鋁電解槽極間電壓組成及實(shí)時(shí)測(cè)量

史 冬，趙新亮，高炳亮，王兆文，石忠寧，胡憲偉

(1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819;2.山東兗礦集團(tuán) 科奧鋁業(yè)公司，山東 鄒城 273515)

鋁電解槽極間電壓組成及實(shí)時(shí)測(cè)量

史 冬1，趙新亮2，高炳亮1，王兆文1，石忠寧1，胡憲偉1

(1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819;2.山東兗礦集團(tuán) 科奧鋁業(yè)公司，山東 鄒城 273515)

探討了電解槽電壓的組成及降低槽電壓的途徑，同時(shí)開發(fā)了一種實(shí)時(shí)測(cè)量方法及設(shè)備來測(cè)量鋁電解槽槽電壓組成，為降低槽電壓和控制電解槽熱平衡提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，該設(shè)備可準(zhǔn)確地測(cè)量出電解槽的各部分電壓組成和極距，為電解槽精確化控制和操作提供了可靠的技術(shù)支持.

槽電壓;鋁電解;實(shí)時(shí)測(cè)量;極距

鋁電解是高耗能工業(yè)，節(jié)省電能是鋁電解工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志之一.目前一些電解鋁廠采用降低槽電壓的方法來節(jié)省電能，遇到了一些問題.其中主要的問題是在降低槽電壓的同時(shí)，極距也大幅度降低，電流效率亦隨之降低［1］.要實(shí)現(xiàn)在不降低電流效率的基礎(chǔ)上，來降低槽電壓，就需要對(duì)電解槽的電壓構(gòu)成進(jìn)行分析研究，因此對(duì)槽電壓組成的測(cè)量就變得尤為重要.

我們知道，工業(yè)電解槽的電能消耗與其平均電壓和電流效率有關(guān)，其關(guān)系如式(1)，

降低平均電壓，或者提高電流效率，都能減少電解槽的電耗量.現(xiàn)代大型預(yù)焙槽的電流效率可以達(dá)到95%［2］，繼續(xù)提升的空間非常有限.另外，電流效率和槽電壓對(duì)電耗的影響也不一樣.方程(2)給出了電流效率和槽電壓之間的關(guān)系.

式中:V是槽電壓，CE是電流效率.如果槽電壓是4.0 V，電流效率為95%，則

對(duì)電能消耗來說，降低100 mV電壓對(duì)節(jié)省電耗的貢獻(xiàn)相當(dāng)于提高2.4%的電流效率.相比在95%的電流效率基礎(chǔ)上再提高2.4%，在4.0 V槽電壓的基礎(chǔ)上降低100 mV顯然要容易得多.由此看來降低電耗的主要途徑是降低電解槽平均電壓.

1 電解槽平均電壓

所謂平均電壓是指槽電壓與槽電壓量程以外的導(dǎo)線中的電壓降以及由于系列中發(fā)生陽極效應(yīng)而分?jǐn)偟矫恳慌_(tái)電解槽的電壓.實(shí)際上就是每臺(tái)電解槽本身的電壓與分?jǐn)偟碾妷褐?電解槽電壓是由反電動(dòng)勢(shì)(E反)、電解質(zhì)電壓降(E質(zhì))、陽極電壓降(E陽)、陰極電壓降(E陰)和外線路的電壓降(E外)五部分組成.表1給出了電解槽槽電壓組成和降低的途徑［3］.可以看出，設(shè)法降低電解質(zhì)壓降是節(jié)省電能的關(guān)鍵所在.

表1 電解槽槽電壓組成和降低的途徑Table 1 Composition of the cell voltage and the way to deduce the cell voltage

表1列出了幾種降低槽電壓的方法，東北大學(xué)馮乃祥發(fā)明的新型陰極技術(shù)，實(shí)際上就是在縮短極距的情況下，保證不降低電流效率，從而最終達(dá)到節(jié)能的目的.還有一些鋁廠通過添加氟化鋰或其他添加劑提高電解質(zhì)的電導(dǎo)率來達(dá)到降低電解質(zhì)壓降的目的.保持鋁熔池高度在合理的范圍內(nèi)(15～22 cm)，盡量取低值將有助于增加陽極的浸入深度，增大陽極與電解質(zhì)的接觸面積，也有助于降低槽電壓.

2 電解槽極距

電解槽極距是陽極底掌與陰極鋁液表面之間的距離.對(duì)實(shí)際電解槽而言，由于液態(tài)鋁陰極表面并不是一個(gè)靜態(tài)的水平面，而是一個(gè)流動(dòng)的有波浪的表面(如圖1所示)，因此電解槽各個(gè)陽極底部的極距是不同的.我們通常所說的極距實(shí)際上是平均極距.平均極距(ACD)也稱為有效極距，定義為鋁液最高波峰與陽極底掌之間的距離(h0)加上鋁液波峰與波谷之間的平均高度(1/2hAl)，即ACD=h0+1/2hAl，hAl的范圍大約在2～4 cm之間.

工業(yè)測(cè)量表明，電解槽中部陽極極距最小，向邊部偏移極距增大，然后角部陽極的極距又減小.電解槽運(yùn)行的穩(wěn)定與否也會(huì)對(duì)極距產(chǎn)生很大的影響.圖2和圖3［5］分別為穩(wěn)定運(yùn)行電解槽和不穩(wěn)定運(yùn)行電解槽的各陽極極距分布情況.其中，柱狀圖的頂端數(shù)據(jù)為極距，柱狀圖中部的數(shù)據(jù)為陽極的使用天數(shù)，橫軸為陽極序號(hào)，縱軸為相應(yīng)極距.從圖中可以看出，電解槽運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，極距分布比較均勻，最小極距與最大極距之間相差1 cm左右.不穩(wěn)定電解槽的各個(gè)陽極之間的極距偏差非常大，最小極距與最大極距之間的偏差高達(dá)2.8 cm.

3 電解槽電壓組成在線測(cè)量系統(tǒng)

本文開發(fā)了一種在線測(cè)量系統(tǒng)用于測(cè)量鋁電解槽的電壓組成，同時(shí)測(cè)量出單塊陽極區(qū)域的極距，測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖4所示［6］.該測(cè)量系統(tǒng)包括控制裝置、信號(hào)采集和升降測(cè)量裝置三大部分.控制裝置由操作平臺(tái)和升降機(jī)控制器組成，并和電壓信號(hào)采集裝置一起封裝在帶有恒溫空調(diào)的控制柜中.升降機(jī)控制器為PLC，內(nèi)置電機(jī)控制程序，與操作平臺(tái)相連，通過自編寫的控制程序控制升降機(jī)構(gòu)的動(dòng)作.升降測(cè)量裝置包括伺服電機(jī)以及伺服電機(jī)支架和用于固定電壓測(cè)量探頭的可伸縮架.

圖1 154 kA鋁電解槽鋁液－電解質(zhì)界面形狀［4］Fig.1 Liquid aluminum－electrolyte interface of an aluminum electrolysis cell［4］

圖2 穩(wěn)定工業(yè)電解槽的各陽極的極距分布［5］Fig.2 Anode－cathode distance distribution of the stable cell［5］

該裝置將測(cè)量裝置與控制裝置分離，中間以導(dǎo)線相連，可以避免操作人員長(zhǎng)時(shí)間暴露于電解槽開孔，改善了操作環(huán)境.測(cè)量時(shí)將電壓測(cè)量裝置的正極和負(fù)極分別通過導(dǎo)線與陽極導(dǎo)桿和探頭相連，將探頭浸入到鋁液中沾取鋁液，運(yùn)行測(cè)量程序，探頭將從鋁液中緩緩上升，直到接觸到陽極低掌停止.測(cè)量程序?qū)⑻筋^采集的電壓與探頭所行進(jìn)的距離實(shí)時(shí)地繪制成電壓－位移曲線.

圖3 不穩(wěn)定工業(yè)電解槽的各陽極的極距分布［5］Fig.3 Anode－cathode distance distribution of the erratic cell［5］

圖4 鋁電解槽槽電壓組成在線測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.4 The in－situ measurement system for composition of aluminum cell voltage

軟件控制界面和電壓采集程序采用LabVIEW編寫(見圖5)，以NI－DAQmx測(cè)量服務(wù)軟件為基礎(chǔ)，同時(shí)應(yīng)用OPC技術(shù)，將軟件界面上的虛擬控件與升降機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)相連，構(gòu)成控制系統(tǒng)，直接通過軟件界面來操作測(cè)量探頭，更加方便快捷.電壓采集所用的探頭為Haupin發(fā)明的鋁參比電極，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖6.

圖5 槽電壓組成在線測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量操作界面Fig.5 Operation panel of the in－situ measurement system for composition of aluminum cell voltage

4 裝置的實(shí)驗(yàn)室以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

如前所述，準(zhǔn)確測(cè)量電解槽的電解質(zhì)電壓、反電動(dòng)勢(shì)和陽極區(qū)域極距等參數(shù)對(duì)調(diào)整電解槽電壓策略以減少直流電耗有著重要意義.

電解質(zhì)壓降直接反應(yīng)電解質(zhì)電導(dǎo)率的大小，而電解質(zhì)電導(dǎo)率是熔鹽導(dǎo)電性質(zhì)的表征，由于溫度一定時(shí)氧化鋁的理論分解電壓不變，所以其變化直接影響電解槽的直流電耗.能夠及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)出電解質(zhì)電壓降，就可以適時(shí)地對(duì)電解質(zhì)的成分作出調(diào)整，以達(dá)到減少能耗，節(jié)省成本的目的.本裝置可以快速準(zhǔn)確地測(cè)出電解質(zhì)壓降，為電解質(zhì)成分的調(diào)整提供依據(jù).

圖6 鋁參比電極.Fig.6 Aluminum reference electrode

陽極過電壓不僅影響鋁電解能耗，當(dāng)其過大時(shí)，還會(huì)使氟離子放電，引起陽極效應(yīng)，所以監(jiān)視陽極過電壓對(duì)電解槽的正常運(yùn)行意義重大.本裝置可以快速測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)，并以此來計(jì)算陽極過電壓，使陽極過電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控成為可能.

鋁電解槽極距也是一個(gè)非常重要的參數(shù)，過大或過小的極距都會(huì)對(duì)鋁電解的正常生產(chǎn)帶來不利影響.現(xiàn)在工廠普遍的測(cè)量方法還是“提拉法”，此法誤差一般可達(dá)到10 mm，如此大的誤差已經(jīng)很難適應(yīng)現(xiàn)在越來越精密的電解槽控制要求.

在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)本裝置進(jìn)行實(shí)用性測(cè)試，以驗(yàn)證裝置的可靠性以及測(cè)量精度.實(shí)驗(yàn)過程中使用外徑160 mm，內(nèi)徑140 mm，高120 mm的石墨坩堝作為電解槽，陽極為高純石墨圓柱，直徑為58 mm.電解時(shí)，陰極鋁液高40 mm，電解電壓為5.6 V，電流為26.4 A.實(shí)驗(yàn)藥品采用分子比為2.95的工業(yè)冰晶石并添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氧化鋁，電解溫度為1 050℃，預(yù)設(shè)極距為60 mm.

圖7為該裝置在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的實(shí)驗(yàn)鋁陰極到陽極底掌的電壓分布情況.從圖上看，探頭在鋁液中移動(dòng)時(shí)，電壓基本不變.當(dāng)探頭離開鋁液進(jìn)入電解質(zhì)時(shí)，電壓發(fā)生突變.探頭在電解質(zhì)中運(yùn)行時(shí)，電壓基本成線性減小，直到碰觸陽極底掌為止.此時(shí)出現(xiàn)另一個(gè)拐點(diǎn)，電壓為2.25 V，并在很短的時(shí)間內(nèi)降到0.7 V并保持不變.由該圖還可以得到如下數(shù)據(jù):電解質(zhì)壓降為0.98 V，反電動(dòng)勢(shì)為1.55 V，陽極導(dǎo)桿到陽極底面的歐姆壓降為0.7 V，陽極區(qū)域極距為61 mm，與預(yù)設(shè)值相差不大.由實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果可見，本裝置精度很高，極距測(cè)試誤差僅為1.7%，并且可以很直觀地測(cè)出實(shí)驗(yàn)電解槽的電解質(zhì)壓降和反電動(dòng)勢(shì)等重要參數(shù).

圖7 實(shí)驗(yàn)室電解槽電壓分布情況Fig.7 Voltage distribution of the laboratory cell

圖8 工業(yè)電解槽電壓分布Fig.8 Voltage distribution of the industry cell

使用本裝置在某電解廠進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量.測(cè)試時(shí)電解槽的工藝狀況如下:電解質(zhì)分子比2.55，電解槽溫度為975℃，電解槽控制箱上顯示的電壓為4.0 V，系列電流為300 kA.圖8為該裝置測(cè)得的電解槽中由鋁陰極到陽極底掌的電壓分布情況.

從圖中可見，在工廠現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得到的電壓分布曲線與在實(shí)驗(yàn)室所得的曲線在形式上是相同的，所不同的是拐點(diǎn)電壓以及陽極區(qū)域極距.其第一拐點(diǎn)和第二拐點(diǎn)的電壓值分別為3.43 V和2.30 V，極距為46 mm.另外還得到電解質(zhì)壓降1.13 V;反電動(dòng)勢(shì)1.60 V;陽極導(dǎo)桿到陽極底面歐姆壓降0.7 V.這些數(shù)據(jù)的獲得為調(diào)整電壓控制策略和電解槽熱平衡控制提供了非常重要的依據(jù).

5 結(jié)語

槽電壓組成在線測(cè)量技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用使我們從更深的層次了解電解槽在運(yùn)行過程中槽電壓的分布情況，為我們調(diào)節(jié)槽電壓和極距等重要參數(shù)提供了許多有價(jià)值的數(shù)據(jù)，有助于我們更好地控制電解槽的能量平衡.如果結(jié)合過熱度控制和物料平衡控制，將使我國電解槽的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)一步提升.

［1］劉業(yè)翔.低極距下鋁電解的電流效率［J］.有色金屬，1983，35(2):68－71.

(Liu Yexiang.The current efficiency of aluminum electrolysis in low anode－cathode distance［J］.Nonferrous Metals，1983，35(2):68－71.)

［2］邱竹賢.鋁電解(第二版)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1995，5:155.

(Qiu Zhuxian.Aluminum electrolysis(second edition)［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，1995，5:155.)

［3］邱竹賢.預(yù)焙槽煉鋁(第三版)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2005，1.

(Qiu Zhuxian.Aluminum smelting with prebake cells［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2005，1.)

［4］周萍.鋁電解槽內(nèi)電磁流動(dòng)模型及鋁液流場(chǎng)數(shù)值仿真的研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2002，11.

(Zhou Ping. A research on mathematicalmodelsof electromagnetic hydrodynamics and numerical simulation of metal pad flow in aluminum reduction cells［D］.Changsha: Central South University，2002，11.)

［5］Marianne Jensen，Kjell Kalgraf，Tarjei Nordb，et al.ACD measurement and theory［C］//TMS，Light Metals2009，455－459.

［6］王兆文，石忠寧，高炳亮，等.一種鋁電解槽陰極和陽極之間距離的測(cè)量方法及裝置:中國ZL200710010443.9［P］.2007.10.

(Wang Zhaowen，Shi Zhongning，Gao Bingliang，et al.One method and equipment for determining the anode－cathode distance of the aluminum electrolysis cell: China ZL200710010443.9［P］.2007.10.)

Cell voltage distribution and in－situ measurement in Hall－Heroult cells

Shi Dong1，Zhao Xinliang2，Gao Bingliang1，Wang Zhaowen1，Shi Zhongning1，Hu Xianwei1
(1.School of Materials＆Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China; 2.Keao Aluminum Company，Shandong Yankuang Corporation，Zoucheng 273515，China)

In this paper，cell voltage consistence and energy saving methods were discussed.An in－situ measuring system for cell voltage composition was developed and tested in industrial aluminum reduction cells.The results are valuable for lowering cell voltage and controlling heat balance in aluminum electrolysis cells.The results from industrial site and laboratory confirm that the system could provide cell voltage distribution and anode－cathode distance with very low error.These data are very important for precise controlling of the Hall－Heroult cells.

cell voltage;aluminum electrolysis;in－situ measurement;anode－cathode distance

TF 821

A

1671-6620(2014)02-0128-05

2013-10-25.

國家科技支撐計(jì)劃 (2012BAE08B01).

史冬 (1983—)，男，博士研究生，E－mail:tornya@163.com.