摘要：整流装置是为电解工业提供能量的核心单元，随着电解工业的不断发展和进步，整流装置的作用也随之凸显出来。在电解锰中试车间的设计过程当中，结合相关手册、国家标准及行业标准等，对电解锰的原理进行了简述，并对提供电源的直流装置的设计概貌进行较为全面的基本论述。
关键词：电解；电解槽；整流柜；铜母线；整流变压器
0 引言
近些年来，随着工业技术的不断发展，电解被广泛应用于国民经济中的各个行业，许多有色金属和稀有金属的冶炼及金属的精炼，基本化工产品的制备，还有电镀、电抛光、阳极氧化等，都是通过电解来实现的。电解的生产过程离不开直流电源，因此电解整流装置在电解生产过程中就起着非常重要的作用。文中电解锰厂中试车间作为一条试验线，整流变压器容量较小（3.15MVA），但我们应该注意到随着近些年生产装置规模地不断扩大，整流变压器的容量也随之提高，系统中整流变压器的容量已远远大于辅助装置变压器的容量，是名符其实的用电大户。
1 电解锰原理简介
金属锰的冶炼所采用的方法为湿法治金。湿法治金是采用液态溶剂，通常为无机水溶液或有机溶剂，进行矿石浸出、分离和提取出金属及其化合物。湿法治金的流程主要包括浸取、固-液分离、溶液净化与富集、从溶液中制取新产品等工序[1]。湿法冶炼金属锰，也是就电解法生产金属锰，此法虽效率较低，但其优点是产品纯度高，可用于制取特种合金，因此目前全世界生产金属锰仍是以电解法为主。
众所周知，电解从本质上讲是一种氧化还原反应，是电流通过物质而引起化学变化的过程。电解的过程是在电解槽中进行的（如图1所示），电解槽由分别浸没在含有正、负离子的溶液中的阴、阳两个
电极构成。电流流入负电极（阴极），溶液中带正电荷的正离子迁移到阴极，并与电子结合；带负电荷的负离子迁移到另一电极（阳极），给出电子。这一过程将电能转化为了化学能，并制备出了所需的工业产品。电解过程须具备电解质、电解槽、直流电供给系统等。由于锰的高负电性，必须采用隔膜电解槽，槽电压达4~5V。电解液采用MnSO4-（NH4）2SO4-H20纯净的电解溶液。在隔膜电解槽中，以含硫酸铵的硫酸锰水溶液为电解液，通入直流电，在阴极上便沉积了金属锰，并析出氢；在阳极板上析出氧，并且有少量的二氧化锰沉积物。其电极反应机理相当复杂，这个过程最合理的名字应为电沉积[1]。
2 电解槽参数及系统模型
在工程实际运用中，每个电解槽中含有若干块阴极板，并且含有数量与之相对应的阳极板，电解槽的实际结构如图2所示。因阴极板与阳极板存在尺寸差异等一系列因素，故每个电解槽中阴极板与阳极板的数量并不一致，一般来说阳极板的数量比阴极板多一块。就本工程而言，电解所产生的金属锰（即该生产过程所追求的工业产品）在阴极板上产生，因此生产者往往关心的是电解槽中阴极板的数量。
在电解金属锰的生产过程中，需要检测并加以控制的技术指标有很多个，如电解液浓度、电流密度、槽液中锰含量、PH值、温度、硫酸铵浓度、二氧化硒加入量等，本文着重讨论其中与电气相关的技术参数，其余非电气相关参数不在本文所论述的范围之内。根据工艺生产相关技术手册，表1列出了电解槽的电气控制指标。
从理论上讲，单槽金属锰的产量与阴极电流密度成正比，但是，若阴极电流密度过大，则容量呈瘤状结晶。根据实践经验，以及将产品和成本等各种因素考虑在内，最佳阴极电流密度为350~420A/m2。其次，提高阳极电流密度可减少MnO2的沉积，提高阳极电流效率，所以，阳极电流密度一般为阴极电流密度的1.7~2倍[1]。根据电流流入流出相等的原则，阴极板和阳极板在尺寸和数量方面的差异也就顺理成章了。
该项目为2100吨/年中试试验线，根据生产规模共使用了40台电解槽。电解槽参数如下。单槽阴极板数量：47块；单板面积：0.6m2；单板电流密度：380A/m2；槽间电压：4.6V。在单个电解槽内，电解单元之间关系为并联关系，由此可得知单槽电流=阴极板数量（47块）x单板面积（0.6m2）x单板电流密度（380A/m2）=10716A；单槽电压即为槽间电压（4.6V）。40台电解槽分为两组，每20台串联为一组，两组电解槽采用并联的方式进行联结。为便于理解，整个系统模型如图3所示。由上图进行初步计算，我们不难得出系统直流侧电流为2x10716A=21432A，电压为20x4.6V=92V。
3 直流母线选择
由于电解锰沉积在阴极板上，为便于产品出槽，电解金属锰所采用的电解槽均为敞开式。考虑到腐蚀因素，母线材质采用铜材质。参考《有色金属冶炼厂电力设计规范》（GB50673-2011）6.3.4-3“电解系统整流机组额定电流的总和（不包括备用机组），宜等于系列电流的1.05~1.15倍”，并且根据本文第2节所得的系统计算直流电流计算结果，得出主母线的额定电流应为22503.6A~24646.8A。依据以上结果并依照《半导体变流器通用要求和电网换相变流器第1-1部分：基本要求和规范》（GB/T3859.1-2013）4.3节相关要求，系统额定直流电流取25kA。与此同时，由《有色金属冶炼厂电力设计规范》（GB50673-2011）8.6.1条文中的相关内容可知，该项目所选用的铜母线电流密度宜取1.0A/mm2~1.5A/mm2，据此，主母线的截面积可取16667mm2~25000mm2，故选用两根450mmx24mm（截面积为21600mm2）的铜母线便可满足此要求。
其次，槽间连接排（即槽边母线）采用竖向布置，电流通流方向垂直于铜母线的宽面，本段铜母线的载流量便不再是主要考虑因素，也就是说，此段母线能够承受阴极板（或阳极板）由其自重在垂直方向上所带来的应力即可。根据生产部门经验，该段母线截面选用100mmx50mm，长度等于2倍电解槽的长度。
4 整流柜的选择
整流系统采用一拖一的运行方式，即一台整流变压器带一台整流柜运行。根据本文第2节计算所得系统直流电压及《半导体变流器通用要求和电网换相变流器第1-1部分：基本要求和规范》（GB/T3859.1-2013）4.3节对系统电压的要求，额定直流电压取110V。整流装置接线方式采用三相桥式同相逆并联，并以此组成等效12脉波整流系统，系统接线方式如图4所示。
采用同相逆并相时，各支路臂电流约为25kA/6=4.17kA，因此每支路选用三个4.8kA元件，当其中一个元件损坏时另两个元件仍可正常使用，安全性较高。根据相关标准，整流元件电流及电压裕度均按大于等3倍选取，故选取元器件参数为4800A/500V的低损耗大功率4英寸晶闸管即可满足要求，并联元件间均流系数大于0.9。机组直流输出的电压连续可调，可控硅调压范围为0～100%，机组电流按100%额定直流电流连续运行、150％额定直流电流过载1分钟（一个电解周期/即24h[1]）选取。
5 整流变压器的选择
依据《电气传动自动化技术手册》式6-55，整流变压器容量按下式计算：
其中，KST取值为1.03（《电气传动自动化技术手册》表6-6），Ud0取值为110V，IdN取值为25kA；由此计算得整流变压器容量为2832.5kVA。按照整流变压器推荐标准值选取，变压器容量最终按3150kVA选取。参照《有色金属冶炼厂电力设计规范》（GB50673-2011）表6.3.1，并考虑工程所在地电网实际接入接入条件，整流变压器网侧额定电压按10kV选取。根据用户调压要求（Ud=60~105%Udn），变压器采用自藕调变压器，配13级有载调压开关，级间电压均分。变压器移相在整流变主变一次侧完成。
6 结语
电解工业的发展离不开整流技术的进步和发展，电解锰直流系统设计需关注的技术参数及细节很多，限于篇幅及个人学识水平，本文未能一一展开论述，仅对整个系统的全貌进行了大致地介绍。除此之外，涉及到系统效率及安全问题，直流系统对地绝缘也是非常重要的一个方面，关于这一点，《有色金属冶炼厂电力设计规范》（GB50673-2011）也有相关条文可供设计参考。
参考文献：
[1]陈家镛等. 湿法冶金手册[M]. 北京：冶金工业出版社，2005.
[2]王兆安，黄俊. 电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社，2003.
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[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T3859.1-2013半导体变流器通用要求和电网换相变流器 第1-1部分：基本要求和规范[S]. 北京：中国标准出版社，2013.
[5]中国有色金属工业协会，中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50673-2011 有色金属冶炼厂电力设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2012.
[6]苏建全. 电解用整流器装置同相逆并联技术与非同相逆并联技术的比较[C]. 云南：云南天南冶金化工有限公司，2011.
[7]天津电气传动设计研究所. 电气传动自动化技术手册[M]. 北京：机械工业出版社，2011.
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T8494.1-2014变流变压器 第1部分：工业用变流变压器[S]. 北京：中国标准出版社，2014.
论文作者:谢亮
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/5
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