鋁電解槽系列停限電之后

供稿|李育賢，楊麗春/ LI Yu-xian, YANG Li-chun

近年來，隨著國家政策的調(diào)整和市場行情的變化，出現(xiàn)了許多新建鋁電解廠，如青海省甘河工業(yè)園區(qū)。這些鋁電解廠具有槽型大、年產(chǎn)量大、建廠周期時間較短等特點，部分鋁電解廠還是轉(zhuǎn)型企業(yè)興建的鋁廠，因此新的鋁電解企業(yè)往往缺乏對鋁電解生產(chǎn)事故的處理經(jīng)驗。而產(chǎn)能大、槽型大的電解槽相應(yīng)地對電能的需求也就更大。

國內(nèi)電力供應(yīng)緊張的嚴(yán)峻形式和一些不可預(yù)知的突發(fā)事件造成鋁電解槽系列的停電或限電 (限電——特指電流能全額供應(yīng))，給停限電后的管理及鋁電解槽重新啟動帶來很大困難。于是，如何應(yīng)對有計劃或突發(fā)的停限電，把損失降到最低，已成為電解鋁廠必須面對的現(xiàn)實問題。

青海某大型鋁電解槽車間照片

停限電對電解槽的影響

停限電意味著電解槽失去和減少了熱量來源，電解槽熱平衡會遭到破壞。隨著電解槽爐幫、大面、爐底的熱量散失，電解槽溫度迅速下降，給電解質(zhì)、槽壽命等造成極大影響。

電解質(zhì)

電解質(zhì)熔體隨著溫度的降低會析出分子比高、CaF2含量較低的固態(tài)冰晶石，使得電解槽內(nèi)熔體電解質(zhì)中 AlF3、CaF2的含量升高。在這種狀況下，電解質(zhì)中的氧化鋁溶解度會降低，并逐漸達(dá)到過飽和狀態(tài)而析出，沉積在電解槽底形成沉淀 (如圖1 所示)。隨著停限電時間的延長，溫度進(jìn)一步降低，沉淀越積越多，且逐漸變硬后，形成槽底結(jié)殼和過長的側(cè)部伸腿，使得爐底凸凹不平，爐膛嚴(yán)重收縮，爐底上升，使槽況嚴(yán)重惡化，會給以后的生產(chǎn)和維護(hù)帶來嚴(yán)重不良影響，既會增加能耗和清除時的勞動強(qiáng)度，還會影響電流效率。

圖1 在電解槽底的沉淀位置

隨著停限電時間的延長，溫度的降低，電解質(zhì)嚴(yán)重收縮，高溫狀態(tài)下的陽極大面積裸露，被空氣氧化、掉渣。大量碳渣混合和漂浮于電解質(zhì)之中，給以后電解槽的生產(chǎn)造成嚴(yán)重不良影響。

電解槽壽命

電解槽長壽命的先決條件是平穩(wěn)的供電制度和電解溫度。在停限電和再送電過程中，由于電流和溫度的迅速變化，側(cè)部碳塊受到強(qiáng)大電流和熱差的沖擊而破裂，給電解質(zhì)和鋁的滲入和腐蝕創(chuàng)造了機(jī)會。

鈉對陰極碳塊的滲透隨溫度的降低而加強(qiáng)。在 550～1000℃，碳素材料吸收鈉的量較多，并且鈉容易在碳晶核間沉積并生成較穩(wěn)定的碳鈉化合物，使晶核的層間距增大，致使碳素陰極體積膨脹而破裂。這是造成電解槽破損和壽命縮短的主要原因之一。

對于溫度低、電解質(zhì)水平低的電解槽，停限電無疑是致命的危害：在停限電過程中，隨著溫度的降低，電解質(zhì)會收縮得更快，最后陽極脫離電解質(zhì)會更嚴(yán)重，形成大面積斷路，甚至鋁液凝固，在送電過程中很容易發(fā)生瞬間高電壓擊壞槽設(shè)備、造成二次啟動被迫停槽事故，嚴(yán)重?fù)p傷槽內(nèi)襯和槽殼變形，影響槽壽命，造成重大的設(shè)備和經(jīng)濟(jì)損失。

恢復(fù)正常供電

在恢復(fù)正常供電以后，電解質(zhì)性質(zhì)差且碳渣多、爐底沉淀厚、槽溫高、槽膛變形，在這段時間內(nèi)，不但要付出很大的心血維護(hù)使其正常，而且會影響電流效率。

事故原因及應(yīng)措施

原因

造成鋁電解槽系列的長時間停電或限電狀況的原因有以下兩種：

(1) 動力廠運(yùn)行機(jī)組出現(xiàn)重大問題 (即整流機(jī)組發(fā)生故障)，有可能出現(xiàn)長時間停限電。

(2) 電網(wǎng)出現(xiàn)問題導(dǎo)致交直流停限電。

停限電前的準(zhǔn)備

如果提前得知較長時間停電或限電 (在 150 kA 以下) 后，以最大限度地保持電解槽溫度為中心，采取以下措施：

(1) 適當(dāng)提高電解質(zhì)水平、槽電壓和系列電流，關(guān)閉電解槽的排煙系統(tǒng)，停止換極操作，以增加槽內(nèi)熔體的熱容量，提高停電前電解槽溫度，以避免發(fā)生停限電時電解質(zhì)收縮嚴(yán)重而造成陽極脫離電解質(zhì)事故。

(2) 停限電的前一天適當(dāng)降低鋁水，減少爐底散熱。

(3) 停限電之前增加保溫料厚度，用氧化鋁、破碎料或冰晶石封堵所有火眼，減少槽面散熱。下料口和出鋁口可適當(dāng)用冰晶石封蓋，但不可堵死，以免影響測量電解質(zhì)和送電時熄滅陽極效應(yīng)。

(4) 注意記錄大梁母線位置所對應(yīng)的標(biāo)尺，以供送電時和送電后作參考。

(5) 準(zhǔn)備足夠的效應(yīng)棒和冰晶石、固體電解質(zhì)碎塊，以備送電過程中熄滅陽極效應(yīng)和補(bǔ)充電解質(zhì)用。

停限電后的電解槽管理

(1) 停止一切生產(chǎn)性作業(yè)。停止凈化系統(tǒng)運(yùn)行，以減少電解槽熱損失。

(2) 將電解槽控制系統(tǒng)設(shè)置為“手動”狀態(tài)。

(3) 做好保溫工作。由電解工對各自負(fù)責(zé)的電解槽保溫料和電解槽殼面冒火情況進(jìn)行全面檢查，對保溫料不足的和打殼火眼、出鋁口、大面冒火進(jìn)行封堵。并檢查所有槽蓋板是否蓋好。要求在出鋁口僅覆蓋簿簿一層冰晶石，便于測量鋁液和電解質(zhì)水平。

(4) 測量電解質(zhì)。由工區(qū)長每 30 min 測量一次。出現(xiàn)鋁電解槽系列停限直流電后，若無短期內(nèi)恢復(fù)的可能性，由于電解質(zhì)收縮嚴(yán)重，則需要人工降陽極。必須牢記：在送電時，只有存在液態(tài)電解質(zhì)的前提下，電解槽才具備抬陽極二次啟動的條件。因此使電解槽存在液體電解質(zhì)是關(guān)鍵。

(5) 觀察陽極。主要觀察陽極底掌與液體電解質(zhì)的接觸情況。由于電解質(zhì)過度收縮，如發(fā)現(xiàn)陽極底掌脫離了電解質(zhì)，應(yīng)緩降陽極，直到陽極底掌接觸液體電解質(zhì)，避免送電時出現(xiàn)瞬時高電壓，損傷設(shè)備。

(6) 統(tǒng)計停限電時間。與整流所及時相互聯(lián)系，以免發(fā)生意外。

突發(fā)停電處理方案

突發(fā)停電后，電解車間與整流所立即相互聯(lián)系，以確定停電原因及可能持續(xù)時間。按時間的長短可分為幾種處理方案。

方案 1 停電持續(xù) 5 h 之內(nèi)，電解質(zhì)未完全凝固，且送電時保證能將電流送到全額。不進(jìn)行陽極升降，停止凈化系統(tǒng)，停止換陽極、出鋁、提母線等日常作業(yè)，電解槽控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至手動，蓋嚴(yán)槽罩板，加強(qiáng)保溫。待送電之后，電解槽來效應(yīng)立即熄滅，直至所有槽恢復(fù)正常。

方案 2 停電或限電 (電流在 150 kA 以下) 持續(xù)時間多于 5 h，電解質(zhì)全部凝固，陽極與鋁液有逐漸脫離危險時，必須人工將陽極降入鋁液中成為短路狀態(tài)。待電流恢復(fù)后，將電解槽逐臺重新啟動。

方案 3 限電 (電流在 150 kA 以上) 無短期內(nèi)恢復(fù)的可能性。根據(jù)具體槽況適當(dāng)提高槽電壓、槽溫、分子比、效應(yīng)系數(shù)，延長下料間隔，停止氟鹽添加等，實施一系列措施后，在保證一定電解質(zhì)水平的前提下，繼續(xù)進(jìn)行正常的生產(chǎn)作業(yè)，如出鋁、換極等。出鋁原則上產(chǎn)多少出多少，但必須根據(jù)具體槽況而定。換極盡量縮短時間，不能攪動太大，避免出現(xiàn)低電壓，裝上新極后在最短時間內(nèi)加完保溫料，蓋好槽蓋板，加強(qiáng)保溫工作。換極根據(jù)當(dāng)天換出殘極消耗的薄厚，可適當(dāng)延長時間，例如原來一天換一塊，則根據(jù)具體槽況和定量的殘極消耗情況改成兩天換一塊。

由于系列供電不足，電流明顯下降，電解質(zhì)溫度降低，有可能使電解槽處于過冷行程。出現(xiàn)槽底大量沉淀、槽膛不規(guī)整、氧化鋁溶解速度低、效應(yīng)系數(shù)增加、極距降低、鋁液面不穩(wěn)定等原因，電解槽很可能會出現(xiàn)槽電壓擺動、噪聲增大等現(xiàn)象。出現(xiàn)這些現(xiàn)象時，要視具體槽況而定，不能一味的調(diào)整陽極。此時的電解槽很脆弱，稍有不慎就可能引發(fā)病槽而越發(fā)難以管理。另外，在電解槽供電允許的情況下，也可以利用陽極效應(yīng)來提高槽溫，增加電解槽熱量收入。

方案 4 停電且短期內(nèi)不會恢復(fù)，鋁液降溫有凝固趨勢，要在鋁液凝固之前停槽，盡可能將鋁液全部撤出，然后將槽內(nèi)物料盡快清理干凈，檢查內(nèi)襯。若無大裂縫、破損，則在恢復(fù)供電時，能在最短時間內(nèi)第二次啟動該電解槽；若內(nèi)襯破損嚴(yán)重，則需更換內(nèi)襯，進(jìn)行大修后，方可重新啟動。

送電制度

(1) 送電前必須確認(rèn)電解槽系列安全，必須完全排除隱患后方可送電。若一時難以完全排查或很難找到具體的原因，可將此電解槽暫時斷開，待日后問題完全解決后再通電。

(2) 電解槽系列送電前的檢查，主要是再次檢查陽極底掌是否脫離電解質(zhì)液面。如果發(fā)現(xiàn)脫離現(xiàn)象，則適當(dāng)手動下降陽極，使陽極底掌接觸電解質(zhì)液面。

(3) 恢復(fù)供電時，應(yīng)先恢復(fù)輔助動力供電，使電解槽控制系統(tǒng)、多功能天車、廣播等運(yùn)轉(zhuǎn)起來，再準(zhǔn)備恢復(fù)電解槽系列供電。

(4) 在確認(rèn)陽極底掌全部進(jìn)入電解質(zhì)液面后，恢復(fù)供電，并且要采取分級送電。如 180 kA 電解槽的送電過程 (如表1 所示)：先將電流送至 40 kA，逐臺檢查電解槽，檢查陽極周圍的電解質(zhì)的情況，檢查陽極與電解質(zhì)之間是否有弧光現(xiàn)象，檢查槽電壓是否有上升過快和跳躍式上升現(xiàn)象，以便及時采取措施。在確認(rèn)無異常后，將電流送至 80 kA，依此類推。

表1 180 kA 電解槽送電制度

(5) 效應(yīng)控制：送電過程中，原則上不允許多發(fā)生效應(yīng)。因為過多的陽極效應(yīng)會給供電系統(tǒng)設(shè)備帶來強(qiáng)大的壓力，影響電流的輸送，所以必須避免大量陽極效應(yīng)同時發(fā)生。在送電的同時，可向陽極底部插入效應(yīng)棒，通過燃燒的效應(yīng)棒激活部分電解質(zhì)，避免或熄滅陽極效應(yīng)。

(6) 下料間隔的控制。在送電之前應(yīng)停止下料，停止自動控制。待電流升到額定電流，恢復(fù)自動控制，根據(jù)具體槽況適當(dāng)將下料間隔延長，根據(jù)槽況的變化和恢復(fù)速度逐漸轉(zhuǎn)為正常下料間隔。

(7) 在送電過程中發(fā)生意外情況，要采取果斷措施，防止事故擴(kuò)大。若發(fā)現(xiàn)電壓持續(xù)過低 (1.8～2.5 V)，此時不但要停止往陽極底部插入效應(yīng)棒，而且要立即逐步抬高電壓，強(qiáng)迫該槽發(fā)生陽極效應(yīng)。使凝結(jié)在爐底和側(cè)部槽幫的固體電解質(zhì)逐漸溶化，以增加液體電解質(zhì)量。與此同時，適量加入冰晶石，待有一定量的液體電解質(zhì)時，插效應(yīng)棒熄滅效應(yīng)。

(8) 送電完畢后，加強(qiáng)電解槽的精細(xì)化管理，合理調(diào)整槽溫、電壓、鋁液和電解質(zhì)水平、效應(yīng)系數(shù)、下料間隔、氟鹽添加等工藝技術(shù)參數(shù)，規(guī)整好爐膛，使電解槽逐步轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)階段。

結(jié)束語

無論鋁電解槽系列停限電是有計劃的，還是突發(fā)的，都應(yīng)該最大限度地保持電解槽溫度，采取相關(guān)措施，如增加覆蓋料厚度、蓋好槽蓋板、及時關(guān)好前后爐門等，盡量保持電解槽存在液體電解質(zhì)，以便恢復(fù)供電后將電解生產(chǎn)的損失與操作難度降到最低。

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