240 kA鋁電解槽壓接器連接形式的改進(jìn)

李 莉 劉民章 李 賢

(青海橋頭鋁電股份有限公司 技術(shù)中心, 青海 西寧 810100)

240 kA鋁電解槽壓接器連接形式的改進(jìn)

李 莉 劉民章 李 賢

(青海橋頭鋁電股份有限公司 技術(shù)中心, 青海 西寧 810100)

介紹了壓接式壓接器的結(jié)構(gòu)特點，分析了壓接式壓接器對240 kA鋁電解槽陰極母線壓降的影響。通過將壓接器由壓接式改進(jìn)為焊接式，壓接器平均壓降由原來的 19.20 mV降低到 9.65 mV，取得了明顯的節(jié)能效果。

鋁電解槽； 壓接器； 連接方式； 壓接式壓接器； 焊接式壓接器

0 前言

在鋁電解過程中，電能是最主要的能耗形式。然而，影響鋁電解過程能耗的因素眾多。通常，在電流強(qiáng)度一定的條件下，鋁電解過程的能耗以工作電壓的形式表現(xiàn)，工作電壓越高，電解耗能越多，反之亦然。從2008年電解鋁行業(yè)經(jīng)歷危機(jī)以來，2012年至今電解鋁行業(yè)又經(jīng)歷了一次低迷期。面對這種情況，各鋁冶煉企業(yè)紛紛通過各種途徑，如降低氧化鋁、氟化鋁、預(yù)焙陽極單耗以及降低噸鋁直流電耗降低原鋁生產(chǎn)成本。目前，最引人注目并且見效最快的途徑是降低鋁電解槽的工作電壓。關(guān)于通過降低鋁電解槽工作電壓實現(xiàn)降低鋁電解的過程能耗，國內(nèi)外研究人員、學(xué)者、工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究探討，并取得了富有成效的研究成果與實踐經(jīng)驗，而且建立了一批低電壓鋁電解示范工程。然而，這些研究大多是通過采用異形陰極、控制氧化鋁濃度調(diào)整范圍、調(diào)整極距、強(qiáng)化系列電流、增加陽極電流密度等進(jìn)行的[1]，關(guān)于通過降低陰極鋼棒和陰極軟帶連接處壓接器壓降降低電解槽工作電壓的研究與實踐方面的報道并不多見。因此，本文著重探討通過改進(jìn)陰極鋼棒與槽周母線連接處壓接器的連接形式降低壓接器壓降的方法。

1 壓接式壓接器及其壓降

電解槽的槽電壓(工作電壓)E槽由反電勢E反、電解質(zhì)電壓降E電解質(zhì)、陽極電壓降E陽極、陰極電壓降E陰極和外線電路中的電壓降E外5部分組成[2]。陰極鋼棒與槽周母線連接接觸壓降就包含在外線電路電壓降E外中。

在鋁電解系列電解槽中，連接陰極鋼棒與陰極母線的結(jié)合部件稱之為壓接器。目前大多數(shù)電解系列的壓接器采用壓接式，即將陰極鋼棒端部與陰極母線上的鋼板(一端焊接在陰極母線上)通過螺栓連接在一起，形成陰極母線回路。通常，一臺電解槽上的壓接器多達(dá)數(shù)十個，如240 kA鋁電解槽的壓接器達(dá)80個。如果一個系列包含236臺電解槽，那么，整個系列的壓接器將多達(dá)18 880個，壓接器電壓降將會對系列槽周母線壓降產(chǎn)生一定的影響，因此，關(guān)注并努力降低鋁電解槽壓接器壓降對于降低鋁電解槽工作電壓很重要。

某公司對運(yùn)行4年的240 kA鋁電解槽的壓接式壓接器的壓降進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)壓接器平均壓降高達(dá)19.20 mV。

筆者結(jié)合電解系列現(xiàn)場以及焊接操作，認(rèn)為造成壓接式壓接器壓降高的原因在于：

(1)由于壓接式壓接器的兩個部件(陰極鋼棒和軟帶接頭)是通過螺栓緊固在一起的，在新建電解系列投產(chǎn)初期，表現(xiàn)出較低的壓接器壓降。然而，隨著電解槽運(yùn)行時間的延長，加之電解過程中打殼、下料氣動工具產(chǎn)生的振動，使兩個部件之間由于振動而產(chǎn)生了緊固螺栓松動，從而造成兩部件之間的結(jié)合不像投產(chǎn)初期那么緊密。

(2)電解車間粉塵的影響。由于打殼、下料因素，電解車間粉塵含量相對較高，當(dāng)兩部件接觸緊密程度變差時，在二者之間不可避免地要存在粉塵粒子，導(dǎo)致二者之間電阻增加，從而導(dǎo)致壓接器壓降升高。

(3)壓接器連接處溫度以及氧化的影響。在電解槽啟動階段，壓接部件的溫度為280 ℃左右，正常運(yùn)行電解槽陰極鋼棒端部溫度通常為200～220 ℃，長期處于這個溫度范圍，不可避免要產(chǎn)生壓接部件結(jié)合面的變形與氧化，而結(jié)合面的變形與氧化又加劇了接觸面積的減小，導(dǎo)致壓接器壓降上升。

(4)裝配時壓接面的處理與緊固操作以及電解槽運(yùn)行過程中的維護(hù)檢修對壓接器壓降也有一定的影響。如果裝配時壓接面加工的粗糙度達(dá)不到要求、連接螺栓緊固的松緊程度掌握不當(dāng)、電解槽運(yùn)行過程中維護(hù)檢修不及時，都會引起壓接器壓接面的不良接觸，導(dǎo)致壓接器壓降的升高。

2 焊接式壓接器特點

焊接式連接就是通過對兩個壓接部件(陰極鋼棒頭部與軟帶接頭)的加工處理，使兩個結(jié)合面達(dá)到要求的光潔度和平整度，然后用焊接的方式將二者連接在一起，從而使得陰極與槽周母線形成導(dǎo)電回路。

2.1 壓接器結(jié)構(gòu)形式改造條件

壓接器結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)可能出現(xiàn)的三種情況是：

(1)在新建電解系列建設(shè)過程中進(jìn)行改進(jìn)。在這種情況下，安裝施工現(xiàn)場沒有磁場，可以實現(xiàn)壓接器連接部件的精準(zhǔn)加工，并且在無磁環(huán)境中對壓接器進(jìn)行焊接，可以確保最理想的焊接質(zhì)量。

(2)利用系列停電機(jī)會實施壓接器的改造。在這種情況下對壓接器連接形式進(jìn)行改造也可獲得較為理想的焊接效果。不過，一旦出現(xiàn)這種情況，電解鋁廠將會遭受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。并且，一旦電解系列重新啟動，也必須投入大量的資金支撐。這是電解鋁廠最不愿意遇到的情況。

(3)利用分流降磁設(shè)備通過降磁實現(xiàn)不停電焊接進(jìn)行壓接器結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)。在這種情況下，需要一定的資金投入來購置分流降磁設(shè)備。國內(nèi)已經(jīng)有幾家公司能夠生產(chǎn)這種設(shè)備并提供現(xiàn)場指導(dǎo)。據(jù)調(diào)查，目前，購置一套分流降磁設(shè)備的投入約為260萬元。

2.2 焊接式壓接器優(yōu)點

焊接式壓接器有如下優(yōu)點：

(1)陰極鋼棒與軟帶接頭連接質(zhì)量好。

(2)壓接器連接處壓降比壓接式均勻的多。

(3)陰極電流分布比壓接式均勻的多。

(4)在確保壓接面處理、焊接質(zhì)量的前提下，在電解槽運(yùn)行過程中基本不需要對連接處進(jìn)行維護(hù)檢修，因為通過焊接兩部件成為一個整體，不會出現(xiàn)壓接面松動現(xiàn)象，電解車間粉塵環(huán)境不再會對壓接器壓降造成影響，而且能夠保持較低的壓接處溫度，極大減小了檢修工人的勞動強(qiáng)度。

基于上述優(yōu)點，鋁電解槽的運(yùn)行將更加穩(wěn)定。

2.3 焊接式壓接器缺點

焊接式壓接器連接方式也有其缺點和苛刻的實施條件：

(1)實施焊接前，對壓接面的加工處理精度要求高。

(2)對操作工人的焊接技術(shù)水平要求高。

(3)必須在系列停電實施焊接才能獲得理想的焊接效果。

(4)在全電流運(yùn)行的電解槽上實施壓接器焊接，必須安裝專用鋁電解槽全電流分流焊接降磁裝備，投資費用高，而且操作相對繁瑣。

3 壓接器結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)效果

3.1 焊接式壓接器的壓降測量

通過分析壓接式壓接器連接方式的缺點，結(jié)合對同行業(yè)電解系列壓接器的考察情況，將240 kA鋁電解系列壓接器連接方式改為焊接式連接。在7臺電解槽上進(jìn)行了部分壓接器連接方式的改進(jìn)，測量了改為焊接式壓接器的壓降，并與壓接式壓接器壓降進(jìn)行對比，測量對比結(jié)果見表1。

表1 壓接式壓接器與焊接式壓接器壓降比較 單位：mV

由表1可以看出，壓接式壓接器壓降最高23.86 mV，最低13.55 mV，平均19.20 mV；而焊接式壓接器壓降均小于10 mV，均為9.0～10 mV。改進(jìn)后，平均壓接器壓降降低了9.55 mV，而且壓接器壓降比較均勻，效果比較明顯。

3.2 焊接式壓接器的節(jié)能效果

系列電解槽陰極與母線的連接方式由原來的壓接方式改為焊接方式，其平均連接壓降由原來的19.20 mV降至9.65 mV，則產(chǎn)生節(jié)電效益為：

單臺槽年節(jié)電=240 000 A×(19.20-9.65)×10-3V×365 d×24 h/d×10-3=20 078 kW·h

系列年節(jié)電=240 000 A×(19.20-9.65)×10-3V×365 d×24 h/d×10-3×236臺=473.84萬kW·h

按照0.40元/kW·h的電價計算， 單臺槽年節(jié)省電費8 031.2元； 系列年節(jié)省電費189.54萬元。根據(jù)以上計算可以看出，通過對240 kA電解系列進(jìn)行壓接器連接方式的改進(jìn)，節(jié)電效益很可觀。

該公司已經(jīng)與某不停電分流降磁焊接設(shè)備生產(chǎn)廠家簽訂了設(shè)備供貨合同，計劃在設(shè)備到位后，利用兩年時間對整個電解系列壓接器的連接進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)語

鋁電解槽的工作電壓是由多部分組成的，而每部分都會對電解槽的工作電壓造成不同程度的影響。因此，原鋁冶煉廠應(yīng)結(jié)合自身電解系列的工作電壓實際情況，通過不同的途徑和方式，選擇適合于自身的降低電解槽工作電壓的方式，當(dāng)然，權(quán)衡投資與效益回報是很重要的。本文對壓接式壓接器和焊接式壓接器優(yōu)缺點的分析探討僅供同行參考。

[1] 馮乃祥. 新型陰極結(jié)構(gòu)高效節(jié)能電解槽與鋁電解的若干技術(shù)問題[R]. 鋁電解槽新結(jié)構(gòu)新技術(shù)研討會，2010.

[2] 邱竹賢. 預(yù)焙槽煉鋁[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2005：284.

Improvement of Connection Type of Voltage Adapter for 240 kA Aluminium Reduction Cell

LI Li， LIU Min-zhang， LI Xian

This paper introduces the structural features of the bolt fastened type voltage adapter, and analyzes the effect of the bolt fastened type voltage adapter on voltage drop of cathodic bus line. By tranfoming the bolt fastened type voltage adapter to welded voltage adapter，the voltage drop was decreased from 19.20 mV to 9.65 mV, and an obvious saving-reducing effect was achieved.

aluminium reduction cell; voltage adapter; connected mode; bolt fastened type voltage adapter; welded voltage adapter

2014-01-13

李 莉(1977-)，女，山西興縣人，大學(xué)本科，工程師，主要從事科技項目管理工作。

TF821

B

1008-5122(2014)03-0014-03