铝电解槽槽壳温度监测与分析系统模型

谭震军,黄亮,白万全,杨晓玲,石忠宁

(1.新疆生产建设兵团第八师天山铝业有限公司,新疆 石河子 832200;2.东北大学 冶金学院,辽宁 沈阳 110819)

霍尔-埃鲁铝电解法经过一个多世纪的发展,技术和装备水平大幅提升,机械化和自动化程度不断提高,极大地促进了铝电解工业的发展[1]。但智能化方面,铝电解工业才刚刚起步,在未来的“工业4.0”和“中国制造2025”的总体规划下,铝电解智能化将成为铝工业发展的重要方向,铝电解智能化包含物联网和机器学习功能的实现。

由于铝电解槽内为腐蚀性很强的氟化物熔盐,与氟化物熔盐相关的参数如氧化铝浓度、分子比、电解温度和炉帮形状及厚度等,在现有技术条件下无法实现在线连续测量,使铝电解智能制造缺乏有效的感知量,难以通过物联网技术实现机器学习。基于传热分析可知,铝电解槽的炉帮形状和厚度与电解槽槽壳温度有对应关系,通过研究槽壳的温度分布规律,可以掌握电解槽的炉帮形状和厚度,从而掌握电解槽的生产状况,通过调整参数进行生产调控,保证电解槽稳定生产,获得较高的电流效率和较低的能耗等经济技术指标。

生产过程中,铝电解槽的槽况复杂多变[2-5],其实时感知量仅为电流和电压,槽控系统通过物料平衡和能量平衡调节。槽壳温度是电解槽运行中常监测的参数,但是其用途仅用于判断电解槽是否过热或存在漏槽风险。然而,可以通过槽壳的温度变化信息了解到铝电解槽的炉帮形状和变化规律,从而了解电解槽的运行状况的好坏。

本文选用光纤光栅温度传感器[6-9]作为测温元件,构建铝电解槽槽壳温度实时监测系统,用于槽壳温度的实时监测和炉帮形状分析。

1 铝电解槽槽壳测温系统构建

1.1 测温元件选择

温度的测量方法有非接触式和接触式两种。非接触式测温中的CCD(电荷耦合器件)多光谱辐射法在铝电解环境中很容易使受到灰尘和噪声污染,选用CCD技术测量铝电解槽槽壳温度需要进行除尘降噪处理,性价比不高[10]。激光测温技术精度高且不受强磁场影响,但建设成本高[11]。声学测温法在线检测困难[12]。

接触式测温方法中,热电偶在铝电解车间需要长距离信号输送不便实现。而光纤光栅温度测量灵敏度高、可避免电磁干扰、可远距离传输。本研究采用光纤光栅传感器测温元件,其光路传播如图1所示。

图1 光纤Bragg光栅的传感光路图

1.2 测温系统构建

温度实时监测系统的硬件由上位机软件、光纤传感分析仪、光分路盒及光纤光栅温度传感器等组成。如图2所示。

光纤光栅传感器分布安装于电解槽侧壁各测温点,温度信息转变为光信号经光分路盒传送至光纤传感分析仪,光纤传感分析仪将光信号转化为数字信号存储显示,通过TCP Modbus通讯协议将分析仪中的实时温度数据传送至上位机软件,实时写入数据库,供后续进行信息加工和处理。温度数据加工和处理系统采用基于HView 6.4.0的软件架构在Visual C++6.0编程环境中搭建,实现铝电解槽槽壳温度实时监测功能。

温度实时监测系统的软件功能主要包括:数据采集、数据管理、用户管理、参数配置、实时温度图表显示、历史数据查询、报警预警、报表打印等功能,软件系统的功能模块如图3所示。

图2 温度实时监测系统硬件连接示意图

图3 系统软件功能结构图

1.3 测温系统验证

采用恒温水浴锅和电阻炉对实时温度监测装备进行调试验证[13],其温度动态监测实验范围分别为15～ 94℃和90～ 200℃时;测温系统采用8根传感器同步测量,这8根光纤光栅温度传感器通过光纤跳线,经光分路器连接到光纤传感分析仪上,而光纤传感分析仪上有8个测温通道,可以实现同步测量。在光纤光栅传感分析仪中可以设置温度采集系统的基本参数,数据保存间隔为10 ms,即每隔10 ms采集一个温度数据,当保存间隔为0时表示不存储数据;文件生成规则设置的是每小时生成一个数据文档文件;传感器的故障确认时间为20 s,测量的温度数据精确到小数点后6位。

低温动态温度监测调试过程,将温度传感器用耐高温胶带固定在水浴锅中,控制水浴锅温度从15℃升至94℃,每10 min从数显表中读取一次温度数据。低温动态监测调试结果如图4所示。从图中温度曲线和数显水浴锅读数的比较可以看出,实时温度监测装置的低温动态监测过程中的测温准确度非常高,其测量位置与光纤传感器测量位置相同,根据实时数据对比可以得出其测温误差在-0.7～+1.3℃之间。此外,从曲线和读数点的吻合程度可以看出温度采集系统的响应速度及其采集频率很高,满足铝电解槽壳温度的实时监测要求。

图4 低温动态温度监测调试

高温动态温度检测调试过程,主要是针对电阻炉的降温过程进行连续实时监测,然后与数显控温仪(CKW-3100)进行对比。耐高温陶瓷光纤光栅温度传感器采用耐高温胶粘在电阻炉内胆上端圆口平台处,每隔10 min从数显控温仪中读取一遍由热电偶测量的温度数据,作为高温动态监测的对照组。用于模拟监测铝电解槽A组传感器和B组传感器的高温动态监测调试数据分别如图5、图6所示。

图5 A组传感器动态温度监测结果与热电偶测温对比结果

图6 B组传感器动态温度监测结果与热电偶测温对比结果

从监测系统连续测温与控温仪热电偶测温的高温动态温度监测结果可以看出,实时温度监测装置A、B组传感器的测温准确度高,其差值范围分别为-2.9～+4.8℃和-3.2～+2.4℃,而且与热电偶测温相比,这两种方法测量得到的温度数据很接近。通过高温动态温度监测验证了实时温度监测装置的响应速率,其数据采集频率在1～10000 ms之间可调。根据对比情况可以看出,基于光纤光栅传感体系的温度实时监测系统满足铝工业测温的测温精度、响应速率和连续测温稳定性要求。

2 铝电解槽炉帮形状模型

李景江基于平板导热计算机模型和“热流管分析”模型,采用二维稳定温度场的拉普拉斯方程进行计算[14],得到了电解槽的槽壳温度,炉帮厚度等数据,给出了影响电解槽炉帮形状的主要因素:电解温度、熔体散热条件、槽内衬热阻、槽壳表面散热条件和阳极浸入电解质的深度与阳极到炉帮边缝距离之比。成庚等人通过测量电解槽的热量密度、电解温度、电解质温度、槽壳厚度、侧壁厚度等参数,计算了炉帮的厚度,并突出了电解槽炉帮控制的一些方法[15]。Zhang等人对420 kA电解槽进行热-电耦合分析发现,当强化电流小于2%时对炉帮影响较小,当电流强化大于5%时,炉帮发生熔化[16]。

铝电解槽内高温电解质与低温侧部内衬接触,电解质在侧壁内衬材料上凝固形成炉帮,并往下延伸到铝液部分,如图7所示。图中温度T1、T2、T3、T4和T5分别为钢板外侧温度(即槽壳温度)、钢板与内衬材料接触处温度、内衬材料和炉帮接触处温度、炉帮和电解质接触处温度(电解质初晶温度)和电解质温度。d1、d2和d3分别为钢板的厚度、侧部碳砖的厚度和炉帮的厚度。

图7 铝电解槽侧壁示意图

在实际操作中,炉帮在竖直方向的厚度差异较大,上方较薄,下方较厚,意味着,电解质热量将向斜下方传递,假设整个计算过程基于传热方向为水平方向,依据电解质热量的散失从而使得槽壳外温度的不同进而得到不同的炉帮厚度矩阵模型。当电解槽的能量收支处于平衡状态时,此时槽膛内形和槽帮厚度都趋于稳定,根据傅里叶定律,将电解槽热传递体系视为一维稳态处理,建立电解槽的热传递关系。

对于电解槽槽壳和内衬界面:

(1)

解得:

(2)

对电解槽侧部内衬的传热情况:

(3)

解得:

(4)

将(2)式带入(4)式中,可得:

(5)

对炉帮结壳中的传热:

(6)

解得:

(7)

将(5)式带入(7)式中,可得:

(8)

(9)

根据电解槽内电解质和槽帮边界热传导:

(10)

电解质通过槽帮、槽内衬以及电解槽壳的总热阻:

(11)

联合式(8)～(11),可得到炉帮厚度:

(12)

式中:λ1——钢板的热导率,W/(m·K);

λ2——侧部碳砖的热导率,W/(m·K);

λ3——炉帮的热导率,W/(m·K);

λ4——电解质对电解槽槽帮结壳的综合传热系数,W/(m·K);

d1——钢板的厚度,m;

d2——侧部碳砖的厚度,m;

d3——炉帮的厚度,m;

A——传热面积,m2;

Q——热流量,W;

Rw——钢壳和侧部碳砖材料的热阻之和,Ω;

∑R——钢壳、侧部碳砖材料和炉帮的热阻之和,Ω。

由式(12)可知,电解槽槽帮的厚度及其稳定性与电解质通过槽帮和槽内衬向外部空气传递的热流量多少有关,而传热量受电解质电解温度、初晶温度和外部厂房空气温度的影响,又与电解槽选用的材料热导率有关。过热度(T5-T4)越大,炉帮熔化变薄,电解质温度变化对炉帮形状和厚度影响较大;冬天或加强换热时,槽壳温度T1下降,炉帮增厚。该系统实现温度T1的测量;电解质温度T5和初晶温度T4可通过一种双传感器探头快速测量[17-18]。

电解槽炉帮变化可以客观反映电解槽能量平衡情况,炉帮结壳的形成和消失是一个动态的过程,只有当电解槽的能量收入和支出处于平衡状态时,槽帮才会处于稳定状态,否则当电解槽结壳与内衬界面温度大于电解质与槽帮结壳界面温度时,槽帮会逐渐融化至消失;当电解槽结壳与槽内衬界面温度小于电解质与槽帮结壳界面温度时,槽帮结壳会慢慢积累变厚。这两种情况都会影响电解槽内部的能量平衡,损害电解槽的正常生产,所以在铝电解过程中需要时刻关注电解槽的能量收支平衡。影响能量平衡的因素较多,主要有槽压、极距、电解质电导率和保温料性能等,换极过程对热平衡造成影响也值得重视,通过实施附加电压策略可得到解决[19]。

要获得电解槽炉帮形状和厚度之间的计算结果,需要获得不同温度条件下钢板、耐火材料和炉帮的热导率及其随温度之间的变化关系,这些基础数据的测量是必不可少的。同样,未来铝电解生产智能化,需要大量有关电解槽建造原材料的基础数据,方能结合日常生产数据进行智能分析判断,实现电解槽智能管控。因此,系统的建立铝电解槽相关原材料的物化性质的数据库是一项重要而又紧迫的工作。

3 结 论

(1)光纤光栅温度技术比较适合于在铝电解环境中实现槽壳侧壁实时温度监测。

(2)构建了铝电解槽槽壳温度实时监测系统硬件和软件,低温测温误差在-0.7～+1.3℃之间,高温测温误差在测温误差在-3.2～+4.8℃之间,响应时间小于10 s。