铝电解槽短路停槽状态电压降分析

王 旋,董 哲

(1.沈阳铝镁设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110001;2.聊城信源集团有限公司,山东 聊城 252100)

冰晶石-氧化铝高温熔盐电解法是目前唯一的工业炼铝方法,其核心生产设备铝电解槽主要由钢材和各种内衬材料构成。铝电解槽的构造和生产工艺特性决定了其具有一定的寿命周期,寿命周期达到或接近时,需要进行停槽大修作业[1]。此外,由于种种原因,电解系列中也会发生非正常停槽的情况。铝电解槽停槽时处于短路状态,此时的槽电压即停槽电压降,又称为停槽“黑电压”。铝电解槽设计以正常生产状态为落脚点,故以往对停槽电压降的研究和分析极少[2]。

1 电流走向及停槽电压降

1.1 正常生产状态

铝电解系列通常由数百台铝电解槽通过串联方式进行连接,一般称每台铝电解槽的系列电流方向上游侧为A侧、下游侧为B侧;通常系列电流方向为逆时针,故系列电流方向左侧为烟道侧、右侧为出铝侧。为便于说明本文将铝电解槽简化为如图1所示的单支路模型进行示意,其中Dn代表第n台铝电解槽的立柱母线短路口处,Yn代表其阳极母线汇流点,Aln代表其铝液层,GAn、GBn代表其A、B侧阴极母线汇流点,Cn代表其立柱母线汇流点,Jn代表其槽电压测量点。每台铝电解槽的电流由上游槽各母线支路导入相应的立柱母线汇流点Cn-1,通过立柱母线导入阳极母线汇流点Yn后,又通过若干组阳极组导入熔体区驱动电化学反应,并通过铝液层Aln分配后导入各阴极组,随后从A、B侧阴极母线汇流点GAn、GBn经过各母线支路导入相应的立柱母线汇流点Cn,如此递进,从而实现电流在全系列铝电解槽之间的传导。

理论上相邻两台铝电解槽上相同点位的电势差均等于其槽电压,而一般槽控系统的槽电压测量点都选在烟道侧母线支路靠近下游处(图中Jn),因此通常所测得的槽电压Vn实际上是Jn与Jn-1之间的电势差,即:

Vn=V(Jn-1)-V(Jn)

(1)

1.2 短路停槽

国内铝电解槽停槽通过立柱母线附属的短路口装置实现,图2为国内典型的立柱母线短路口。铝电解槽正常生产时立柱母线短路口处于打开状态,汇聚到立柱母线的电流传导至阳极母线和阳极组进而导入反应区。当立柱母线短路口闭合时,临时导通的附设母线(短路母线)与立柱母线通过压接导通,短路母线的另一端与槽周母线的部分A侧母线支路始终连接,这就将阳极母线、阳极组、反应区以及阴极组短路,实现了铝电解槽的短路停槽。

图2 国内铝电解槽典型的立柱母线短路口

1.3 停槽电压降

当铝电解槽停槽时,如图3所示,电流在短路口Dn处通过短路母线直接导入A侧阴极母线汇流点GAn,然后通过A侧母线支路导入立柱母线汇流点Cn,进而导入下游槽,从而实现铝电解槽(阳极母线、阳极组、电解质、铝液和阴极组等)的短路。

图3 铝电解槽短路停槽状态单支路电流理论走向图

通过分析,最能完整表达铝电解槽停槽电压降的测量点是Dn+1与Dn之间的电势差,即:

Vn=V(Dn)-V(Dn+1)

(2)

图3形象地说明了停槽时的理论电流走向,但实际停槽时全部B侧母线支路以及部分A侧支路均不参与导电,且各母线支路与下游立柱母线的对应关系也会发生变化。停槽时以并联形式参与导电的母线支路明显减少,因此停槽电压降应显著高于正常生产槽周母线电压降。事实上这种情况只存在于铝电解槽停槽并刨炉后。刨炉之前以及筑炉之后,通过钢棒与阴极炭块之间的Fe-C连接和阴极炭块本身,以及A、B侧钢棒间糊料的连接,A、B侧钢棒之间是导通的,本文中将这些连接统称为钢棒间连接(Hn)。因此图3中电流走向演变为如图4所示的情况,电流可以从GAn通过A侧母线支路传导至Cn处(此电阻记为R(GAn-Jn-Cn)),也可以通过阴极组及B侧母线支路传导至Cn处(此电阻记为R(GAn-Hn-GBn-Cn)),这两条并联路径的存在降低了GAn到Cn之间的总电阻R(GAn-Cn)。

图4 铝电解槽短路停槽状态单支路电流实际走向图

2 停槽电压降的影响因素

通过上述分析,停槽电压降Vn的大小主要取决于立柱母线短路口Dn至Dn+1之间的总电阻:

R(Dn-Dn+1)=R(Dn-GAn)+R(GAn-Cn)+R(Cn-Dn+1)

(3)

其中:

1/[R(GAn-Cn)]=1/[R(GAn-Jn-Cn)]+1/[R(GAn-GBn-Cn)]

(4)

R(GAn-Hn-GBn-Cn)=R(GAn-Hn-GBn)+R(GBn-Cn)

(5)

由此可见,上述各项可以分为两种类型:

(1)铝母线因素:R(Dn-GAn)、R(GAn-Jn-Cn)、R(Cn-Dn+1)、R(GBn-Cn)

(2)阴极组因素:R(GAn-Hn-GBn)

2.1 铝母线因素

铝母线因素是影响停槽电压降的主导因素。

2.1.1 母线配置

母线系统的配置情况主要包括铝母线布局、截面和长度等因素,是设计水平的直接体现。电解系列焙烧启动初期是观察停槽电压降的最佳时机,此时系列回路内大多数铝电解槽均处于短路停槽状态,槽控机显示的槽电压即可认为其停槽电压降,本文中所展示的停槽电压降数据均为此期间收集。

图5给出了四个相同电流容量电解系列的停槽电压降数据,这四个电解系列的阴极组设计均十分类似,母线系统设计则分为两种类型:系列A与系列B为自补偿母线配置,系列C与系列D则为外补偿母线配置(但系列D的母线配置更优)。

图5 四个500kA电解系列的停槽电压降

由图5可知,系列A与系列B的停槽电压降平均值分别为0.233 V和0.251 V,系列C与系列D的停槽电压降平均值分别为0.212 V和0.186 V。可见,外补偿母线配置的停槽电压降显著低于自补偿母线配置(约低40 mV)。

2.1.2 建设质量

建设质量主要包括铝母线的材质(纯度及化学成分等)、铸造质量(内部结构、裂纹、气孔、夹渣和晶粒度等)、加工质量以及焊接和压接质量等因素,其对母线系统实际电阻的影响较大。

图6给出了三个相同电流容量电解系列的停槽电压降数据,这三个电解系列的阴极组和母线系统设计均十分类似,系列E和系列F的停槽电压降平均值分别为0.261 V和0.266 V,而系列G的停槽电压降平均值却高达0.288 V。系列G这种停槽电压降显著高于其他类似系列的现象(约高25 mV)固然是多种原因导致的,但结合系列G建设期的实际情况可以判断其铝母线建设质量尤其是铸造质量的影响是主导性的。

图6 三个500 kA电解系列的停槽电压降

立柱母线短路口的压接质量也很重要,一般新建系列可以将短路口压接压降控制在10 mV甚至5 mV以内。然而随着系列运行时间延长,当铝电解槽进入大修期时压接面状况已发生较大变化,压接压降较新建系列明显升高,严重时甚至达到20 mV以上。因此,对短路口压接面的维护十分重要且必要[3]。

母线配置和建设质量总体上都属于可控或半可控的长期性因素,通过设计和建设期间严格的质量控制可以获得较好的结果,并将长期受益。

2.1.3 温 度

铝母线温度对其电阻率的影响很大,按照纯铝的电阻率计算公式,其在40℃、60℃、80℃、100℃和120℃下的电阻率分别是常温电阻率的1.08、1.16、1.24、1.31和1.39倍。

一方面,铝母线自身发热(正常生产时还受铝电解槽热辐射)会使其温度升高到一定程度,这主要取决于其承载电流密度、建设质量以及所处位置通风散热情况等。铝母线温度对电阻率的影响还存在恶性循环问题,温度越高则电阻率越大,电阻率越大又导致铝母线进一步发热。同时,越是建设质量差的情况,铝母线电阻率和温度上升的恶性循环越严重,图6中的系列G就存在这个问题。此外,短路口压接面状况、压接电阻和压接面温度也存在同样情况,严重时还会导致放炮事故。

另一方面,电解系列所处地区的环境温度以及数据测量的季节等也会对铝母线温度产生一定影响。图5中系列D的停槽电压降平均值比系列C低26 mV之多,就很可能存在环境温度影响铝母线温度及电阻率的贡献。系列C和系列D同处新疆某地且距离极近,前者的数据测量时间为8月,后者则为1月,而该地区冬夏温差一般可达30℃以上,若这些温差全部反映到铝母线温度上,足以产生近10%即近20 mV的电压降差异。

2.2 阴极组因素

阴极组因素常常被忽视,但其确是影响停槽电压降的重要因素。阴极组的一般结构如图7所示,阴极炭块和钢棒是其主要组成部分,两者之间一般通过炭糊扎固或生铁浇铸构成Fe-C连接,A、B侧钢棒之间通常由炭糊填充。这些炭糊或生铁使阴极组成为一个整体,因此构成了本文中(见图4)所称的钢棒间连接Hn的电阻,即R(GAn-Hn-GBn)。

图7 铝电解槽阴极组示意图

由此可知,影响Hn电阻的主要因素有阴极炭块、钢棒、阴极组装形式(炭糊扎固或生铁浇铸)等。因此导电性高的钢棒、石墨化阴极炭块和良好的阴极组装质量都有利于降低Hn电阻。然而铝电解槽阴极组设计以正常生产状态为落脚点,Hn电阻的大小并不在常规设计考虑范围之内,同时阴极组设计关心的是铝电解槽在工况条件下(960℃左右)的性能,而Hn电阻一般具有三种状态:

(1)新槽冷态(通电初期)

(2)停槽热态(停槽初期)

(3)停槽冷态(刨炉前)

这三种状态的差异性较大,通常热态Hn电阻显著小于冷态,因此停槽冷态短路电压降一般会大于停槽热态。实际铝电解槽大修过程中未必能观察到这种变化,主要是因为刨炉前阴极组往往还不够冷,而是处于温态。

铝电解槽采用燃气焙烧启动时,启动前阴极组已焙烧至一定温度,故此时存在短暂的新槽热态;采用焦粒焙烧启动则没有这种状态。此外,阴极组装质量也是影响Hn电阻的重要因素。

根据上述分析,影响Hn电阻的因素多为非固定性或短期性因素,且其本身就不在常规设计考虑范围之内,因此其实际数值大小在不同电解系列之间往往存在较大的差异性。

基于Hn电阻在时间维度上的不同状态,铝电解槽停槽电压降也具有这些状态。此外,铝电解槽刨炉后钢棒间连接不复存在,Hn电阻随之消失,此时的停槽电压降实际是图4中所表示的纯母线短路电压降。笔者在多个电解系列中观察到这一现象,如某400 kA电解系列大修槽中停槽初期电压降约为340～350 mV,刨炉后上升到390～400 mV,大修完成后又大幅降低至300 mV左右甚至更低。

3 停槽对铝液综合电耗的影响

2021年8月26日,国家发展和改革委员会印发了《关于完善电解铝行业阶梯电价政策的通知》(发改价格[2021]1239号)[4]。根据中国有色金属工业协会发布的《2020年中国有色金属行业经济运行报告》[5],2020年全国铝电解吨铝综合交流电耗为13,543千瓦时,这意味着2020年平均电耗水平的企业到2025年的电价加价为每千瓦时0.13元,相当于吨铝电价成本增加1761元。

3.1 停槽电压降折合槽电压

现行国家和行业标准《电解铝企业单位产品能源消耗限额》(GB 21346-2013)[6]和《电解铝行业节能监察技术规范》(YS/T 1418-2021)[7]等都明确了停槽电压降损耗交流电量的计算方法。本文按照行业习惯将停槽电压降折合为槽电压:

Vtz=Vt×Nt÷N

(6)

式中:Vtz——铝电解槽停槽电压降折合槽电压,V;

Vt——铝电解槽停槽期间电压降平均值,V;

Nt——铝电解槽停槽时间,即大修周期,天;

N——铝电解槽运行时间,即电解槽寿命,天。

假定某电解系列Vt为260 mV,Nt为30天,N为2600天,则其停槽电压降折合槽电压为3 mV,约对应每吨铝10 kWh耗电量,这在能耗双控和阶梯电价政策背景下是一个值得关注的数量。

此外,当连续多台铝电解槽同时停槽时,可以考虑采用应急短路母线[8-9]来降低停槽电压降。

3.2 停槽对上下游槽生产的影响

铝电解槽的电流分布和热平衡随出铝、换极[10-12]和大修等作业以及阳极效应等发生变化,从而引起磁流体稳定性波动。停槽时下游槽电流分布偏差由于铝液层的阻隔相对较小,上游槽电流分布偏差则相对较大。电流分布偏差引起磁流体稳定性波动较大时需要附加电压,从而导致电耗略有增加,这与母线配置和实际生产状况等因素有关。

3.3 停槽电压降测量偏离

上文已指出最能完整表达停槽电压降的测量点是Dn+1与Dn之间的电势差,其原因是停槽电压降存在测量偏离。

图1中槽控机按式(1)测得的槽电压V(Jn-1)-V(Jn)相当于以上游槽的V(Jn-1)-V(Dn)代替了本槽的V(Jn)-V(Dn+1),正常生产时这是成立的。然而停槽电压降则与测量点位有密切的关联。在图3或图4中,上游槽正常生产而本槽停槽,本槽A侧母线支路承载电流密度远大于上游槽,因此V(Jn)-V(Dn+1)显著高于V(Jn-1)-V(Dn)。此时槽控机显示的停槽电压降并未反应真实情况,其数值比按式(2)测得的真实停槽电压降V(Dn)-V(Dn+1)低,一般低数十毫伏。

当短路槽的上游槽也停槽时,这种测量偏离就会消失。因此在连续多台铝电解槽同时停槽时,总是会观察到沿系列电流方向的第一台槽电压要低于其下游槽数十毫伏的现象。

这个测量偏离值一般受母线配置和槽控机电压测量点位置的影响。测量点所在A侧母线支路在生产和停槽状态下电流密度偏差越小的母线配置,以及槽控机电压测量点越靠近下游时,该测量偏离值越小。

3.4 停槽对下游槽槽电压的影响

停槽电压降的测量偏离对下游槽槽电压测量也存在较大影响。

根据上述分析,若图1中的上游槽停槽时,则V(Jn)-V(Dn+1)将显著低于V(Jn-1)-V(Dn),因此其槽控机显示槽电压应高于实际槽电压。此时若仍按上游槽停槽前的目标电压控制,则相当于人为压低了该槽的极距,将对电解生产造成不利影响。

结合以上分析可知,停槽电压降槽控机测量偏离值只是从上游的短路槽转移显示到下游的生产槽,系列的总电压并未发生变化。然而忽视该测量偏离的存在是十分有害的,这正是本文揭示停槽电压降测量偏离的意义所在。

4 结 语

虽然停槽电压降折合槽电压只有3 mV左右,但在能耗双控和阶梯电价政策背景下深入探讨停槽电压降具有积极意义。

(1)电解系列设计时要优化母线配置(包括采用自均衡网络化母线技术),以降低停槽电压降及其影响。

(2)电解系列建设时要高度重视铝母线建设质量,严格控制铝母线材质、铸造质量、加工质量以及焊接和压接质量。

(3)行业内有关方面要关注阴极组停槽状态下的连接电阻及其降低停槽电压降的作用。

(4)生产管理过程中,要加强立柱母线短路口压接面的维护工作;合理安排铝电解槽大修工作,缩减大修时间,尤其是要在刨炉前做好充分准备,尽量缩减刨炉后的工作时间;同时要加深对停槽电压降及其影响的认识和管理,准确理解停槽电压降测量偏离及其影响。