鋁電解槽預焙陽極獨立提升工藝設計研究

舒 斌，賀國念，毛 霖，李紅飛，陳建宏，吳其榮，劉舒巍

（國家電投集團遠達環(huán)保工程有限公司重慶科技分公司，重慶 401120）

據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2019年我國原鋁產(chǎn)量為3504萬噸，約占世界的60%以上，已是名副其實的電解鋁第一大國。同時也已建成電流達660kA、單槽產(chǎn)能1800噸/年的新一代大型電解槽。電解鋁技術近幾十年的總體發(fā)展主要體現(xiàn)在電解電流（或槽型）的不斷變大，如電流經(jīng)歷了180kA、200kA、280kA、300kA、350kA、400kA、500kA、600kA、660kA的發(fā)展，并在噸鋁生產(chǎn)能耗、物耗下降及環(huán)保方面也取得了顯著成效[1]，但是對于預焙槽的生產(chǎn)工藝卻沒有較大突破或創(chuàng)新性變革[2，3]，其中之一即是電解槽上部陽極提升系統(tǒng)。

電解槽陽極提升當前采用的是集中框架式結構，即所有陽極導桿被夾持在槽體兩側水平大母線上，水平母線向導桿供電的同時還通過支吊點與升降器聯(lián)結，升降器再通過傳動軸由電機統(tǒng)一驅動水平母線運動，除換極過程外每個陽極的升降運動均同步。陽極集中升降工藝自預焙槽型發(fā)明以來就一直沿用，其工藝結構除因槽型和載荷變大而對母線吊點數(shù)量和升降器結構進行過優(yōu)化設計研究[4-6]外，其他并未有明顯改進。

隨著產(chǎn)業(yè)技術水平的不斷進步，電解鋁工藝已朝著“低電壓、低溫度、高電流效率、低極距、低排放、智能化”的方向發(fā)展[7-9]，越來越多的生產(chǎn)實踐表明電解槽陽極集中提升工藝已不適應鋁電解技術的發(fā)展需要和趨勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

①無法實現(xiàn)極距的“按需”調(diào)整，即每個陽極可能因碳素材料、加工制造、新舊極差異或槽底狀況不同等原因消耗速度始終存在偏差，陽極底掌并非很好的處于同一平面而無法更好控制極距，不利于降低電解電壓、提升電流效率；②無法實現(xiàn)陽極電流在線測量并掌握實時分布情況[10-12]，不能及時判斷槽內(nèi)電解質濃度狀態(tài)，對氧化鋁、氟鹽等下料無法起到優(yōu)化控制作用，不利于降低陽極效應發(fā)生頻次；③抬升母線作業(yè)強度大，每次抬升母線需要利用天車并通過提升框架進行輔助操作既費時又費力；④電解槽智能化控制精度水平較弱，槽控系統(tǒng)能直接獲得的參數(shù)輸入為系列電流值“I”和槽平均電壓值“U”，槽控機在僅靠“I”、“U”和相關經(jīng)驗數(shù)據(jù)設定輸入再作模糊解析判斷并控制電解槽操作，智能化程度低且精度不高。

本文針對預焙鋁電解槽陽極集中提升工藝存在的不足，設計一種新型的陽極獨立提升工藝并作相應技術分析以期拋磚引玉，使電解生產(chǎn)能夠獲得更優(yōu)的極距和電流效率、更低的降低陽極效應頻次等技術指標，并提升電解槽智能化控制水平等，實現(xiàn)電解鋁的深度節(jié)能降耗并推動技術進步。

1 工藝關鍵構成

相對陽極整體框架式提升方式，要實現(xiàn)獨立提升需要先解列導桿與水平母線的聯(lián)結，即將每組陽極變成可獨立運動的個體，再針對單組陽極配置獨立的驅動電機和傳動機構，同時調(diào)整水平母線布置再從母線上引出單獨的供電軟聯(lián)結帶為導桿供電，并利用供電連接帶設置電流測量裝置實現(xiàn)陽極電流的在線檢測。

圖1 陽極獨立提升工藝簡圖

工藝包括獨立驅動裝置、導桿提升綜合系統(tǒng)、母線及陽極供電聯(lián)結、電流在線檢測及控制幾個關鍵方面。圖1為陽極獨立升降系統(tǒng)工藝簡圖。

1.1 獨立驅動系統(tǒng)

所謂獨立驅動系統(tǒng)，即針對每組陽極設置一套單獨的驅動裝置以實現(xiàn)自由升降運動，圖2為獨立驅動系統(tǒng)裝置示意圖（圖1中A的側視放大圖），系統(tǒng)設置有微型驅動電機、減速裝置以及連軸器，驅動系統(tǒng)布置在電解槽頂部平面并靠近導桿一側。

減速裝置出力軸通過聯(lián)軸器與絲桿起重器的蝸桿聯(lián)結并輸出動力，經(jīng)減速機后電機輸出扭矩得到較大提升可以驅動更大的陽極載荷作升降運動。

1.2 導桿提升綜合系統(tǒng)

如圖3所示（圖1中B的放大圖），導桿提升綜合系統(tǒng)包括絲桿起重器、絲桿聯(lián)結件、過渡件、夾具、滑動導軌等。

絲桿起重器接受動力輸入后驅動蝸輪帶動絲桿作豎直方向運動，絲桿下端通過聯(lián)結件與過渡件相連，過渡件外側面安裝有夾具夾持導桿，內(nèi)側面與滑塊相連并在導軌上滑動，導軌固定在槽體壁面，滑動導軌的作用在于使陽極在提升過程不發(fā)生水平方向位移，過渡件另一側面則設置導桿供電軟連接帶接入點。

1.3 母線及陽極供電聯(lián)結

如圖4所示（并結合圖1），獨立提升工藝仍保留電解槽左右兩根水平母線，但需固定布置在靠近槽罩板上邊沿與壁面位置的交接處，并只供電而不再承擔陽極載荷。從水平母線上引出供電軟聯(lián)結帶與陽極導桿一一對應，并接至過渡件上為導桿供電，利用過渡件還設置有可實時檢測電流的測量裝置。

圖2 陽極獨立驅動系統(tǒng)簡圖

1.4 電流在線檢測及控制

結合圖3、圖4所示工藝結構，首先在水平母線上設置一段母排并在母排上固定安裝電流檢測裝置，軟聯(lián)結帶從母排上再引至過渡件。

圖3 導桿提升綜合系統(tǒng)簡圖

圖4 母線布置及供電軟聯(lián)結簡圖

利用電流檢測裝置可以獲得陽極電流實時分布數(shù)據(jù)，再通過槽控機對電流分布數(shù)據(jù)計算和解析，將給判斷槽況和生產(chǎn)控制帶來積極作用，圖5為增加陽極電流分布數(shù)據(jù)后電解槽控制方案示意圖。

圖5 增加實時電流in后電解槽控制方案

2 技術特點分析

2.1 實現(xiàn)陽極電流在線測量

掌握陽極電流實時分布一直是業(yè)內(nèi)人士追求的技術突破之一，但因陽極提升工藝結構和操作的限制一直沒有實現(xiàn)，盡管研究人員相繼提出了諸如測量橫梁母線等距電壓計算陽極電流分布法[13]、利用導桿溫度與電流相關性原理計算陽極電流分布法[14]、陽極導桿等距電壓測量法等方法來檢測陽極電流，但這些技術方法都存在的一個普遍問題即無法實現(xiàn)電流在線測量和數(shù)據(jù)實時反饋并且數(shù)據(jù)誤差較大。

在本文提出的工藝中，因陽極提升結構的變化，設置了軟聯(lián)結帶為陽極導桿供電，并利用軟聯(lián)結帶設置電流測量裝置，電流測量裝置體積小、安裝簡便、精度可靠，在空間平均磁場不高于200Gs條件下測量精度可達0.05%，通過測量裝置可以實時獲得陽極電流數(shù)據(jù)并轉換成數(shù)據(jù)信號傳遞至槽控機，為電解槽的分析控制提供直接的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 提升電解槽自動化水平

鋁電解槽生產(chǎn)是一個具有多變量耦合、時變和大滯后的工業(yè)過程對象[15]，槽況特征多變且缺乏精確數(shù)學模型和解析算法無法形成閉環(huán)控制，目前電解槽的生產(chǎn)控制可以認為是“人-機”配合下得到的一種模糊解。在當前技術條件下，槽控機作為自動控制設備通過采集槽平均電壓“U”和系列電流“I”再結合預設的經(jīng)驗參數(shù)和算法來綜合解析判斷，以實現(xiàn)對陽極升降、打殼下料、出鋁等操作。但因槽控機獲得的數(shù)據(jù)僅為系列電流“I”和槽平均電壓“U”兩個宏觀數(shù)據(jù)，缺少能夠直接反應生產(chǎn)現(xiàn)狀的客觀數(shù)據(jù)，因而自動化控制水平實際并不高。

獲得陽極電流實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)“in”后，槽控機通過解析運算對槽內(nèi)生產(chǎn)狀態(tài)掌握更加準確、物料平衡控制趨于完善，可使陽極效應發(fā)生頻次下降乃至消除；另一方面由于每個陽極組采用獨立電機驅動如伺服控制，根據(jù)槽況的調(diào)整需要可以實現(xiàn)陽極“按需”分布式升降，對優(yōu)化電解槽極距、提高電流效率非常有利。因此陽極獨立提升工藝有助于提升電解槽自動化水平乃至為進一步的智能化生產(chǎn)提供基礎。

2.3 簡化生產(chǎn)作業(yè)過程

對于陽極生產(chǎn)作業(yè)而言，獨立提升工藝最顯著的優(yōu)點是可以取消母線抬升作業(yè)，而只需針對單個陽極因換極、極距調(diào)整時的行程控制無需操作水平母線，與現(xiàn)有陽極框架式提升方式相比可以大大降低多功能天車、運行人員的作業(yè)強度和操作時間，同時更進一步的還可以省略陽極輔助提升框架簡化設備需求；另一方面，現(xiàn)有母線抬升作業(yè)存在因帶電摩擦而導致的母線與導桿“打火”現(xiàn)象，不僅易損壞母線和導桿還帶來極大的生產(chǎn)安全隱患，而獨立提升工藝則可以完全杜絕該問題使生產(chǎn)過程更安全。

2.4 降低生產(chǎn)能耗

大型預焙電解槽的能量利用率仍不足50%[16]，大量的熱能通過煙氣、槽體、上部結構等途徑散失，據(jù)相關文獻和大量調(diào)研數(shù)據(jù)，我國電解槽能耗水平與世界先進水平存在不小的差距[17]，以400kA電流槽型為例，目前我國電解槽電解電壓大多在3.9V～4.0V（部分老槽型甚至高于4.0V）、平均電流效率91%～92%，而先進水平的電解電壓在3.8V～3.9V、電流效率可達95%～96%，因此電解槽具有較大的節(jié)能潛力。

通過前文分析，采用陽極獨立提升工藝后可以起到優(yōu)化極距、提高電流效率乃至降低陽極效應頻次的效果，具體可體現(xiàn)在電解能耗下降上，獨立提升工藝實施后預期可以獲得電解電壓降低0.1V、電流效率提升2%以上的節(jié)能效果，根據(jù)電解槽能耗計算公式[18]，生產(chǎn)1噸鋁可產(chǎn)生的直接節(jié)能量約為560kWh/t-Al，同時陽極效應發(fā)生頻次可以降至0.01次/槽·日以下，若全國暫按3500萬噸/年產(chǎn)量計算每年可節(jié)省約68.6億元能耗成本（其中電價暫按0.35元/kWh計）；除此之外在設備運行方面亦可產(chǎn)生節(jié)能效果，以350kA槽雙炭素陽極為例（24組陽極），陽極集中提升工藝電機功率配置為9kW，而采用獨立升降系統(tǒng)驅動功率配置總計約7.5kW，且升降控制更靈活運行能耗更低。

3 結論及展望

（1）針對陽極升降系統(tǒng)，解列原導桿與水平母線的聯(lián)結方式，每組陽極配置單獨的驅動和升降裝置，再適當調(diào)整水平母線布置和功能，可以實現(xiàn)陽極組件的獨立升降控制。

（2）獨立升降工藝為實現(xiàn)陽極電流在線測量提供了新的解決方案，使槽控機可以更加準確判斷槽況并及時優(yōu)化極距調(diào)節(jié)和打殼下料等關鍵操作，既可提高電解槽自動化生產(chǎn)水平又達到節(jié)能生產(chǎn)目的。

（3）電解鋁技術的進步和發(fā)展，關鍵之一要歸功于人們不斷的生產(chǎn)實踐和“試錯”總結，本文提出的陽極獨立提升工藝亦可認為是尋求技術進步的一種“試錯”過程，并作為推動電解鋁技術發(fā)展的有益嘗試，下一步將開展技術小試和中試等研究。