舒 斌，賀國念，毛 霖，李紅飛，陳建宏，吳其榮，劉舒巍

（國家電投集團(tuán)遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司重慶科技分公司，重慶 401120）

據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2019年我國原鋁產(chǎn)量為3504萬噸，約占世界的60%以上，已是名副其實(shí)的電解鋁第一大國。同時也已建成電流達(dá)660kA、單槽產(chǎn)能1800噸/年的新一代大型電解槽。電解鋁技術(shù)近幾十年的總體發(fā)展主要體現(xiàn)在電解電流（或槽型）的不斷變大，如電流經(jīng)歷了180kA、200kA、280kA、300kA、350kA、400kA、500kA、600kA、660kA的發(fā)展，并在噸鋁生產(chǎn)能耗、物耗下降及環(huán)保方面也取得了顯著成效[1]，但是對于預(yù)焙槽的生產(chǎn)工藝卻沒有較大突破或創(chuàng)新性變革[2，3]，其中之一即是電解槽上部陽極提升系統(tǒng)。

電解槽陽極提升當(dāng)前采用的是集中框架式結(jié)構(gòu)，即所有陽極導(dǎo)桿被夾持在槽體兩側(cè)水平大母線上，水平母線向?qū)U供電的同時還通過支吊點(diǎn)與升降器聯(lián)結(jié)，升降器再通過傳動軸由電機(jī)統(tǒng)一驅(qū)動水平母線運(yùn)動，除換極過程外每個陽極的升降運(yùn)動均同步。陽極集中升降工藝自預(yù)焙槽型發(fā)明以來就一直沿用，其工藝結(jié)構(gòu)除因槽型和載荷變大而對母線吊點(diǎn)數(shù)量和升降器結(jié)構(gòu)進(jìn)行過優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[4-6]外，其他并未有明顯改進(jìn)。

隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，電解鋁工藝已朝著“低電壓、低溫度、高電流效率、低極距、低排放、智能化”的方向發(fā)展[7-9]，越來越多的生產(chǎn)實(shí)踐表明電解槽陽極集中提升工藝已不適應(yīng)鋁電解技術(shù)的發(fā)展需要和趨勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

①無法實(shí)現(xiàn)極距的“按需”調(diào)整，即每個陽極可能因碳素材料、加工制造、新舊極差異或槽底狀況不同等原因消耗速度始終存在偏差，陽極底掌并非很好的處于同一平面而無法更好控制極距，不利于降低電解電壓、提升電流效率；②無法實(shí)現(xiàn)陽極電流在線測量并掌握實(shí)時分布情況[10-12]，不能及時判斷槽內(nèi)電解質(zhì)濃度狀態(tài)，對氧化鋁、氟鹽等下料無法起到優(yōu)化控制作用，不利于降低陽極效應(yīng)發(fā)生頻次；③抬升母線作業(yè)強(qiáng)度大，每次抬升母線需要利用天車并通過提升框架進(jìn)行輔助操作既費(fèi)時又費(fèi)力；④電解槽智能化控制精度水平較弱，槽控系統(tǒng)能直接獲得的參數(shù)輸入為系列電流值“I”和槽平均電壓值“U”，槽控機(jī)在僅靠“I”、“U”和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定輸入再作模糊解析判斷并控制電解槽操作，智能化程度低且精度不高。

本文針對預(yù)焙鋁電解槽陽極集中提升工藝存在的不足，設(shè)計(jì)一種新型的陽極獨(dú)立提升工藝并作相應(yīng)技術(shù)分析以期拋磚引玉，使電解生產(chǎn)能夠獲得更優(yōu)的極距和電流效率、更低的降低陽極效應(yīng)頻次等技術(shù)指標(biāo)，并提升電解槽智能化控制水平等，實(shí)現(xiàn)電解鋁的深度節(jié)能降耗并推動技術(shù)進(jìn)步。

1 工藝關(guān)鍵構(gòu)成

相對陽極整體框架式提升方式，要實(shí)現(xiàn)獨(dú)立提升需要先解列導(dǎo)桿與水平母線的聯(lián)結(jié)，即將每組陽極變成可獨(dú)立運(yùn)動的個體，再針對單組陽極配置獨(dú)立的驅(qū)動電機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)，同時調(diào)整水平母線布置再從母線上引出單獨(dú)的供電軟聯(lián)結(jié)帶為導(dǎo)桿供電，并利用供電連接帶設(shè)置電流測量裝置實(shí)現(xiàn)陽極電流的在線檢測。

圖1 陽極獨(dú)立提升工藝簡圖

工藝包括獨(dú)立驅(qū)動裝置、導(dǎo)桿提升綜合系統(tǒng)、母線及陽極供電聯(lián)結(jié)、電流在線檢測及控制幾個關(guān)鍵方面。圖1為陽極獨(dú)立升降系統(tǒng)工藝簡圖。

1.1 獨(dú)立驅(qū)動系統(tǒng)

所謂獨(dú)立驅(qū)動系統(tǒng)，即針對每組陽極設(shè)置一套單獨(dú)的驅(qū)動裝置以實(shí)現(xiàn)自由升降運(yùn)動，圖2為獨(dú)立驅(qū)動系統(tǒng)裝置示意圖（圖1中A的側(cè)視放大圖），系統(tǒng)設(shè)置有微型驅(qū)動電機(jī)、減速裝置以及連軸器，驅(qū)動系統(tǒng)布置在電解槽頂部平面并靠近導(dǎo)桿一側(cè)。

減速裝置出力軸通過聯(lián)軸器與絲桿起重器的蝸桿聯(lián)結(jié)并輸出動力，經(jīng)減速機(jī)后電機(jī)輸出扭矩得到較大提升可以驅(qū)動更大的陽極載荷作升降運(yùn)動。

1.2 導(dǎo)桿提升綜合系統(tǒng)

如圖3所示（圖1中B的放大圖），導(dǎo)桿提升綜合系統(tǒng)包括絲桿起重器、絲桿聯(lián)結(jié)件、過渡件、夾具、滑動導(dǎo)軌等。

絲桿起重器接受動力輸入后驅(qū)動蝸輪帶動絲桿作豎直方向運(yùn)動，絲桿下端通過聯(lián)結(jié)件與過渡件相連，過渡件外側(cè)面安裝有夾具夾持導(dǎo)桿，內(nèi)側(cè)面與滑塊相連并在導(dǎo)軌上滑動，導(dǎo)軌固定在槽體壁面，滑動導(dǎo)軌的作用在于使陽極在提升過程不發(fā)生水平方向位移，過渡件另一側(cè)面則設(shè)置導(dǎo)桿供電軟連接帶接入點(diǎn)。

1.3 母線及陽極供電聯(lián)結(jié)

如圖4所示（并結(jié)合圖1），獨(dú)立提升工藝仍保留電解槽左右兩根水平母線，但需固定布置在靠近槽罩板上邊沿與壁面位置的交接處，并只供電而不再承擔(dān)陽極載荷。從水平母線上引出供電軟聯(lián)結(jié)帶與陽極導(dǎo)桿一一對應(yīng)，并接至過渡件上為導(dǎo)桿供電，利用過渡件還設(shè)置有可實(shí)時檢測電流的測量裝置。

圖2 陽極獨(dú)立驅(qū)動系統(tǒng)簡圖

1.4 電流在線檢測及控制

結(jié)合圖3、圖4所示工藝結(jié)構(gòu)，首先在水平母線上設(shè)置一段母排并在母排上固定安裝電流檢測裝置，軟聯(lián)結(jié)帶從母排上再引至過渡件。

圖3 導(dǎo)桿提升綜合系統(tǒng)簡圖

圖4 母線布置及供電軟聯(lián)結(jié)簡圖

利用電流檢測裝置可以獲得陽極電流實(shí)時分布數(shù)據(jù)，再通過槽控機(jī)對電流分布數(shù)據(jù)計(jì)算和解析，將給判斷槽況和生產(chǎn)控制帶來積極作用，圖5為增加陽極電流分布數(shù)據(jù)后電解槽控制方案示意圖。

圖5 增加實(shí)時電流in后電解槽控制方案

2 技術(shù)特點(diǎn)分析

2.1 實(shí)現(xiàn)陽極電流在線測量

掌握陽極電流實(shí)時分布一直是業(yè)內(nèi)人士追求的技術(shù)突破之一，但因陽極提升工藝結(jié)構(gòu)和操作的限制一直沒有實(shí)現(xiàn)，盡管研究人員相繼提出了諸如測量橫梁母線等距電壓計(jì)算陽極電流分布法[13]、利用導(dǎo)桿溫度與電流相關(guān)性原理計(jì)算陽極電流分布法[14]、陽極導(dǎo)桿等距電壓測量法等方法來檢測陽極電流，但這些技術(shù)方法都存在的一個普遍問題即無法實(shí)現(xiàn)電流在線測量和數(shù)據(jù)實(shí)時反饋并且數(shù)據(jù)誤差較大。

在本文提出的工藝中，因陽極提升結(jié)構(gòu)的變化，設(shè)置了軟聯(lián)結(jié)帶為陽極導(dǎo)桿供電，并利用軟聯(lián)結(jié)帶設(shè)置電流測量裝置，電流測量裝置體積小、安裝簡便、精度可靠，在空間平均磁場不高于200Gs條件下測量精度可達(dá)0.05%，通過測量裝置可以實(shí)時獲得陽極電流數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號傳遞至槽控機(jī)，為電解槽的分析控制提供直接的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 提升電解槽自動化水平

鋁電解槽生產(chǎn)是一個具有多變量耦合、時變和大滯后的工業(yè)過程對象[15]，槽況特征多變且缺乏精確數(shù)學(xué)模型和解析算法無法形成閉環(huán)控制，目前電解槽的生產(chǎn)控制可以認(rèn)為是“人-機(jī)”配合下得到的一種模糊解。在當(dāng)前技術(shù)條件下，槽控機(jī)作為自動控制設(shè)備通過采集槽平均電壓“U”和系列電流“I”再結(jié)合預(yù)設(shè)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和算法來綜合解析判斷，以實(shí)現(xiàn)對陽極升降、打殼下料、出鋁等操作。但因槽控機(jī)獲得的數(shù)據(jù)僅為系列電流“I”和槽平均電壓“U”兩個宏觀數(shù)據(jù)，缺少能夠直接反應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)狀的客觀數(shù)據(jù)，因而自動化控制水平實(shí)際并不高。

獲得陽極電流實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)“in”后，槽控機(jī)通過解析運(yùn)算對槽內(nèi)生產(chǎn)狀態(tài)掌握更加準(zhǔn)確、物料平衡控制趨于完善，可使陽極效應(yīng)發(fā)生頻次下降乃至消除；另一方面由于每個陽極組采用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動如伺服控制，根據(jù)槽況的調(diào)整需要可以實(shí)現(xiàn)陽極“按需”分布式升降，對優(yōu)化電解槽極距、提高電流效率非常有利。因此陽極獨(dú)立提升工藝有助于提升電解槽自動化水平乃至為進(jìn)一步的智能化生產(chǎn)提供基礎(chǔ)。

2.3 簡化生產(chǎn)作業(yè)過程

對于陽極生產(chǎn)作業(yè)而言，獨(dú)立提升工藝最顯著的優(yōu)點(diǎn)是可以取消母線抬升作業(yè)，而只需針對單個陽極因換極、極距調(diào)整時的行程控制無需操作水平母線，與現(xiàn)有陽極框架式提升方式相比可以大大降低多功能天車、運(yùn)行人員的作業(yè)強(qiáng)度和操作時間，同時更進(jìn)一步的還可以省略陽極輔助提升框架簡化設(shè)備需求；另一方面，現(xiàn)有母線抬升作業(yè)存在因帶電摩擦而導(dǎo)致的母線與導(dǎo)桿“打火”現(xiàn)象，不僅易損壞母線和導(dǎo)桿還帶來極大的生產(chǎn)安全隱患，而獨(dú)立提升工藝則可以完全杜絕該問題使生產(chǎn)過程更安全。

2.4 降低生產(chǎn)能耗

大型預(yù)焙電解槽的能量利用率仍不足50%[16]，大量的熱能通過煙氣、槽體、上部結(jié)構(gòu)等途徑散失，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和大量調(diào)研數(shù)據(jù)，我國電解槽能耗水平與世界先進(jìn)水平存在不小的差距[17]，以400kA電流槽型為例，目前我國電解槽電解電壓大多在3.9V～4.0V（部分老槽型甚至高于4.0V）、平均電流效率91%～92%，而先進(jìn)水平的電解電壓在3.8V～3.9V、電流效率可達(dá)95%～96%，因此電解槽具有較大的節(jié)能潛力。

通過前文分析，采用陽極獨(dú)立提升工藝后可以起到優(yōu)化極距、提高電流效率乃至降低陽極效應(yīng)頻次的效果，具體可體現(xiàn)在電解能耗下降上，獨(dú)立提升工藝實(shí)施后預(yù)期可以獲得電解電壓降低0.1V、電流效率提升2%以上的節(jié)能效果，根據(jù)電解槽能耗計(jì)算公式[18]，生產(chǎn)1噸鋁可產(chǎn)生的直接節(jié)能量約為560kWh/t-Al，同時陽極效應(yīng)發(fā)生頻次可以降至0.01次/槽·日以下，若全國暫按3500萬噸/年產(chǎn)量計(jì)算每年可節(jié)省約68.6億元能耗成本（其中電價暫按0.35元/kWh計(jì)）；除此之外在設(shè)備運(yùn)行方面亦可產(chǎn)生節(jié)能效果，以350kA槽雙炭素陽極為例（24組陽極），陽極集中提升工藝電機(jī)功率配置為9kW，而采用獨(dú)立升降系統(tǒng)驅(qū)動功率配置總計(jì)約7.5kW，且升降控制更靈活運(yùn)行能耗更低。

3 結(jié)論及展望

（1）針對陽極升降系統(tǒng)，解列原導(dǎo)桿與水平母線的聯(lián)結(jié)方式，每組陽極配置單獨(dú)的驅(qū)動和升降裝置，再適當(dāng)調(diào)整水平母線布置和功能，可以實(shí)現(xiàn)陽極組件的獨(dú)立升降控制。

（2）獨(dú)立升降工藝為實(shí)現(xiàn)陽極電流在線測量提供了新的解決方案，使槽控機(jī)可以更加準(zhǔn)確判斷槽況并及時優(yōu)化極距調(diào)節(jié)和打殼下料等關(guān)鍵操作，既可提高電解槽自動化生產(chǎn)水平又達(dá)到節(jié)能生產(chǎn)目的。

（3）電解鋁技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，關(guān)鍵之一要?dú)w功于人們不斷的生產(chǎn)實(shí)踐和“試錯”總結(jié)，本文提出的陽極獨(dú)立提升工藝亦可認(rèn)為是尋求技術(shù)進(jìn)步的一種“試錯”過程，并作為推動電解鋁技術(shù)發(fā)展的有益嘗試，下一步將開展技術(shù)小試和中試等研究。