程志芳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：電單耗是銅電解生產的一項重要技術經濟指標。重點介紹了某冶煉廠電解車間通過使用安科瑞EMS能效管理平臺監測到電流效率、電解槽電壓等參數間關系變化，之后采用提高電流效率、降低電解槽電壓、優化生產作業流程等措施降低陰極銅電單耗的一些生產實踐。
關鍵詞：電單耗;陰極銅;電流效率;槽電壓；EMS；能源管理；
引言
2015 年初，某冶煉廠為了進一步降低成本，要求各車間持續優化生產指標。在廠電解生產中，電力消耗占陰極銅生產可控成本的近 60%。因此，降低噸銅電耗是降低生產成本的重點工作。
1、影響噸銅電耗的因素
在銅電解過程中，采用銅陽極爐產出的陽極板為陽極，以種板工序生產的始極片作為陰極，以硫酸銅溶液作為電解液，在通以直流電的工藝條件下，陽極的金屬銅溶解，形成二價的銅離子，經電子遷移在陰極上放電析出，從而與雜質分離，形成高純度的金屬銅。
銅電解的直流電單耗計算公式如下:
W = (V×103)/(1. 1852 × η)
其中，W— 直流電單耗;V— 槽電壓;η— 電流效率 。
由上式可知，直流電單耗與槽電壓成正比，與電流效率成反比。因此，降低直流電單耗措施從降低槽電壓和提高電效率兩方面來著手。
在應用中，通過安科瑞EMS能效管理平臺監測槽電壓，計算電流效率等功能，自動計算出直流電單耗。
2、降低槽電壓
2.1調整電解液酸濃度
安科瑞EMS系統監測到適當提高電解液中含硫酸量，可以使電解液導電性增加，降低電解液電阻，從而降低槽電壓。高酸低銅的電解方式可有效降低電解液的電阻，但是，在酸高時，會降低硫酸銅的溶解度，導致硫酸銅從溶液中析出，引起陽極鈍化。另外，由于廠產出的陽極板中鉍元素含量較高，在電解過程中，如果酸度過高，會將導致部分金屬鉍未能充分沉降，而黏附在陰極上，使得陰極銅質量下降。經過探索和安科瑞EMS系統多次的監測記錄，將電解液中的硫酸含量控制在170 ～185 g/L 為較佳條件。
2.2清潔接觸點
保持接觸點清潔，可以降低接觸電阻，從而降低槽電壓。1) 安科瑞EMS系統監測到當電解時間較長時，接觸點處會有硫酸銅析出，使接觸條件變差，接觸電壓會升高，造成銅棒溫度升高而氧化，在表面形成氧化膜，使得電阻增加，接觸電壓升高。針對這種情況，采用直接沖水，可以清洗在接觸點處析出的硫酸銅，改善接觸條件，杜絕了銅棒氧化膜的形成，從而明顯地防止槽電壓升高。2)由于出銅時，行車起吊殘極及陰極銅從槽面上經過，殘極及陰極銅上的殘余電解液會滴落在槽面上，其中的硫酸銅會在導電排上，造成附著物增加，僅用水沖，不足以保持清潔，所以，又增加了一道酸洗工序。通過長期實踐發現，上述兩種方式，可以有效保持接觸點清潔，降壓效果明顯。
2.3及時查補殘極
安科瑞EMS系統的長期監測數據表明，與新陽極板相比，殘極槽電壓平均高出 0. 02 ～0. 04 V 左右，主要由于殘極的陽極面積減小，使得陽極電流密度增加;同時，殘極的陽極泥層加厚，電阻增加。針對以上問題，各生產班組都成立了殘極查補班組，專門負責槽面殘極的更換，采用腳踩、手掂、眼觀、表測等多種方法，確保及時更換每一塊不合格的殘極。
2.4調整槽溫
提高電解液溫度，可以加速電解液中的離子擴散，降低濃差極化。經試驗，通過安科瑞EMS系統監測，電解液在 60 ℃時的導電率幾乎為 25 ℃時的2. 5 倍;在50 ～60 ℃時，溫度每升高 1 ℃，電解液電阻約減少 0. 7% 〔4〕 。但是，升高槽溫會增加蒸汽消耗，也影響車間作業環境。經實踐，對原先的電解槽溫范圍60 ～65 ℃進行了調整，在夏季，適當提高了槽溫下限，調整為 62 ～65 ℃;在冬季，槽溫調整為 64 ～67 ℃。
2.5控制電排發熱
導電排和導電總排的發熱均會引起電阻升高，增加電耗。安科瑞EMS系統實時監測導電排和總排溫度，發現溫度異常，及時報警，提醒維護人員采取緊固螺栓或用酒精清擦，除去污漬，改善接觸條件，以降低電耗。
3、提高電流效率
3.1減少漏電
電解液循環管道全部使用 PVC 塑料管，槽體與梁柱之間用絕緣皮隔開，絕緣效果較好。主進液管道、回液管道、溜槽全部采用吊環懸吊式固定，基本杜絕了電解槽對地漏電現象。
(1)剩余電流繼電器應用介紹
剩余電流繼電器是由剩余電流互感器來檢測剩余電流，并在規定條件下，當剩余電流達到或超過給定值時，使電器的一個或多個電氣輸出電路中的觸點產生開閉動作的開關電器。
下面介紹三種常見的漏電情況：
防直接接觸電擊需要采用I△n≤30mA的高靈敏度的RCD。
防間接接觸電擊可采用I△n大于30mA的中靈敏度的RCD。
防火RCD需采用4極或2極RCD。
對于IT系統，按規定采用剩余電流繼電器。為防止系統絕緣降低和作為二次故障后備保護，依據接線型式，采用類似 TT 或 TN 系統的保護措施。首先應采用絕緣監視裝置，預測一次故障。
對于TT系統，采用剩余電流繼電器。因為當發生單相接地故障時，故障電流很小，且較難估計，達不到開關的動作電流，外殼上將出現危險電壓。此時N線穿過剩余電流互感器。
對于TN-S系統，可采用剩余電流繼電器。更快速靈敏切斷故障，以提高安全可靠性，此時 PE 線不得穿過互感器，N 線穿互感器，且不得重復接地。
對于TN-C系統，不能采用剩余電流繼電器。因為 PE 線和 N 線合一，若 PEN 線不重復接地，當外殼帶電，互感器進出電流相等，ASJ拒動；若PEN線重復接地，部分單相電流將流入重復接地，達一定值后，ASJ 誤動。 需將TN-C系統改造成TN-C-S系統，同TN-S系統，再將剩余電流互感器接入TN-S系統中。
(2)安科瑞電氣ASJ產品簡介
安科瑞電氣ASJ系列剩余電流繼電器能夠滿足上述幾種漏電情況的防護，與遙控跳閘開關聯用，及時切斷電源，防止間接接觸、限制漏電電流。也可以直接作為信號繼電器，監控電力設備。特別適用于學校、商廈、工廠車間、集貿市場、工礦企業、國家重點消防單位、智能大廈與小區，地鐵、石油化工、電信及國防等部門用電的安全保護。
ASJ系列產品主要有兩種安裝方式，ASJ10系列為導軌安裝，外形和功能如下表所示：
ASJ20系列為面板安裝，外形和功能如下表所示：
其中AC型和A型剩余電流繼電器的區別是：AC型剩余電流繼電器是對突然施加或緩慢上升的剩余正弦交流電流能確保脫扣的剩余電流繼電器，主要監測正弦交流信號。A型剩余電流繼電器是對突然施加的或緩慢上升的剩余正弦交流電流和剩余脈動直流電流能確保脫扣的剩余電流繼電器，主要監測正弦交流信號和脈沖直流信號。
儀表具體的接線端子和典型接線如下所示：
3.2減少短路
(1)在電解過程中，陽極板的物理外觀是造成短路的一個重要原因，陽極板上的飛邊毛刺、板面彎曲都有可能造成陰、陽極接觸，形成短路。陽極校正崗位明確要求除去飛邊、毛刺。板面有鼓包、大小耳扭曲、不一致的陽極板挑出，全部放在電解槽頭、槽尾，以減少短路率。
(2)對始極片采取分類使用，將種板生產第 4 ～6d 產出的較厚、易加工成形的始極片加工后，用于生產槽中空間較小的新陽極之間，其它較差始極片用于陽極板尾板。
(3)保證裝槽時陰、陽極板平行正對，從而減少生產中出現肥邊銅造成短路。
(4)實行零短路交接班制度。
(5)限流式保護器產品介紹
ASCP系列電氣防火限流式保護器是安科瑞專門為了保護低壓配電線路中短路、過載等問題研發，可以有效克服傳統斷路器、空氣開關和監控設備存在的短路電流大、切斷短路電流時間長、短路時產生的電弧火花大，以及使用壽命短等弊端，當發生短路故障時，能以微秒級速度快速限制短路電流以實現滅弧保護，從而能顯著減少電氣火災事故，保障使用場所人員和財產的安全。
保護器可廣泛應用于學校、醫院、商場、賓館、娛樂場所、寺廟、文物建筑、圖書館、檔案室、會展、住宅、倉庫、幼兒園、老年人建筑、集體宿舍、電動車充電站及租售式商場商鋪、批發市場、集貿市場、甲乙丙類危險品庫房等各種用電場所末端干、支路的線路保護。
保護器主要有兩個型號適用于地下商場用電監控，ASCP200-20D是簡易型保護器，主要適用于額定電流20A以下的照明和插座回路。ASCP200-40D是功能型保護器，主要適用于額定電流40A以下的插座和其他用電回路。兩種型號保護器均采用導軌安裝，可以與空氣斷路器并排安裝。
(6)限流式保護器功能介紹
短路保護功能。保護器實時監測用電線路電流，當線路發生短路故障時，能在150微秒內實現快速限流保護，并發出聲光報警信號。
過載保護功能。當被保護線路的電流過載且過載持續時間超過動作時間(3~60秒可設)時，保護器啟動限流保護，并發出聲光報警信號。
表內超溫保護功能。當保護器內部器件工作溫度過高時，保護器實施超溫限流保護，并發出聲光報警信號。
通訊功能。保護器具有1路RS485接口，Modbus-RTU協議。可以將數據發送到后臺監控系統，實現遠程監控。
ASCP200系列標配以上四個功能，ASCP200-40D功能型還包含過欠壓保護功能，線纜溫度監測功能，剩余電流監測功能，選配無線通訊方式，支持4G、NB-IoT。
(7)限流式保護器產品應用
所有的末端設備可以通過有線或者無線的方式接入到電氣火災監控主機，主機設置在地下商場的消控室，消控室也可以布置智慧消防云平臺，監控所有接入的消防設備，云平臺可以采用網頁訪問，也支持手機APP查看數據和報警。
4、結語
針對我廠的電解工序自動化不高的現實情況，通過安科瑞EMS系統實時監測，采取多種降低槽電壓方式，包括調整酸濃度、清潔接觸點、提高槽溫等以及多種提高電流效率的措施，能夠顯著降低陰極銅的電單耗，創造出大極板生產電銅的電單耗較優指標。為企業在復雜的市場經濟條件中贏得一定的生存空間。也可以為其它銅冶煉廠的電解生產提供一定的借鑒作用。
【參考文獻】
[1]唐文忠.王玉芳, 《降低銅電解電單耗的工藝優化實踐》 礦冶 2016年2月
[2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊 2019.11版
