鋁電解槽短路停槽狀態(tài)電壓降分析

王 旋,董 哲

(1.沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001;2.聊城信源集團有限公司,山東 聊城 252100)

冰晶石-氧化鋁高溫熔鹽電解法是目前唯一的工業(yè)煉鋁方法,其核心生產(chǎn)設備鋁電解槽主要由鋼材和各種內(nèi)襯材料構成。鋁電解槽的構造和生產(chǎn)工藝特性決定了其具有一定的壽命周期,壽命周期達到或接近時,需要進行停槽大修作業(yè)[1]。此外,由于種種原因,電解系列中也會發(fā)生非正常停槽的情況。鋁電解槽停槽時處于短路狀態(tài),此時的槽電壓即停槽電壓降,又稱為停槽“黑電壓”。鋁電解槽設計以正常生產(chǎn)狀態(tài)為落腳點,故以往對停槽電壓降的研究和分析極少[2]。

1 電流走向及停槽電壓降

1.1 正常生產(chǎn)狀態(tài)

鋁電解系列通常由數(shù)百臺鋁電解槽通過串聯(lián)方式進行連接,一般稱每臺鋁電解槽的系列電流方向上游側為A側、下游側為B側;通常系列電流方向為逆時針,故系列電流方向左側為煙道側、右側為出鋁側。為便于說明本文將鋁電解槽簡化為如圖1所示的單支路模型進行示意,其中Dn代表第n臺鋁電解槽的立柱母線短路口處,Yn代表其陽極母線匯流點,Aln代表其鋁液層,GAn、GBn代表其A、B側陰極母線匯流點,Cn代表其立柱母線匯流點,Jn代表其槽電壓測量點。每臺鋁電解槽的電流由上游槽各母線支路導入相應的立柱母線匯流點Cn-1,通過立柱母線導入陽極母線匯流點Yn后,又通過若干組陽極組導入熔體區(qū)驅動電化學反應,并通過鋁液層Aln分配后導入各陰極組,隨后從A、B側陰極母線匯流點GAn、GBn經(jīng)過各母線支路導入相應的立柱母線匯流點Cn,如此遞進,從而實現(xiàn)電流在全系列鋁電解槽之間的傳導。

理論上相鄰兩臺鋁電解槽上相同點位的電勢差均等于其槽電壓,而一般槽控系統(tǒng)的槽電壓測量點都選在煙道側母線支路靠近下游處(圖中Jn),因此通常所測得的槽電壓Vn實際上是Jn與Jn-1之間的電勢差,即:

Vn=V(Jn-1)-V(Jn)

(1)

1.2 短路停槽

國內(nèi)鋁電解槽停槽通過立柱母線附屬的短路口裝置實現(xiàn),圖2為國內(nèi)典型的立柱母線短路口。鋁電解槽正常生產(chǎn)時立柱母線短路口處于打開狀態(tài),匯聚到立柱母線的電流傳導至陽極母線和陽極組進而導入反應區(qū)。當立柱母線短路口閉合時,臨時導通的附設母線(短路母線)與立柱母線通過壓接導通,短路母線的另一端與槽周母線的部分A側母線支路始終連接,這就將陽極母線、陽極組、反應區(qū)以及陰極組短路,實現(xiàn)了鋁電解槽的短路停槽。

圖2 國內(nèi)鋁電解槽典型的立柱母線短路口

1.3 停槽電壓降

當鋁電解槽停槽時,如圖3所示,電流在短路口Dn處通過短路母線直接導入A側陰極母線匯流點GAn,然后通過A側母線支路導入立柱母線匯流點Cn,進而導入下游槽,從而實現(xiàn)鋁電解槽(陽極母線、陽極組、電解質、鋁液和陰極組等)的短路。

圖3 鋁電解槽短路停槽狀態(tài)單支路電流理論走向圖

通過分析,最能完整表達鋁電解槽停槽電壓降的測量點是Dn+1與Dn之間的電勢差,即:

Vn=V(Dn)-V(Dn+1)

(2)

圖3形象地說明了停槽時的理論電流走向,但實際停槽時全部B側母線支路以及部分A側支路均不參與導電,且各母線支路與下游立柱母線的對應關系也會發(fā)生變化。停槽時以并聯(lián)形式參與導電的母線支路明顯減少,因此停槽電壓降應顯著高于正常生產(chǎn)槽周母線電壓降。事實上這種情況只存在于鋁電解槽停槽并刨爐后。刨爐之前以及筑爐之后,通過鋼棒與陰極炭塊之間的Fe-C連接和陰極炭塊本身,以及A、B側鋼棒間糊料的連接,A、B側鋼棒之間是導通的,本文中將這些連接統(tǒng)稱為鋼棒間連接(Hn)。因此圖3中電流走向演變?yōu)槿鐖D4所示的情況,電流可以從GAn通過A側母線支路傳導至Cn處(此電阻記為R(GAn-Jn-Cn)),也可以通過陰極組及B側母線支路傳導至Cn處(此電阻記為R(GAn-Hn-GBn-Cn)),這兩條并聯(lián)路徑的存在降低了GAn到Cn之間的總電阻R(GAn-Cn)。

圖4 鋁電解槽短路停槽狀態(tài)單支路電流實際走向圖

2 停槽電壓降的影響因素

通過上述分析,停槽電壓降Vn的大小主要取決于立柱母線短路口Dn至Dn+1之間的總電阻:

R(Dn-Dn+1)=R(Dn-GAn)+R(GAn-Cn)+R(Cn-Dn+1)

(3)

其中:

1/[R(GAn-Cn)]=1/[R(GAn-Jn-Cn)]+1/[R(GAn-GBn-Cn)]

(4)

R(GAn-Hn-GBn-Cn)=R(GAn-Hn-GBn)+R(GBn-Cn)

(5)

由此可見,上述各項可以分為兩種類型:

(1)鋁母線因素:R(Dn-GAn)、R(GAn-Jn-Cn)、R(Cn-Dn+1)、R(GBn-Cn)

(2)陰極組因素:R(GAn-Hn-GBn)

2.1 鋁母線因素

鋁母線因素是影響停槽電壓降的主導因素。

2.1.1 母線配置

母線系統(tǒng)的配置情況主要包括鋁母線布局、截面和長度等因素,是設計水平的直接體現(xiàn)。電解系列焙燒啟動初期是觀察停槽電壓降的最佳時機,此時系列回路內(nèi)大多數(shù)鋁電解槽均處于短路停槽狀態(tài),槽控機顯示的槽電壓即可認為其停槽電壓降,本文中所展示的停槽電壓降數(shù)據(jù)均為此期間收集。

圖5給出了四個相同電流容量電解系列的停槽電壓降數(shù)據(jù),這四個電解系列的陰極組設計均十分類似,母線系統(tǒng)設計則分為兩種類型:系列A與系列B為自補償母線配置,系列C與系列D則為外補償母線配置(但系列D的母線配置更優(yōu))。

圖5 四個500kA電解系列的停槽電壓降

由圖5可知,系列A與系列B的停槽電壓降平均值分別為0.233 V和0.251 V,系列C與系列D的停槽電壓降平均值分別為0.212 V和0.186 V?？梢?外補償母線配置的停槽電壓降顯著低于自補償母線配置(約低40 mV)。

2.1.2 建設質量

建設質量主要包括鋁母線的材質(純度及化學成分等)、鑄造質量(內(nèi)部結構、裂紋、氣孔、夾渣和晶粒度等)、加工質量以及焊接和壓接質量等因素,其對母線系統(tǒng)實際電阻的影響較大。

圖6給出了三個相同電流容量電解系列的停槽電壓降數(shù)據(jù),這三個電解系列的陰極組和母線系統(tǒng)設計均十分類似,系列E和系列F的停槽電壓降平均值分別為0.261 V和0.266 V,而系列G的停槽電壓降平均值卻高達0.288 V。系列G這種停槽電壓降顯著高于其他類似系列的現(xiàn)象(約高25 mV)固然是多種原因導致的,但結合系列G建設期的實際情況可以判斷其鋁母線建設質量尤其是鑄造質量的影響是主導性的。

圖6 三個500 kA電解系列的停槽電壓降

立柱母線短路口的壓接質量也很重要,一般新建系列可以將短路口壓接壓降控制在10 mV甚至5 mV以內(nèi)。然而隨著系列運行時間延長,當鋁電解槽進入大修期時壓接面狀況已發(fā)生較大變化,壓接壓降較新建系列明顯升高,嚴重時甚至達到20 mV以上。因此,對短路口壓接面的維護十分重要且必要[3]。

母線配置和建設質量總體上都屬于可控或半可控的長期性因素,通過設計和建設期間嚴格的質量控制可以獲得較好的結果,并將長期受益。

2.1.3 溫 度

鋁母線溫度對其電阻率的影響很大,按照純鋁的電阻率計算公式,其在40℃、60℃、80℃、100℃和120℃下的電阻率分別是常溫電阻率的1.08、1.16、1.24、1.31和1.39倍。

一方面,鋁母線自身發(fā)熱(正常生產(chǎn)時還受鋁電解槽熱輻射)會使其溫度升高到一定程度,這主要取決于其承載電流密度、建設質量以及所處位置通風散熱情況等。鋁母線溫度對電阻率的影響還存在惡性循環(huán)問題,溫度越高則電阻率越大,電阻率越大又導致鋁母線進一步發(fā)熱。同時,越是建設質量差的情況,鋁母線電阻率和溫度上升的惡性循環(huán)越嚴重,圖6中的系列G就存在這個問題。此外,短路口壓接面狀況、壓接電阻和壓接面溫度也存在同樣情況,嚴重時還會導致放炮事故。

另一方面,電解系列所處地區(qū)的環(huán)境溫度以及數(shù)據(jù)測量的季節(jié)等也會對鋁母線溫度產(chǎn)生一定影響。圖5中系列D的停槽電壓降平均值比系列C低26 mV之多,就很可能存在環(huán)境溫度影響鋁母線溫度及電阻率的貢獻。系列C和系列D同處新疆某地且距離極近,前者的數(shù)據(jù)測量時間為8月,后者則為1月,而該地區(qū)冬夏溫差一般可達30℃以上,若這些溫差全部反映到鋁母線溫度上,足以產(chǎn)生近10%即近20 mV的電壓降差異。

2.2 陰極組因素

陰極組因素常常被忽視,但其確是影響停槽電壓降的重要因素。陰極組的一般結構如圖7所示,陰極炭塊和鋼棒是其主要組成部分,兩者之間一般通過炭糊扎固或生鐵澆鑄構成Fe-C連接,A、B側鋼棒之間通常由炭糊填充。這些炭糊或生鐵使陰極組成為一個整體,因此構成了本文中(見圖4)所稱的鋼棒間連接Hn的電阻,即R(GAn-Hn-GBn)。

圖7 鋁電解槽陰極組示意圖

由此可知,影響Hn電阻的主要因素有陰極炭塊、鋼棒、陰極組裝形式(炭糊扎固或生鐵澆鑄)等。因此導電性高的鋼棒、石墨化陰極炭塊和良好的陰極組裝質量都有利于降低Hn電阻。然而鋁電解槽陰極組設計以正常生產(chǎn)狀態(tài)為落腳點,Hn電阻的大小并不在常規(guī)設計考慮范圍之內(nèi),同時陰極組設計關心的是鋁電解槽在工況條件下(960℃左右)的性能,而Hn電阻一般具有三種狀態(tài):

(1)新槽冷態(tài)(通電初期)

(2)停槽熱態(tài)(停槽初期)

(3)停槽冷態(tài)(刨爐前)

這三種狀態(tài)的差異性較大,通常熱態(tài)Hn電阻顯著小于冷態(tài),因此停槽冷態(tài)短路電壓降一般會大于停槽熱態(tài)。實際鋁電解槽大修過程中未必能觀察到這種變化,主要是因為刨爐前陰極組往往還不夠冷,而是處于溫態(tài)。

鋁電解槽采用燃氣焙燒啟動時,啟動前陰極組已焙燒至一定溫度,故此時存在短暫的新槽熱態(tài);采用焦粒焙燒啟動則沒有這種狀態(tài)。此外,陰極組裝質量也是影響Hn電阻的重要因素。

根據(jù)上述分析,影響Hn電阻的因素多為非固定性或短期性因素,且其本身就不在常規(guī)設計考慮范圍之內(nèi),因此其實際數(shù)值大小在不同電解系列之間往往存在較大的差異性。

基于Hn電阻在時間維度上的不同狀態(tài),鋁電解槽停槽電壓降也具有這些狀態(tài)。此外,鋁電解槽刨爐后鋼棒間連接不復存在,Hn電阻隨之消失,此時的停槽電壓降實際是圖4中所表示的純母線短路電壓降。筆者在多個電解系列中觀察到這一現(xiàn)象,如某400 kA電解系列大修槽中停槽初期電壓降約為340～350 mV,刨爐后上升到390～400 mV,大修完成后又大幅降低至300 mV左右甚至更低。

3 停槽對鋁液綜合電耗的影響

2021年8月26日,國家發(fā)展和改革委員會印發(fā)了《關于完善電解鋁行業(yè)階梯電價政策的通知》(發(fā)改價格[2021]1239號)[4]。根據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會發(fā)布的《2020年中國有色金屬行業(yè)經(jīng)濟運行報告》[5],2020年全國鋁電解噸鋁綜合交流電耗為13,543千瓦時,這意味著2020年平均電耗水平的企業(yè)到2025年的電價加價為每千瓦時0.13元,相當于噸鋁電價成本增加1761元。

3.1 停槽電壓降折合槽電壓

現(xiàn)行國家和行業(yè)標準《電解鋁企業(yè)單位產(chǎn)品能源消耗限額》(GB 21346-2013)[6]和《電解鋁行業(yè)節(jié)能監(jiān)察技術規(guī)范》(YS/T 1418-2021)[7]等都明確了停槽電壓降損耗交流電量的計算方法。本文按照行業(yè)習慣將停槽電壓降折合為槽電壓:

Vtz=Vt×Nt÷N

(6)

式中:Vtz——鋁電解槽停槽電壓降折合槽電壓,V;

Vt——鋁電解槽停槽期間電壓降平均值,V;

Nt——鋁電解槽停槽時間,即大修周期,天;

N——鋁電解槽運行時間,即電解槽壽命,天。

假定某電解系列Vt為260 mV,Nt為30天,N為2600天,則其停槽電壓降折合槽電壓為3 mV,約對應每噸鋁10 kWh耗電量,這在能耗雙控和階梯電價政策背景下是一個值得關注的數(shù)量。

此外,當連續(xù)多臺鋁電解槽同時停槽時,可以考慮采用應急短路母線[8-9]來降低停槽電壓降。

3.2 停槽對上下游槽生產(chǎn)的影響

鋁電解槽的電流分布和熱平衡隨出鋁、換極[10-12]和大修等作業(yè)以及陽極效應等發(fā)生變化,從而引起磁流體穩(wěn)定性波動。停槽時下游槽電流分布偏差由于鋁液層的阻隔相對較小,上游槽電流分布偏差則相對較大。電流分布偏差引起磁流體穩(wěn)定性波動較大時需要附加電壓,從而導致電耗略有增加,這與母線配置和實際生產(chǎn)狀況等因素有關。

3.3 停槽電壓降測量偏離

上文已指出最能完整表達停槽電壓降的測量點是Dn+1與Dn之間的電勢差,其原因是停槽電壓降存在測量偏離。

圖1中槽控機按式(1)測得的槽電壓V(Jn-1)-V(Jn)相當于以上游槽的V(Jn-1)-V(Dn)代替了本槽的V(Jn)-V(Dn+1),正常生產(chǎn)時這是成立的。然而停槽電壓降則與測量點位有密切的關聯(lián)。在圖3或圖4中,上游槽正常生產(chǎn)而本槽停槽,本槽A側母線支路承載電流密度遠大于上游槽,因此V(Jn)-V(Dn+1)顯著高于V(Jn-1)-V(Dn)。此時槽控機顯示的停槽電壓降并未反應真實情況,其數(shù)值比按式(2)測得的真實停槽電壓降V(Dn)-V(Dn+1)低,一般低數(shù)十毫伏。

當短路槽的上游槽也停槽時,這種測量偏離就會消失。因此在連續(xù)多臺鋁電解槽同時停槽時,總是會觀察到沿系列電流方向的第一臺槽電壓要低于其下游槽數(shù)十毫伏的現(xiàn)象。

這個測量偏離值一般受母線配置和槽控機電壓測量點位置的影響。測量點所在A側母線支路在生產(chǎn)和停槽狀態(tài)下電流密度偏差越小的母線配置,以及槽控機電壓測量點越靠近下游時,該測量偏離值越小。

3.4 停槽對下游槽槽電壓的影響

停槽電壓降的測量偏離對下游槽槽電壓測量也存在較大影響。

根據(jù)上述分析,若圖1中的上游槽停槽時,則V(Jn)-V(Dn+1)將顯著低于V(Jn-1)-V(Dn),因此其槽控機顯示槽電壓應高于實際槽電壓。此時若仍按上游槽停槽前的目標電壓控制,則相當于人為壓低了該槽的極距,將對電解生產(chǎn)造成不利影響。

結合以上分析可知,停槽電壓降槽控機測量偏離值只是從上游的短路槽轉移顯示到下游的生產(chǎn)槽,系列的總電壓并未發(fā)生變化。然而忽視該測量偏離的存在是十分有害的,這正是本文揭示停槽電壓降測量偏離的意義所在。

4 結 語

雖然停槽電壓降折合槽電壓只有3 mV左右,但在能耗雙控和階梯電價政策背景下深入探討停槽電壓降具有積極意義。

(1)電解系列設計時要優(yōu)化母線配置(包括采用自均衡網(wǎng)絡化母線技術),以降低停槽電壓降及其影響。

(2)電解系列建設時要高度重視鋁母線建設質量,嚴格控制鋁母線材質、鑄造質量、加工質量以及焊接和壓接質量。

(3)行業(yè)內(nèi)有關方面要關注陰極組停槽狀態(tài)下的連接電阻及其降低停槽電壓降的作用。

(4)生產(chǎn)管理過程中,要加強立柱母線短路口壓接面的維護工作;合理安排鋁電解槽大修工作,縮減大修時間,尤其是要在刨爐前做好充分準備,盡量縮減刨爐后的工作時間;同時要加深對停槽電壓降及其影響的認識和管理,準確理解停槽電壓降測量偏離及其影響。