大型鋁電解槽的安全設(shè)計(jì)優(yōu)化

何 嵩

(貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001)

0 引 言

近年來(lái)，鋁電解工業(yè)不斷朝著槽容量大型化發(fā)展，大型鋁電解系列在生產(chǎn)中暴露了較多的安全隱患，部分嚴(yán)重的安全事故導(dǎo)致了系列停產(chǎn)，給鋁企帶來(lái)了較大的經(jīng)濟(jì)損失。2019年已知的非正常停產(chǎn)企業(yè)就達(dá)到了6家，產(chǎn)能達(dá)到211.69萬(wàn)t。

鋁電解系列生產(chǎn)過(guò)程中，導(dǎo)致停槽甚至系列停產(chǎn)的主要原因有供電故障、開路爆炸、漏槽、電流偏流嚴(yán)重與滾鋁、自然災(zāi)害等。除了不可預(yù)知的自然災(zāi)害及設(shè)備故障外，2019年因電解槽的滲漏、電流偏流滾鋁等導(dǎo)致系列崩停的企業(yè)就有4家。隨著鋁電解槽型的大型化，各種事故導(dǎo)致系列停產(chǎn)的案例時(shí)有發(fā)生，近十年發(fā)生的案例不下20起。為此，電解生產(chǎn)廠家都很重視，制定了各種預(yù)防措施、應(yīng)急預(yù)案，但是事故并沒(méi)有得到有效扼制。在目前行業(yè)普遍經(jīng)營(yíng)形式困難，發(fā)生一起系列停產(chǎn)事故，無(wú)疑是雪上加霜。

電解槽的滲漏、開路爆炸及電流偏流滾鋁等異常情況的發(fā)生與設(shè)計(jì)及工藝操作等諸多因素相關(guān)，近年來(lái)，為了進(jìn)一步降低噸鋁投資、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，鋁電解槽不斷向著大型化發(fā)展，目前各鋁企的主流槽型基本都以400～600 kA為主，電解槽不斷大型化的同時(shí)，對(duì)電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)襯設(shè)計(jì)及磁流體的穩(wěn)定性都提出了更高的要求。該文通過(guò)從電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、磁流體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)及電解槽的電熱平衡設(shè)計(jì)等多方面著手分析，從設(shè)計(jì)的角度考慮將電解系列的安全隱患排除或者降到最低，避免類似的安全事故發(fā)生。

1 電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

槽殼是鋁電解槽的重要組成部分，不僅作為結(jié)構(gòu)件承載電解槽內(nèi)襯的各種應(yīng)力，而且對(duì)電解槽的通風(fēng)散熱起到關(guān)鍵性的作用，目前500 kA級(jí)以上槽型電解槽尺寸達(dá)到了22 000×5 500 mm，傳統(tǒng)的電解槽槽殼在電解槽焙燒啟動(dòng)初期變形較大、隨著電解生產(chǎn)進(jìn)行，電解槽的變形進(jìn)一步擴(kuò)大，有可能導(dǎo)致電解槽的搖籃架開裂電解槽滲漏、坍塌等風(fēng)險(xiǎn)，合理的槽殼設(shè)計(jì)成為了電解槽安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。近年來(lái)，為了確保電解槽生產(chǎn)的安全，我院設(shè)計(jì)人員廣泛吸收了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的槽殼設(shè)計(jì)技術(shù)，運(yùn)用了先進(jìn)的力學(xué)仿真軟件，針對(duì)500 kA以上電流系列，成功研發(fā)出了新一代防上拱微變形槽殼技術(shù)。該槽殼結(jié)構(gòu)對(duì)搖籃架做了全新的優(yōu)化，使之能夠有效地防止電解槽的上拱變形。槽殼受力計(jì)算采用我院成熟的三維電—熱—力三場(chǎng)耦合計(jì)算仿真模型，計(jì)算出槽殼在啟動(dòng)初期的上拱變形僅為28.9 mm，正常生產(chǎn)時(shí)大面變形為12.2 mm。槽殼變形在可控范圍內(nèi)，應(yīng)力低于材料的許用應(yīng)力，槽殼安全可靠，且節(jié)省材料，見(jiàn)圖1、圖2。

該槽殼形式已在我院設(shè)計(jì)的多個(gè)400 kA、500 kA及600 kA級(jí)電解槽列成熟使用，從電解槽啟動(dòng)初期的變形情況及長(zhǎng)期生產(chǎn)后的變形情況來(lái)看，遠(yuǎn)遠(yuǎn)的優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的槽殼形式。見(jiàn)圖3、圖4。

2 電解槽的電熱場(chǎng)設(shè)計(jì)

鋁電解槽正常生產(chǎn)的重要標(biāo)志是電解槽的熱平衡穩(wěn)定及合理的等溫線分布。電解槽的等溫線分布及形式直接決定槽膛形狀，而槽膛形狀是否規(guī)整對(duì)電解槽運(yùn)行及安全生產(chǎn)影響較大。電解槽過(guò)冷或過(guò)熱均會(huì)影響電解槽的安全生產(chǎn)：冷槽的底部結(jié)殼肥大，陰極表面不規(guī)則的沉淀將使陰極表面導(dǎo)電受到影響，槽內(nèi)鋁液擠到過(guò)高，電流分布紊亂，發(fā)生滾鋁等現(xiàn)象；電解槽過(guò)熱，則導(dǎo)致電解槽無(wú)法形成有效的爐膛保護(hù)側(cè)部?jī)?nèi)襯材料，爐底溫度過(guò)高，液體電解質(zhì)在糊料、澆注料內(nèi)無(wú)法凝固，發(fā)生電解槽的滲漏，電解槽的滲漏將嚴(yán)重影響電解的系列安全。合理的電熱場(chǎng)設(shè)計(jì)是電解槽取得高效低耗的指標(biāo)的關(guān)鍵以及安全生產(chǎn)的重要保證。

圖1 電解槽啟動(dòng)初期槽底上拱變形圖

圖2 電解槽正常生產(chǎn)時(shí)大面變形

圖3 某系列啟動(dòng)初期槽殼變形

圖4 某系列啟動(dòng)初期槽殼變形

現(xiàn)代鋁電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)準(zhǔn)則是使900 ℃等溫線(酸性電解質(zhì)共晶等溫線)處于陰極碳?jí)K之下和內(nèi)襯保溫層之上，避免電解質(zhì)等高溫化合物在凝固時(shí)對(duì)內(nèi)襯保溫產(chǎn)生的破壞作用，以及隔熱材料被侵蝕。見(jiàn)圖5。

圖5 電解槽等溫線分布

近年來(lái)貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院研發(fā)了新型節(jié)能槽技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)優(yōu)化電解槽的等溫線分布，以獲得良好的爐膛內(nèi)型及合理的等溫度線分布，并同時(shí)研發(fā)使用了新型節(jié)能槽的內(nèi)襯隔熱材料，實(shí)現(xiàn)了電解槽的安全、穩(wěn)定、低耗生產(chǎn)，為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外電解鋁行業(yè)正在深入進(jìn)行的追求鋁電解槽長(zhǎng)壽命、高效、低耗、低排放的目標(biāo)提供了正確的有效解決途徑和策略。

3 電解槽的磁流體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

2019年國(guó)內(nèi)某鋁廠的端頭槽發(fā)生了滾鋁，在處理過(guò)程中短路口相繼發(fā)生爆炸，鋁水大量噴出，短路口、母線嚴(yán)重?fù)p毀，被迫停電停產(chǎn)。近年來(lái)，大型電解系列因電解槽磁流體穩(wěn)定性及電解槽短路口爆炸的情況時(shí)有發(fā)生，貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院分析總結(jié)了大型槽的類似事故原因，優(yōu)化了磁流體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，并在特殊位置做了優(yōu)化處理，確保了生產(chǎn)的安全性。

3.1 抗擾穩(wěn)流母線配置

電解生產(chǎn)過(guò)程中有巨大的直流電流經(jīng)鋁母線、陽(yáng)極、熔體、陰極等部位，因此產(chǎn)生了高達(dá)數(shù)百高斯的強(qiáng)磁場(chǎng)，電解槽內(nèi)的磁場(chǎng)又與熔體中的電流相互作用產(chǎn)生電磁力進(jìn)而推動(dòng)槽內(nèi)熔體流動(dòng)，其結(jié)果一方面有利于氧化鋁的溶解，另一方面導(dǎo)致鋁液面隆起、偏斜和波動(dòng)，影響電解槽工作穩(wěn)定性，致使電流效率的下降、能耗增加，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生滾鋁等事故。因此，設(shè)計(jì)上必須盡可能尋求理想的母線配置，使得槽內(nèi)鋁液中電磁力能夠控制在合理范圍內(nèi)，以滿足電解槽穩(wěn)定生產(chǎn)的需要。

貴陽(yáng)院結(jié)合英國(guó)格林威治大學(xué)Bojarevics教授研制的先進(jìn)的電、磁、流體動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)設(shè)計(jì)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)鋁廠母線配置的經(jīng)驗(yàn)，大型槽采用的大面“多點(diǎn)進(jìn)電”、槽周圍非對(duì)稱母線配置，可使電解槽獲得最佳的磁流體動(dòng)力學(xué)效果和較高的穩(wěn)定性，對(duì)系統(tǒng)母線的截面和電流分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，由此可獲得最佳的電平衡效果，同時(shí)降低了母線建設(shè)投資和生產(chǎn)電能消耗。

3.2 特殊位置電解槽磁流體穩(wěn)定性優(yōu)化

電解系列端頭等特殊位置電解槽由于無(wú)前序或后序電解槽，并且受到整流所匯流母線、進(jìn)出電母線、中間過(guò)道臨時(shí)母線、系列端頭過(guò)道母線的影響(受限于廠房長(zhǎng)度，投資成本)，磁場(chǎng)明顯較普通槽更差。同時(shí)特殊位置電解槽啟動(dòng)后槽電壓難以維持，并且電壓高于普通電解槽；啟動(dòng)數(shù)周之后才能勉強(qiáng)維持其相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行。有些鋁廠端頭電解槽因啟動(dòng)初期管理不善槽電壓難以維持、甚至導(dǎo)致滾鋁；最終被迫停止生產(chǎn)。

貴陽(yáng)院在大型電解槽的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)中，對(duì)特殊位置的電解槽磁場(chǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)出電端(整流所側(cè))電解槽磁場(chǎng)主要受到整流所側(cè)匯流母線的影響，在整流所匯流母線與電解槽間距不能改變的情況下，通過(guò)對(duì)進(jìn)出電母線繞行的方式，對(duì)電解槽磁場(chǎng)進(jìn)行反向補(bǔ)償，最終達(dá)到端頭電解槽磁流體穩(wěn)定性的目的。同理端頭(遠(yuǎn)離整流所側(cè))電解槽磁場(chǎng)主要受到兩廠房連接母線的影響，通過(guò)端頭母線繞行的方式，對(duì)電解槽磁場(chǎng)進(jìn)行反向補(bǔ)償，抵消兩廠房連接母線所產(chǎn)生的的磁場(chǎng)；中間過(guò)道電解槽主要受到臨時(shí)短路母線的影響，由于其為臨時(shí)使用，在后續(xù)系列投產(chǎn)后，臨時(shí)母線將退出生產(chǎn)，因此通過(guò)模擬計(jì)算設(shè)計(jì)要求電解生產(chǎn)時(shí)，靠近臨時(shí)母線的兩臺(tái)電解槽不啟動(dòng)即可。

3.3 短路口的安全設(shè)計(jì)

電解槽短路口絕緣在電解生產(chǎn)中非常重要，關(guān)系到電解生產(chǎn)是否能順利進(jìn)行，在電解生產(chǎn)過(guò)程中短路口絕緣板和絕緣套管長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，若保護(hù)不好，會(huì)造成絕緣板和絕緣套管燒損、老化，從而大大降低其絕緣性能。因此，強(qiáng)大電流和高電壓很容易擊穿絕緣板或絕緣套管而發(fā)生大火，甚至發(fā)生爆炸事故，造成系列停電的嚴(yán)重后果。近年來(lái)貴陽(yáng)院不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)電解槽的立柱口及中間過(guò)道處的連接母線等絕緣處做了多項(xiàng)優(yōu)化，確保了電解槽的安全正常生產(chǎn)。

立柱處短路口采用了三重絕緣設(shè)計(jì)，分別為：絕緣套管、復(fù)合絕緣螺柱和絕緣插板，材料均采用耐溫及絕緣等級(jí)較高的SMC新型絕緣材料，徹底避免了短路口絕緣失效的問(wèn)題。同時(shí)，每組連接母線均設(shè)置兩處短路口，在其退出生產(chǎn)時(shí)必須拆除，確保連接母線處于斷開狀態(tài)；由于各組母線之間為同向電流，互相之間會(huì)產(chǎn)生吸引力，在各組母線每段母線之間設(shè)置固定夾，確保連接母線的安全。見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 立柱短路口絕緣優(yōu)化

圖7 連接母線優(yōu)化

4 結(jié) 語(yǔ)

安全是企業(yè)正常生產(chǎn)的根本，同時(shí)也是設(shè)計(jì)必須遵循的首要原則。只有全生命周期的安全生產(chǎn)才能給企業(yè)帶來(lái)最大的經(jīng)濟(jì)效益，該文從大型電解槽的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)入手，通過(guò)采用新型槽殼結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的槽殼變形、底梁拉裂等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)電解槽的等溫線進(jìn)行優(yōu)化，使電解槽形成高效安全的爐膛內(nèi)型，避免了電解的滲漏風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)電解槽立柱短路口、連接母線等安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，消除了電解槽短路口爆炸等安全隱患。通過(guò)對(duì)大型鋁電解槽的安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為目前大型鋁電解系列追求的全生命周期的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行提供有力保障。