鋁電解槽專用操作機組的發展和設計方法探討

李承山

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司 設計研究院， 遼寧 沈陽 110141)

鋁電解槽專用操作機組的發展和設計方法探討

李承山

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司 設計研究院， 遼寧 沈陽 110141)

介紹了鋁的基本特點、應用范圍領域和重要作用，對鋁的電解法提取起源進行了簡述，并詳細敘述了鋁電解生產原理，指出當今節能環保政策條件下鋁電解專用操作機組的瓶頸問題。簡單總結了電解鋁的一般工藝過程，并針對當前形勢和環保節能政策要求，分析總結了鋁電解行業將來的發展方向和趨勢。總結了現有鋁電解槽專用操作機組的結構和特點，以及國內機組的發展歷程。通過簡單說明電解槽電解生產過程中的基本操作要求，分析現場實際操作需求和節能環保需要，結合鋁電解多功能機組的結構、功能、應用和技術現狀，提出新一代鋁電解槽專用操作機組的基本需求、功能和發展方向。

鋁電解多功能機組；專用操作設備；電解槽；起重機

0 前言

金屬鋁是地球上含量豐富的金屬元素之一。然而，直到19世紀80年代，美國俄亥俄州Charles Hall和法國Paul Heroupt[1]各自獨立地將溶解在熔融冰晶石中的氧化鋁的電解還原技開發成功之后，電解法生產鋁得以問世和普及，鋁才真正在工程領域得到大量應用。由于鋁及其合金的輕質量、高導電導熱性、防腐蝕等優秀特性，在航空、建筑、汽車工業中的作用越來越重要，得到了最優應用效果并推動了三大重要行業的迅速發展。鋁的大量使用，使得輕質、長距離、低損耗、低成本電力輸送成為可能，推動電力行業大力發展并遍及各個角落。鋁的出現還推動了食品、電器電子等眾多行業的技術進步，反向也促進了制鋁行業的發展。鋁應用已發展成足以使現代生活的各個側面直接地受到影響的舉足輕重的作用。

冰晶石—氧化鋁熔鹽電解法工藝流程和生產設備比較簡單，適于大規模工業性生產，并可直接得到高品位的純鋁，因此世界上幾乎所有鋁都是由電解法生產的。現代鋁工業生產，普遍采用冰晶石- 氧化鋁熔鹽電解法。以碳素材料作為陽極，鋁液作為陰極，經整流車間出來的強大的直流電流由陽極導入，經過電解質與鋁液層，由陰極導出，在電解槽內的兩極上進行電化學反應，陽極產物主要是二氧化碳和一氧化碳氣體，但其中含有一定量的氟化氫等有害氣體和固體粉塵。對陽極氣體進行凈化處理，除去有害氣體和粉塵后，排入大氣中，回收的氟化物(主要是冰晶石)返回電解槽。陰極產物是鋁液，隨著電解的不斷進行，鋁液通過真空抬包周期性地從槽內抽出，送往鑄造車間經凈化澄清之后，澆注成鋁錠，或直接加工成線坯、型材等。

正是由于制鋁行業的蓬勃發展，鋁電解槽專用關鍵操作設備——鋁電解多功能機組的制造行業才得以發展并壯大。鋁電解多功能機組經歷了從低位機組——低中位機組——高位機組的發展過程，如今普遍采用高位多功能機組。此時，鋁電解多功能機組的技術和功能已達到了一個頂峰。隨著近年來節能環保等政策的不斷推行，加上鋁年產量早已達到飽和，特別是環境污染的影響已達到當今世界不可再放任的地步。因此，鋁電解多功能機組的技術發展和方向已走向瓶頸。為此，本文將從鋁電解的基本工藝過程及操作需求等方面進行分析，結合鋁電解多功能機組的技術現狀，探討適應當前時代要求的新一代鋁電解多功能機組的發展方向和內容。

1 鋁電解工藝過程及行業發展

鋁電解工藝總結起來就是溶解在熔融冰晶石中的氧化鋁在直流電作用下不斷在陰極析出液態純鋁的過程。鋁電解法生產的原理和特點為鋁電解工藝過程劃定了范圍：一是原料，即氧化鋁和冰晶石。在連續的鋁電解過程中，純鋁鋁液被抽出，原料需要定量定時添加。二是電力。只有源源不斷的低廉的電力供應才能維持鋁電解過程的持續。

著力于節能減排和降低原鋁成本，并在源頭上減少氣固廢物料污染的同時，加強物料的無害化和資源化處理，實現資源再生和循環利用，鋁電解方法和工藝過程也在不斷改善和提高。

當前國情的變化和政策的出臺，使得鋁電解行業正在沿著不斷提升技術水平、不斷擴大單位產能、不斷降低能耗的方面發展，主要表現在以下幾個方面：

(1)電力和原料是鋁電解的關鍵，也是制鋁成本高的決定因素，因此各大企業發展規模均瞄準原料豐富、電力成本低廉的地區發展。如國內新疆等地，煤資源豐富，電力成本低，再加上政府對煤開采政策的放開，使該地受到不少鋁電解企業的青睞。

(2)大電流、高日產量大型預焙電解槽的推廣也是鋁電解行業的發展方向。在沒有打破電解法生產鋁的壟斷形式下，單位產量和智能化程度高、粉塵和煙氣治理效果好的強電流超大型電解槽是首選。也是各大企業降低噸鋁成本的主要途徑。目前國內以投入生產的最大電流達到600kA，最大電解槽日產量達近5t。同時，電流效率在不斷提高，噸鋁電耗在不斷降低。

(3)上下游產品聯合發展，規模化程度提高顯著。市場需求飽滿和國家節能環保政策讓單純發展電解鋁的企業無法支撐。控制噸鋁生產成本，并盡快將產品轉化為現金流，是鋁電解企業最為關心的大事。從上游產品看，控制成本就是在原料、電力等供應上保持最低成本、最高效率和最快速度。從下游產品看，工業純鋁再加工是擴大純鋁產品銷售范圍和間接保證噸鋁價格的不二選擇。上中下游產品聯合、統一管理，不斷增大規模，是將來鋁電解行業發展的必然趨勢。

(4)勞動力成本的不斷提高，鋁電解生產作業的日趨標準化，使得少人或無人化電解生產成為鋁電解行業的又一發展方向。

2 鋁電解槽專用操作機組現狀

2.1 現有結構及特點

目前機組的主要結構及特點是：

(1)大車采用普通橋架結構。

(2)工具小車設置打擊工具、陽極工具、清理鏟和下料系統。工具可實現270°內旋轉及作業。

(3)出鋁小車有兩種：一種為單獨小車結構，另一種為出鋁系統置于工具小車上。而吊鉤又有兩種構造方式，一種為硬鉤型式，即提升機構在多級導向框架內升降，保證吊運物品時無擺動；另一種為半軟鉤型式，僅有一節固定導向框架，吊鉤吊鋁包時正好位于框架內，而其它吊運作業時為軟鉤狀態。大車高速運行之前，將吊運物品提升至該位置，可防止擺動，應用范圍較硬鉤廣泛。

(4)整車可遙控或在駕駛室內操作。

(5)防磁阻磁技術。受大電流強度和強磁場環境影響，機組運行及電氣設備受到較大影響，從而衍生了防磁阻磁技術在機組運行機構、電氣控制設備等位置的應用，在機組運行穩定性和可靠性上提供了有力保障。

(6)靜電釋放技術。在電解車間運行過程中機組金屬結構產生大量靜電，對機組設備和人員安全帶來隱患。靜電釋放技術的應用，解決了這一難題。

2.2 發展歷程

電解槽在進行鋁電解過程中，主要涉及破碎電解質結殼、添加氧化鋁和氟化鹽粉料、更換陽極、清理陽極坑殘渣、出鋁并計量、輔助提升陽極母線等操作。鋁電解槽專用操作機組，亦即鋁電解多功能機組，采用橋式起重機的橋架作為承載和運行機構，在橋架上配置有多個工具的工具小車、進行出鋁和計量的出鋁小車、電葫蘆等，能夠完成電解槽上述所有操作過程，使電解鋁生產從根本上解決勞動強度大，作業環境和條件差的問題，實現高效、安全、人性化操作的現代化生產。鋁電解槽專用操作機組經歷了一系列成長過程，發展成為集機械、液壓氣動、電氣控制、絕緣防磁等一體的高新技術產品。國內制鋁設備制造龍頭企業——中國有色(沈陽)冶金機械有限公司創造和見證了鋁電解槽專用操作機組發展歷程。

(1)1936年，中國第一家鋁廠[2]，撫順鋁廠引進ECL低位天車；

(2)20世紀80年代至90年代，吸收和消化國外低位天車技術，出現第一批國產低位天車。

(3)20世紀90年代初期，低位天車逐漸成熟，并開始發展具有中位特點的低位天車。

(4)20世紀90年代中后期，隨著大面多點進電預焙槽的應用，開始出現高位天車；

(5)以四川啟明星鋁廠與沈陽冶金機械有限公司合作，吸收和消化國外天車的優點，開發出功能全面、性能穩定可靠的新一代鋁電解多功能起重機，一舉獲得國家科技進步一等獎。從此之后，我國鋁電解槽專用操作機組進入全面發展階段。

3 新一代專用操作機組的發展方向

3.1 鋁電解生產的需求

我國正在經歷勞動低廉到勞動力成本快速增長的發展轉變過程，節能環保政策步步緊逼，為了能夠生存，已有大部分鋁電解企業陸續開展科技創新，實施智能化生產和管理電解車間。為此，未來鋁的電解槽生產過程和流程將嚴格標準化和規范化，高端電子電氣檢測和監控技術將大量運用。電解車間的絕大多數工作將由自動化設備按標準流程完成，而所有過程將有先進的電子設備進行實時采集記錄和備案，人員無需進入環境惡劣的車間且僅有非常少的人員在主控室進行值班作業。人性化工作環境和條件將得到淋漓盡致的體現。

3.2 專用操作機組的性能要求

隨著超大電流電解槽的應用和發展，車間的特殊環境對專用操作機組在可靠性及運轉率等方面提出了更高要求。再加上未來無人化和智能化鋁電解車間的實施，未來的鋁電解專用操作機組應具備高智能化、高可靠性、高運轉率、高穩定性和長周期免維護性能。

3.3 專用操作機組的結構配置趨勢

除了現有鋁電解多功能機組的工具配置外，還需配置槽蓋移除和放置機構，槽沿清理機構，鋁導桿和母線清刷機構等鋁電解過程操作的全套機構。

3.4 專用操作機組的功能配置趨勢

為了適應無人化和智能化鋁電解生產車間高效率操作，專用操作機組在功能上，特別是自動化動作響應和檢測上的功能需要加強和完善。

(1)具備強大的信息處理能力和無線監控檢測能力。能夠實時、迅速、準確與主控室進行信息交換和數據傳輸，保證專用操作機組的操作乃至每一次運行數據都在主控室的掌控和調度之下。

(2)大車、小車運行點位檢測功能。保證機組能夠根據主控室的指令準備到達各操作工位。

(3)各項工具根據指令自動實施響應動作，并能夠與大、小車相互配合完成點位操作動作。此外，工具的升降位置判斷、力度檢測等功能必不可少。

(4)遠程信息采集和維護。實現設備制造企業和使用企業的聯合，遠程實時監測專用操作機組的運行狀態，并實現遠程維護工作。同時，通過分析機組運行狀態數據，更有利于完善機組功能。

4 設計方法探討

當今社會是信息化和電子化集約發展和飛速發展的時代，工程領域的電子智能化技術早已成熟并遍及各個行業和領域。未來智能化鋁電解槽專用操作機組在電氣和監控等方面的信息資源和應用案例極為豐富，其發展的主要工作是引進和固化；而為了保證操作機組自動化運行和操作的穩定性和可靠性，適應未來全智能化、自動化車間應用的需要，在設計和結構上需要更深一層次研究和更全面的分析模擬。

4.1 全工況分析及結構設計上的優化

無人化車間對操作機組的長期無故障運行要求較高，大、小車穩定運行是關鍵。從自身結構考慮，小車位于大車橋架不同位置、小車是否吊重等影響大車穩定運行。而大車橋架扭曲、主梁下撓等都影響小車穩定運行。共同的問題是使小車在各工況下運行時，保證橋架結構整體及形位一致。

(1)小車輪壓分析

一般小車均為4輪支撐結構，輪壓分布為：

(1)

式中Ngi—第i個小車車輪的輪壓；Gpj—小車上第j個質量體的重量；k—小車上質量體的數量；eij—小車上第j個質量體在第i個車輪方向上的偏移量比。

除吊重外，小車上各結構位置及重量是不發生變化的，在額定吊重G額下，僅吊運重物在各輪上的重力分配為：

NLi=G額·eib

(2)

式中NLi—第i個小車車輪的承受額定吊重的重量；eib—額定吊重在小車第i個車輪方向上的偏移量比。

則，小車輪壓工況可表示成以下函數：

(3)

亦即，為滿足自動化要求和運行過程中結構及受力等穩定，結構設計時需要結合主梁截面選擇仔細考慮。

(2)橋架剛性

大車橋架為操作機組的主要承載結構，橋架結構在水平方向上的剛度影響橋架結構形狀(即扭曲)；而豎直方向的剛度影響大、小車運行。

通過模擬計算可以發現，不同跨度的橋架，其主梁與所承載載荷呈一定的線性關系，見圖1。鋁電解槽專用操作機組的橋架至少包含兩根主梁，兩根主梁受載后的變形量差是影響整車運行的關鍵因素。

圖1 主梁下撓量與載荷的關系

針對相同截面主梁，操作機組在兩根主梁上的設備配置一般不同，故主梁承載前的下撓量并不相同。

(4)

式中fi—第i根主梁受載后的下撓量；fij—第j個質量體對第i根主梁中部產生的下撓變形量；Pij—第i根主梁上的第j個質量體的重量；Ci—第i根主梁的剛性系數；Cij—第j個質量體在第i根主梁上的尺寸系數。

從而，可計算得到組成橋架的主梁在同一工況下的下撓量差

Δfc=fc1-fc2

(5)

式中 Δfc—工況c下橋架主梁下撓量差；fc1、fc1—工況c下第1、2根主梁中部產生的下撓變形量。

以一個工作周期下各工況的持續時間為加權因子，對所有工況下橋架主梁的下撓量差進行加權平均統計，見公式(6)，確定最優組合的橋架主梁設計方案。

(6)

式中 Δfavg—橋架主梁下撓量差統計平均值；λc—工況c在一個工作周期內占用的時間量；Cf—操作機組一個周期的時間總量。

設計過程中，針對不同工況通過計算確定主梁的下撓大小，最重要的是保證橋架主梁在承載時下撓變形量一致。上述計算方法介紹了部分考慮主要工況和小車載荷的影響來確定主要參數的過程，通過類推可以得到更為全面的方法集合，在此不做累述。

4.2 可靠性設計

系統的可靠性[3]設計是指在遵循系統工程規范的基礎上，在系統設計過程中，采用一些專門技術，將可靠性“設計”到系統中，以滿足系統可靠性的要求。它是根據需要和可能，在事先就考慮產品可靠性諸因素基礎上的一種設計方法。

(1)產品可靠性

以一段時期為限，企業所生產的某種產品的可靠性。這是關系一個企業存亡的關鍵參數之一。從整體有效性考慮，計算方法如下：

(7)

式中R(t)—統計時期t內產品的可靠度；T—統計時期t內產品數量；W(t)—統計時期t內失效產品數量。

(2)整機系統可靠性

鋁電解槽專用操作機組是一個并聯和串聯相結合的系統。并聯為各個小車之間、各項工具之間的動作系統，而串聯則為各工具之間、以及工具與大小車運行之間的關聯系統。此外，大車運行可靠是其它所有小車和工具能夠正常作業的基本保障；小車運行可靠是工具能夠正常使用的基本保證。鋁電解槽專用操作機組系統和各機構的關系見圖2。

圖2 鋁電解槽專用操作機組運行系統簡化分析

根據圖2所示混合系統，從整機運行穩定性上分析，整機系統可靠度可表示為：

(8)

式中R(t)—統計時期t內的可靠度；i—整機系統包含的一級子系統數量；j—某一級子系統下的二級子系統數量；k—某二級子系統下的三級子系統數量。

對應于圖2系統，公式(8)中的R1(t)、R2j(t)、R21k(t)分別表示了大車、工具小車和出鋁小車運行的可靠度。

此外，操作機組的電控系統、氣液壓系統等均可根據機組操作順序和機構間的關聯與限制在整機系統可靠度計算中體現。

智能化、自動化操作機組設備的高效、長時無故障運行離不開整機系統及結構的全面分析和改進。當前能源和環境要求也需要鋁電解槽專用操作機組在可靠性等諸多方面深入拓展。

5 結論

國家已強令對大污染、高能耗企業的治理，作為鋁電解行業從中獲得深化改革、標準流程、規范作業的巨大變革和革新。而作為受之影響的制鋁設備制造行業，更需要提前構思，強化科研，開發高效、低能耗、自動化、智能化設備，為鋁電解行業變革提供鼎力協助。

[1] 杜科選等.鋁電解和鋁合金鑄造生產與安全[M].北京：冶金工業出版社，2012.

[2] 張永注.我國鋁電解設備發展的三十年[J].冶金設備，1980，(4).

[3] 謝里陽等.機械可靠性基本理論與方法[M].北京：科學出版社，2012.

DevelopmentandDesignMethodDiscussionofSpecialOperatingMachineforAluminumElectrolyticCell

LI Cheng-shan
(Design and Research Institute, NFC (Shenyang) Metallurgy Machinery Co., Ltd. Shenyang 110141, China)

The basic characteristics, application areas and important role of aluminum are introduced, the origin of aluminum electrolytic process is described, the principle of electrolytic aluminum production is described in detail, and the bottleneck problem of the machine is pointed out with the condition of the current energy conservation and environmental protection policy. The general process of electrolytic aluminum is summarized simply, and in view with the current situation of policy for environmental protection and energy conservation, development direction and trend for the aluminum electrolytic industry are analyzed and summarized in the future. The existing structure, characteristics and development of the special operating machine for aluminum electrolytic cell are summarized. With the basic operating process is declared, the actual operation requirements and needs of energy conservation and environmental protection are analyzed, also structure, function, application and technical status of a new generation machine are put forward.

pot tending machine； special operating equipment； electrolytic cell； crane

2014-08-26

李承山(1982-)，男，四川岳池人，工程師，碩士研究生，主要從事鋁電解多功能機組研發和設計工作、制鋁設備和冶礦設備的電算分析工作，現任中國有色(沈陽)冶金機械有限公司基礎技術學科帶頭人兼科室經理。

TF815

A

1003-8884(2014)06-0012-05