电解铝系列降低电解槽停槽短路口压降的运用实践

文胜毅

摘要：本研究通过对电解铝系列电解槽停槽后短路口压降构成的分析，找到主要原因是停槽后过电流的槽周母线路径过长。实践研究表明，对过长的过电流槽周母线进行临时短接，可以降低系列停槽短路口压降的分摊，提高经济效益。

关键词：电解槽；短路；槽周母线；短接

DOI：10.12433/zgkjtz.20233040

当前，国家对铝电解等高耗能行业的节能要求越来越严格。企业为了在减少亏损面的前提下保持整个电解铝生产线的经济运行显得尤为重要，而停掉槽龄老化、生产运行状况不好的电解槽是大多数企业的选择，而穿插停槽导致不易采取保留距离供电整流较近的电解工段进行生产，造成停槽短路口压降分摊大幅增加，进而导致吨铝综合电耗上升。针对此种情况，企业对停槽短路口压降进行构成分析，并通过采取缩短停槽后槽周母线通过电流路径实现了停槽短路口压降的大幅降低，实现了弹性减产而不至于大幅增加无功电耗及吨铝电耗的生产运行目标。

一、电流走向及停槽电压降

（一）正常生产状态

在铝电解过程中，将上百个电解槽以串联的形式相连，在每个电解槽中，将各电解槽的电流流向的上游称为进电侧，将各电解槽的电流流向的下游称为出电侧。理论上，两个铝电解槽同点的电势相差为其槽压，而通常的槽压检测位置都是选择在烟道端槽周母线主路上。

（二）短路停槽

铝电解槽的停槽是由预设停槽短路母线与立柱母线短接方式完成的。在铝电解槽内，立柱母线接头在正常运行时是分开的，汇集在立柱母线上的电流被引导到阳极母线上，再被引导到反应区中。立柱母线接头短接后，利用短路母线短接将电流导通到停槽母线然后汇流到出电侧进入下一台正常生产电解槽的阳极。当阳极母线、阳极、反应区和阴极同时发生短路时，铝电解槽会停槽。

二、停槽电压降的影响因素

（一）母线配置

母线体系的布置状况，主要涉及铝母线的布置、截面、长度等方面，这些都是最直观地反映出其设计水准的指标。在电解系列焙烧（焦粒焙烧方式）期间，是对停槽电压降进行观察的最好时间。在该过程中，除焙烧槽外系列其余铝电解槽都处于通电停槽状态，根据槽控机显示的槽电压，可以将其视为其停槽电压降。

（二）建设质量

建设质量主要是指铝母线材料（如纯净度、成分等）、浇注质量（如内部构造、裂纹，气孔等、夹渣和晶粒粒度），加工质量以及焊接和压接质量等，这些都会对母线系统的实际电阻产生很大的影响。

立柱母线短接头的压接质量非常关键，通常新建系列可以将短接头压接压降控制在5 mV左右。但随电解槽长期运转，在进入大修停槽阶段后，电解槽压接面状态有了很大改变，压接面压接压降下降显著高于新建时期，有的短路口压接面压降升高超过20mV。

所以加强对短节接头压接表面的养护非常必要。从整体来看，母线布置与施工品质均属可控长期影响因子。若能在设计与施工过程中对其进行严格的质量管理，则能取得良好效果，且长期效益显著。

（三）温度

铝母线的电阻率受温度的影响较大，根据纯铝的电阻率计算公式，其在20℃下电阻率为2.65×10-6Ω·cm，在40℃下电阻率为2.90×10-6Ω·cm ，在80℃下电阻率为3.55×10-6Ω·cm ，在100℃时的电阻率为4.00×10-6Ω·cm，100℃时的电阻率是20℃时的1.51倍。

一方面，铝母线本身产生的热量（在正常的生产过程中，也会受到铝电解槽的热辐射）会导致其表面的温度上升，这主要与周围其他电解槽散热量和所在位置的通风条件有关。另一方面，自身导通电流产生的热量使其温度较高，一般在60℃附近。铝母线中的温度对其电阻率的作用仍然存在恶性循环的问题。当温度变得更高时，电阻率就会更高，而电阻率更高，又会使得温度更高。与此同时，建造品质越低，铝母线电阻率与温度升高的恶性循环就越明显。短节的压接界面压紧状态、压接电阻及压接界面的温度等也有类似的现象，而异常状况严重时可能会引起爆炸事故。另外，不同的时间、不同的季节、不同的天气状况、不同的作业方式，都会对铝母线的温度有影响。

（四）阴极组因素

在停槽过程中，经常被忽略的阴极组件的组合方式及质量对停槽电压损失有一定影响。阴极炭块、钢棒、阴极组装方式（糊料扎固或铁水浇注）是影响阴极组件电阻率的重要因素。停槽后的短接母线均为铝质母线，电阻率远小于阴极组件电阻率，在停槽短接母线与阴极组件以并列方式分别导通停槽电流时，由于阴极组件电阻较大，所过电流可以忽略不计。

三、可行性分析

某企业240KA母线结构构成如图1所示。该电解槽为大面四端进电，为左右对称结构，总共有阴极炭块18块，阴极钢棒头共A、B面各18组，共36组，分别按A1、A2…A18，B1、B2…B18表示标示。立柱母线四根，按第一根、第二根、第三根和第四根标示。槽底穿槽母线左右对称各2根，共4根，弯折穿槽平衡母线各1根，共2根。

（一）电解槽正常运行时候电流路径走势

电解槽正常生产时A1－A7接第一根立柱短路块经出铝端槽周母线、A8出来经过弯折穿槽母线至出铝端槽周母线与B1接到下台槽第一根立柱。A9经平行母线至第二根立柱母线左侧短路块和第1根直穿槽母线同时连接与第二根立柱右侧短路块接第二根穿槽母线同时连接至B2－B9汇合形成的B面槽周母线连下一台槽第二根立柱。另外，第三、第四根与第二、第一根一致。

（二）停槽状态下槽周母线及穿槽母线的带电情况

停槽状态下第4组、第15组下的穿槽弯折槽周母线无电流。通过图1、图2可以看出，槽周母线距离立柱母线路径较长，且短路口停槽软母线高度较高，可以从降低这部分电流路径着手，短接上一台电解槽槽周母线与停槽槽周母线，可以大幅缩短电解槽停槽后的电流运行路径，从而降低停槽电阻，最终实现降低停槽压降的目的。

四、使用短接母线后电阻对比

短接位置如图3所示。

（一）未使用短接母线

第一根立柱：

电流从立柱母线根部上经过短路口软连接母线绕槽周母线到下一台电解槽第一根立柱母线。

长度L1=2×1300+2×1870+6200=12540（mm）

槽周母线截面积S1=220×550（mm2）

电阻R1=ρ·L1/S1=2.9×10-6（Ω）

（铝母线电阻率ρ取2.8×10-8 Ω·m ，下同）

第二根立柱：

电流从立柱母线根部上经过短路口软连接母线经过穿槽母线1和穿槽母线2到下一台电解槽第2根立柱母线。

长度L2 =2×1300+6200=8800（mm）

母线截面积S2-1与S2-2并列：S2-1=宽×高=220×

300（mm2）；S2-2=宽×高=220×90（mm2）

电阻R2=ρ·L2/（S2-1+S2-2）=2.9×10-6（Ω）

第一、二根立柱电阻基本一致，因为第三根立柱与第二根一致，第四根立柱与第一根基本一致，所以未使用短接母线时的停槽母线电阻R总-1为2.9×10-3Ω的四分之一，即R总-1=7.13×10-7Ω

（二）使用短接母线

第一根立柱：

电流从短接母线直接连接母线绕槽周母线到下一台电解槽第1根立柱母线。

长度L1x=1870+6200=8070（mm）

槽周母线截面积S1x=220×550（mm2）

电阻R1x=ρ·L1/S1=1.9×10-6（Ω）

第二根立柱：

电流从短接母线经过穿槽母线1和穿槽母线2到下一台电解槽第2根立柱母线。

长度L2x =6200 （mm）

母线截面积S2-1与S2-2并列：S2-1x=宽×高=220×

300（mm2）；S2-2x=宽×高=220×90（mm2）

电阻R2x=ρ·L2x/（S2-1x+S2-2x）=2.0×10-6（Ω）

第一、四根立柱电阻基本一致， 第二、三根立柱电阻基本一致由并列电阻公式可得：

R总-2= R1x·R2x/[2·（ R1x+R2x）]=4.87×10-7Ω

（三）停槽短路口压降

铝电解生产过程运行电流是个定值，当电阻减小后，短路口压降会相应降低。短路口压降低数值ΔV可以由以下公式计算：

ΔV=I·（R总-1- R总-2）

当电流按240kA运行时，可以算出能降低54.2mV的短路口压降，通过实践能够实现70mV左右的降低，原因是减少了铝铝接触压降的次数和避开了多处焊接连接点实现了压接压降和焊接压降的多处降低。

五、使用短接母线降低短路口压降的效果

该电解铝企业当前240kA系列生产槽数178台，停槽38台，降低短路口降低的电耗可以用以下公式计算出：

总降电耗=停槽数量×单槽降低电压×运行电流×停槽累计小时

通过使用该短接方式可以实现年度节约用电559.2万度，按照当前运行电价0.58元/度计，年度可降低电费支出324.4万元。

而需要投入资金很小，在铸造车间用自产铝液铸造相应尺寸短接母线块安装浇注到电解槽上即可，且该短接母线可以循环使用。

六、结语

综上所述，本研究通过对电解槽母线配置分析，找到了一条简单可行的降低电解槽短路口压降的办法。实践表明，该办法可以复制，值得推广，是行业发展和降低行业能耗的一条新思路。

参考文献：

[1]付斌.一种降低电解槽停槽短路口压降的节能装置：CN201920524845.9[P].CN209989479U[2023-06-22].

[2]康聪波，李学文，黄河，等.降低铝电解槽停槽电压的生产实践[J].云南冶金， 2021， 50（06）：6.

[3]谭占平，秦幸旺，戴连松，等.降低电解槽停槽电压连接装置的试验及结论[J].中国金属通报， 2019（03）：263-264.

[4]孙兴，孙运仲，王佳，等.铝电解漏槽冲断母线熔接恢复技术的探索及应用[J].云南冶金， 2021（03）：153-157 .

[5]佘凯莉，杨红存.铝电解漏槽安全预警系统应用探究[J].工程与管理科学， 2022， 4（02）：16-18.