邊韓國

(云南鋁業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650502)

近二十年我國電解鋁工業(yè)發(fā)展突飛猛進，但配套設施、裝備，以及生產(chǎn)管理水平發(fā)展相對滯后，特別是對鋁電解槽導電系統(tǒng)的重視和管理力度不夠，導致系列安全事故時有發(fā)生，造成嚴重損失，已逐漸引起行業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注[1-3]。

筆者結(jié)合多年生產(chǎn)實踐尤其是停、開槽管理[4]經(jīng)驗，從工藝角度看設備，通過深入研究鋁電解槽導電系統(tǒng)，在應急短路裝置和母線修復方面進行積極探索和實踐，提出系列安全事故預防及處理的有益建議，以期為同行企業(yè)提供借鑒。

1 鋁電解槽導電系統(tǒng)

1.1 鋁電解槽導電結(jié)構(gòu)

鋁電解槽的導電線路較復雜，并與所用技術(shù)及槽型等相關(guān)，一般分為連接母線、陽極導電部分、陰極導電部分和短路口等。

連接母線是連接電解車間與供電車間，以及電解車間各分區(qū)之間的導電母線，其獨立于電解槽存在，不具體劃歸某臺電解槽。連接母線是形成導電回路必不可少的部分，在滿足安全供電的前提下，其截面和長度尺寸決定著系列黑電壓的高低。

陽極導電部分包括陽極軟帶、陽極母線(水平母線)、陽極炭塊組和電解質(zhì)，其作用是將電流從母線系統(tǒng)傳導至陰極，形成電流回路，驅(qū)動電化學反應。

陰極導電部分包括鋁液、陰極炭塊、陰極鋼棒、陰極母線和立柱母線，其作用是將電流傳導至下一臺電解槽，形成電流回路。

短路口是為電解槽停、開槽作業(yè)而設的特殊裝置，電解槽運行時短路口處于斷開狀態(tài)、不參與導電，當閉合短路口時即可將電解槽(主要是上述陽極導電部分)短路，實現(xiàn)停槽。目前國內(nèi)主流的短路口設計形式如圖1所示，其附設于立柱母線上，一般由鋁母線、絕緣護板、絕緣套管、螺栓及墊片等組成。

圖1 立柱母線短路口結(jié)構(gòu)圖

1.2 生產(chǎn)狀態(tài)導電路徑

鋁電解槽處于生產(chǎn)狀態(tài)時，其短路口斷開，電流依次通過該臺電解槽的陽極導電部分和陰極導電部分，進而流向下一臺電解槽，如圖2所示。

圖2 電解槽生產(chǎn)狀態(tài)導電路徑

1.3 停槽狀態(tài)導電路徑

鋁電解槽處于停槽狀態(tài)時，其短路口閉合，電流直接繞過該臺電解槽，通過短路口流向下一臺電解槽，如圖3所示。

圖3 電解槽停槽狀態(tài)導電路徑

1.4 停槽狀態(tài)特殊導電路徑

筆者在長期生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，除了上述停槽狀態(tài)導電路徑外，鋁電解槽在停槽期間的某些時段還存在并聯(lián)的特殊導電路徑。

電解槽停槽后但未刨爐時，以及大修(筑爐)完成后，電流可以通過陰極導電部分形成一個通路，與正常導電路徑并聯(lián)，如圖4所示。王旋等也曾揭示該路徑的存在[5]，并將其統(tǒng)稱為“鋼棒間連接(Hn)”。

圖4 停槽狀態(tài)特殊導電路徑1

電解槽大修完成并裝爐后，陽極導電部分也會形成臨時性并聯(lián)通路，如圖5所示。

圖5 停槽狀態(tài)特殊導電路徑2

通常情況下，上述兩種特殊導電路徑(尤其是第2種)的電阻遠遠大于正常導電路徑，故而通過的電流極小，因此在生產(chǎn)過程中往往被忽略。然而在某些特殊情況下，正常路徑和特殊路徑的電阻比例發(fā)生相對變化，如短路口壓接面接觸不良、電阻增大時，電流分布會發(fā)生一定程度的改變，可能引發(fā)事故。因此，對停槽狀態(tài)特殊導電路徑應給予相應的重視。

2 裝置的目的和原理

當電解槽出現(xiàn)漏爐沖斷母線以及發(fā)生短路口爆炸等事故時，事故槽導電系統(tǒng)不再具備通電條件，從而造成電解系列供電中斷，鋁電解生產(chǎn)將全面癱瘓。為了在較短時間內(nèi)快速恢復系列供電，就必須使用應急短路裝置將事故槽短接，此時電流通過應急短路裝置直接繞過事故槽，以保全電解系列。

電解槽應急短路裝置的原理較為簡單，就是在事故時給事故槽增加一條臨時性的并聯(lián)導電路徑，將事故槽上游電解槽與下游電解槽直接導通，從而保證系列電流回路不形成開路。

3 裝置的種類和選擇使用

電解槽導電系統(tǒng)一般比較復雜(尤其是大型電解槽)，同時電解槽可能發(fā)生的事故類型也多種多樣，因此應急短路裝置的設計形式和選擇較為繁雜。王旋等從理論角度設計了六種應急短路裝置，并介紹了九種事故類型情況下應急短路裝置的使用和聯(lián)用情況[2]。張波等[1]和曹國強[3]也就應急短路裝置的選擇和使用提了有益見解。筆者結(jié)合長期生產(chǎn)管理實踐經(jīng)驗和深入思考，從生產(chǎn)者角度考慮，將應急短路裝置劃分為四種主要的安裝形式。

3.1 陽極母線-立柱母線型

系列停電狀態(tài)下，陽極母線-立柱母線型應急短路裝置的一端安裝在事故槽出電側(cè)兩組陽極導桿之間的陽極母線位置，另一端安裝在下游槽立柱母線上，裝置兩端壓接鋁塊用卡具緊固，如圖6所示。當系列電流恢復供電后，電流流經(jīng)應急短路裝置，事故槽被短接于系列電流回路外。隨后可對沖斷母線進行修復，沖斷母線修復后，在事故槽(已修復)立柱母線短路口閉合狀態(tài)下拆卸應急短路裝置。

圖6 陽極母線-立柱母線型

3.2 陽極母線-陽極母線型

陽極母線-陽極母線型應急短路裝置的一端安裝在事故槽出電側(cè)兩組陽極導桿之間的陽極母線位置，另一端安裝在下游槽進電側(cè)兩組陽極導桿之間的陽極母線位置，裝置兩端壓接鋁塊用卡具緊固，如圖7所示，其安裝、拆卸及母線修復流程同上。

圖7 陽極母線-陽極母線型

3.3 小盒卡具位-立柱母線型

小盒卡具位-立柱母線型應急短路裝置的一端安裝在事故槽出電側(cè)小盒卡具位置陽極母線上，另一端安裝在下游槽立柱母線上，裝置兩端壓接鋁塊用卡具緊固，如圖8所示，其安裝、拆卸及母線修復流程同上。

圖8 小盒卡具位-立柱母線型

3.4 陰極母線-陰極母線型

陰極母線-陰極母線型應急短路裝置的一端安裝在事故槽出電側(cè)陰極母線上，另一端安裝在下游槽進電側(cè)陰極母線上，裝置可采用壓接或焊接形式，如圖8所示，其安裝、拆卸及母線修復流程同上。

圖9 陰極母線-陰極母線型

3.5 裝置的比較

以上四種應急短路裝置中，前三種主要解決兩方面問題：一是因漏爐沖斷任何一處主回路母線造成系列停電時，進行系列應急供電及修復沖斷母線；二是鋁電解槽短路口發(fā)生爆炸后但立柱母線仍可導電時，進行系列應急供電。當短路口發(fā)生爆炸后、短路口破損嚴重且立柱母線無法導電時，可在事故槽上、下游分別安裝上述任意一種裝置即可進行系列應急供電及修復短路口。這三種應急短路裝置使用時電流都從事故槽陽極母線上通過，其共同優(yōu)點是：在電解槽上方使用、操作空間大、便于安裝，可借助車間吊運設備、安裝迅速；其缺點是：使用導電材料多、投資大、存放和取用不方便，不能進行端頭槽應急處理，安裝使用期間影響上下游電解槽的正常生產(chǎn)操作。

第四種(陰極母線-陰極母線型)應急短路裝置主要解決的問題是鋁電解槽短路口發(fā)生爆炸后、短路口破損嚴重且立柱母線無法導電時，進行系列應急供電及修復短路口。裝置使用時，電流從事故槽陰極母線上通過，其優(yōu)點是：使用導電材料少、投資小、存放和取用方便，安裝使用期間不影響上下游電解槽的正常生產(chǎn)操作；其缺點是：在電解槽風格板下方使用、空間狹小、不便于安裝，只能靠人力操作、安裝時間長，在進行槽下有高溫液體存在的電解槽應急操作時有一定的安全隱患。

3.6 裝置的使用

現(xiàn)實操作中應急短路裝置的使用必須根據(jù)事故槽和短路口的受損情況來確定。

對于具備通電條件或稍加處理即可通電的事故槽，應以恢復系列供電為主要工作方向，短路口和母線修復工作可待電解系列恢復正常運行后再按計劃進行。

對于不具備通電條件的事故槽，應視短路口和母線損壞情況分別處理(過程中事故槽退出運行)：兩個及以下短路口無法閉合時，不需安裝應急短路裝置，直接閉合其余短路口進行送電運行，待電解系列恢復正常運行后再按計劃進行相應的修復工作。三個及以上短路口無法閉合時，也應先將未損壞的短路口閉合，再根據(jù)實際情況確定應急短路裝置使用的數(shù)量。只有當全部短路口都無法閉合時，才考慮使用全套應急短路裝置。

4 母線修復方法

電解槽出現(xiàn)漏爐沖斷母線以及發(fā)生短路口爆炸等事故造成系列供電中斷時，一般有陰極軟帶沖斷、陰極母線損壞和短路口損壞三種情況。陰極軟帶沖斷數(shù)量較少時，建議不做修復處理，待電解槽停槽大修時再進行修復。本文重點介紹陰極母線修復和短路口修復的一般方法。

4.1 陰極母線修復

陰極母線損壞時，焊接修復由于受現(xiàn)場磁場影響而不能直接進行，必須在系列停電狀態(tài)下開展，損壞面較大時停電修復時間也較長，因此也將對整個系列生產(chǎn)造成較大影響。目前陰極母線修復方法有鋁液澆鑄修復、全電流降磁焊接[6]和自蔓延鋁焊劑焊接[7]等。后兩種方法需要專業(yè)的技術(shù)支持和專用的設備及材料，因此相對復雜。鋁液澆鑄修復原理簡單，操作相對簡便，但其成功率對操作人員的經(jīng)驗有較大依賴。筆者曾在某300 kA電解槽上多次成功實施了鋁液澆鑄修復，修復前、后的情況如圖10所示。

圖10 母線損壞(左)及修復后(右)案例圖

4.2 短路口修復

短路口修復一般可采用上述第四種(陰極母線-陰極母線型)應急短路裝置。筆者曾采用的修復方案如下：

(1)恢復系列供電：首先清理噴濺到陰極母線和立柱母線周圍的電解質(zhì)及鋁液，用絕緣板將損壞的立柱母線短路口徹底隔離，閉合全部未損壞的短路口；然后根據(jù)電流走向安裝應急短路裝置，恢復系列供電。

(2)焊接準備：清理損壞的短路口及軟帶，同時制作準備好新短路口；制做專門的磁屏蔽裝置并安裝(夾)在立柱母線上，以部分消除磁場對焊接的影響。

(3)補焊及焊后處理：用直流亞弧電焊機補焊立柱母線損壞處；焊接完畢后用小銑床銑焊接表面，用研磨板研磨銑后表面。

(4)焊短路口及拆除：焊接新短路口，并將其安裝恢復到正常槽短路狀態(tài)；拆除應急短路裝置。

5 結(jié) 語

隨著鋁電解槽日趨向大型化發(fā)展，同時單系列槽數(shù)也越來越多，電解系列的安全運行逐漸成為企業(yè)關(guān)注的重點，發(fā)生事故后快速及時處理尤為關(guān)鍵。建議各企業(yè)根據(jù)自身鋁電解槽導電系統(tǒng)配置情況并結(jié)合本文，制作、配備適合企業(yè)實際情況的應急短路裝置，制定完備的應急預案，加強管理、定期演習，同時在母線修復方面加強技術(shù)儲備和經(jīng)驗積累，做到居安思危、有備無患。