電解鋁系列降低電解槽停槽短路口壓降的運用實踐

文勝毅

摘要：本研究通過對電解鋁系列電解槽停槽后短路口壓降構成的分析，找到主要原因是停槽后過電流的槽周母線路徑過長。實踐研究表明，對過長的過電流槽周母線進行臨時短接，可以降低系列停槽短路口壓降的分攤，提高經濟效益。

關鍵詞：電解槽；短路；槽周母線；短接

DOI：10.12433/zgkjtz.20233040

當前，國家對鋁電解等高耗能行業的節能要求越來越嚴格。企業為了在減少虧損面的前提下保持整個電解鋁生產線的經濟運行顯得尤為重要，而停掉槽齡老化、生產運行狀況不好的電解槽是大多數企業的選擇，而穿插停槽導致不易采取保留距離供電整流較近的電解工段進行生產，造成停槽短路口壓降分攤大幅增加，進而導致噸鋁綜合電耗上升。針對此種情況，企業對停槽短路口壓降進行構成分析，并通過采取縮短停槽后槽周母線通過電流路徑實現了停槽短路口壓降的大幅降低，實現了彈性減產而不至于大幅增加無功電耗及噸鋁電耗的生產運行目標。

一、電流走向及停槽電壓降

（一）正常生產狀態

在鋁電解過程中，將上百個電解槽以串聯的形式相連，在每個電解槽中，將各電解槽的電流流向的上游稱為進電側，將各電解槽的電流流向的下游稱為出電側。理論上，兩個鋁電解槽同點的電勢相差為其槽壓，而通常的槽壓檢測位置都是選擇在煙道端槽周母線主路上。

（二）短路停槽

鋁電解槽的停槽是由預設停槽短路母線與立柱母線短接方式完成的。在鋁電解槽內，立柱母線接頭在正常運行時是分開的，匯集在立柱母線上的電流被引導到陽極母線上，再被引導到反應區中。立柱母線接頭短接后，利用短路母線短接將電流導通到停槽母線然后匯流到出電側進入下一臺正常生產電解槽的陽極。當陽極母線、陽極、反應區和陰極同時發生短路時，鋁電解槽會停槽。

二、停槽電壓降的影響因素

（一）母線配置

母線體系的布置狀況，主要涉及鋁母線的布置、截面、長度等方面，這些都是最直觀地反映出其設計水準的指標。在電解系列焙燒（焦粒焙燒方式）期間，是對停槽電壓降進行觀察的最好時間。在該過程中，除焙燒槽外系列其余鋁電解槽都處于通電停槽狀態，根據槽控機顯示的槽電壓，可以將其視為其停槽電壓降。

（二）建設質量

建設質量主要是指鋁母線材料（如純凈度、成分等）、澆注質量（如內部構造、裂紋，氣孔等、夾渣和晶粒粒度），加工質量以及焊接和壓接質量等，這些都會對母線系統的實際電阻產生很大的影響。

立柱母線短接頭的壓接質量非常關鍵，通常新建系列可以將短接頭壓接壓降控制在5 mV左右。但隨電解槽長期運轉，在進入大修停槽階段后，電解槽壓接面狀態有了很大改變，壓接面壓接壓降下降顯著高于新建時期，有的短路口壓接面壓降升高超過20mV。

所以加強對短節接頭壓接表面的養護非常必要。從整體來看，母線布置與施工品質均屬可控長期影響因子。若能在設計與施工過程中對其進行嚴格的質量管理，則能取得良好效果，且長期效益顯著。

（三）溫度

鋁母線的電阻率受溫度的影響較大，根據純鋁的電阻率計算公式，其在20℃下電阻率為2.65×10-6Ω·cm，在40℃下電阻率為2.90×10-6Ω·cm ，在80℃下電阻率為3.55×10-6Ω·cm ，在100℃時的電阻率為4.00×10-6Ω·cm，100℃時的電阻率是20℃時的1.51倍。

一方面，鋁母線本身產生的熱量（在正常的生產過程中，也會受到鋁電解槽的熱輻射）會導致其表面的溫度上升，這主要與周圍其他電解槽散熱量和所在位置的通風條件有關。另一方面，自身導通電流產生的熱量使其溫度較高，一般在60℃附近。鋁母線中的溫度對其電阻率的作用仍然存在惡性循環的問題。當溫度變得更高時，電阻率就會更高，而電阻率更高，又會使得溫度更高。與此同時，建造品質越低，鋁母線電阻率與溫度升高的惡性循環就越明顯。短節的壓接界面壓緊狀態、壓接電阻及壓接界面的溫度等也有類似的現象，而異常狀況嚴重時可能會引起爆炸事故。另外，不同的時間、不同的季節、不同的天氣狀況、不同的作業方式，都會對鋁母線的溫度有影響。

（四）陰極組因素

在停槽過程中，經常被忽略的陰極組件的組合方式及質量對停槽電壓損失有一定影響。陰極炭塊、鋼棒、陰極組裝方式（糊料扎固或鐵水澆注）是影響陰極組件電阻率的重要因素。停槽后的短接母線均為鋁質母線，電阻率遠小于陰極組件電阻率，在停槽短接母線與陰極組件以并列方式分別導通停槽電流時，由于陰極組件電阻較大，所過電流可以忽略不計。

三、可行性分析

某企業240KA母線結構構成如圖1所示。該電解槽為大面四端進電，為左右對稱結構，總共有陰極炭塊18塊，陰極鋼棒頭共A、B面各18組，共36組，分別按A1、A2…A18，B1、B2…B18表示標示。立柱母線四根，按第一根、第二根、第三根和第四根標示。槽底穿槽母線左右對稱各2根，共4根，彎折穿槽平衡母線各1根，共2根。

（一）電解槽正常運行時候電流路徑走勢

電解槽正常生產時A1－A7接第一根立柱短路塊經出鋁端槽周母線、A8出來經過彎折穿槽母線至出鋁端槽周母線與B1接到下臺槽第一根立柱。A9經平行母線至第二根立柱母線左側短路塊和第1根直穿槽母線同時連接與第二根立柱右側短路塊接第二根穿槽母線同時連接至B2－B9匯合形成的B面槽周母線連下一臺槽第二根立柱。另外，第三、第四根與第二、第一根一致。

（二）停槽狀態下槽周母線及穿槽母線的帶電情況

停槽狀態下第4組、第15組下的穿槽彎折槽周母線無電流。通過圖1、圖2可以看出，槽周母線距離立柱母線路徑較長，且短路口停槽軟母線高度較高，可以從降低這部分電流路徑著手，短接上一臺電解槽槽周母線與停槽槽周母線，可以大幅縮短電解槽停槽后的電流運行路徑，從而降低停槽電阻，最終實現降低停槽壓降的目的。

四、使用短接母線后電阻對比

短接位置如圖3所示。

（一）未使用短接母線

第一根立柱：

電流從立柱母線根部上經過短路口軟連接母線繞槽周母線到下一臺電解槽第一根立柱母線。

長度L1=2×1300+2×1870+6200=12540（mm）

槽周母線截面積S1=220×550（mm2）

電阻R1=ρ·L1/S1=2.9×10-6（Ω）

（鋁母線電阻率ρ取2.8×10-8 Ω·m ，下同）

第二根立柱：

電流從立柱母線根部上經過短路口軟連接母線經過穿槽母線1和穿槽母線2到下一臺電解槽第2根立柱母線。

長度L2 =2×1300+6200=8800（mm）

母線截面積S2-1與S2-2并列：S2-1=寬×高=220×

300（mm2）；S2-2=寬×高=220×90（mm2）

電阻R2=ρ·L2/（S2-1+S2-2）=2.9×10-6（Ω）

第一、二根立柱電阻基本一致，因為第三根立柱與第二根一致，第四根立柱與第一根基本一致，所以未使用短接母線時的停槽母線電阻R總-1為2.9×10-3Ω的四分之一，即R總-1=7.13×10-7Ω

（二）使用短接母線

第一根立柱：

電流從短接母線直接連接母線繞槽周母線到下一臺電解槽第1根立柱母線。

長度L1x=1870+6200=8070（mm）

槽周母線截面積S1x=220×550（mm2）

電阻R1x=ρ·L1/S1=1.9×10-6（Ω）

第二根立柱：

電流從短接母線經過穿槽母線1和穿槽母線2到下一臺電解槽第2根立柱母線。

長度L2x =6200 （mm）

母線截面積S2-1與S2-2并列：S2-1x=寬×高=220×

300（mm2）；S2-2x=寬×高=220×90（mm2）

電阻R2x=ρ·L2x/（S2-1x+S2-2x）=2.0×10-6（Ω）

第一、四根立柱電阻基本一致， 第二、三根立柱電阻基本一致由并列電阻公式可得：

R總-2= R1x·R2x/[2·（ R1x+R2x）]=4.87×10-7Ω

（三）停槽短路口壓降

鋁電解生產過程運行電流是個定值，當電阻減小后，短路口壓降會相應降低。短路口壓降低數值ΔV可以由以下公式計算：

ΔV=I·（R總-1- R總-2）

當電流按240kA運行時，可以算出能降低54.2mV的短路口壓降，通過實踐能夠實現70mV左右的降低，原因是減少了鋁鋁接觸壓降的次數和避開了多處焊接連接點實現了壓接壓降和焊接壓降的多處降低。

五、使用短接母線降低短路口壓降的效果

該電解鋁企業當前240kA系列生產槽數178臺，停槽38臺，降低短路口降低的電耗可以用以下公式計算出：

總降電耗=停槽數量×單槽降低電壓×運行電流×停槽累計小時

通過使用該短接方式可以實現年度節約用電559.2萬度，按照當前運行電價0.58元/度計，年度可降低電費支出324.4萬元。

而需要投入資金很小，在鑄造車間用自產鋁液鑄造相應尺寸短接母線塊安裝澆注到電解槽上即可，且該短接母線可以循環使用。

六、結語

綜上所述，本研究通過對電解槽母線配置分析，找到了一條簡單可行的降低電解槽短路口壓降的辦法。實踐表明，該辦法可以復制，值得推廣，是行業發展和降低行業能耗的一條新思路。

參考文獻：

[1]付斌.一種降低電解槽停槽短路口壓降的節能裝置：CN201920524845.9[P].CN209989479U[2023-06-22].

[2]康聰波，李學文，黃河，等.降低鋁電解槽停槽電壓的生產實踐[J].云南冶金， 2021， 50（06）：6.

[3]譚占平，秦幸旺，戴連松，等.降低電解槽停槽電壓連接裝置的試驗及結論[J].中國金屬通報， 2019（03）：263-264.

[4]孫興，孫運仲，王佳，等.鋁電解漏槽沖斷母線熔接恢復技術的探索及應用[J].云南冶金， 2021（03）：153-157 .

[5]佘凱莉，楊紅存.鋁電解漏槽安全預警系統應用探究[J].工程與管理科學， 2022， 4（02）：16-18.