李成元，于議超，李文超，李 源，程鴻鵬

（山東南山鋁業(yè)股份有限公司，山東 龍口 265700）

1 前言

鋁及鋁合金是當(dāng)今使用范圍最廣、最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的材料之一［1］。鋁在工業(yè)中的常見(jiàn)制備方法：以純凈的Al2O3為溶質(zhì)，以冰晶石為溶劑，碳素材料生產(chǎn)的陽(yáng)極和陰極充當(dāng)正極和負(fù)極，通入強(qiáng)大的直流電，在電解槽中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，最終生成液體鋁。電解過(guò)程需要消耗大量的電能，屬于高能耗行業(yè)。隨著國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和“3060”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出和逐步實(shí)施，電解鋁行業(yè)所面臨的“能耗雙控”壓力愈發(fā)增大，尤其是2021 年8 月26 日國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)印發(fā)了《關(guān)于完善電解鋁行業(yè)階梯電價(jià)政策的通知》（發(fā)改價(jià)格［2021］1239 號(hào)）后，節(jié)能降碳成為當(dāng)前電解鋁企業(yè)生存和發(fā)展的首要議題。電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中，電解槽的電化學(xué)反應(yīng)和打殼氣缸的動(dòng)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(xué)反應(yīng)的節(jié)能主要從加強(qiáng)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(jī)，繼續(xù)開(kāi)發(fā)的空間越來(lái)越小，難度越來(lái)越大，而打殼氣缸的節(jié)能措施往往容易被忽視。打殼氣缸系統(tǒng)的運(yùn)行需要消耗大量的壓縮空氣，空壓機(jī)則需消耗大量的電能來(lái)制取壓縮空氣,在打殼氣缸工作周期中，不論電解質(zhì)有無(wú)結(jié)殼，結(jié)殼的硬度大小，氣缸都是滿負(fù)荷工作的，而這期間存在的能量浪費(fèi)是極大的。根據(jù)殼面的軟硬強(qiáng)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(yīng)用的智能打殼系統(tǒng)為例，從設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)以及功能等方面，對(duì)其整體性能和節(jié)能效果等方面進(jìn)行闡述。

2 智能打殼系統(tǒng)基本情況

電解槽內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成鋁的過(guò)程中，電解質(zhì)需要溶解大量的氧化鋁，而熔融的電解質(zhì)液體表面因與空氣相遇而凝固形成的結(jié)殼層厚度不是固定值。為了保證電解槽的穩(wěn)定高效運(yùn)轉(zhuǎn)，氧化鋁的投入應(yīng)更加均勻穩(wěn)定，盡量減少波動(dòng)。根據(jù)槽型不同設(shè)有4～8個(gè)下料點(diǎn)，每個(gè)下料點(diǎn)配備1套打殼下料系統(tǒng)，每次下料前打殼系統(tǒng)會(huì)將結(jié)殼打通，從而保證氧化鋁能夠有效地進(jìn)入到電解質(zhì)中。結(jié)殼時(shí)薄時(shí)厚，但大部分的結(jié)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(jié)殼層需要比較大的輸出力進(jìn)行錘擊，才能將其打破。傳統(tǒng)的打殼系統(tǒng)始終滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，用氣量相對(duì)較大，造成能源的浪費(fèi)。新型智能打殼系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同結(jié)殼層的厚度，針對(duì)不同厚度的結(jié)殼層，輸出不同大小的力，做到既不浪費(fèi)能量，又能將結(jié)殼層打破，有效節(jié)約用氣量，給企業(yè)帶來(lái)直接經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 智能打殼系統(tǒng)工作環(huán)境

電解車(chē)間工作環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，智能打殼系統(tǒng)所在的工作環(huán)境正處于電解槽的上方，煙氣、高溫、粉塵、磁場(chǎng)干擾很大，對(duì)智能打殼系統(tǒng)的要求更加嚴(yán)格。

電解車(chē)間環(huán)境比較復(fù)雜，極端情況下溫度波動(dòng)范圍可達(dá)到零下20.9 ℃到零上40.9 ℃，而智能打殼系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度最高時(shí)可達(dá)到200 ℃，且環(huán)境中磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)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(huì)有部分粉塵飛揚(yáng)，這就導(dǎo)致工作環(huán)境中粉塵相對(duì)較大。為了保證電解槽的穩(wěn)定生產(chǎn)，智能打殼系統(tǒng)必須能夠在高溫、多塵、強(qiáng)磁場(chǎng)的條件下穩(wěn)定運(yùn)行，這對(duì)智能打殼系統(tǒng)的材質(zhì)以及密封情況提出了更高的要求。

2.2 智能打殼系統(tǒng)的組成

智能打殼系統(tǒng)主要有兩部分組成，一部分是電磁控制系統(tǒng)，另一部分是打殼氣缸。

電磁控制系統(tǒng)主要有打殼電磁閥、換向閥及上下位檢測(cè)器件組成，具備上下機(jī)械限位控制功能和上下限位壓力監(jiān)測(cè)信號(hào)輸出功能，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)打殼氣缸是否達(dá)到限位，從而判斷電解質(zhì)殼面是否被擊穿，是整個(gè)打殼系統(tǒng)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(dāng)打殼氣缸接收到信號(hào)后會(huì)進(jìn)行打殼作業(yè)，是整個(gè)系統(tǒng)的“操作手”。

2.3 智能打殼系統(tǒng)各組件技術(shù)要求

由于打殼氣缸所處的共做環(huán)境比較特殊，所以智能打殼系統(tǒng)中各組件的材質(zhì)以及參數(shù)都有具體要求，具體情況見(jiàn)表1。

表1 打殼氣缸各部件材質(zhì)及參數(shù)要求

整個(gè)氣缸材質(zhì)以硬鋁合金為主，該材質(zhì)能夠很好地規(guī)避電磁干擾，保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于該系統(tǒng)設(shè)備相對(duì)比較精密，對(duì)壓縮空氣中的雜質(zhì)要求偏高，每套系統(tǒng)配備1套氣動(dòng)兩聯(lián)件，兩聯(lián)件的主要作用是在生產(chǎn)過(guò)程中能夠有效過(guò)濾掉壓縮空氣中的雜質(zhì)。整個(gè)智能打殼系統(tǒng)正常工作所需要的壓力為0.4～0.8 MPa，完成整個(gè)打殼行程需要3 s。

2.4 智能打殼系統(tǒng)工作原理

智能打殼系統(tǒng)節(jié)氣的主要原理在于，打殼氣缸可根據(jù)電解質(zhì)不同的結(jié)殼硬度給出相應(yīng)的壓力，避免始終滿負(fù)荷造成能量的浪費(fèi)。

首先，當(dāng)槽控機(jī)輸出220VAC 電壓信號(hào)，控制氣控箱的電磁閥會(huì)輸出氣壓信號(hào)控制打殼，活塞桿開(kāi)始伸出，此時(shí)主要能量來(lái)源是錘頭自身重力，當(dāng)錘頭抵達(dá)結(jié)殼層，若結(jié)殼層被打破，至滿形成后可立即返回，實(shí)現(xiàn)打通殼面后自動(dòng)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(gè)打殼行程，若結(jié)殼層未被打破，將切換到強(qiáng)力模式，自動(dòng)增加壓力。若結(jié)殼層打破將完成整個(gè)打殼行程，若仍然沒(méi)有打破，系統(tǒng)會(huì)持續(xù)加壓，直到殼面被打通。當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到管路最大壓力后，殼面仍未打破，且整個(gè)打殼行程達(dá)到3 s 后，為了節(jié)省壓力，活塞桿會(huì)收回，并發(fā)出警報(bào)，此時(shí)需要人工輔助進(jìn)行處理。

智能打殼系統(tǒng)運(yùn)行流程，具體情況見(jiàn)圖1。

圖1 智能打殼系統(tǒng)工作流程

3 智能打殼系統(tǒng)節(jié)能情況檢驗(yàn)

3.1 智能打殼系統(tǒng)節(jié)氣情況

為了檢驗(yàn)智能打殼系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的節(jié)氣效果和穩(wěn)定性是否可靠，制定了對(duì)比試驗(yàn)方案。為了保證試驗(yàn)的均勻性，在4個(gè)電解車(chē)間都進(jìn)行了試驗(yàn)，且每個(gè)車(chē)間隨機(jī)選取5臺(tái)電解槽使用原打殼系統(tǒng)，隨機(jī)選取5 臺(tái)電解槽使用智能打殼系統(tǒng)，試驗(yàn)周期定為10 d，并在每臺(tái)電解槽上安裝空氣流量計(jì)，負(fù)責(zé)記錄該槽壓縮空氣的用量。具體情況見(jiàn)表2。

表2 智能打殼系統(tǒng)與原系統(tǒng)用氣情況對(duì)比

從表2 可以看出，4 個(gè)電解車(chē)間在為期10 d 的試驗(yàn)中，原打殼系統(tǒng)的空氣用量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于智能打殼系統(tǒng)的空氣用量，通過(guò)節(jié)氣效率的公式計(jì)算可以得出，4 個(gè)電解車(chē)間的節(jié)氣效率最高的可以達(dá)到72.56%，最低的也有51.29%，全都在50%以上，節(jié)氣效果比較明顯。

3.2 電量統(tǒng)計(jì)

將車(chē)間打殼系統(tǒng)全部更換完成后，對(duì)空壓機(jī)用電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與歷年數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。從12 月份同比數(shù)據(jù)可以看出，2022 年12 月用電量比2019年12 月節(jié)約用電量約948 815 kw·h，電價(jià)按照0.6元計(jì)算，12月份節(jié)省電費(fèi)約56萬(wàn)元，以此推算全年節(jié)省電費(fèi)約659.4 萬(wàn)元。同時(shí)由于用氣量降低，可減少1 臺(tái)250 m3/min 的離心空壓機(jī)運(yùn)行，每年可以節(jié)省離心空壓機(jī)維護(hù)費(fèi)用約40萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)電解車(chē)間智能打殼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并在4個(gè)電解車(chē)間隨機(jī)抽取多臺(tái)電解槽進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，智能打殼系統(tǒng)在電解鋁車(chē)間能夠有效地節(jié)約用氣量，整體節(jié)氣率在50%以上，且能滿足在高溫、強(qiáng)磁、多粉塵的環(huán)境下連續(xù)工作的條件。通過(guò)對(duì)空壓機(jī)用電量的對(duì)比可以看出，智能打殼系統(tǒng)可有效降低生產(chǎn)成本，增加了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，該系統(tǒng)在電解車(chē)間得到了很好的應(yīng)用。