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1、国家重大产业技术装备研制和重大产业技术开发专项“300kA级铝电解槽生产综合节能技术开发”大型铝电解系列不停电(全电流)技术及成套装置研制,项 目 汇 报 河南中孚实业股份有限公司 华 中 科 技 大 学 郑州中实赛尔科技有限公司,一、项目简介,1、项目背景,电解铝是一种重要的基础原材料，是仅次于钢铁的第二大金属 铝电解槽大容量、大系列已成当今世界铝电解工业的技术主流 “铝电合一” 形成的大系列、小电网运行模式成为电解铝工业发展的突出特点，电网适应电流波动的能力薄弱 系列中电解槽停槽检修、新槽启动、大修槽阴极钢棒焊接而沿用的系列停电或大幅度降负荷的操作模式 对于铝电解系列而言，好比正在行军的部
2、队，因为一个士兵的原因，整个部队要停下来等待；造成的不良影响日益突出而又无法避免，成为长期困扰铝电解行业的技术难题,2、项目来源,本项目是国家重大产业技术装备研制和重大产业技术开发专项“300kA级铝电解槽生产综合节能技术开发”项目（豫发改高技20051005号和发改办高技1255号） 课题之一 本项目由河南中孚实业股份有限公司承担，华中科技大学、郑州中实赛尔科技有限公司共同实施,3、项目主要内容,研究铝电解槽停、开槽电流转移过程的规律及控制方法，研究铝电解槽大修阴极钢棒各区磁场分布与母线电流的关系及调整方法 研制铝电解槽不停电（全电流）停、开槽，及大修焊接的方法和装置 推广应用以上方法和装置
3、，从而彻底解决铝电解槽大修停电的技术难题,4、项目主要研发过程,早在1995年12月，我国280kA大型铝电解试验槽开动前首次进行短路试验时，没有停电操作，结果造成了短路口“放炮”，短路母线遭到严重损坏，使整个试验槽启动计划推迟了3天 然而经过对许多电气专家和电器设备厂的咨询，当时形成的结论开发这样的装置几乎是不可能的 1997年9月，课题组成员之一的梁学民同志联合时任湖北超高压输变电局总工程师的李国兴教授（国家带电作业专家委员会成员），所在单位提交了“开发铝电解不停电短路装置的申请报告”和初步设想，经专家讨论，结论也是否定的,最早提出本项目研发的文件,一九九七年提出的项目申请报告,研究人员就
4、项目合作签订的技术协议,4、项目主要研发过程,本项目于1996年开始构思，并进行前期调研和数据收集；2002年开始申报国家经贸委技术创新项目；由于政府换届未能立项； 2004年6月企业自筹资金启动。根据课题组顾问李国兴教授和孙立锦教授的建议开始与国外某著名大电流开关制造企业（产品最大电流60kA）合作开发该技术。 与此同时再次以“300kA级大型铝电解槽综合节能技术开发”课题（本课题为六项分课题之一）开始申报国家发改委“国家重大技术装备及重大产业技术开发专项”资金计划，经过多次评审论证，并于2004年9月30日在北京铁道大厦通过了最后一次专家评审。2005年6月25日国家发改委正式批准立项（发
5、改办高技1255号）。,4、项目主要研发过程,其间课题组在中孚实业320kA电解槽上模拟大电流分流短路试验条件进行了大电流转移试验取得了成功，证明了大电流短路分流方法的可行性 经过历时一年多时间的合作开发，通过不断的技术研究和方案修改，两次现场考察和四次技术谈判。2005年6月12日课题组与国外合作单位在西安就电解槽不停电停开槽专用大电流开关组的开发方案达成一致，并签订了技术合作协议，约定于2005年7月初正式签订商务合同。 但是一个多月后外方通过代理商转告课题组“对项目没有把握，担心影响其产品声誉” 。至此，课题组开发工作陷入困境 。,4、项目主要研发过程,课题组根据李国兴教授的建议，决定联
6、合华中科技大学按照课题组最早提出的开发方案，由国内自主开发试验。 本项目历经十多年的理论研究和资料收集，经过数十次的试验室试验和十余次现场试验，于2006年9月，终获成功。经过对技术及装置的进一步完善，形成了成熟的不停电（全电流）停、开槽和大修焊接技术，制造并应用了成套的装置。 目前，河南中孚实业股份有限公司已应用该技术及装置成功停、开320kA电解槽79台次，大修焊接电解槽10余台次，申报国家专利7项,4、项目主要研发过程,二、项目开发研制,1、铝电解不停电技术研究与试验,铝电解槽停、开槽过程计算与分析 铝电解槽不停电停、开槽研究思路 大电流转移试验与分析 全电流条件下大修槽阴极钢棒焊接技术
7、研究与试验,铝电解槽停、开槽过程计算与分析,铝电解系列的特点 系列有几十台到数百台电解槽串联而成，单台槽具有大电流（达直流300kA以上）、低电压（直流4V左右）的特点，整个系列具有大电流、高电压（达1300V以上）的特点。 系列中任一台电解槽停槽或开槽操作，都将涉及系列主回路，并承受巨大的电流转移。 电解槽的停或开槽是通过操作短路口的闭合和断开来实现的。,单台电解槽电路原理,电解槽短路口断开过程中，短路母线分流量及槽电压变化量如右表。短路口闭合过程与此相反。,停、开槽计算,停、开槽分析,无论是停槽还是开槽，都是电流从一个回路转移到另一个回路的过程，这个过程是动态的非线性变化 电解槽停槽时带电
8、闭合第一块短路块，开槽时带电断开最后一块短路块，电流转移的能量最大 只要短路块接触面之间有电位差，在闭合或断开短路块时，都会产生气体放电现象，即所谓的“打火”或“放炮”现象 “打火”的能量取决于打火的电流、电压（槽电压）和维持时间 逐个断开和闭合短路块的最大电流转移量近200kA，直接操作短路块是不可行的,铝电解槽停、开槽过程电流、电压动态变化曲线,不停电停、开槽过程研究的关键问题,电流转移动态过程的监测与控制 无论停槽还是开槽，闭合或打开每一片短路块，电流转移量及电压变化量都是不同的，对过程中的每一个步骤都要有相应的控制策略和措施，以避免形成电弧； 回路电阻的控制与平衡 电流转移过程中，所有
9、电接触部位及导体的电阻都必须限制到很低的数值，否则由电发热引起的温升可能造成接触部位金属熔融，形成熔焊。,铝电解槽不停电停、开槽研究思路及方案,总体思路 不停电停、开电解槽的关健是在全电流条件下安全打开或闭合短路块。 安全打开或闭合短路块的前提是电流转移的能量要小，即产生火花的能量小 降低电流转移的能量的途径是，降低短路口两端的电压（等于槽电压）、减小短路口通过的电流 经过研究提出了采用短路口分流技术技术路线。,短路口分流技术（方案一）,采用一种电阻足够小并带有大电流开、合功能的装置。在停槽时，把处于断开状态的装置接入电路，然后让装置闭合，形成短路口的分流，然后闭合短路口，再断开并联回路，即实
10、现停槽；开槽时，反之。 此法称之为“分流短路法”,短路口分流技术（方案二）,电解槽开槽前，在短路口两端并联上一组电阻足够小的分流电阻，然后在此分流电阻的分流保护下，断开所有的短路块，随后电阻阻值迅速增大，使分流量逐渐减少，通过电解槽的电流逐渐增大，最终使电流全部转移到电解槽上，实现电解槽的开动。反之，用于停槽。 此法称之为“过渡电阻分流法”,其它方案,研究过程中，项目组专家还提出了如“液态电阻调压法”、“超导分流调压法”等研究方案，经研究和试验分析论证后，选择了前述的两种方法开展进一步的研究开发。,不停电大修阴极钢棒焊接技术,现象 电解槽大修时，需要把阴极钢棒与外部的母线焊接连通，这一操作必须
11、在电解厂房完成 阴极钢棒焊接部位处于上、下游电解槽及自身母线电流产生的强磁场中，钢棒头磁性较强，焊接时偏弧和飞溅严重， 无法进行常规焊接。,目前采用的方法,一是槽壳内磁屏蔽焊接法 二是系列停电焊接法 三是钢棒头压接法 四本项目电、磁平衡调整法,电磁平衡调整法,通过对中孚320kA铝电解槽进行研究和试验，经过现场测量、槽母线配置分析及电、磁计算后，将电解槽划分为几个区域，采用电流平衡和电磁补偿措施分别调整各施焊区域的磁感应强度，使区域内的磁场数值降低到能够顺利焊接的范围，从而保证钢棒能够很好地进行焊接。同理，分步调整各区的磁场强度，最终实现全部焊接。 2005年10月25日，对1024#大修槽采
12、用该技术进行焊接试验，取得了成功。此后，中孚实业320kA系列所有的大修槽全部采用这种方法进行不停电焊接。2006年该技术实现了技术转让（见附件） 。,2、不停电停、开槽装置研制,大型铝电解系列全电流条件下停、开槽装置研制涉及电、磁、热、材料及机械等学科。涉及电解槽停、开槽大电流转换过程电流、电压以及能量转移等动态过程控制 装置应具备的最基本的功能有三个： 一是具备大电流（数十万安培）有载接通和分断能力 二是具有较大的通流能力 三是体积小、重量轻、无磁性，能够符合现场的使用要求。 主要技术难点：大电流转移过程中电弧熄灭及大电流发热问题；多点操动机构的同步问题；现场装置的安装与操作问题,“大电流
13、分流有载短路”装置,试验样机的研制 试验样机用于本项目原理性试验，装置技术指标及性能的测试，为实用样机提供技术参数。试验样机一台。 技术要求 额定断口电压 DC10V 额定工作电流 DC 70kA 带电部位对地最高耐压 DC 1400V 额定通流情况下压降 150mV 瞬间耐受冲击电流 DC 350kA 环境温度 80 外观尺寸 5007001000mm内,单触电结构设计方案,设计制造,方案设计。确定样机的基本结构：板式框架多触头，多驱动，快速动作 方案论证。触头形式论证，驱动机构选择论证，导电材料论证，控制方式论证 设计计算。通流能力计算，电动力计算，电气发热计算，结构力学计算，驱动力计算
14、设 计。结构设计、电气设计、控制设计、安装方式设计、配套工具设计 材料选择、机构匹配。无磁性材料，磁动力驱动，分级绝缘设计 样机制造,样机试验,热稳定试验 接通样机20分钟，测量分流量和导电部件温度，测量导体电压降 动稳定试验 闭合、断开样机数次，观察闭合、断开过程，观察机械应变情况,试验样机首次试验照片,试验结果,样机闭合顺利，闭合后槽电压由原来的4.2V降到了1V以下，装置通流量59kA，稳定通流20分钟，测量装置内部导电体温均能不高于80，总电阻不大于10。 样机断开时，观察到个别触头有较强火花，并伴随有爆鸣声，产生火花的触头表面被烧蚀。经过测量分析，造成以上现象的原因是灭弧装置导流量小
15、，因此在改进型样机试验中采取了新的灭弧措施。,改进型样机制造与试验,改进型样机共五台（针对中孚320kA电解槽设计）组成，由电气智能控制系统完成整套装置整体操动。 技术要求 额定断口电压 DC10V 额定工作电流 DC 350kA 带电部位对地最高耐压 DC 1400V 额定通流情况下本体压降 150mV 五台不同步时间 0.02s 环境温度 80,改进型样机的特点,采用超大截面断口及高导流导电系统，单断口通流能力达10k A，通流率高，发热量小； 导电分流系统采用扁平结构，增加表面散热，在电流密度比试验样机增大一倍的情况下，导电体温升并没有增大； 创新设计并应用了板式框架结构，整个框架只有三
16、块钢板和数根连接杆件组成，体积小巧，安装方便，重量比第一代样机降低了60%； 驱动机构采用近几年来开关行业最新技术磁动力操动机构，创新应用多组磁动力机构驱动单台设备技术和多组磁动力机构同步联动技术； 传动部分研制并应用了联臂杠杆机构和强弹力推动机构，使各断口的同步性达到毫秒级，并使断口之间形成强力弹性压接，单个断口压力可达200kg以上；,改进型样机的特点,6. 创新应用了断口自适应平面接触装置，使断口电接触率高，压接效果好，单断口电阻降低到10以下； 7. 研制应用了二次灭弧装置，可使电弧集中到预定的灭弧触头上，并在灭弧触头上被熄灭； 8. 简化了外部连接结构，通过软母排直接压接到立柱与短路块之间，软母排总长度不到1米，开发了专用压接卡具，安装方便，总安装时间不到30分钟； 9. 研制了“多
