智能打殼系統在電解車間的應用

李成元，于議超，李文超，李 源，程鴻鵬

（山東南山鋁業股份有限公司，山東 龍口 265700）

1 前言

鋁及鋁合金是當今使用范圍最廣、最經濟實用的材料之一［1］。鋁在工業中的常見制備方法：以純凈的Al2O3為溶質，以冰晶石為溶劑，碳素材料生產的陽極和陰極充當正極和負極，通入強大的直流電，在電解槽中發生電化學反應，最終生成液體鋁。電解過程需要消耗大量的電能，屬于高能耗行業。隨著國家碳達峰、碳中和“3060”戰略目標的提出和逐步實施，電解鋁行業所面臨的“能耗雙控”壓力愈發增大，尤其是2021 年8 月26 日國家發展和改革委員會印發了《關于完善電解鋁行業階梯電價政策的通知》（發改價格［2021］1239 號）后，節能降碳成為當前電解鋁企業生存和發展的首要議題。電解鋁生產過程中，電解槽的電化學反應和打殼氣缸的動力消耗是電解鋁能源消耗最主要的兩大部分。電解槽電化學反應的節能主要從加強保溫、減少散熱、提高控制精度等方面做工作，目前也取得了一些成績，繼續開發的空間越來越小，難度越來越大，而打殼氣缸的節能措施往往容易被忽視。打殼氣缸系統的運行需要消耗大量的壓縮空氣，空壓機則需消耗大量的電能來制取壓縮空氣,在打殼氣缸工作周期中，不論電解質有無結殼，結殼的硬度大小，氣缸都是滿負荷工作的，而這期間存在的能量浪費是極大的。根據殼面的軟硬強度合理控打殼氣缸的壓力，從而減少壓縮空氣的消耗量，即為降低能源的消耗［2-3］。以山東某鋁廠2022年推廣應用的智能打殼系統為例，從設備的原理、結構以及功能等方面，對其整體性能和節能效果等方面進行闡述。

2 智能打殼系統基本情況

電解槽內發生電化學反應生成鋁的過程中，電解質需要溶解大量的氧化鋁，而熔融的電解質液體表面因與空氣相遇而凝固形成的結殼層厚度不是固定值。為了保證電解槽的穩定高效運轉，氧化鋁的投入應更加均勻穩定，盡量減少波動。根據槽型不同設有4～8個下料點，每個下料點配備1套打殼下料系統，每次下料前打殼系統會將結殼打通，從而保證氧化鋁能夠有效地進入到電解質中。結殼時薄時厚，但大部分的結殼層比較薄，容易打破，僅需要打殼氣缸輸出較小的力即可；只有很少一部分結殼層需要比較大的輸出力進行錘擊，才能將其打破。傳統的打殼系統始終滿負荷運轉，用氣量相對較大，造成能源的浪費。新型智能打殼系統能夠適應不同結殼層的厚度，針對不同厚度的結殼層，輸出不同大小的力，做到既不浪費能量，又能將結殼層打破，有效節約用氣量，給企業帶來直接經濟效益。

2.1 智能打殼系統工作環境

電解車間工作環境相對復雜，智能打殼系統所在的工作環境正處于電解槽的上方，煙氣、高溫、粉塵、磁場干擾很大，對智能打殼系統的要求更加嚴格。

電解車間環境比較復雜，極端情況下溫度波動范圍可達到零下20.9 ℃到零上40.9 ℃，而智能打殼系統的工作環境溫度最高時可達到200 ℃，且環境中磁場強度達到了520 Gs。在工作中不論是電解槽正常下料，還是換極操作，或者氟鹽添加等操作都會有部分粉塵飛揚，這就導致工作環境中粉塵相對較大。為了保證電解槽的穩定生產，智能打殼系統必須能夠在高溫、多塵、強磁場的條件下穩定運行，這對智能打殼系統的材質以及密封情況提出了更高的要求。

2.2 智能打殼系統的組成

智能打殼系統主要有兩部分組成，一部分是電磁控制系統，另一部分是打殼氣缸。

電磁控制系統主要有打殼電磁閥、換向閥及上下位檢測器件組成，具備上下機械限位控制功能和上下限位壓力監測信號輸出功能，主要負責監測打殼氣缸是否達到限位，從而判斷電解質殼面是否被擊穿，是整個打殼系統的“大腦”。

打殼氣缸主要由缸筒、缸蓋、氣孔閥、活塞桿、擺軸、拉桿、密封件等組成，當打殼氣缸接收到信號后會進行打殼作業，是整個系統的“操作手”。

2.3 智能打殼系統各組件技術要求

由于打殼氣缸所處的共做環境比較特殊，所以智能打殼系統中各組件的材質以及參數都有具體要求，具體情況見表1。

表1 打殼氣缸各部件材質及參數要求

整個氣缸材質以硬鋁合金為主，該材質能夠很好地規避電磁干擾，保證整個系統的正常運轉。由于該系統設備相對比較精密，對壓縮空氣中的雜質要求偏高，每套系統配備1套氣動兩聯件，兩聯件的主要作用是在生產過程中能夠有效過濾掉壓縮空氣中的雜質。整個智能打殼系統正常工作所需要的壓力為0.4～0.8 MPa，完成整個打殼行程需要3 s。

2.4 智能打殼系統工作原理

智能打殼系統節氣的主要原理在于，打殼氣缸可根據電解質不同的結殼硬度給出相應的壓力，避免始終滿負荷造成能量的浪費。

首先，當槽控機輸出220VAC 電壓信號，控制氣控箱的電磁閥會輸出氣壓信號控制打殼，活塞桿開始伸出，此時主要能量來源是錘頭自身重力，當錘頭抵達結殼層，若結殼層被打破，至滿形成后可立即返回，實現打通殼面后自動收回，氣缸縮回后可斷氣自鎖防止打擊錘頭的下落，完成整個打殼行程，若結殼層未被打破，將切換到強力模式，自動增加壓力。若結殼層打破將完成整個打殼行程，若仍然沒有打破，系統會持續加壓，直到殼面被打通。當系統壓力達到管路最大壓力后，殼面仍未打破，且整個打殼行程達到3 s 后，為了節省壓力，活塞桿會收回，并發出警報，此時需要人工輔助進行處理。

智能打殼系統運行流程，具體情況見圖1。

圖1 智能打殼系統工作流程

3 智能打殼系統節能情況檢驗

3.1 智能打殼系統節氣情況

為了檢驗智能打殼系統在實際生產過程中的節氣效果和穩定性是否可靠，制定了對比試驗方案。為了保證試驗的均勻性，在4個電解車間都進行了試驗，且每個車間隨機選取5臺電解槽使用原打殼系統，隨機選取5 臺電解槽使用智能打殼系統，試驗周期定為10 d，并在每臺電解槽上安裝空氣流量計，負責記錄該槽壓縮空氣的用量。具體情況見表2。

表2 智能打殼系統與原系統用氣情況對比

從表2 可以看出，4 個電解車間在為期10 d 的試驗中，原打殼系統的空氣用量都遠遠大于智能打殼系統的空氣用量，通過節氣效率的公式計算可以得出，4 個電解車間的節氣效率最高的可以達到72.56%，最低的也有51.29%，全都在50%以上，節氣效果比較明顯。

3.2 電量統計

將車間打殼系統全部更換完成后，對空壓機用電量進行統計，并與歷年數據進行對比。從12 月份同比數據可以看出，2022 年12 月用電量比2019年12 月節約用電量約948 815 kw·h，電價按照0.6元計算，12月份節省電費約56萬元，以此推算全年節省電費約659.4 萬元。同時由于用氣量降低，可減少1 臺250 m3/min 的離心空壓機運行，每年可以節省離心空壓機維護費用約40萬元。

4 結語

對電解車間智能打殼系統的結構、工作原理進行了詳細介紹，并在4個電解車間隨機抽取多臺電解槽進行對比試驗。通過試驗數據可以看出，智能打殼系統在電解鋁車間能夠有效地節約用氣量，整體節氣率在50%以上，且能滿足在高溫、強磁、多粉塵的環境下連續工作的條件。通過對空壓機用電量的對比可以看出，智能打殼系統可有效降低生產成本，增加了企業的競爭力，該系統在電解車間得到了很好的應用。