電解鋁行業事故發生的原因探析

高文義，張文章

（云南神火鋁業有公司，云南 富寧 663400）

近幾年來，鋁行業電解槽由于漏槽等原因發生多起安全生產事故，造成系列停電停產，給企業帶來巨大的經濟損失，嚴重影響了企業的正常生產經營工作。回顧近年來鋁行業發生的十幾起重特大事故，令人觸目驚心。這些事故除外界不可抗力因素導致系列停電停產外，如河南、山東個別電解鋁企業因突發自然災害造成的系列電解槽停電停產事故，其他幾起皆是在生產過程中發生的重、特大惡性事故，這些突發事故給企業幾乎帶來滅頂之災。生產過程中如何避免或減少電解系列停電停產等惡性事故的發生？

1.大型預焙電解槽的生產特點

1.1 電解槽的大型化發展趨勢

進入二十一世紀，科技進步日新月異，為加快高質量發展，國家通過安全環保、電價、貸款、稅收等優惠政策和提高行業準入門檻推動企業淘汰落后產能，加快技術升級。電解槽的大型化發展趨勢成為電解鋁企業技術升級改造的首選。目前400kA及400kA以上電解槽占到總產能的80%以上，500kA級電解槽成為當前生產的主力槽型。因此大型化意味著電解槽內物料和產品的容量更大，單臺電解槽內鋁液和電解質的總質量超過50t以上，甚至更多。大容量意味著高風險，一旦發生漏爐，由于高溫熔體量大，很難采取堵漏措施，只能任其泄漏完。泄漏到槽下地面的高溫液體很容易引起地面爆炸和火災，近幾年行業甚至發生過搶救事故行車被大火燒塌墜落的次生事故。

1.2 設計更復雜

近十幾年來，為不斷優化提升電解槽經濟技術指標，保證電解槽投產后運行穩定，減少磁場對電解槽的影響，設計單位通過調整母線配置，增加補償母線，減弱或消除磁場影響。大型電解槽母線配置十分復雜，特別是電解槽下部周圍空間狹窄，布滿密密麻麻的鋁制陰極母線，漏爐時高溫熔體很容易沖斷母線，造成系列斷路停電。

1.3 生產的特殊性

電解鋁生產系列是一個特殊的供電整體。一個40-50萬噸500kA電解系列生產線平均電解槽數量300-370臺左右，整個系列的電解槽串聯在一起成為一個串聯電路，每臺電解槽都是整個系列中的一個導電體，生產運行過程中一旦某臺電解槽發生突發停產事故，類似于電路斷電，系列電解槽瞬間停止運行。相當于一臺電動設備按下停止鍵停止運轉。正常生產情況下，有計劃的單臺電解槽的停電操作至少需要30～40分鐘才能完全停下來而不影響系列內其他電解槽的生產。

1.4 生產操作的傳統化

進入21世紀以來，盡管電解槽的硬件技術在近二十幾年內實現了迭代升級，由20世紀90年代小型的自焙電解槽（60kA）逐步升級到大型預焙電解槽（200kA～400kA）和特大型預焙電解槽（500kA或500kA以上），但是主要的生產管理操作仍然傳承著傳統的人工操作管理方式，效率低、勞動強度較大。如新投產的電解槽的裝爐、焙燒啟動時人工添加物料，生產期間電解槽的換極作業、熄效應、電解工藝技術條件的測量（溫度、鋁/電解質水平）、取試樣、陽極電流分布測量，當班期間的巡視維護管理、槽罩板的封蓋等，機械化、自動化程度依然很低，僅僅在邊緣技術上有所突破，如智能打殼系統、槽控機模糊控制系統等。

1.5 工作環境高溫、強磁

大型鋁電解槽電流強度大，通電后在電解廠房周圍形成強大的電磁場。運行的電解槽內高溫電解質液在950℃左右工作，生產過程中熱能利用率不足50%，因而持續不停的向外散發熱量，導致廠房內環境溫度升高，特別是更換兩臺電解槽中間部位的陽極時，操作人員直接面對電解質的高溫熱輻射，環境溫度更高，作業人員汗流浹背，對體力消耗很大，暴露在高溫、強磁環境下極易疲勞。

1.6 系列產能規模大

近年來，隨著大型預焙電解槽技術的快速發展，電解槽的大型化步伐越來越快，21世紀初至今的二十年間，國內電解槽電流強度最大200kA，到現在設計電流強度660kA的電解槽已投入系列化生產。為降低投資成本，單體系列產能規模也由初期的20萬噸上升到40-50萬噸，當前許多新建電解鋁企業的產能規模大多就是一個系列的電解槽。

1.7 電解生產的連續性

鋁電解槽是一種特殊的生產設備，而且整個系列電解槽是串聯電路布置。電解槽在正式投入生產前，需要經過3-4天的通電焙燒，溫度從常溫下逐步升高到980℃左右，然后經過啟動后才能進入生產。電解槽由于在始終高溫狀態下生產，槽內需要大量的高溫熔融電解質液和鋁液保持電解槽正常工藝技術條件的穩定，以維持電解槽連續不斷的生產，除非遇到供電負荷緊張或外界不可抗力因素，以及突發生產事故，或者因陰極破損無法維持生產等原因停產外，電解槽是始終保持連續性生產的一種設備。

1.8 人員流失嚴重

近年來一些電解鋁企業為進一步提高經濟效益，降低勞動力成本，普遍把減少生產一線作業人員作為提高人均工效的主要手段，并作為衡量企業管理水平的指標。然而由于電解鋁生產特殊的作業環境和傳統的作業方式，由于減員后，存量員工的勞動強度增大，導致技能熟練員工流失嚴重。據統計，目前電解鋁企業每年的人員流失率達30%-50%，位置偏遠、條件艱苦的電解鋁企業很難招到合適的電解工，一些企業只有放寬招工條件和標準招聘新員工，這樣很不利于電解槽管理水平的提高，也增大了安全管理的難度。

2 鋁行業的安全事故的類型

據統計，2017年以來，國內外電解鋁企業發生的10余起電解系列停產事故，給企業造成巨大的經濟損失，特別是市場行情低迷時，有的企業因為無法投入大量啟動資金無力回天，瀕臨倒閉。而這些導致電解槽系列停產的事故中，有60%的事故是由生產過程中電解槽破損維護管理不到位突發漏爐或啟動期間漏爐或滾鋁造成的，其余則是自然災害引發的，如供電設備遭遇雷擊停電、電解廠房遇到洪水襲擊等。

2.1 漏槽事故

電解槽漏槽事故是近幾年發生頻率最高、造成損失最大的主要事故類型之一。漏槽事故多發生陰極炭塊破損部位連接的陰極鋼棒出口或側部炭塊破損部位對應的槽殼處。陰極鋼棒處漏槽主要原因是爐底陰極底塊破損，高溫鋁液順著破損的陰極底塊裂縫逐步滲漏到陰極鋼棒部位，逐步熔化陰極鋼棒。表現為電解槽內原鋁質量中雜質鐵、硅元素持續升高，一旦破損部位得不到修補，陰極鋼棒熔化至鋼棒和槽殼連接出口部位，大量鋁液順著陰極鋼棒口噴涌而出。

側部漏槽主要是電解槽因技術參數控制不合理，側部碳磚長期無爐幫保護或側部碳磚被熔蝕破壞，高溫電解質或鋁液侵蝕邊部側部碳磚和保溫層燒穿側部鋼板而流出。由于電解槽周圍和槽殼下部密布有大量導電母線，若母線保護措施不及時不到位，高溫電解質或鋁液瞬間沖壞導電母線，造成系列停產事故。

2.2 滾鋁事故

電解槽生產過程中發生的滾鋁現象，主要是因為電解槽的工藝技術條件嚴重偏離正常控制范圍，沒有培育成規整槽膛，槽膛長期畸形。電解槽內鋁液量少，鋁液水平高度偏低，陽極電流和陰極電流分布不均，磁場發生紊亂。鋁液受磁場影響出現不規則的翻滾，嚴重時鋁液會濺出槽外。若滾鋁問題處理措施不當、不及時，造成嚴重偏流，電流集中于某一個立柱母線，極易造成立柱母線過載，發生母線短路口爆炸，釀成系列停產事故。

2.3 供電系統事故

供電系統是電解鋁生產的中樞。近年來，由于供電整流系統設備操作、維護不當，出現設備故障，發生整流變壓器火災或整流柜爆炸以及氣象雷擊等原因造成系列電解槽短時間停電或停產的事故。

2.4 自然災害事故

特別是夏季強降雨形成的洪水進入供電系統或電解廠房電解槽而造成的系列停產事故，近幾年河南、山東的幾家電解鋁企業發生多起水災事故，給企業造成了很大損失。

3 電解鋁行業的安全生產事故的特點

電解鋁行業高溫、強磁的生產環境，以及電解槽容量大、系列規模大和串聯電路生產的特點，決定了電解鋁行業的突發事故處理的難度和損失的擴大。

3.1 事故易突發，搶救難

大型預焙電解槽由于破損突發漏槽事故時，若事故發生初期處理措施及時得當，可以阻止事故進一步發展，逐步控制事故。倘若處理不及時，會隨著時間的推移，事故擴大將難以控制，因為槽內大量的高溫電解質和鋁液會進一步沖刷破損部位，快速噴涌而出，流到地面造成地面混凝土爆裂。同時在事故電解槽周圍的大量高溫鋁液和電解質熱輻射形成高溫空間，搶救人員很難靠近事故區域采取阻斷措施進行搶險，更有甚者鋁液會沖斷電解槽周圍導電母線，導致局部立柱母線電流集中，引起母線短路口爆炸，造成系列停電、停產。

3.2 事故造成的損失大

電解鋁企業突發停電、停產事故，受鑄造能力、運輸、出鋁工具等環節影響，很難在短時間內把大量停產電解槽內的鋁液完全抽出來，這樣隨著電解槽溫度的下降，不能及時吸出液鋁的電解槽，最后只能凝固在電解槽內成為25cm左右厚度的整體鋁塊。若不清理出槽內的鋁塊，電解槽難以重新啟動，因此在清除槽內鋁塊過程中不可避免的對陰極炭塊造成損傷，如果陰極炭塊損壞嚴重，必須考慮對電解槽內部結構大修，單臺電解槽人工和材料費用大約120-150余萬元。由于槽內鋁塊厚度高，體量大，因此要完全清理出槽內鋁塊，必需投入大量的人力、物力、財力和時間。

近年還有企業發生了廠房內多功能行車被高溫鋁液燃燒引起的大火燒壞墜落地面、事故區域電解廠房被燒塌的惡性事故。

3.3 事故搶險周期長

系列停產電解槽要盡快恢復生產，除需要完全清理出電解槽內大量的固體鋁，還要對破損較輕的陰極炭塊裂紋、伸腿等局部脫落部位進行修補，破損嚴重的需整體更換內襯材料。整體更換一臺電解槽內襯材料周期，大約需要20-25天時間，系列電解槽完全具備重新投入運行條件需要1-4個月，甚至更長時間。此外還要修復多功能行車和廠房。

3.4 恢復生產的難度大

因為事故停產的電解槽經過局部修補后重新投入生產，還要經過72小時左右的二次通電焙燒啟動，特別在啟動過程中存在很大的漏槽風險。有些電解槽可能因為陰極炭塊內部結構破壞，或者陰極炭塊表面修補后的隱性破損部位，很可能在啟動過程中受高溫沖擊再次發生漏槽事故。

4 事故的防范措施

針對大型預焙電解槽生產和事故發生特點，必須建立針對性的安全管理體系，制定可操作性強、行之有效的事故防范措施，以保證電解槽的安全生產。

（1）確定科學合理的工藝技術參數，保持電解槽生產工藝的穩定，生產過程中嚴防工藝技術參數出現大的波動。保持穩定的工藝技術參數，是保證電解槽安全穩定高效運行的關鍵。生產過程中要嚴格精細操作，精準控制工藝技術參數，對于工藝技術參數異常的電解槽要認真分析原因，及時調整工藝參數至正常工作范圍內。

（2）精準監控原鋁質量。生產過程中因原材料質量或工藝參數變化，致電解槽內原鋁中雜質鐵、硅含量發生輕微質量波動屬于正常范圍，但是如果原鋁中雜質鐵、硅含量波動幅度大、延續時間長或者持續升高，就要引起高度重視，要及時排查分析原鋁質量變化大的原因，確定電解槽陰極底塊是否破損、陰極鋼棒是否熔化或保溫材料損壞、原材料質量變化所致原鋁質量發生變化。

（3）加強破損槽的監控巡視，電解槽一旦確定陰極炭塊破損或側部破損，就要列入重點監控對象，制定具體的破損部位修補和監控措施，特別是電解槽側部炭塊對應的槽殼散熱部位、陰極鋼棒及鋼棒周圍槽殼部位和下部槽殼部位，固定專人測量各部位溫度是否異常，是否超出正常生產區間，確保處于可控范圍。

（4）制定防漏爐應急預案，加大防漏爐應急演練。電解槽運行周期內，會因為筑爐材料質量、筑爐質量和管理不到位出現破損，由于日常維護和監控疏忽，而發生漏爐。因此電解槽防漏爐演練應作為現場操作人員的一項基本技能，通過定期組織演練提高現場作業人員的搶險技能和應急處理能力，以保證電解槽的安全生產，防止事故發生。

（5）防漏爐應急處理措施到位。作為預防事故擴大的應急措施，在距離破損電解槽較近周邊的位置可以配備一定數量的應急物料、工具、臨時陰極母線防護裝置，以及應急救援母線等，以備應急之用。

（6）積極推進新技術的應用。目前大型電解槽下部防漏爐巡視工作，漸漸發展成為一個獨立的工種，每個工作時段內安排一定數量的員工在電解槽下部巡視檢查電解槽有無異常情況，作為一個過度措施。隨著科技的發展，槽下部巡檢機器人以及分布式陰極鋼棒溫度測量儀已在一些電解鋁企業進行試用，并取得一定的效果，隨著不斷的改進和完善，并終將取代人工測量和巡檢，也為電解槽的安全運行增加了一道屏障。

大型預焙電解槽發生系列停電停產事故，教訓十分慘痛，對企業的健康發展影響是災難性的。因此，全面系統把握當代大型或超大型電解槽的生產特點，強化生產過程的管理與控制，精準制定事故應急預案，建立并完善事故應急救援體系，提高員工崗位操作技能和應急處理能力，方能避免事故發生，保證企業的安全穩定運行。