大型鋁電解槽的安全設計優化

何 嵩

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550001)

0 引 言

近年來，鋁電解工業不斷朝著槽容量大型化發展，大型鋁電解系列在生產中暴露了較多的安全隱患，部分嚴重的安全事故導致了系列停產，給鋁企帶來了較大的經濟損失。2019年已知的非正常停產企業就達到了6家，產能達到211.69萬t。

鋁電解系列生產過程中，導致停槽甚至系列停產的主要原因有供電故障、開路爆炸、漏槽、電流偏流嚴重與滾鋁、自然災害等。除了不可預知的自然災害及設備故障外，2019年因電解槽的滲漏、電流偏流滾鋁等導致系列崩停的企業就有4家。隨著鋁電解槽型的大型化，各種事故導致系列停產的案例時有發生，近十年發生的案例不下20起。為此，電解生產廠家都很重視，制定了各種預防措施、應急預案，但是事故并沒有得到有效扼制。在目前行業普遍經營形式困難，發生一起系列停產事故，無疑是雪上加霜。

電解槽的滲漏、開路爆炸及電流偏流滾鋁等異常情況的發生與設計及工藝操作等諸多因素相關，近年來，為了進一步降低噸鋁投資、提高勞動生產率，鋁電解槽不斷向著大型化發展，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，對電解槽的結構設計、內襯設計及磁流體的穩定性都提出了更高的要求。該文通過從電解槽的結構設計、磁流體穩定性設計及電解槽的電熱平衡設計等多方面著手分析，從設計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生。

1 電解槽的結構設計

槽殼是鋁電解槽的重要組成部分，不僅作為結構件承載電解槽內襯的各種應力，而且對電解槽的通風散熱起到關鍵性的作用，目前500 kA級以上槽型電解槽尺寸達到了22 000×5 500 mm，傳統的電解槽槽殼在電解槽焙燒啟動初期變形較大、隨著電解生產進行，電解槽的變形進一步擴大，有可能導致電解槽的搖籃架開裂電解槽滲漏、坍塌等風險，合理的槽殼設計成為了電解槽安全生產的基礎。近年來，為了確保電解槽生產的安全，我院設計人員廣泛吸收了國內外先進的槽殼設計技術，運用了先進的力學仿真軟件，針對500 kA以上電流系列，成功研發出了新一代防上拱微變形槽殼技術。該槽殼結構對搖籃架做了全新的優化，使之能夠有效地防止電解槽的上拱變形。槽殼受力計算采用我院成熟的三維電—熱—力三場耦合計算仿真模型，計算出槽殼在啟動初期的上拱變形僅為28.9 mm，正常生產時大面變形為12.2 mm。槽殼變形在可控范圍內，應力低于材料的許用應力，槽殼安全可靠，且節省材料，見圖1、圖2。

該槽殼形式已在我院設計的多個400 kA、500 kA及600 kA級電解槽列成熟使用，從電解槽啟動初期的變形情況及長期生產后的變形情況來看，遠遠的優于傳統結構的槽殼形式。見圖3、圖4。

2 電解槽的電熱場設計

鋁電解槽正常生產的重要標志是電解槽的熱平衡穩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，而槽膛形狀是否規整對電解槽運行及安全生產影響較大。電解槽過冷或過熱均會影響電解槽的安全生產：冷槽的底部結殼肥大，陰極表面不規則的沉淀將使陰極表面導電受到影響，槽內鋁液擠到過高，電流分布紊亂，發生滾鋁等現象；電解槽過熱，則導致電解槽無法形成有效的爐膛保護側部內襯材料，爐底溫度過高，液體電解質在糊料、澆注料內無法凝固，發生電解槽的滲漏，電解槽的滲漏將嚴重影響電解的系列安全。合理的電熱場設計是電解槽取得高效低耗的指標的關鍵以及安全生產的重要保證。

圖1 電解槽啟動初期槽底上拱變形圖

圖2 電解槽正常生產時大面變形

圖3 某系列啟動初期槽殼變形

圖4 某系列啟動初期槽殼變形

現代鋁電解槽內襯結構設計的一個準則是使900 ℃等溫線(酸性電解質共晶等溫線)處于陰極碳塊之下和內襯保溫層之上，避免電解質等高溫化合物在凝固時對內襯保溫產生的破壞作用，以及隔熱材料被侵蝕。見圖5。

圖5 電解槽等溫線分布

近年來貴陽鋁鎂設計研究院研發了新型節能槽技術，該技術通過優化電解槽的等溫線分布，以獲得良好的爐膛內型及合理的等溫度線分布，并同時研發使用了新型節能槽的內襯隔熱材料，實現了電解槽的安全、穩定、低耗生產，為當前國內外電解鋁行業正在深入進行的追求鋁電解槽長壽命、高效、低耗、低排放的目標提供了正確的有效解決途徑和策略。

3 電解槽的磁流體穩定性設計

2019年國內某鋁廠的端頭槽發生了滾鋁，在處理過程中短路口相繼發生爆炸，鋁水大量噴出，短路口、母線嚴重損毀，被迫停電停產。近年來，大型電解系列因電解槽磁流體穩定性及電解槽短路口爆炸的情況時有發生，貴陽鋁鎂設計研究院分析總結了大型槽的類似事故原因，優化了磁流體穩定性設計，并在特殊位置做了優化處理，確保了生產的安全性。

3.1 抗擾穩流母線配置

電解生產過程中有巨大的直流電流經鋁母線、陽極、熔體、陰極等部位，因此產生了高達數百高斯的強磁場，電解槽內的磁場又與熔體中的電流相互作用產生電磁力進而推動槽內熔體流動，其結果一方面有利于氧化鋁的溶解，另一方面導致鋁液面隆起、偏斜和波動，影響電解槽工作穩定性，致使電流效率的下降、能耗增加，嚴重時可能發生滾鋁等事故。因此，設計上必須盡可能尋求理想的母線配置，使得槽內鋁液中電磁力能夠控制在合理范圍內，以滿足電解槽穩定生產的需要。

貴陽院結合英國格林威治大學Bojarevics教授研制的先進的電、磁、流體動力學數學模型及計算機模擬技術設計，并結合國內外先進鋁廠母線配置的經驗，大型槽采用的大面“多點進電”、槽周圍非對稱母線配置，可使電解槽獲得最佳的磁流體動力學效果和較高的穩定性，對系統母線的截面和電流分布進行優化設計，由此可獲得最佳的電平衡效果，同時降低了母線建設投資和生產電能消耗。

3.2 特殊位置電解槽磁流體穩定性優化

電解系列端頭等特殊位置電解槽由于無前序或后序電解槽，并且受到整流所匯流母線、進出電母線、中間過道臨時母線、系列端頭過道母線的影響(受限于廠房長度，投資成本)，磁場明顯較普通槽更差。同時特殊位置電解槽啟動后槽電壓難以維持，并且電壓高于普通電解槽；啟動數周之后才能勉強維持其相對穩定運行。有些鋁廠端頭電解槽因啟動初期管理不善槽電壓難以維持、甚至導致滾鋁；最終被迫停止生產。

貴陽院在大型電解槽的磁場設計中，對特殊位置的電解槽磁場進行了優化，進出電端(整流所側)電解槽磁場主要受到整流所側匯流母線的影響，在整流所匯流母線與電解槽間距不能改變的情況下，通過對進出電母線繞行的方式，對電解槽磁場進行反向補償，最終達到端頭電解槽磁流體穩定性的目的。同理端頭(遠離整流所側)電解槽磁場主要受到兩廠房連接母線的影響，通過端頭母線繞行的方式，對電解槽磁場進行反向補償，抵消兩廠房連接母線所產生的的磁場；中間過道電解槽主要受到臨時短路母線的影響，由于其為臨時使用，在后續系列投產后，臨時母線將退出生產，因此通過模擬計算設計要求電解生產時，靠近臨時母線的兩臺電解槽不啟動即可。

3.3 短路口的安全設計

電解槽短路口絕緣在電解生產中非常重要，關系到電解生產是否能順利進行，在電解生產過程中短路口絕緣板和絕緣套管長期處于高溫狀態，若保護不好，會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，強大電流和高電壓很容易擊穿絕緣板或絕緣套管而發生大火，甚至發生爆炸事故，造成系列停電的嚴重后果。近年來貴陽院不斷的總結經驗，對電解槽的立柱口及中間過道處的連接母線等絕緣處做了多項優化，確保了電解槽的安全正常生產。

立柱處短路口采用了三重絕緣設計，分別為：絕緣套管、復合絕緣螺柱和絕緣插板，材料均采用耐溫及絕緣等級較高的SMC新型絕緣材料，徹底避免了短路口絕緣失效的問題。同時，每組連接母線均設置兩處短路口，在其退出生產時必須拆除，確保連接母線處于斷開狀態；由于各組母線之間為同向電流，互相之間會產生吸引力，在各組母線每段母線之間設置固定夾，確保連接母線的安全。見圖6、圖7。

圖6 立柱短路口絕緣優化

圖7 連接母線優化

4 結 語

安全是企業正常生產的根本，同時也是設計必須遵循的首要原則。只有全生命周期的安全生產才能給企業帶來最大的經濟效益，該文從大型電解槽的本質安全設計入手，通過采用新型槽殼結構，解決了傳統結構出現的槽殼變形、底梁拉裂等問題，通過對電解槽的等溫線進行優化，使電解槽形成高效安全的爐膛內型，避免了電解的滲漏風險；對電解槽立柱短路口、連接母線等安全風險點的結構進行了優化設計，消除了電解槽短路口爆炸等安全隱患。通過對大型鋁電解槽的安全風險點的優化設計，為目前大型鋁電解系列追求的全生命周期的安全、穩定、高效運行提供有力保障。