防断气防打火抬母线框架设计原则

运城市圣昌源机电技术开发有限公司,防断气防打火抬母线框架技术报告,项目概述,防断气防打火抬母线框架是我公司专门针对目前抬母线作业时，所存在的断气和打火的安全隐患而设计的。防断气防打火抬母线框架有效解决了抬母线时出现突然断气和打火的技术难题。从而彻底杜绝了抬母线时因气路故障引起断气而造成系列断电的重大安全隐患。和抬母线打火而造成的平衡母线与铝导杆打伤，出现凹凸不平的现象。可有效降低平衡母线与铝导杆电压降、提高平衡母线与铝导杆使用寿命。可大幅度降低生产成本，提高经济效益。,立项依据及国内外技术背景,我国作为世界上最大的电解铝生产国，2009年产能已经突破2000万吨，产量为1285万吨，分别占全球的40%和35%。2009年国内电解铝耗能1822亿度，占整个有色金属行业电耗的83%，占全国发电量的5%。因此，电解铝是有色金属产业节能减排潜力最大的品种。有很大的发展空间。电解系列中，电解槽均串联在一起，而随着电解槽槽型的不断扩大和产能的不断提高，电解槽系列的安全性就更加重要。,立项依据及国内外技术背景,而目前所使用的抬母线框架在抬母线作业时却存在重大安全隐患。抬母线框架上部气缸采用普通气缸，也就是在抬母线作业时气缸在压缩状态，且气缸必须通气。如果这时气动系统出现故障，比如空压机故障、或气管突然断裂等。均会造成阳极导杆和铝母线脱离。首先造成铝导杆和母线打火，严重时铝导杆熔化造成阳极脱落，致使铝液溢出电解槽。冲断母线，处理不及时造成系列停产。我国某铝厂便出现过此类事故。带来重大损失。,立项依据及国内外技术背景,在电解生产中，铝母线与铝导杆接触面在抬母线时由于之间存在相对运动且导电不均匀不连续。所以在抬母线作业时便出现打火现象。这样铝母线与铝导杆接触面均遭到不同程度的破坏，并引起铝母线与铝导杆使用寿命下降，铝导杆过早损坏后不得不回炉处理。而铝母线只有等到大修时对损坏处进行补焊并用母线铣床铣销加工，费工费时。而且铝母线破坏后压接面压降不断升高，严重时比平常可高达2030mV。带来很大的经济损失。这样市场便需要一种可有效防止抬母线时断气，和防止抬母线时打火的新型抬母线框架。,电解槽系列组成,电解槽在通电运行后，电流由整流变流出后，流经电解槽底母线、立柱母线、平衡母线、阳极导杆、阳极炭块、电解质、铝液、阴极、电解槽底母线、到下一台电解槽，使每台电解槽串联在一起。最后流进整流变。,重大安全隐患,电解槽在抬母线作业时阳极导杆和母线压接在一起，电流通过压接面进行导电。这时如果压接面脱离，便会出现系列断电。给电解生产带来重大损失。也就是说，在抬母线作业时整个电解系列的安全维系在一根气管上。某铝厂2008年元月2日抬母线作业时便因抬母线框架主气管断气，造成上气缸失压。引起铝导杆与母线压接面脱离，最后导致打火严重，铝导杆脱落，引起系列停电，造成重大经济损失。,目前抬母线框架结构,目前抬母线框架结构,断气引起系列停电的原因,目前所使用抬母线框架，抬母线上部气缸采用单作用气缸，气缸上部进气，也就是在抬母线作业时气缸处在压缩状态，且气缸必须保持通气。如果这时气动系统出现故障，比如空压机故障、或气管突然断裂等。均会造成阳极导杆和铝母线脱离。首先造成铝导杆和母线打火，严重时铝导杆熔化造成阳极脱落，致使铝液溢出电解槽。冲断母线，处理不及时造成系列停产。我国某铝厂便出现过此类事故。带来重大损失。,铝导杆与母线压接面,铝导杆,母线,造成铝导杆与母线损伤的原因,抬母线作业时，在母线升上时铝导杆与母线压接面出现打火现象。引起电解槽电压波动，同时容易突发效应。更换阳极时，铝导杆与母线压接面处出现打火现象，并在导杆升上时出现拉痕。可以根据拉痕方向判断是抬母线打火还是换极打火，拉痕向上为抬母线打火，向下为换极打火。且抬母线打火较严重，多出现大坑。,出现打火现象的理论分析,在换极过程中铝导杆和母线在分离的瞬间存在4V左右的电压，在宏观状态下阳极导杆与铝母线压接面为一个大平面。而在微观状态下是一个一个孤立的点接触在一起。等阳极导杆与铝母线脱离的瞬间，必然存在最后脱离的点。这时大量电子流均要通过此处流过，形成局部高电流。这时能量高度集中在此处，使此处铝材迅速气化燃烧并喷射出去，形成电火花，并使附近铝材液化。这时铝导杆还要顺着母线往上拉一定距离。而液化处已失去机械强度，便被拉出一道拉痕。抬母线作业时情况与换极时形似。只是此时整个系列电流均要通过铝导杆和母线压接面。压接面电压降变化还会影响电解槽稳定性，如电压降变化大电流分布不均。还会引发效应。造成电解槽电压升高造成打火更加严重，出现恶性循环。所以抬母线打火均形成大坑。,防断气防打火抬母线框架设计原理,解决抬母线框架断气的原理 从造成抬母线框架断气所引起的安全隐患的原因，可以看出来。要想彻底解决抬母线断气的安全隐患，不能用治标不治本的方法。目前各铝厂是通过在气路系统中增加止逆阀和增加储气罐的方法，此方法仅能起到延缓漏气的作用。能赢来一点时间，但不能排除隐患。只有在断气状态下，能保障阳极导杆与铝母线处于压紧状态。才不会受气动系统是否断气的影响。就只用采用弹簧气缸了。弹簧气缸力作用方向正好相反。,防断气防打火抬母线框架设计原理,排除铝母线打火的原理 从打火的原因分析可以看出要想排除铝母线打火，则必须排除铝母线与铝导杆压接面电流集中到局部。而要想解决电流集中到局部的问题。也就是说在铝导杆与铝母线脱离的瞬间它们之间不能存在电势。只要存在电势便必然会出现打火现象（槽电压为4V左右）。在目前的技术和设备条件下不可能实现铝导杆与铝母线处于同等电势。而要使铝母线与铝导杆在脱离瞬间依然处于同等电势。就必须提前使铝导杆与铝母线连接在一起，才能使压接面在脱离瞬间处于同等电势。这样我们便引出了辅助导电装置的概念。辅助导电装置类似与电解槽启动时所用的软连接。,防断气防打火抬母线框架设计原则,保持原设计方格，经济实用的原则。 有了防断气防打火抬母线框架的设计原理，我们本着经济实用的原则对新增的辅助导电系统进行了设计：为了简化设计，并保持与原抬母线框架设计方格一致。我们的辅助导电装置钢结构件采用与阳极夹紧装置相同的结构和材料。如下图：,防断气防打火抬母线框架设计原则,辅助导电装置,防断气防打火抬母线框架设计原则,本着经济实用的原则，尽量简化设计，利用原有抬母线框架结构，在其基础上添加辅助导电系统。使每根铝导杆都通过铝软带和固定铝板与辅助导电装置连接在一起。这样既不改变原有阳极夹紧装置结构。有可以实现导电的目的。 弹簧气缸安装尺寸与原气缸安装尺寸一致，为了方便施工节约资金。我们在设计弹簧气缸时，使其安装尺寸与原气缸尺寸 保持一致。 配重设计也采用了阳极夹紧装置的设计方格。减少了施工量。,防断气防打火抬母线框架设计原则,改进后的阳极夹紧装置,防断气防打火抬母线框架设计原则,配重块,防断气防打火抬母线框架设计原则,创新性 如上图所示辅助导电装置采用S形铝软带，在铝母线升上过程中，S形铝软带可以弯曲变形，避免了由于铝接触面相对运动而引起的打火现象。 辅助导电装置中导电铝板运动是依靠伸缩气缸实现的，而导电铝板固定在固定架上，固定架通过滑车与辅助导电装置机架连接在一起，并可实现上下自由滑动。,防断气防打火抬母线框架设计原则,可扩展性 通过增加辅助导电装置来解决抬母线打火的原理，可以运用到多功能机组阳极机构上。以实现解决换极打火的现象。在多功能机组更换阳极时，阳极碳块还处于导电状态，这时如果让阳极导杆与铝母线脱离。便会在铝导杆与铝母线脱离的瞬间引起打火现象。虽然没有抬母线时打火严重，但抬母线打火治理以后，换极打火便提上日程来。只有同时解决了换极大火现象，才可以根除阳极导杆和铝母线打火。彻底保护铝导杆和铝母线接触面。,上气缸改为弹簧气缸,防断气防打火抬母线框架优点,彻底解决了抬母线过程中因突然断气，而引起的重大安全隐患。彻底解决了抬母线过程中的打火现象，避免了铝导杆与母线压接面拉痕的出现。解决了抬母线过程中，容易突发效应的现象。使电解槽运行更加平稳。,项目立项 研究过程,2008年6月运城市圣昌源机电技术开发有限公司技术人员在广西某铝厂考察时发现铝导杆与铝母线压接面有明显的损伤。经过观察与电解技术人员讨论主要是由抬母线打火引起的损伤。萌发了解决抬母线打火的想法。2008年7月份在公司例会上反映出抬母线打火造成铝导杆和铝母线压接面损伤现象。受到公司高度重视，并列为公司开发项目。组织相关人员进行市场调查和前期原理设计。2009年3月份经过半年的市场调查，发现各大铝厂均存在抬母线打火现象。并随着槽型大型化而越来越严重，特别是双阳极电解槽表现更加严重。并最初提出了通过增加辅助导电系统来实现解决 抬母线打火的设计原理，推翻了其他方案。,项目立项 研究过程,2009年5月份开始具体设计，并开始联系电解铝厂准备进行改造试验。并开始申请专利。2010年9月山西兆丰铝业公司在讨论抬母线作业时提出目前抬母线框架存在重大安全隐患。不仅抬母线打火严重并存在突然断气后可能引起电解槽系列停电的重大安全隐患。不少铝厂均发生过类似事故，个别铝厂还出现过系列停电的重大安全事故。后了解到运城市圣昌源机电技术开发有限公司所提出的防打火抬母线框架设计方案，开始联系圣昌源公司并提议在抬母线框架改造时同时解决因断气引起的重大安全隐患。并决定利用二期启动之际进行改造试验。,项目立项 研究过程,2010年10月份运城市圣昌源机电技术开发有限公司组织技术人员对抬母线框架改造提出具体方案 。并组织设计，10月中旬山西兆丰铝业有限公司和运城市圣昌源机电技术开发有限公司相关人员开会讨论。确定最后改造方案。从2010年11月份开始运城市圣昌源机电技术开发有限公司开始组织生产，2011年元月份到现场开始安装调试，经过两个月的试运行。到2011年3月开始正常运行。并取得圆满成功，各项指标均达到设计要求。2011年6月份山西兆丰铝业有限公司决定对其余抬母线框架进行改造升级。运城市圣昌源机电技术开发有限公司决定市场推广。,技术特征 主要技术指标及创新点,防断气防打火抬母线框架具有三大优点： 1、可有效防止抬母线框架在抬母线作业时出现气路故障，并排除由此而引起的安全隐患。 2、可有效防止抬母线时出现阳极导杆和铝母线压接面打火现象。有效保护铝导杆和铝母线压接面，提高其使用寿命。 3、抬母线时电解槽稳定性提高，突发效益减少。,技术特征 主要技术指标及创新点,主要技术指标：1、主要技术参数：压缩空气气压0.50.7MPa2、绝缘强度：单绝缘点2M3、弹簧气缸设计使用寿命：20万次4、弹簧气缸工作压力：0.50.8MPa,弹簧气缸最大弹力为14560N、工作弹力13000N。5 、抬母线框架改造完成后处于抬母线状态时无需气源。6、辅助导电系统满足整个电解槽的分流量。7、辅助导电装置伸缩气缸行程600mm，活塞直径100 mm。气缸工作压力0.50.8MPa。8、气动控制阀采用单作用气控阀，工作压力0.50.8MPa。9、控制按钮采用气缸升上为旋钮式、气缸下降为自复位按钮式。,技术特征 主要技术指标及创新点,主要创新点有两点： 1、增加一套辅助导电系统，使抬母线作业时，阳极导杆和铝母线之间有一套导电分流系统，而辅助导电装置会随着母线升上而运动。这样便保障了阳极导杆和铝母线之间一直导电良好。避免了铝导杆和铝母线压接面打火现象。在极端条件下可以起到整体分流的作用。 2、把抬母线框架上部普通气缸换为弹簧气缸，普通气缸在通气状态下对铝导杆和铝母线起到压紧的作用。这样如果出现断气便会引起安全隐患。而改为弹簧气缸后，弹簧气缸在通气状态时铝导杆处于自由状态，在弹簧气缸断气状态下处于压紧状态。这时气动系统是否出现故障均不会有任何影响。有效的排除了这一重大安全隐患。,专利情况,为了攻克抬母线打火的技术难题，我公司工程技术人员通过几年的理论研讨、现场考查、和技术论证。终于开发成功了防断气防打火抬母线框架，并获得了国家专利（专利号：201020559690.1）。 本专利的特点： 1、通过在原有抬母线框架结构不变的基础上增加一套辅助导电装置。在抬母线作业时，起到为平衡母线和铝导杆接触面分流的作用。使平衡母线和铝导杆接触面在相对运动时导电功能被转移出去。避免了打火现象。 2、气动控制系统采用原来的系统添加两个按钮。不改变 原来的操作习惯。所有动作均与原有系统同步。不会增加抬母线作业时间。 3、维护保养简单易行，只需定期对平衡母线与辅助导电装置接触面进行清刷即可。可结合抬母线框架维护时进行。 4、新型抬母线框架可以在原有抬母线框架的基础上进行改造，可结合大修进行改造升级,防断气防打火抬母线框架专利证书,实用新型名称：一种具有防打 火功能的母线提升框架发 明 人：段卫武专 利 号：ZL 2010 2 0559690.1专利申请日：2010年10月13日专利权人：段卫武授权公告日：2011年04月20日,防断气防打火抬母线框架结构,如下图所示，新型抬母线框架通过阳极夹紧装置加装铝板，再通过软铝带与母线框架下方安装的铝板焊接在一起。而辅助导电装置的软铝带也与母线框架下方安装的铝板焊接在一起。辅助导电装置下方 的铝板在抬母线时紧靠在平衡母线上。而辅助导电装置通过一套伸缩气缸和滑动装置，使其与平衡母线保持同步运动。这样便在铝导杆与平衡母线之间形成导电回路。对铝导杆与平衡母线之间的接触面起到分流的作用。使电解槽导电变得稳定和连续，避免了铝导杆与平衡母线之间的打火。,防断气防打火抬母线框架结构,防断气防打火抬母线框架结构,防断气防打火抬母线框架结构,原有母线框架可以改造,原有母线框架均可以改造为防断气防打火抬母线框架。改造不改变原有抬母线框架结构与功能。且不会影响其安全性。改造在抬母线作业间隙进行，不影响正常抬母线作业。,解决关键技术的具体措施和技术方案,防断气防打火抬母线框架在原有抬母线框架基础上进行了三大改进：1、新增一套辅助导电系统 辅助导电系统由6套（320KA）辅助导电装置、一套辅助导电铝板、导电软带、20套铝导杆导电装置共四部分组成。辅助导电装置由辅助导电装置机架、伸缩装置、伸缩气缸、导电软带四部分组成。安装在抬母线框架机架上。位置选择在铝导杆夹紧装置之间，不影响铝母线连接的空位处。在工作时伸缩装置可以随母线运 动。并且压紧在母线上。并通过辅助导电铝板、导电软带与铝导杆导电装置连接在一起。从而使铝母线和铝导杆之间形成回路。起到导电的效果2、更换弹簧气缸 把抬母线框架上部气缸更换为弹簧气缸，这样便有效避免了断气可能引起的安全隐患。3、改造气动控制系统 由于新增了一套辅助导电装置和更换了弹簧气缸气路系统也得改造，通过添加气动控制阀、管道和按钮阀来实现。4、增加配重（图11） 由于电解槽一侧有立柱母线，造成辅助导电装置在安装时出现一边多一边少的现象。为了保持抬母线框架重量平衡通过安装配重使其达到平衡。,技术成熟程度,我们所采用的均是成熟的技术，只是把它重新集成到一起。均是经过市场检验的成熟技术。1、铝软带和铝板压接技术在电解槽其他部位一直被采用。2、辅助导电装置机架采用与阳极夹紧装置相似的结构，都是成熟的结构。3、弹簧气缸根据国家标准设计，内部弹簧都是经过多次试验。4、整体结构已经经过近两年的运行。一直处于稳定状态，技术已彻底成熟。,对社会经济发展和科技进步的意义,防断气防打火抬母线框架可有效解决目前抬母线过程中的安全隐患。并延长铝导杆和铝母线使用寿命具有良好的社会效应和经济效益。防断气防打火抬母线框架的经济效益主要由以下几部分组成（以山西兆丰铝业十万吨为例）直接效益：1、避免抬母线打火后平衡母线不用焊接和铣削加工，每个大修 周期可节约 1000201442880000（元）约合288万 1000为处理一个母线压接面的费用，20为每台电解槽的阳极数，144为电解槽数。,对社会经济发展和科技进步的意义,2、避免抬母线打火后平衡母线与铝导杆压降可平均降低10mV,每年可节约费用为 (10 mV320KA365天24小时1000) 144台0.40元1614643.2元 约合160万元 3、提高铝导杆使用寿命。间接经济效益： 1、避免抬母线打火后，可以改善电解条件，使电压降分布均匀。提高电流效率，减少电压波动。 2、避免抬母线打火后，可以减少因打火对电解槽打壳气缸，下料气缸的破坏。具有良好的经济效益,推广应用的条件和前景,防断气防打火抬母线框架作为新一代的替代产品在兆丰铝业进行现场技术改造后，相继在山西关铝股份、中国铝业公司青海分公司、中电投黄河上游鑫业分公司、等十多家大型电解铝企业进行了推广，获得了高度关注和好评，部分企业已上报计划准备进行改 造 防断气防打火抬母线框架通过一年多的实际运行，已经证明了防断气防打火抬母线框架运行的安全可靠性、节能降耗的经济性、维修量极小的耐用性，已经逐步被电解铝企业的专家及技术人员认可，具备了推广应用的条件。我们有理由相信防断气防打火抬母线框架凭借可靠的安全性、成熟的技术、低能耗的经济性，将成为当前先进的抬母线框架，拥有广阔的发展前景，将在电解铝行业得到广泛的推广应用。,存在的问题,防断气防打火抬母线框架在生产中解决了电解生产的重大安全隐患和抬母线打火现象具有良好的社会效应和经济效应。但在生产实践中也存在一些不足问题主要有两点: 1、通过对抬母线框架的改造虽然解决了抬母线打火问题，但阳极导杆和铝母线压接面还是出现轻微的打火现象，并出现铝导杆和铝母线拉痕现象。为了彻底解决铝导杆和铝母线打火现象，我们经过考察研究最后发现在换极时在阳极脱离铝液面时出现打火现象。这将作为我们下一步研究课题，我们已经提出对铝电解多功能天车阳极机构进行