鋁電解多功能機組新標準修訂中關(guān)鍵問題研究

陶 力

（貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽 550081）

鋁電解多功能機組作為鋁電解生產(chǎn)的最關(guān)鍵和最核心的裝備，是鋁電解車間的專用設(shè)備，直接為電解鋁生產(chǎn)服務(wù)。該機組承擔(dān)了鋁電解生產(chǎn)的絕大部分工作，其主要功能是出鋁、換極（扭拔、打殼、撈渣及下料）、抬陽極大母線等[1]。隨著近年來電解工藝技術(shù)的不斷創(chuàng)新，電解設(shè)備朝大型化發(fā)展，電解槽的外形尺寸和系列電流強度隨之不斷加大，為了與之相適應(yīng)，電解多功能機組也在經(jīng)歷了不斷地改進和創(chuàng)新。

鑒于鋁電解多功能機組近些年來的技術(shù)發(fā)展與變化，以及起重機械行業(yè)如《通用橋式起重機》（GB/T 14405）、《冶金起重機技術(shù)條件 第1 部分：通用條件》（JB/T7688.1）、《冶金起重機技術(shù)條件 第 5 部分：鑄造起重機》（JB/T 7688.5） 及 《絕緣橋式起重機》（JB/T 8907）相關(guān)標準的修訂，根據(jù)《工業(yè)和信息化部辦公廳關(guān)于印發(fā)2017年第一批行業(yè)標準制修訂計劃的通知》（工信廳科[2017]40 號）要求，全國有色金屬標準化技術(shù)委員會組織貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司、中國有色（沈陽）冶金機械有限公司等多家單位，從鋁電解多功能機組設(shè)計研發(fā)、 生產(chǎn)制造、 檢驗試驗、 包裝運輸及安裝調(diào)試等多個方面進行新版標準的修訂。在標準征求意見過程中，參與各方針對鋁電解多功能機組關(guān)于結(jié)構(gòu)型式、工作環(huán)境條件、生產(chǎn)安全等幾個關(guān)鍵問題進行了研討。

1 機組的結(jié)構(gòu)型式

傳統(tǒng)的機組結(jié)構(gòu)采用雙主梁結(jié)構(gòu)型式，工具小車放置在兩根主梁之間，集成了打殼機構(gòu)、扭拔機構(gòu)、清渣裝置及下料裝置4 個用于更換陽極的核心組件及工具回轉(zhuǎn)機構(gòu)、駕駛室等輔助裝置。出鋁小車邊掛在1 根主梁的側(cè)邊，另1 根主梁側(cè)邊上則放置輔助提升機構(gòu)（2 個用于提升陽極框架的電動葫蘆）；同時為了方便2 個機組聯(lián)動，在鋁電解廠房內(nèi)會進行I 型、II 型機組交替配置。

隨著生產(chǎn)工藝及裝備技術(shù)的發(fā)展進步，500 kA及以上的大電流鋁電解系列陸續(xù)投產(chǎn)運營，原傳統(tǒng)的雙梁結(jié)構(gòu)機組型式已不能滿足生產(chǎn)需要。原機組采用的出鋁吊線盒、出鋁小車上下軌道的配置已基本在市場上被淘汰。為了生產(chǎn)安全及操作便利性，近幾年來在大電流鋁電解系列上已經(jīng)實現(xiàn)了全遙控操作，精準出鋁控制、絕緣在線監(jiān)測、陽極自動測高等子系統(tǒng)技術(shù)也漸漸成熟。鋁電解多功能機組雙主梁結(jié)構(gòu)也發(fā)展為三主梁結(jié)構(gòu)，出鋁小車由原來的單端梁邊掛型式發(fā)展到雙端梁橋架式（圖1 所示），或采用出鋁提升機構(gòu)集成在工具小車內(nèi)的結(jié)構(gòu)型式（圖2 所示），以滿足容量日益增大的出鋁抬包配置，適應(yīng)大電流電解槽的生產(chǎn)需求。

圖1 三梁車結(jié)構(gòu)

圖2 雙梁車結(jié)構(gòu)（出鋁機構(gòu)與工具小車集成）

除以上常規(guī)配置外，鋁電解多功能機組還有配置氟化鹽加料小車的結(jié)構(gòu)型式，以及出鋁小車配置硬鉤或軟鉤的型式、輔助提升機構(gòu)采用固定葫蘆或移動葫蘆的結(jié)構(gòu)型式，或者采用雙出鋁車的結(jié)構(gòu)型式等。

2 機組的工作環(huán)境

電解鋁生產(chǎn)工藝主要采用熔鹽電解法。受制于目前的技術(shù)條件，鋁電解多功能機組在設(shè)計制造過程中必須考慮車間磁場、環(huán)境溫度等對機組的影響。在新版標準修訂過程中，必須結(jié)合生產(chǎn)實際約定機組的相關(guān)工作環(huán)境條件。

在鋁電解生產(chǎn)過程中，由于電磁感應(yīng)在電解車間內(nèi)產(chǎn)生了強大的磁場，鋁電解多功能機組也無疑會受到電解車間強磁環(huán)境的影響，特別是機組的控制系統(tǒng)受到的影響更大[2]。如不采取措施或采取措施不當(dāng)會出現(xiàn)機組啟動困難、PLC 通信異常、接觸器釋放故障、 電氣元件使用壽命縮短和可靠性降低等情況。單根母線周圍產(chǎn)生的磁場根據(jù)畢奧—薩伐爾定律（式 1）可知。

由于母線上的大電流存在，所以在母線周圍會產(chǎn)生磁場，且離母線越近磁場強度越大。在電流集中的區(qū)域，如系列端頭母線處的磁場最強。而主控制柜，一般放置在主梁上方，是鋁電解多功能機組受磁場影響的主要部分，為了在修訂新版標準修訂中更準確地約定車間內(nèi)的磁場環(huán)境條件，對鋁電解車間操作面及機組大車軌道標高處進行了現(xiàn)場磁場檢測。所得電解車間磁場分布曲線見圖3。

圖3 電解車間磁場分布曲線

從圖3 的電解車間測試數(shù)據(jù)可以看出，出鋁端距離電解槽母線相對較遠，其磁場強度也較低。機組大車軌道處遠離電解槽母線，其磁場強度也顯著降低。經(jīng)專家討論后認為過大的提高電解車間的磁場強度，不利于機組相關(guān)電氣元件及傳感器的選型，也將增加鋁電解多功能機組的制造成本，車間區(qū)域某幾個位置點的磁場強度過大不宜作為機組設(shè)計的參考?？紤]到電解車間現(xiàn)場實際，新版標準修訂把車間磁場條件約定為 “鋁電解槽附近最大磁場強度為0.03 T，機組大車軌道處最大磁場強度為0.015 T”，同時推薦機組在設(shè)計時對電氣系統(tǒng)采取防磁措施。

鋁電解車間的溫度是另一個環(huán)境制約因素。電解槽是廠房的主要熱源，鋁電解生產(chǎn)輸入的電能約50%以熱能的形式散發(fā)到廠房的空氣中[3]。鋁電解槽在單位時間內(nèi)的熱損失可以依據(jù)式2 定義。

式中：Q1為電解槽單位時間內(nèi)的總散熱量，kW；I 為電解槽的電流強度，kA；E 為電解槽的電壓降，包含母線的電壓降，V。

電解槽周圍的熱氣流在浮升力及廠房頂部通風(fēng)器負壓作用下向廠房頂部流動。在上升過程中，熱氣流不斷吸卷周圍空氣，帶動周圍空氣也向廠房頂部流動，由此在廠房內(nèi)部形成壓差，從而不斷抽吸室外新鮮空氣進入廠房內(nèi)。通過CFD 計算模擬，電解廠房夏、冬兩季氣流流動速度矢量圖如圖4 所示；同時結(jié)合現(xiàn)場實測，鋁電解車間的夏、冬兩季的溫度分布曲線如圖5 所示。

圖4 電解廠房夏、冬兩季氣流流動速度矢量圖

圖5 夏、冬季電解廠房內(nèi)溫度分布曲線

圖5 中，鋁電解車間的夏季最高溫度57 ℃，冬季最低接近0 ℃。在我國北方地區(qū)冬季，電解車間溫度可低至-10 ℃。故新標準約定車間環(huán)境溫度為-10～+60 ℃，極端條件下，需對敏感部件（如空壓機）采取保溫措施。

4 機組的生產(chǎn)安全

鋁電解多功能機組在生產(chǎn)操作中需要與熔融的電解質(zhì)、鋁液等接觸，其生產(chǎn)安全不容忽視。鋁電解槽本身帶有200～600 kA 的直流電，對鋁電解多功能機組本身的絕緣也有很高的要求，在生產(chǎn)中，如不按照規(guī)定進行定期的檢驗和維護，就會發(fā)生財產(chǎn)損失和人員傷亡。在對國內(nèi)某鋁業(yè)公司2013年以來的安全事故進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，因鋁電解多功能機組引起的傷亡事故達4 起。機組在生產(chǎn)使用過程中，安全風(fēng)險最大的作業(yè)是對電解槽進行出鋁作業(yè)。出鋁過程中需要將熔融狀態(tài)的金屬進行轉(zhuǎn)運，這一過程必須符合橋式起重機及冶金起重機等相關(guān)標準，同時由于電解車間強直流電的存在，還需符合絕緣起重機的相關(guān)要求。

1）吊鉤閉鎖裝置。特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范《起重機械安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程——橋式起重機》（TSG Q0002）第40 條規(guī)定：“吊鉤應(yīng)當(dāng)設(shè)置防止吊物意外脫鉤的閉鎖裝置”，《起重機械安全規(guī)程 第一部分：總則》（GB 6067.1）中規(guī)定“當(dāng)使用條件或操作方法會導(dǎo)致重物意外脫鉤時，應(yīng)采取防脫繩帶閉鎖裝置的吊鉤”。但在鋁電解車間生產(chǎn)中，使用閉鎖裝置會造成極大的不便，人工如果爬上高位去接觸高溫抬包又會帶來新的安全隱患。結(jié)合電解出鋁的實際作業(yè)，在新修訂時沒有考慮在吊鉤處增加閉鎖裝置，但做出了限定出鋁作業(yè)時需限制大車、 出鋁小車行走速度的規(guī)定，目的在于規(guī)范作業(yè)安全制度，避免出鋁抬包發(fā)生脫鉤意外事故。

2）吊鉤材料。根據(jù)《絕緣起重機》（JB/T 8907）的要求，對出鋁吊鉤材料性能進行約定，出鋁吊鉤應(yīng)采用防磁材料，其性能不應(yīng)低于 1Cr18Ni9Ti。但1Cr18Ni9Ti 是落后的不銹鋼生產(chǎn)工藝的產(chǎn)品代表，隨著世界各國不銹鋼生產(chǎn)工藝的改進，已成為淘汰產(chǎn)品。鑒于我國國情，有些場合仍然保留，但屬于不推薦鋼種。需要用 1Cr18Ni9Ti 者，可以改為06Cr18Ni11Ti，因此出鋁吊鉤的防磁材料的力學(xué)性能不應(yīng)低于GB/T1220 中的06Cr18Ni11Ti。

3）制動器設(shè)置。TSG Q0002 第 67 條規(guī)定：“吊運熔融金屬的起升機構(gòu)，其每套驅(qū)動系統(tǒng)必須設(shè)置2套獨立的工作制動器 （又稱支持制動器）”。GB 6067.1 中規(guī)定“吊運熔融金屬的起升機構(gòu)，每套獨立驅(qū)動裝置應(yīng)裝有2 個支持制動器，在安全性要求特別高的起升機構(gòu)中，應(yīng)另外裝設(shè)安全制動器”。在出鋁提升機構(gòu)中，由于需要提升高溫鋁水，在實際機組設(shè)計中需采用雙制動器結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)不同傳動配置安裝2 個高速制動器，或者安裝1 個高速制動器與1 個安裝在卷筒端的低速制動器（圖6）。在有些電解車間，也會安裝有2 個高速制動器作為工作制動器，再在卷筒端安裝1 個低速制動器作為安全制動器（圖 7）。

結(jié)合《起重機設(shè)計規(guī)范》(GB/T 3811)及《鑄造起重機》(JB/T 7688.5)對制動器的要求，新版標準修訂為“出鋁提升機構(gòu)傳動鏈的驅(qū)動軸上應(yīng)裝設(shè)兩套能獨立工作的支持制動器，應(yīng)優(yōu)先選用符合JB/T 6406、JB/T 7019、JB/T 7020、JB/T 7685 標準的制動器或制動盤，每個制動器的安全系數(shù)≥1.25”。

圖6 兩個工作制動器的配置

圖7 兩個工作制動器+1 個安全制動器的配置

5 結(jié)語

技術(shù)專家組在鋁電解多功能機組標準修訂過程中進行了大量的數(shù)據(jù)收集及技術(shù)調(diào)研，同時兼顧了全國大部分鋁電解生產(chǎn)企業(yè)的機組使用現(xiàn)狀。在起草過程中結(jié)合國內(nèi)機組生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)水平對一些指標進行控制，參考現(xiàn)行的橋式起重機、冶金起重機及絕緣起重機標準，增加了機組的結(jié)構(gòu)型式，對機組的型號表示及分型進行了約定，對工作環(huán)境條件、機組生產(chǎn)安全做出了要求。新標準的修訂將促進企業(yè)的統(tǒng)一管理，規(guī)范招投標技術(shù)條件，方便日常維護，降低投入和維修成本，減輕勞動強度，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全水平，使設(shè)計參數(shù)和主要功能得到系列化和統(tǒng)一化，有助于機組的可持續(xù)發(fā)展，促進我國有色冶金裝備水平的提高，推動產(chǎn)業(yè)升級，增強國際品牌競爭力。