1、350 kA 铝电解槽焙烧自动分流装置的设计与实现王轩 1，赵仁涛 1，王永良 2，铁军 1（1.北方工业大学 机电工程学院，北京 100144；2.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110004）摘要：针对当前铝电解槽焙烧过程中手动通断分流片及人工记录数据存在控制精度低、焙烧效果不理想的问题，设计了一套焙烧分流自动控制系统。对焙烧过程中分流器的分流量变化、温度变化、分流效果和分流片的散热性能以及分流开关装置中动、静触头打火情况进行大量试验并做出深入研究。结果显示，该焙烧分流系统能够满足 350 kA 铝电解槽焙烧启动的要求。关键词：铝电解槽；焙烧分流；自动控制；分流效果中图分类号：TF821
2、文献标志码：A 文章编号：1007-7545（2014）04-0000-00Design and Implementation of Automatic Distribution Device in 350 kA Aluminum Electrolytic Cell RoastingWANG Xuan1, ZHAO Ren-tao1, WANG Yong-liang2, TIE Jun1(1. North China University of Technology Mechanical and Electrical Engineering College, Beijing 100144, C
3、hina；2. School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004, China)Abstract：An automatic control system for roasting distribution was designed to address unsatisfactory roasting effect and low control precision of manual deflector and artificial records data in current roast
4、ing process of aluminum reduction cells. The changes of volume and temperature, shunt effect of diverter in roasting process, heat dispersion performance of radiator deflector and dynamic roasting shunt; automatic control; shunt effect铝电解生产流程中焙烧效果直接影响铝电解槽的使用寿命以及耗能指标 1。目前，焦粒焙烧是国内铝电解槽最主要的焙烧启动方式 2-3，一般
5、是通过控制流过电解槽中焦粒床、阳极炭块和阴极炭块电流的大小来控制铝电解槽焙烧温度及升温速度，其缺点是自动化程度低、劳动强度大，要靠人工采集温度、分流量等数据，而且难以保证数据采集的时间和准确度 4-6。因此设计出一种自动控制的焙烧分流装置，它能够自动控制流过电解槽的电流大小，使其按设定的焙烧温度曲线完成电解槽的启动。整个焙烧过程中无需人工拆装分流片，从而确保焙烧启动的质量，大幅延长电解槽的使用寿命。本文通过大量模拟试验对焙烧分流装置的分流效果进行研究，以保证实际焙烧温度在整个焙烧期都能够符合预期值，从而获得良好的焙烧效果，最终达到铝电解槽的安全、自动启动。1 焙烧自动控制系统铝电解焙烧分流自动
6、控制系统由分流器、分流开关装置和控制器组成。该分流控制系统现场连接示意图如图 1 所示。收稿日期：2013-09-22基金项目：国家科技部科技支撑计划项目（2012BAEB09）作者简介：王轩（1988-） ，男，河北涿州人，硕士研究生.doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2014 .04.005图 1 铝电解槽焙烧控制系统现场连接示意图Fig.1 Connection diagram of roasting control system of aluminium electrolyzer1.1 焙烧分流器焙烧分流器分为上、下两组分流片组，每个分流片组有 6 片分流片。铝
7、电解槽焙烧过程中，标准分流器的一端连接到目标焙烧槽水平母线上，一端连接到焙烧分流开关装置上，由分流开关装置与下一台槽的立柱母线相连，实现分流装置与电解槽的并联连接。每个分流开关装置包括 12 个子开关，能够控制每片分流片的独立闭合和断开，从而调节流过铝电解槽电流的大小，按照预先设定的焙烧温度曲线完成电解槽的启动。1.2 焙烧分流开关装置焙烧分流开关装置是焙烧分流控制系统中一个主要设备。由上箱体、中箱体、下箱体 3 部分组成 7。上箱体的主要作用是与设计好的标准分流片相连接，中箱体中的控制器根据温升情况通过控制 12 个子开关的通断来控制分流大小。整个分流装置由下箱体来支撑。1.3 焙烧分流控制
8、器焙烧分流控制器分为硬件部分和软件部分。硬件部分包括工控机、西门子 300PLC 主站及从站模块，软件部分是利用西门子 SIMATIC WinCC 组态软件进行设计的上位机监控界面，通过参数设置界面可自定义焙烧曲线，设定不同阶段焙烧升温速度，实时显示每台分流器的工作情况，包括电解槽的焙烧电流、焙烧温度、电压、焙烧功率等多条曲线。2 试验过程与数据分析2.1 试验过程为了保证设备可靠运行，根据铝电解厂现场环境，进行模拟试验。本试验使用 62000B 系列直流电流源为分流器提供 022 kA 直流电流。通过分流器将分流开关装置与铝板连接，其中铝板模拟的是现场焙烧电解槽的水平母线。首先进行通电试验，
9、依次给分流器的每一片分流片通电，提供 3 kA/4 V 的电流，观察电流随温度变化趋势，待其电流稳定后记录稳定电流值。每片分流片通电 30 min，期间进行分流片的温度监测，记录最高温度。其次，进行 6 片分流片通电试验，提供 18 kA/4.8 V 的电流，通电 10 min 测量记录试验数据，观察发热状态与分流效果。最后，进行 12 片通电试验，提供 21 kA 的电流，通电 10 min，观察分流片发热情况，测量试验过程中最高温度。此外，在进行每片分流片试验的同时，对分流开关装置的接触触头进行通断打火试验，多次接通断开操作。2.2 试验数据采集与分析本试验主要对焙烧过程中分流器分流量的变
10、化、分流片温度的变化、动静触头的打火情况进行分析研究。2.2.1 分流片的分流量确定焙烧启动时，焙烧分流器与电解槽并联连接，部分电流经过焙烧分流器，分流量的大小受分流片电阻和铝电解槽实际情况影响。该焙烧分流器每片分流片电阻 的理论值为 0.8 m。每一片分流片接通直R流 3 kA 电流，在通电瞬间测量分流片两端电压，通电 30 min 时，通过 Chroma 电源控制软件界面，可以观察到电路中电流的变化情况与稳定电流值，分流片电流变化趋势曲线如图 2 所示。图 2 电流变化趋势曲线Fig.2 Current trend curve分流片的实际电阻 可以由欧姆定律求出，并利用公式（ 1）计算出与
11、分流片的实际电阻与理论电R阻 R 的相对误差 ，结果如表 1 所示。(1)0%表 1 单片通电稳定电流与电阻Table 1 Single piece steady current and resistance序号 通电时间/min 稳定电流/A 通电瞬间分流片两 端电压/V / mR/%1234567891011123030303030303030303030301 5601 5801 6401 6351 5501 5001 4451 4601 5701 5701 4501 4502.382.272.412.162.352.402.602.622.502.482.442.580.7930.75
12、70.8030.7200.7830.8000.8660.8730.8330.8260.8130.8600.835.410.4210.002.0808.339.164.163.331.637.50当通电模式为 6 片分流片同时接通，通电 10 min 后的稳定电流分别是 16 号为 9.84 kA 和 712 号为9.46 kA。如图 2 所示，通电后 200 s 分流片的电流迅速下降。原因是分流片通电后，其电阻随温度的升高而快速增大。根据材料在不同温度下电阻的计算公式（2）可计算出分流片温度升高后的电阻。（ 2）115TR当温度为 20 时电阻 R1 为 0.8 m，所以通过公式（2）可计算出
13、 12 片分流片的升温后电阻，最大为 1.68 m，最小为 1.51 m。400 s 后电流趋于稳定，稳定值为 1.451.65 kA，即 1 个分流器的分流量能达到 17.419.8 kA。那么 6 个分流器最大分流量可达到 104.4118.8 kA，分流比例最高达到 350 kA 系列电流的 34%，分流效果明显。分流量与分流效果都满足电解槽焙烧启动分流要求（分流量 350 kA 系列电流的 20%） 。2.2.2 分流片温度的测量 6因为电流经过分流片后会产生焦耳热，如果分流片过热，不仅会使分流片的使用寿命缩短，严重时甚至导致分流片熔断。因此必须对分流器的温度进行监测，而它的主要组成部
14、分是分流片，所以试验主要是对每组分流器的分流片表面温度进行测量。分流片通电时，对分流片进行实时温度测量，记录下通电过程中的最高温度，并观察分流片的发热状态。当采用单片分流片通电时长为 30 min 时，1 号至 12 号分流片稳定后的最高温度分别为 235、240、270、280、260、200、240、230、270、290、260、220 。当采用 6 片分流片同时通电 10 min 时，接通 16 号分流片 稳定后最高温度为 380 ，接通 712 号分流片稳定后最高温度为 405 ，而 12 片分流片都接通后最高温度达到 450 。由此可知，在模拟电解槽焙烧分流试验中，无论是单片分流片
15、通电还是 12 片分流片都接通，达到稳定后的最高温度都远低于分流片的熔点 1 500 ，能够完全满足分流系统的设计要求。在试验过程中还发现，由于分流片上靠近两端卡具的位置散热空间较小、空气不易对流，导致该位置的温度比中部高 50 左右 6。但在整个试验过程中，并没有出现分流片高温发红的现象（该现象出现表明分流片温度 550 ），说明在该操作条件下，分流片的散热条件可以满足要求。出于方便安装和散热的考虑，分流片设计成上下双层水平结构，上下两层之间预留一定的间隔。为了防止分流片由于电磁力的吸引作用相互接触，造成分流开关短路，采用耐高温云母片将上下层分流片相互隔开，进一步增大了其散热面积。分流片内外
16、侧拐角部分采用了圆角过度，可以避免此处电流密度过大、发热量大而引起的局部过热发红现象。2.2.3 动静触头带电通断烧蚀试验由于分流开关的动触头连接在分流开关主体上，静触头安装在中心大铜排上 6，在带电情况下开关的开闭过程中，触头间会有间隙打火现象。如果是铜基触头，多次接通和断开后，动、静触头的接触部分会出现比较严重的烧蚀现象，急剧增大了该部位的接触电阻和焦耳效应产生的发热量，严重时甚至会造成分流开关的失效。为了避免上述现象产生，设计时在动、静触头上焊接了一定材料的过渡层，改进了触头的接触情况。在带载条件下闭合时打火较小，断开时有火花（绿色的） ，打火明显减小，接触面良好，不会产生较大的接触电阻
17、。触头拆下来后的形貌如图 3 所示，局部接触，烧蚀为坑状，不存在烧黑的问题。图 3 动静触头打火后腐蚀图Fig.3 Dynamic and static contact lighter after corrosion3 结论1）自动分流装置可以准确控制设备的运行安全，能够实现铝电解槽的安全、自动启动。2）分流开关内部动静触点工作可靠，打火不明显，腐蚀情况可以接受。3）分流片不出现发红或局部过热现象，对焙烧过程没有影响，分流片的分流量与发热状态都能够满足电解槽焙烧启动分流的要求，并且分流和焙烧效果都很良好。参考文献1 干益人. 我国大型预焙烧铝电解槽发展中的若干问题探讨J. 世界有色金属，200
18、1（3）：4-8.2 刘永刚，唐骞，梁韬. 铝电解槽大型预焙槽四种焙烧方法的比较 J. 轻金属，2000（4）：33-35.3 王恭敏. 国内外铝工业发展状况及我国铝工业政策J. 有色设备，2007（3）：1-9.4 戴小平，丁心耿，陈蒲明. 200 kA 预焙槽焙烧启动技改工程综述J. 有色金属(冶炼部分) ，2006（3）：23-25.5 华桂林，邵勇. 230 kA 大型 预焙槽焙烧启动技术方案探讨J. 轻金属，2004（8）：39-40.6 张旭东. 铝电解槽焙烧控制系统的优化研究D. 北京：北方工业大学，2012.7 杨力. 铝电解槽焙烧控制系统设计与研究D. 北京：北方工业大学，2011.
