多方面努力，最終研究出一種耐高溫，保溫效果好的保溫材料，現(xiàn)處于工業(yè)試驗(yàn)階段。這種保溫蓋板具有如下特征：①體積小、重量輕、方便抓?。虎诒匦Ч?、耐高溫，抗腐蝕；③在高溫下，要有一定的力學(xué)強(qiáng)度。

電解槽生產(chǎn)中產(chǎn)生大量的煙氣，傳統(tǒng)的電解槽的上部結(jié)構(gòu)，電解槽上部結(jié)構(gòu)框架內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)較大的集氣腔體，用于對(duì)煙氣進(jìn)行回收，經(jīng)煙道匯集至電解煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行凈化處理。為了替代覆蓋料，采用保溫蓋板結(jié)構(gòu)，將目前的單腔體-集氣腔體調(diào)整為雙腔體，即在原來的單一集氣腔的下方增設(shè)保溫腔。保溫腔和集氣腔間由保溫蓋板進(jìn)行隔離，為減輕單件重量，方便抓取操作，將保溫蓋板設(shè)計(jì)成多塊蓋板。保溫蓋板分蓋板框架、耐高溫保溫蓋板、絕緣件、導(dǎo)桿密封件等組成。保溫蓋板分兩大部分：固定部分和可拆卸的活動(dòng)部分，在電解槽的中心區(qū)域?yàn)楣潭ú糠郑娊獠鄣膬蓚?cè)和電解槽的兩個(gè)端頭為可拆卸的活動(dòng)部分，可拆卸的活動(dòng)蓋板一端搭在固定部分的蓋板上，另一端搭在電解槽殼上，可拆卸的活動(dòng)部分的蓋板安裝有絕緣件，使其與槽殼和固定部分蓋板間處于絕緣狀態(tài)?？刹鹦兜幕顒?dòng)蓋板有導(dǎo)桿穿過處，設(shè)有導(dǎo)桿密封件。

圖1 電解槽側(cè)視圖

自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要涉及PLC和相關(guān)控制元件組成的系統(tǒng)涉及。相關(guān)控制元件包括：壓差開關(guān)、溫度傳感器、控制器等。固定的保溫蓋板上安裝有耐高溫溫度傳感器，保溫腔和集氣腔間安裝有壓差開關(guān)。保溫腔內(nèi)因溫度較高，加之電解鋁化學(xué)反應(yīng)中要產(chǎn)生大量的氣體，保溫腔的壓力很大。集氣腔通過煙管與電解車間煙氣凈化系統(tǒng)連接，集氣腔對(duì)外界顯負(fù)壓，保溫腔對(duì)集氣腔顯正壓，外界的氧氣很難進(jìn)入保溫腔，阻止了陽極組被氧化。固定部分的保溫蓋板上設(shè)有氣動(dòng)泄壓閥，當(dāng)保溫腔的壓力太大時(shí)，壓差也將隨之增加，當(dāng)壓差達(dá)到某一設(shè)定值，氣動(dòng)泄壓閥開啟，泄壓，當(dāng)壓力降為某一設(shè)定值時(shí)，泄壓閥關(guān)閉，完成泄壓。安裝于固定的保溫蓋板上的溫度傳感器，將時(shí)時(shí)監(jiān)測保溫腔的溫度，并將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給槽控機(jī)，電解車間監(jiān)控中心可隨時(shí)了解保溫腔溫度情況，進(jìn)而了解保溫效果。當(dāng)壓差值或溫度值異常，則保溫蓋板沒蓋嚴(yán)密或有損壞，需要操作人員進(jìn)行巡檢，排除故障。兩個(gè)腔體間設(shè)壓差傳感器，壓差傳感器與控制器連接，由控制器對(duì)氣動(dòng)泄壓閥的動(dòng)作進(jìn)行自動(dòng)控制，不需人為干預(yù)。

由上文所述可以看出，保溫腔外側(cè)的保溫蓋板的增設(shè)和機(jī)電一體化技術(shù)的引入，大幅度降低了電解生產(chǎn)成本，也大幅度降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。電解槽雙腔體的上部結(jié)構(gòu)，已申請實(shí)用新型專利。

4 結(jié)語

機(jī)電一體化技術(shù)在鋁電解槽陽極保溫及防氧化技術(shù)中的應(yīng)用，必將為電解槽覆蓋料替代品的探索與研究起到積極的推動(dòng)作用。覆蓋料替代品的研究與應(yīng)用對(duì)提高企業(yè)和社會(huì)綜合經(jīng)濟(jì)效益起到積極促進(jìn)作用，尤其是電解槽覆蓋料被替代后，電解車間和陽極組裝車間的相關(guān)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度將大幅度降低，也大幅度減少環(huán)境污染。該保溫蓋板以及保溫自控系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、加工、運(yùn)行成本低，維護(hù)方便，具有巨大社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有很好的推廣價(jià)值。