邊韓國

(云南鋁業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650502)

近二十年我國電解鋁工業(yè)發(fā)展突飛猛進，但配套設(shè)施、裝備，以及生產(chǎn)管理水平發(fā)展相對滯后，特別是對鋁電解槽導(dǎo)電系統(tǒng)的重視和管理力度不夠，導(dǎo)致系列安全事故時有發(fā)生，造成嚴重損失，已逐漸引起行業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注[1-3]。

筆者結(jié)合多年生產(chǎn)實踐尤其是停、開槽管理[4]經(jīng)驗，從工藝角度看設(shè)備，通過深入研究鋁電解槽導(dǎo)電系統(tǒng)，在應(yīng)急短路裝置和母線修復(fù)方面進行積極探索和實踐，提出系列安全事故預(yù)防及處理的有益建議，以期為同行企業(yè)提供借鑒。

1 鋁電解槽導(dǎo)電系統(tǒng)

1.1 鋁電解槽導(dǎo)電結(jié)構(gòu)

鋁電解槽的導(dǎo)電線路較復(fù)雜，并與所用技術(shù)及槽型等相關(guān)，一般分為連接母線、陽極導(dǎo)電部分、陰極導(dǎo)電部分和短路口等。

連接母線是連接電解車間與供電車間，以及電解車間各分區(qū)之間的導(dǎo)電母線，其獨立于電解槽存在，不具體劃歸某臺電解槽。連接母線是形成導(dǎo)電回路必不可少的部分，在滿足安全供電的前提下，其截面和長度尺寸決定著系列黑電壓的高低。

陽極導(dǎo)電部分包括陽極軟帶、陽極母線(水平母線)、陽極炭塊組和電解質(zhì)，其作用是將電流從母線系統(tǒng)傳導(dǎo)至陰極，形成電流回路，驅(qū)動電化學(xué)反應(yīng)。

陰極導(dǎo)電部分包括鋁液、陰極炭塊、陰極鋼棒、陰極母線和立柱母線，其作用是將電流傳導(dǎo)至下一臺電解槽，形成電流回路。

短路口是為電解槽停、開槽作業(yè)而設(shè)的特殊裝置，電解槽運行時短路口處于斷開狀態(tài)、不參與導(dǎo)電，當(dāng)閉合短路口時即可將電解槽(主要是上述陽極導(dǎo)電部分)短路，實現(xiàn)停槽。目前國內(nèi)主流的短路口設(shè)計形式如圖1所示，其附設(shè)于立柱母線上，一般由鋁母線、絕緣護板、絕緣套管、螺栓及墊片等組成。

圖1 立柱母線短路口結(jié)構(gòu)圖

1.2 生產(chǎn)狀態(tài)導(dǎo)電路徑

鋁電解槽處于生產(chǎn)狀態(tài)時，其短路口斷開，電流依次通過該臺電解槽的陽極導(dǎo)電部分和陰極導(dǎo)電部分，進而流向下一臺電解槽，如圖2所示。

圖2 電解槽生產(chǎn)狀態(tài)導(dǎo)電路徑

1.3 停槽狀態(tài)導(dǎo)電路徑

鋁電解槽處于停槽狀態(tài)時，其短路口閉合，電流直接繞過該臺電解槽，通過短路口流向下一臺電解槽，如圖3所示。

圖3 電解槽停槽狀態(tài)導(dǎo)電路徑

1.4 停槽狀態(tài)特殊導(dǎo)電路徑

筆者在長期生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，除了上述停槽狀態(tài)導(dǎo)電路徑外，鋁電解槽在停槽期間的某些時段還存在并聯(lián)的特殊導(dǎo)電路徑。

電解槽停槽后但未刨爐時，以及大修(筑爐)完成后，電流可以通過陰極導(dǎo)電部分形成一個通路，與正常導(dǎo)電路徑并聯(lián)，如圖4所示。王旋等也曾揭示該路徑的存在[5]，并將其統(tǒng)稱為“鋼棒間連接(Hn)”。

圖4 停槽狀態(tài)特殊導(dǎo)電路徑1

電解槽大修完成并裝爐后，陽極導(dǎo)電部分也會形成臨時性并聯(lián)通路，如圖5所示。

圖5 停槽狀態(tài)特殊導(dǎo)電路徑2

通常情況下，上述兩種特殊導(dǎo)電路徑(尤其是第2種)的電阻遠遠大于正常導(dǎo)電路徑，故而通過的電流極小，因此在生產(chǎn)過程中往往被忽略。然而在某些特殊情況下，正常路徑和特殊路徑的電阻比例發(fā)生相對變化，如短路口壓接面接觸不良、電阻增大時，電流分布會發(fā)生一定程度的改變，可能引發(fā)事故。因此，對停槽狀態(tài)特殊導(dǎo)電路徑應(yīng)給予相應(yīng)的重視。

2 裝置的目的和原理

當(dāng)電解槽出現(xiàn)漏爐沖斷母線以及發(fā)生短路口爆炸等事故時，事故槽導(dǎo)電系統(tǒng)不再具備通電條件，從而造成電解系列供電中斷，鋁電解生產(chǎn)將全面癱瘓。為了在較短時間內(nèi)快速恢復(fù)系列供電，就必須使用應(yīng)急短路裝置將事故槽短接，此時電流通過應(yīng)急短路裝置直接繞過事故槽，以保全電解系列。

電解槽應(yīng)急短路裝置的原理較為簡單，就是在事故時給事故槽增加一條臨時性的并聯(lián)導(dǎo)電路徑，將事故槽上游電解槽與下游電解槽直接導(dǎo)通，從而保證系列電流回路不形成開路。

3 裝置的種類和選擇使用

電解槽導(dǎo)電系統(tǒng)一般比較復(fù)雜(尤其是大型電解槽)，同時電解槽可能發(fā)生的事故類型也多種多樣，因此應(yīng)急短路裝置的設(shè)計形式和選擇較為繁雜。王旋等從理論角度設(shè)計了六種應(yīng)急短路裝置，并介紹了九種事故類型情況下應(yīng)急短路裝置的使用和聯(lián)用情況[2]。張波等[1]和曹國強[3]也就應(yīng)急短路裝置的選擇和使用提了有益見解。筆者結(jié)合長期生產(chǎn)管理實踐經(jīng)驗和深入思考，從生產(chǎn)者角度考慮，將應(yīng)急短路裝置劃分為四種主要的安裝形式。

3.1 陽極母線-立柱母線型

系列停電狀態(tài)下，陽極母線-立柱母線型應(yīng)急短路裝置的一端安裝在事故槽出電側(cè)兩組陽極導(dǎo)桿之間的陽極母線位置，另一端安裝在下游槽立柱母線上，裝置兩端壓接鋁塊用卡具緊固，如圖6所示。當(dāng)系列電流恢復(fù)供電后，電流流經(jīng)應(yīng)急短路裝置，事故槽被短接于系列電流回路外。隨后可對沖斷母線進行修復(fù)，沖斷母線修復(fù)后，在事故槽(已修復(fù))立柱母線短路口閉合狀態(tài)下拆卸應(yīng)急短路裝置。

圖6 陽極母線-立柱母線型

3.2 陽極母線-陽極母線型

陽極母線-陽極母線型應(yīng)急短路裝置的一端安裝在事故槽出電側(cè)兩組陽極導(dǎo)桿之間的陽極母線位置，另一端安裝在下游槽進電側(cè)兩組陽極導(dǎo)桿之間的陽極母線位置，裝置兩端壓接鋁塊用卡具緊固，如圖7所示，其安裝、拆卸及母線修復(fù)流程同上。

圖7 陽極母線-陽極母線型

3.3 小盒卡具位-立柱母線型

小盒卡具位-立柱母線型應(yīng)急短路裝置的一端安裝在事故槽出電側(cè)小盒卡具位置陽極母線上，另一端安裝在下游槽立柱母線上，裝置兩端壓接鋁塊用卡具緊固，如圖8所示，其安裝、拆卸及母線修復(fù)流程同上。

圖8 小盒卡具位-立柱母線型

3.4 陰極母線-陰極母線型

陰極母線-陰極母線型應(yīng)急短路裝置的一端安裝在事故槽出電側(cè)陰極母線上，另一端安裝在下游槽進電側(cè)陰極母線上，裝置可采用壓接或焊接形式，如圖8所示，其安裝、拆卸及母線修復(fù)流程同上。

圖9 陰極母線-陰極母線型

3.5 裝置的比較

以上四種應(yīng)急短路裝置中，前三種主要解決兩方面問題：一是因漏爐沖斷任何一處主回路母線造成系列停電時，進行系列應(yīng)急供電及修復(fù)沖斷母線；二是鋁電解槽短路口發(fā)生爆炸后但立柱母線仍可導(dǎo)電時，進行系列應(yīng)急供電。當(dāng)短路口發(fā)生爆炸后、短路口破損嚴重且立柱母線無法導(dǎo)電時，可在事故槽上、下游分別安裝上述任意一種裝置即可進行系列應(yīng)急供電及修復(fù)短路口。這三種應(yīng)急短路裝置使用時電流都從事故槽陽極母線上通過，其共同優(yōu)點是：在電解槽上方使用、操作空間大、便于安裝，可借助車間吊運設(shè)備、安裝迅速；其缺點是：使用導(dǎo)電材料多、投資大、存放和取用不方便，不能進行端頭槽應(yīng)急處理，安裝使用期間影響上下游電解槽的正常生產(chǎn)操作。

第四種(陰極母線-陰極母線型)應(yīng)急短路裝置主要解決的問題是鋁電解槽短路口發(fā)生爆炸后、短路口破損嚴重且立柱母線無法導(dǎo)電時，進行系列應(yīng)急供電及修復(fù)短路口。裝置使用時，電流從事故槽陰極母線上通過，其優(yōu)點是：使用導(dǎo)電材料少、投資小、存放和取用方便，安裝使用期間不影響上下游電解槽的正常生產(chǎn)操作；其缺點是：在電解槽風(fēng)格板下方使用、空間狹小、不便于安裝，只能靠人力操作、安裝時間長，在進行槽下有高溫液體存在的電解槽應(yīng)急操作時有一定的安全隱患。

3.6 裝置的使用

現(xiàn)實操作中應(yīng)急短路裝置的使用必須根據(jù)事故槽和短路口的受損情況來確定。

對于具備通電條件或稍加處理即可通電的事故槽，應(yīng)以恢復(fù)系列供電為主要工作方向，短路口和母線修復(fù)工作可待電解系列恢復(fù)正常運行后再按計劃進行。

對于不具備通電條件的事故槽，應(yīng)視短路口和母線損壞情況分別處理(過程中事故槽退出運行)：兩個及以下短路口無法閉合時，不需安裝應(yīng)急短路裝置，直接閉合其余短路口進行送電運行，待電解系列恢復(fù)正常運行后再按計劃進行相應(yīng)的修復(fù)工作。三個及以上短路口無法閉合時，也應(yīng)先將未損壞的短路口閉合，再根據(jù)實際情況確定應(yīng)急短路裝置使用的數(shù)量。只有當(dāng)全部短路口都無法閉合時，才考慮使用全套應(yīng)急短路裝置。

4 母線修復(fù)方法

電解槽出現(xiàn)漏爐沖斷母線以及發(fā)生短路口爆炸等事故造成系列供電中斷時，一般有陰極軟帶沖斷、陰極母線損壞和短路口損壞三種情況。陰極軟帶沖斷數(shù)量較少時，建議不做修復(fù)處理，待電解槽停槽大修時再進行修復(fù)。本文重點介紹陰極母線修復(fù)和短路口修復(fù)的一般方法。

4.1 陰極母線修復(fù)

陰極母線損壞時，焊接修復(fù)由于受現(xiàn)場磁場影響而不能直接進行，必須在系列停電狀態(tài)下開展，損壞面較大時停電修復(fù)時間也較長，因此也將對整個系列生產(chǎn)造成較大影響。目前陰極母線修復(fù)方法有鋁液澆鑄修復(fù)、全電流降磁焊接[6]和自蔓延鋁焊劑焊接[7]等。后兩種方法需要專業(yè)的技術(shù)支持和專用的設(shè)備及材料，因此相對復(fù)雜。鋁液澆鑄修復(fù)原理簡單，操作相對簡便，但其成功率對操作人員的經(jīng)驗有較大依賴。筆者曾在某300 kA電解槽上多次成功實施了鋁液澆鑄修復(fù)，修復(fù)前、后的情況如圖10所示。

圖10 母線損壞(左)及修復(fù)后(右)案例圖

4.2 短路口修復(fù)

短路口修復(fù)一般可采用上述第四種(陰極母線-陰極母線型)應(yīng)急短路裝置。筆者曾采用的修復(fù)方案如下：

(1)恢復(fù)系列供電：首先清理噴濺到陰極母線和立柱母線周圍的電解質(zhì)及鋁液，用絕緣板將損壞的立柱母線短路口徹底隔離，閉合全部未損壞的短路口；然后根據(jù)電流走向安裝應(yīng)急短路裝置，恢復(fù)系列供電。

(2)焊接準備：清理損壞的短路口及軟帶，同時制作準備好新短路口；制做專門的磁屏蔽裝置并安裝(夾)在立柱母線上，以部分消除磁場對焊接的影響。

(3)補焊及焊后處理：用直流亞弧電焊機補焊立柱母線損壞處；焊接完畢后用小銑床銑焊接表面，用研磨板研磨銑后表面。

(4)焊短路口及拆除：焊接新短路口，并將其安裝恢復(fù)到正常槽短路狀態(tài)；拆除應(yīng)急短路裝置。

5 結(jié) 語

隨著鋁電解槽日趨向大型化發(fā)展，同時單系列槽數(shù)也越來越多，電解系列的安全運行逐漸成為企業(yè)關(guān)注的重點，發(fā)生事故后快速及時處理尤為關(guān)鍵。建議各企業(yè)根據(jù)自身鋁電解槽導(dǎo)電系統(tǒng)配置情況并結(jié)合本文，制作、配備適合企業(yè)實際情況的應(yīng)急短路裝置，制定完備的應(yīng)急預(yù)案，加強管理、定期演習(xí)，同時在母線修復(fù)方面加強技術(shù)儲備和經(jīng)驗積累，做到居安思危、有備無患。