0 引言

现代铝电解生产都是以相对独立的多个电解槽串联方式形成电流回路.从设计与生产过程角度来说, 都希望系列电流能相对均匀地通过电解槽各部分与回路母线, 但在实际生产过程中, 由于电解槽个体的多样性、外部干扰条件的复杂性和环境变化的不确定性, 在某些特定时机, 还是会出现系列电流通过电解槽各部分与回路母线时的不均情况, 致使回路的部分导电介质不能承受异常的电流而出现融断或断开形成断路的情况, 导致更大的异常, 并因此引发一般事故, 乃至重特大爆炸事故.

系列电流回路出现异常后对整个电解生产的影响很大, 轻者对生产只造成短期的影响, 重者即会造成致命影响, 出现全系列停产和重大人身伤害事故.从多年的实际生产过程对有关这方面的异常情况分析, 五端进电预焙槽中因电解槽个体多样性异常导致回路异常的情况时有发生, 并对生产造成不同程度的影响.因此在实际生产中必须高度重视, 采取有效措施加以预防, 做好应急预案, 在万一出现事故的情况下能及时处理.

五端进电电解槽系列电流回路出现3#立柱软带融断是该类槽型特有的突出情况, 是防范的重点.

1 电流回路异常情况分析

系列电流回路出现异常, 一种是由于在生产过程中, 因各种原因致使导电部分的局部回路或电流通道出现偏流, 使得该处的承载导电体产生异常热量, 局部温升过高融断导电体, 造成该处回路或电流通道断路.另一种是因导电回路绝缘部分失效, 造成局部短路, 短路部分因大量电流通过产生局部高温、电火花等, 并最终导致该部分融化烧断形成断路.

1.1 发生过的异常现象表现

(1) 正常生产槽中, 个体电解槽槽况恶化, 出现阳极大面积脱落或导杆融断现象, 导致停槽.

(2) 正常生产槽中, 个体电解槽槽况恶化, 出现极端异常电压波动, 导致电解槽出现异常回路电流, 3#立柱的一侧软带母线融断, 造成停槽.

(3) 正常生产槽中, 个体槽因炉底沉淀、结壳等原因, 使得阴极导电不均.阴极钢棒采用压接器时, 因异常电流通过产生大量热量导致压接器压接处的铝铝焊部位融断, 使得阴极母线出现异常回路电流, 并致使下一台电解槽也出现异常回路电流.主要表现为本槽阴极压接器过多融断, 出现局部阴极打火花, 下一台槽3#立柱的一边软带融断, 导致停槽.

(4) 焙烧槽(尤其是二次以上焙烧槽)因挂极质量、炉底阴极表面不平整等原因, 导致本槽阳极电流分布出现严重偏流, 情况严重时导致3#立柱的一侧软带母线融断或全部融断发生爆炸, 导致停槽.

(5) 实际生产过程中, 上述异常现象出现的统计数据见表 1.

1.2 可能出现的异常现象

(1) 因个体电解槽发生漏炉, 未能及时巡视发现, 导致阳极脱离电解质液面而出现系列断路爆炸事故.

(2) 因个体电解槽发生漏炉, 电解槽槽周母线没能有效保护, 导致漏炉处的槽周回路母线被漏出的高温铝液融断, 造成系列回路断路.

(3) 因槽控系统可能的故障, 导致阳极自动提升, 导致阳极脱离电解质液面而出现系列断路爆炸事故.

(4) 因短路口绝缘不好, 在电解槽发生高电压效应时出现击穿, 导致短路口短接, 出现打火放炮, 最终短路口融断出现断路.

(5) 因个体电解槽发生漏炉, 漏出的高温铝液在可能的外部条件促合下, 发生燃烧, 产生局部高温, 从而把槽周母线融断, 造成系列回路断路.

1.3 3#立柱软带母线融断前期主要特征

(1) 阳极电流明显分布不均.A000槽在出现3#立柱软带母线融断前的电流分布数据见表 2.

这种阳极电流明显分布不均现象, 尤以电解槽前端与后端阳极电流分布不均更为明显.

(2) 槽电压摆动幅度较大, 波动幅度在500mV至3000mV间.

(3) 在3#立柱软带母线融断之前, 一定会出现电解槽连接前后两段水平大母线的平衡软带融断的现象, 并且A面、B面两边的平衡软带会全部融断.

(4) 对于因阴极压接器问题, 导致3#立柱软带母线融断的情况, 在出现回炉电流异常之前, 压接器压降分布明显不均, 压接器压降过大, 并伴有部分压接器压接面发红或阴极钢棒头发红现象.A000槽因压接器问题在3#立柱软带母线融断前的数据见表 3.

1.4 原因分析

(1) 电解槽技术条件管理出偏差, 导致槽况恶化, 电解槽稳定性极差, 出现阳极偏流和阴极偏流.现场分析发现, 直接导致槽况恶化的原因是由于操作质量、技术条件控制、设备故障、槽控系统浓度控制等方面出问题后, 造成炉底沉淀多, 甚至出现炉底结壳所至.

(2) 当槽况恶化情况出现后, 在处理过程中, 由于槽况稳定性差, 电压摆动大, 现场操作经常会采取提升电压, 拉大阳极极距等方式减缓电解槽波动.由于提升电压过高, 阳极接触电解质液的深度很小.在某些时刻, 当电压波动大, 铝液搅动大, 整个电解槽内熔体跟随波动也很大时, 会出现部分阳极底掌脱离电解质液面形成不导电现象, 这就会加剧电流的偏流现象, 超过一定限度后, 便会导致3#立柱软带母线融断.

(3) 电解槽设计本身固有的隐患.五端进电预焙电解槽上部立柱母线与水平母线结构如图 1所示.水平母线分为前段与后段, 中间只用截面积很小的铝软带连接.立柱1#和2#的软带母线及立柱3#的右侧软带母线与前段水平母线连接; 立柱4#和5#的软带母线及立柱3#的左侧软带母线与后段水平母线连接.

图 1中：I₁, I₂, I₃, I₄, I₅分别代表立柱1#至5#的电流.

I_前为立柱1#和2#进入前端水平母线的电流, I_前＝I₁+I₂.

I_后为立柱4#和5#进入后端水平母线的电流, I_前＝I₄+I₅.

I_3左, I_3右为I₃汇入后端与前端水平母线的电流. I₃ ＝I_3左+I_3右.

I_A和I_B为水平母线上平衡软带通过的电流.

按300kA电流强度分析, 正常情况下：

每根立柱母线在正常情况下, 基本是走同样的电流强度, 1#和2#立柱(前)、4#和5#立柱(后)分别通过水平大母线连接形成一股稳定的电流, 这两股电流(I_前和I_后)正常情况下基本是各走各的路, 而3#立柱的电流(中股)分成两股(左股I_3左, I_3右), 分别汇入上述两股电流中, 连接前端与后端水平大母线的平衡软带基本是不走电流.槽周母线配置回路也是分别对应走上述的前股、中股、后股这三股电流, 正常情况下也是各走各的回路.

在槽况恶化, 出现电压大波动时, 就会出现偏流现象, 电流从前股进入后股或从后股进入前股(假定偏流量为I_偏).出现偏流后, 电流I_偏优先从水平母线的平衡软带找回路, 使得I_A和I_B由正常情况下的0kA变为I_偏.但平衡软带截面积很小, 当电流I_偏过大后产生的大量热量就导致软带融断.此后, 电流I_偏只能通过3#立柱的左、右软件带找回路, 假定电流是从后股往前股偏流, 这时候立柱3#电流I₃的左侧电流I_3左, 将由原来进入后股的回路改为进入前股回路, 与I_3右合流, 这样就造成通立柱3#的右侧软带电流I_3右为I₃和I_偏的汇合电流, 即：I_3右＝I₃+I_偏.在这种情况下, 3#立柱右侧软带就会通过比正常情况下大得很多的电流, 过大电流使得3#立柱软带产生大量热量, 导致3#右侧软带母线融断, 形成事故.而且3#立柱软带设计时导电截面积本身就较1#、2#、4#、5#立柱的小, 只有他们的50%, 过大的电流通过, 使得其更容易出现融断现象.反之, 如果电流是从后股往前股偏流, 即会造成立柱3#左侧母线融断.

2 预防及应急措施

(1) 从上述分析可知, 预防出现系列回路电流异常导致3#立柱软带母线融断的工作重点, 是防止电解槽出现偏流现象的关键.因此, 首先要做好电解槽管理持久稳定工作, 加强基础操作质量及设备保障, 提高技术条件管理水平, 实现较高的技术条件合格率, 减少甚至杜绝槽况大波动现象.重点防止电解槽炉底出现过多沉淀甚至结壳现象, 当出现这方面的苗头时要高度重视, 及时处理.

(2) 电解槽由于各种原因出现槽况大波动后, 在处理调整槽子的过程中, 要注意做好的工作：①按处理病槽的措施规范做好调整工作, 优先保证异常槽电解质液量, 电解质水平低于16cm以下, 必须从别的正常槽抽取电解质液及时补充.同时, 电解质水平要尽可能往高限保持(20cm以上)；②经常性用红外线测量仪监测该槽与相邻槽3#立柱软带母线的温度, 发现软带温度异常时, 要及时采取措施, 防止事态恶化；③经常性监测阳极电流分配, 脱落阳极采取紧急措施用热极抢换出来, 减缓阳极偏流情况；④不能为了控制槽子电压波动, 无节制的采取抬升阳极减缓波动的措施, 保证阳极底掌浸入电解质液的深度, 防止槽内熔体波动过大时, 部分阳极底掌脱离电解质液, 从而加剧电流偏流现象；⑤密切监视该槽与相邻槽水平母线平衡软带情况, 一旦出现融断现象, 必须立即采取紧急措施.结合现场情况, 出现此种现象, 极有可能是因熔体大波动, 导致部分阳极底掌脱离了电解质液, 这种情况下, 要立即下降阳极, 保证阳极导电尽可能均衡.

(3) 3#立柱软带母线某一侧出现融断现象的应急处理措施.根据现场经验, 当出现3#立柱软带母线某一侧融断现象后, 如果另一侧软带母线没有紧随着融断, 基本可以断定其在短时间内(8h左右)不会出现融断现象.在此期间应采取的措施：①加强波动电解槽的调整, 尽可能减缓电解槽波动, 减少偏流；②日常管理期间, 要配备可拆装的3#立柱临时软带母线(左侧与右侧都必须配备).当某一侧软带母线融断后, 立即拆除原软带母线, 安装上临时软带母线, 然后对拆除的原软带母线进行修复.在拆除和安装过程中, 要严密关注未熔断侧软带母线的温度及等距离压降变化情况, 必要时可采取适当降低系列电流的措施；③修复后的软带母线回装时, 必须将该槽暂时停槽, 脱离系统运行3~4h(按抢修原软带母线时间确定).为保证回装时间, 确保恢复该槽生产过程的安全, 必须在停槽之前, 把电解质水平尽量提升.从现场经验看, 如果电解质水平大于20cm, 停槽6h后恢复送电不会出现安全问题.

暂时停槽可以采用的方式：一是系列停电方式, 二是采用特殊装置(如：不停电停开槽装置)停槽的方式.后一种方式更为科学有效.

(4) 极端情况下, 当发生3#立柱软带母线左右两侧同时融断的现象时, 由于中股电流回路断路, 会出现3#立柱短路口爆炸现象, 造成系列停电.这时采取的应急措施：①如果经检查核实3#立柱短路口爆炸后, 能短时间内恢复(一般情况下小于6h), 即启用相应的应急抢修措施进行修复, 争取在尽可能短的时间内恢复系列电流；②、如果经检查核实3#立柱短路口爆炸后, 不能在短时间内恢复(一般情况下大于6h), 即把该槽和该槽的上一台槽进行停槽处理, 并将短路口短接(这样可以把中股电流路回路打通), 在较短的时间内(小于1h)恢复系列电流, 之后对爆炸段路口抢修恢复.经计算和生产实践证明, 中股电流回路经前股和后股电流返回形成正常回路, 1#, 2#, 4#, 5#立柱母线可以承受整个系列电流, 是安全可行的.

3 结语

电解生产过程保持持续稳定, 不出现波动, 是我们进行电解生产管理的追求.由于电解生产的连续性、不可中断性, 电解槽就像人的生命一样有生老病死的过程, 因此, 在实际生产过程中, 总会由于各种原因, 导致整个系列的所有电解槽无法完全保证长年稳定, 会有个别电解槽出现波动.对于五端时进电预焙电解槽, 电解槽出现大波动后, 系列电流回路异常相对容易造成3#立柱软带母线融断现象, 只要按上述的措施去落实, 就能较好防止事故发生, 并有效应对可能出现的极端情况.