電解電極電流在線測量方法研究

張水華，李 純，蒙 毅，鐵 軍，趙仁濤

(北方工業(yè)大學 機械與材料工程學院，北京 100144)

銅、鋅、鉛等有色金屬的電解精煉或電解沉積都是在電解槽中進行的。為了提高電解槽的生產能力，每個工業(yè)電解槽上都有數(shù)十個陽極和陰極，單個電極的工作尺寸達1 000 mm×1 000 mm左右，陰、陽極表面之間的距離在10～30 mm之間。在如此狹窄的極間距下，陰極表面結瘤、陰陽極變形、電極擺放偏差等都會引起陰、陽極發(fā)生接觸，形成極間短路。短路時，電流直接從陽極經過短路位置傳導到陰極，使電流效率降低，能耗增大，陰極品質降低，并會燒損陽極。短路的檢測和消除是電解生產管理的主要目標之一[1]。

電解生產過程中，常采用拖表和熱像儀等裝置或通過灑水等方法觀察極間短路，存在勞動強度大、易漏檢的弊端[2]。采用便攜式光纖電流傳感器可以測量電解槽電極電流[3-4]，但因技術和成本問題，工業(yè)上無法采用光纖電流傳感器來在線測量電解電極電流。目前已有一些在線測量電解槽電極電流的方法[5-10]，如在導電棒與導電排鄰近安裝霍爾傳感器來測量電極電流產生的磁感應強度以獲得電極電流；本項目組也曾提出通過改進導電排結構、測量導電棒與導電排觸點溫度等方法[11-12]來測定電極電流：但上述這些方法僅為原理性的，尚未有工業(yè)應用報道。

試驗提出一種以電極導電棒上通過的電流產生的磁場作為信號源測量電極電流的方法。這種槽間導電排將上游電解槽數(shù)十根電極導電棒上的電流傳導到下游電解槽上相同數(shù)量的電極導電棒上，會產生非常復雜的背景磁場；而電解槽之間可用的測量空間有限，霍爾傳感器如何布局對獲得穩(wěn)定、準確電流有很大影響。試驗以數(shù)值模擬方法研究導電排旁的磁場分布，確定霍爾傳感器的測量結構和安裝位置，探討背景磁場的影響，并在試驗槽上進行測試驗證。

1 數(shù)值模擬計算和試驗測量

1.1 數(shù)值模擬計算

霍爾傳感器安裝位置的磁場是由電極電流產生的，其大小與電極電流、二者的相對位置及導電體電導率有關，可用式(1)的靜磁方程計算不同位置的磁場大小。

(1)

磁場模擬計算的幾何模型如圖1所示。該幾何模型包含上游槽導電棒、中間導電排和下游槽導電棒。上游電解槽的電極電流經過上游槽導電棒—中間導電排—下游槽導電棒傳導到下游槽電極上。根據(jù)電解槽的槽間布局，測量磁場的霍爾傳感器放置在上游槽導電棒下方“+”標識位置x方向磁感應強度Bx以測量該導電棒上通過的電流，亦即對應電極上的電流。

①—上游槽導電棒；②—中間導電排；③—下游槽導電棒。

在仿真模型建立過程中引入磁場模塊，建立電場-磁場模型。導電棒尺寸為285 mm×20 mm×20 mm，中間導電排尺寸為750 mm×50 mm× 20 mm。在此導電排結構布局下，上游槽導電棒3上的電流經過中間導電排傳導到下游槽導電棒2和3上，其他上游槽導電棒電流也是如此。由于導電棒之間的距離很近，影響測量位置3#的磁場不僅僅是上游槽導電棒3的電流，還有其兩側上游槽導電棒的電流。利用圖1模型，改變電極數(shù)目和邊界條件，分別進行單個電極電流、多電極電流磁耦合效應的數(shù)值模擬計算，可以獲得合理的電極電流。

1.2 陽極電流計算模型

當導電棒上導通電流時，其周圍會產生磁場。不同位置的磁場分布滿足畢奧-薩伐爾定律，見式(2)。

(2)

式中：Idl—電流元；r—測量位置和電流元之間的距離，mm；μ0—真空磁導率，4π×10-7N/A2。

在圖1模型中，以上游槽導電棒i下的測量位置為例，其x方向的磁感應強度Bxi與電極電流之間的關系可用式(3)描述：

Bxi=ai,i-2Ii-2+ai,i-1Ii-1+ai,iIi+

ai,i+1Ii+1+ai,iIi+2。

(3)

式中：ai,j—電極導電棒j電流對電極導電棒i下的霍爾傳感器的耦合系數(shù)，常數(shù)；Ii—電極導電棒i的電流，A。

(4)

式中，系數(shù)矩陣

(5)

其中，每個系數(shù)通過試驗標定，然后對式(4)求逆可得各電極導電棒的電流：

(6)

1.3 試驗測量

在實驗室搭建圖2所示電解槽，槽間墊板內部安裝測量電路板用于測量霍爾傳感器的電壓和環(huán)境溫度。通過中間導電排和連接的上、下游槽導電棒，模擬生產現(xiàn)場電極電流的分配情況。

圖2 電流測量試驗槽

采用Agllent 6680A直流電源給測量系統(tǒng)供電，通過多回路試驗完成電極電流的在線測量，采用精度1%的FLUKE 319鉗形表測量每個電極導電棒的電流，并與霍爾傳感器的測量結果進行對比。

2 試驗結果與討論

2.1 數(shù)值計算結果分析

2.1.1 測量位置的選擇

1)x方向偏移的影響

理想狀態(tài)下希望霍爾傳感器處于被測電極導電棒軸線正下方，但當導電棒發(fā)生左右(x方向)偏移后，其產生的誤差會隨偏移量變化而發(fā)生變化。

圖3 x方向位置偏移的影響

由圖3看出：電極電流在x方向上產生的最大磁場位置位于電極正下方(即x=0)，對應的磁感應強度為4.37×10-4T；測量位置發(fā)生偏移，磁感應強度變?。粶y量位置偏移5 mm，對應的磁感應強度為4.27×10-4T，偏差2.3%。考慮到工業(yè)現(xiàn)場的復雜性，這樣的測量誤差是可以接受的。

2)y方向偏移的影響

測量位置在y方向上偏移時對導電棒3電流測量結果的影響如圖4所示，橫坐標為y方向測量位置到導電棒端部的距離?？梢钥闯觯涸趛方向上，以導電棒端部為零點，磁感應強度隨距離的變化呈S曲線；在距離端部0～60 mm范圍的導電棒下磁場變化劇烈，很小的偏移會導致很大的磁感應強度變化；距離導電棒端部60 mm以上范圍時，磁感應強度非常穩(wěn)定，每增加10 mm距離，引起的磁感應強度的變化不超過0.5%。因此，可以選擇距離端部大于60 mm作為霍爾傳感器的測量位置。考慮到槽間墊板的實際尺寸，將測量位置在y方向上位置設定為65 mm。

圖4 y方向位置偏移的影響

3)z方向偏移的影響

霍爾傳感器在z方向的位置變化對位置系數(shù)影響最為顯著，直接決定測量結果，其位置的偏移也決定測量的精度。但實際生產中，除非導電棒發(fā)生彎曲，否則該方向一般不會產生較大偏差，所以這里的計算主要用于位置選擇。導電棒3電流在z方向上的磁感應強度的變化曲線如圖5所示，橫坐標為測量位置到導電棒底面的距離。可以看出：在z方向，測量位置隨磁感應強度遠離導電棒表面而逐漸減小。在不超過霍爾傳感器測量范圍條件下，霍爾傳感器越靠近導電棒，磁場越強越易測量，但測量誤差也越大。理想的測量區(qū)間為10～40 mm，從結構和安全性考慮，霍爾傳感器測量位置在z方向上設定為15 mm較為適宜。

圖5 z方向位置偏移的影響

2.1.2 聚磁條的聚磁效果

由圖3看出，通電電極導電棒在其正下方測量位置產生磁場的磁感應強度僅為4×10-4T左右，遠小于霍爾傳感器的量程6×10-3T，這會導致霍爾傳感器測量精度下降、測量系統(tǒng)的抗干擾能力降低。為解決這一問題，借鑒Wiechmann等[5]的方法，在測量位置兩側添加聚磁條以增強被測磁場。所用聚磁條的材質為高導磁材料，在一定范圍內能夠將其周圍的磁場放大。在圖1模型中加入聚磁條，考慮到電路板上空間有限，設定聚磁條尺寸為10 mm×5 mm×5 mm。聚磁條對測量位置磁場的增強效應見表1。其中，聚磁條間隙設置為3 mm，相對磁導率設置為5 kN/A2。

表1 聚磁條對測量位置磁場的增強效應10-4T

由表1看出：聚磁條的增強測量位置磁場的效果明顯，約放大磁場長度4倍。影響聚磁條磁場放大效果的因素有2個：兩聚磁條之間間隙的大小和聚磁條的相對磁導率。

霍爾傳感器的厚度為1.3 mm，電路板上器件較多且空間狹小，因此兩聚磁條之間間隙范圍為1.3～6.0 mm。設定上游槽導電棒3的電流為50 A，改變間隙大小，得到不同間隙對應的測量位置磁感應強度，結果如圖6所示。

圖6 閉合間隙對測量位置磁場的影響

由圖6看出：隨閉合間隙增大，測量位置的磁感應強度逐漸減小，聚磁條的聚磁效果逐漸減弱，說明較小的聚磁條間隙可以獲得更好的聚磁效果。綜合霍爾傳感器的厚度和聚磁條的聚磁效果，將2個聚磁條間隙設置為2 mm，既可方便操作也能得到較好的磁場放大效果。

對相對磁導率影響的計算結果表明，當聚磁條相對磁導率高于200 N/A2時，其對磁場幾乎沒有影響。研究所用材料為1J50坡莫合金，其相對磁導率高達10 kN/A2以上。

2.1.3 鄰近電極電流的影響

實際生產中，霍爾傳感器檢測的磁場是所有磁場的耦合，除其上方電極電流產生的磁場之外，還有鄰近電極電流產生的磁場。設定圖1模型中上游槽導電棒3的電流為50 A，其余導電棒不通電，各導電棒下對應測量位置1#～5#的磁感應強度計算結果如圖7所示。

圖7 聚磁條相對磁導率對測量位置磁場的影響

由圖7看出，3#測量位置的磁感應強度是由其本身電流及其他導電棒電流共同產生的：自身產生的磁場占84.51%；其他導電棒(2(4)和1(5))產生的磁場分別占6.29%和1.46%；其余電極電流所占比例更小，遠遠低于1%。因此，為簡化模型和計算，后續(xù)計算只考慮單側鄰近2個電極電流的影響即可。

2.2 電極電流的測量

采用圖2所示試驗槽裝置進行電極電流在線測量，試驗槽上的5個上游槽導電棒導通時，導電棒3的電流測量結果及偏差見表2。其中，目標電極的電流是通過改變電源輸入電流控制，I計算是指利用霍爾傳感器采集的磁場信號按公式(6)計算得到的電流，I測量是指利用鉗形表直接測量的電極電流。

表2 5回路導通下導電棒3的電流測量結果及偏差

由表2看出：霍爾傳感器和鉗形表測量的電極電流相差很小，測量偏差率小于1.5%。表明該方法能夠用于有色金屬電解電極電流的在線測量。

3 結論

提出了一種利用霍爾傳感器在線測量電解槽電極電流的方法，通過計算機數(shù)值模擬確定了霍爾傳感器測量位置和選擇測量方法、聚磁條位置及鄰近電極電流的影響。結果表明：霍爾傳感器位于電極正下方、距離中間導電排大于65 mm、聚磁條間隙為2 mm，考慮5個電極電流的影響效果更佳。實測結果表明，此測量方法可行，測量偏差率在1.5%以內，可用于工業(yè)電解槽電極電流在線測量。