雙向平行流電解直流母排設計優化實踐

陳偉光

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西 南昌 330000）

目前，銅電解精煉生產工藝主要分為傳統始極片電解工藝和永久不銹鋼陰極電解工藝。而傳統始極片電解工藝的電流密度為220A/m2～280A/m2，永久不銹鋼陰極電解工藝電流密度也僅為280A/m2～330A/m2，近年來雙向平行流電解技術的應用，使銅電解電流密度≥380A/m2，雙向平行流高效電解工藝技術中電解液流動方向與陽極泥沉降方向一致，可有效提高銀回收，電解液的高速平行流動使得電解槽內的溫度、濃度分布更加均勻，亦能有效克服高電流密度電解時的濃差極化和陽極鈍化問題，能夠有效確保陰極銅質量和產量[1]。

銅電解技術不斷發展，電流密度不斷提高，導致直流輸電母排規格不斷變化。在整流系統中投資最高、施工難度最大的就是直流輸電母排。本文以某雙向平行流銅電解項目為依托，提出了大電流密度下電解銅母排的設計方案，確保整個直流輸電系統的可靠性及經濟性。

1 項目情況及母排選擇

該雙向平行流銅電解項目設計規模為400kt/a，設置有兩個電解系統，單個系統產能為200kt/a，每個系統設置一套整流裝置。整流裝置及直流輸電母排的額定直流電流為50kA、額定直流電壓為300V。根據GB 50673-2011《有色金屬冶煉廠電力設計規范》要求，重有色金屬電解銅母線電流密度宜按1.0A/mm2～1.5A/mm2選擇。設計時考慮直流母線上電流分布的不均勻性，電流密度按1.15A/mm2選擇，選用TMY-300 ╳12 銅母排12 片作為直流輸電母排。下文將對銅母排支撐絕緣子的選擇及安裝方式的選擇進行分析。

2 傳統絕緣子與新型絕緣子對比分析

根據上述銅母排規格（TMY-300 ╳12 ╳12 片）可知，其單位重量達384kg/m（不包含墊片及夾具重量）。在銅電解項目中傳統母排安裝通常選用ZPD-10 的鑄鐵-陶瓷絕緣子，而該傳統絕緣子具有以下缺點[2]：

（1）重量重。瓷本體很致密的特點導致瓷體自重較重，并且鑄鐵件的使用更增加了絕緣子的重量，倒是母線安裝的單位重量增加。

（2）體積大。傳統的瓷絕緣子通常采用聯合膠裝，下部金屬附件膠裝在絕緣件的外面，不能有效利用絕緣件的高度，因此導致絕緣子的高度和直徑比較大，在電解走道下方的狹小空間內占據較多空間。

（3）容易破損。由于瓷本身很脆，造成其在裝卸、運輸或安裝時易損壞。因此，在工程實施中通常需要考慮增加一個破損系數，這將導致額外的費用增加。

（4）原材料稀缺。瓷絕緣子主要原料采用長石和鋁礬土等，資源稀缺，且不可再生。

（5）生產、交貨時間長。瓷絕緣子加工過程繁瑣，對于一些瓷絕緣子要求較長的等待時間以減少毛坯中的水分以便于成形和焙燒，因此交貨時間較長，對于日益緊張的工程項目工期，該因素占比日益加重。

針對以上傳統瓷絕緣子的缺點，本項目中通過對比及借鑒相關行業經驗，采用環氧樹脂絕緣子代替傳統的瓷絕緣子。環氧樹脂絕緣子具有以下優點：

（1）重量輕。環氧樹脂材料的密度較瓷要低得多，因此環氧樹脂絕緣子的重量比瓷絕緣子輕得多，有利于電解母線的安裝。

（2）體積小。環氧樹脂材料內能埋入金屬附件，能使產品小型化，可以盡可能的增大母線對地距離，對人員安全有重要意義。

（3）抗沖擊能力強。除壓縮強度強外，環氧樹脂成型材料的彎曲強度和拉伸強度都遠優于普通瓷。既能夠減少其在運輸過程中的破損，又能夠使兩個支撐點間的距離拉長，較少絕緣支撐數量。

3 銅母排安裝方式

傳統電解銅母排主要是現場加工、預制，相對于銅母排加工廠的作業環境而言，現場施工難度相對較大。本項目根據銅母排在電解車間內的實際走向，精確設計，為銅母排加工廠直接提供母排加工圖，將之前在現場實施的切割、折彎、打孔、搪錫等工作都在加工廠內完成，減輕現場施工安裝工作量。另外，通過創新的銅母排安裝方式，起到了節省銅材用量，減輕施工安裝量的效果。

3.1 傳統的電解直流母線敷設方式

第一，傳統的直流母線敷設采用ZPD-10 的鑄鐵-陶瓷絕緣子，通過不銹鋼夾具將母線固定在絕緣子上，不銹鋼夾具頂端采用2 個?16 螺桿將銅母線固定[3]。

第二，傳統母線敷設方式中，引上線為一整根設計，此種引上線長度較長，導致安裝困難，引上線銅母排用量較大；引上線通過螺栓與主母線緊固，致使主母線間需要銅墊塊，增加了銅材的用量；且由于引上線與主母線通過螺栓緊固，導致主母線需在現場打孔，造成了現場的銅損耗。

3.2 本項目銅母線的新型敷設方式

本項目中銅母線的新型敷設方式主要是引上線采用焊接+螺栓連接的方式。引上線被分為了兩段，分別為引上線焊接段和引上線螺栓連接段。引上線焊接段與主母線焊接，引上線螺栓連接段通過螺栓將引上線焊接段和工藝槽邊匯流板連接。

此種引上線的設計形式，有三個顯著優點：①引上線單節長度變短，便于運輸、安裝；②引上線與主母線連接處無銅墊塊，減少了銅材用量；③由于引上線焊接段與主母線焊接，主母線上無需打孔，減少了現場的銅損耗。

4 結語

通過對傳統直流母線絕緣子選用及安裝方式的分析，在高電流密度雙向平行流項目中采用了一種新型絕緣子及創新的銅母線安裝方式，使得銅母線用量較常規電解更少，節省了大量銅材，具有良好的經濟效益。