铝电解槽应急短路装置的应用和母线修复

边韩国

(云南铝业股份有限公司，云南 昆明 650502)

近二十年我国电解铝工业发展突飞猛进，但配套设施、装备，以及生产管理水平发展相对滞后，特别是对铝电解槽导电系统的重视和管理力度不够，导致系列安全事故时有发生，造成严重损失，已逐渐引起行业内普遍关注[1-3]。

笔者结合多年生产实践尤其是停、开槽管理[4]经验，从工艺角度看设备，通过深入研究铝电解槽导电系统，在应急短路装置和母线修复方面进行积极探索和实践，提出系列安全事故预防及处理的有益建议，以期为同行企业提供借鉴。

1 铝电解槽导电系统

1.1 铝电解槽导电结构

铝电解槽的导电线路较复杂，并与所用技术及槽型等相关，一般分为连接母线、阳极导电部分、阴极导电部分和短路口等。

连接母线是连接电解车间与供电车间，以及电解车间各分区之间的导电母线，其独立于电解槽存在，不具体划归某台电解槽。连接母线是形成导电回路必不可少的部分，在满足安全供电的前提下，其截面和长度尺寸决定着系列黑电压的高低。

阳极导电部分包括阳极软带、阳极母线(水平母线)、阳极炭块组和电解质，其作用是将电流从母线系统传导至阴极，形成电流回路，驱动电化学反应。

阴极导电部分包括铝液、阴极炭块、阴极钢棒、阴极母线和立柱母线，其作用是将电流传导至下一台电解槽，形成电流回路。

短路口是为电解槽停、开槽作业而设的特殊装置，电解槽运行时短路口处于断开状态、不参与导电，当闭合短路口时即可将电解槽(主要是上述阳极导电部分)短路，实现停槽。目前国内主流的短路口设计形式如图1所示，其附设于立柱母线上，一般由铝母线、绝缘护板、绝缘套管、螺栓及垫片等组成。

图1 立柱母线短路口结构图

1.2 生产状态导电路径

铝电解槽处于生产状态时，其短路口断开，电流依次通过该台电解槽的阳极导电部分和阴极导电部分，进而流向下一台电解槽，如图2所示。

图2 电解槽生产状态导电路径

1.3 停槽状态导电路径

铝电解槽处于停槽状态时，其短路口闭合，电流直接绕过该台电解槽，通过短路口流向下一台电解槽，如图3所示。

图3 电解槽停槽状态导电路径

1.4 停槽状态特殊导电路径

笔者在长期生产实践中发现，除了上述停槽状态导电路径外，铝电解槽在停槽期间的某些时段还存在并联的特殊导电路径。

电解槽停槽后但未刨炉时，以及大修(筑炉)完成后，电流可以通过阴极导电部分形成一个通路，与正常导电路径并联，如图4所示。王旋等也曾揭示该路径的存在[5]，并将其统称为“钢棒间连接(Hn)”。

图4 停槽状态特殊导电路径1

电解槽大修完成并装炉后，阳极导电部分也会形成临时性并联通路，如图5所示。

图5 停槽状态特殊导电路径2

通常情况下，上述两种特殊导电路径(尤其是第2种)的电阻远远大于正常导电路径，故而通过的电流极小，因此在生产过程中往往被忽略。然而在某些特殊情况下，正常路径和特殊路径的电阻比例发生相对变化，如短路口压接面接触不良、电阻增大时，电流分布会发生一定程度的改变，可能引发事故。因此，对停槽状态特殊导电路径应给予相应的重视。

2 装置的目的和原理

当电解槽出现漏炉冲断母线以及发生短路口爆炸等事故时，事故槽导电系统不再具备通电条件，从而造成电解系列供电中断，铝电解生产将全面瘫痪。为了在较短时间内快速恢复系列供电，就必须使用应急短路装置将事故槽短接，此时电流通过应急短路装置直接绕过事故槽，以保全电解系列。

电解槽应急短路装置的原理较为简单，就是在事故时给事故槽增加一条临时性的并联导电路径，将事故槽上游电解槽与下游电解槽直接导通，从而保证系列电流回路不形成开路。

3 装置的种类和选择使用

电解槽导电系统一般比较复杂(尤其是大型电解槽)，同时电解槽可能发生的事故类型也多种多样，因此应急短路装置的设计形式和选择较为繁杂。王旋等从理论角度设计了六种应急短路装置，并介绍了九种事故类型情况下应急短路装置的使用和联用情况[2]。张波等[1]和曹国强[3]也就应急短路装置的选择和使用提了有益见解。笔者结合长期生产管理实践经验和深入思考，从生产者角度考虑，将应急短路装置划分为四种主要的安装形式。

3.1 阳极母线-立柱母线型

系列停电状态下，阳极母线-立柱母线型应急短路装置的一端安装在事故槽出电侧两组阳极导杆之间的阳极母线位置，另一端安装在下游槽立柱母线上，装置两端压接铝块用卡具紧固，如图6所示。当系列电流恢复供电后，电流流经应急短路装置，事故槽被短接于系列电流回路外。随后可对冲断母线进行修复，冲断母线修复后，在事故槽(已修复)立柱母线短路口闭合状态下拆卸应急短路装置。

图6 阳极母线-立柱母线型

3.2 阳极母线-阳极母线型

阳极母线-阳极母线型应急短路装置的一端安装在事故槽出电侧两组阳极导杆之间的阳极母线位置，另一端安装在下游槽进电侧两组阳极导杆之间的阳极母线位置，装置两端压接铝块用卡具紧固，如图7所示，其安装、拆卸及母线修复流程同上。

图7 阳极母线-阳极母线型

3.3 小盒卡具位-立柱母线型

小盒卡具位-立柱母线型应急短路装置的一端安装在事故槽出电侧小盒卡具位置阳极母线上，另一端安装在下游槽立柱母线上，装置两端压接铝块用卡具紧固，如图8所示，其安装、拆卸及母线修复流程同上。

图8 小盒卡具位-立柱母线型

3.4 阴极母线-阴极母线型

阴极母线-阴极母线型应急短路装置的一端安装在事故槽出电侧阴极母线上，另一端安装在下游槽进电侧阴极母线上，装置可采用压接或焊接形式，如图8所示，其安装、拆卸及母线修复流程同上。

图9 阴极母线-阴极母线型

3.5 装置的比较

以上四种应急短路装置中，前三种主要解决两方面问题：一是因漏炉冲断任何一处主回路母线造成系列停电时，进行系列应急供电及修复冲断母线；二是铝电解槽短路口发生爆炸后但立柱母线仍可导电时，进行系列应急供电。当短路口发生爆炸后、短路口破损严重且立柱母线无法导电时，可在事故槽上、下游分别安装上述任意一种装置即可进行系列应急供电及修复短路口。这三种应急短路装置使用时电流都从事故槽阳极母线上通过，其共同优点是：在电解槽上方使用、操作空间大、便于安装，可借助车间吊运设备、安装迅速；其缺点是：使用导电材料多、投资大、存放和取用不方便，不能进行端头槽应急处理，安装使用期间影响上下游电解槽的正常生产操作。

第四种(阴极母线-阴极母线型)应急短路装置主要解决的问题是铝电解槽短路口发生爆炸后、短路口破损严重且立柱母线无法导电时，进行系列应急供电及修复短路口。装置使用时，电流从事故槽阴极母线上通过，其优点是：使用导电材料少、投资小、存放和取用方便，安装使用期间不影响上下游电解槽的正常生产操作；其缺点是：在电解槽风格板下方使用、空间狭小、不便于安装，只能靠人力操作、安装时间长，在进行槽下有高温液体存在的电解槽应急操作时有一定的安全隐患。

3.6 装置的使用

现实操作中应急短路装置的使用必须根据事故槽和短路口的受损情况来确定。

对于具备通电条件或稍加处理即可通电的事故槽，应以恢复系列供电为主要工作方向，短路口和母线修复工作可待电解系列恢复正常运行后再按计划进行。

对于不具备通电条件的事故槽，应视短路口和母线损坏情况分别处理(过程中事故槽退出运行)：两个及以下短路口无法闭合时，不需安装应急短路装置，直接闭合其余短路口进行送电运行，待电解系列恢复正常运行后再按计划进行相应的修复工作。三个及以上短路口无法闭合时，也应先将未损坏的短路口闭合，再根据实际情况确定应急短路装置使用的数量。只有当全部短路口都无法闭合时，才考虑使用全套应急短路装置。

4 母线修复方法

电解槽出现漏炉冲断母线以及发生短路口爆炸等事故造成系列供电中断时，一般有阴极软带冲断、阴极母线损坏和短路口损坏三种情况。阴极软带冲断数量较少时，建议不做修复处理，待电解槽停槽大修时再进行修复。本文重点介绍阴极母线修复和短路口修复的一般方法。

4.1 阴极母线修复

阴极母线损坏时，焊接修复由于受现场磁场影响而不能直接进行，必须在系列停电状态下开展，损坏面较大时停电修复时间也较长，因此也将对整个系列生产造成较大影响。目前阴极母线修复方法有铝液浇铸修复、全电流降磁焊接[6]和自蔓延铝焊剂焊接[7]等。后两种方法需要专业的技术支持和专用的设备及材料，因此相对复杂。铝液浇铸修复原理简单，操作相对简便，但其成功率对操作人员的经验有较大依赖。笔者曾在某300 kA电解槽上多次成功实施了铝液浇铸修复，修复前、后的情况如图10所示。

图10 母线损坏(左)及修复后(右)案例图

4.2 短路口修复

短路口修复一般可采用上述第四种(阴极母线-阴极母线型)应急短路装置。笔者曾采用的修复方案如下：

(1)恢复系列供电：首先清理喷溅到阴极母线和立柱母线周围的电解质及铝液，用绝缘板将损坏的立柱母线短路口彻底隔离，闭合全部未损坏的短路口；然后根据电流走向安装应急短路装置，恢复系列供电。

(2)焊接准备：清理损坏的短路口及软带，同时制作准备好新短路口；制做专门的磁屏蔽装置并安装(夹)在立柱母线上，以部分消除磁场对焊接的影响。

(3)补焊及焊后处理：用直流亚弧电焊机补焊立柱母线损坏处；焊接完毕后用小铣床铣焊接表面，用研磨板研磨铣后表面。

(4)焊短路口及拆除：焊接新短路口，并将其安装恢复到正常槽短路状态；拆除应急短路装置。

5 结 语

随着铝电解槽日趋向大型化发展，同时单系列槽数也越来越多，电解系列的安全运行逐渐成为企业关注的重点，发生事故后快速及时处理尤为关键。建议各企业根据自身铝电解槽导电系统配置情况并结合本文，制作、配备适合企业实际情况的应急短路装置，制定完备的应急预案，加强管理、定期演习，同时在母线修复方面加强技术储备和经验积累，做到居安思危、有备无患。