光學(xué)電流測量儀在400 kA電解槽的應(yīng)用探索*

易吉龍，王紅波，龍昌紅，史紹源，史承良，王思一，張保光

（云南云鋁涌鑫鋁業(yè)有限公司，云南 建水 654300）

鋁電解生產(chǎn)過程是一個復(fù)雜的電化學(xué)、強耦合的動態(tài)過程，為監(jiān)控電解槽的正常運行，需要對其電流分布參數(shù)進行監(jiān)測和分析[1]。目前電解鋁企業(yè)主要采用間接測量方式，通過使用直流毫伏表測量等距離的壓降，壓降大的說明流過的電流大導(dǎo)電好，壓降小的說明流過的電流小導(dǎo)電不好，主要應(yīng)用于陽極導(dǎo)桿壓降的測量，處理電解槽電壓擺動[2]。對于進電母線、陰極出電軟帶的電流測量基本沒有測量工具[3]。同時等距離測量存在因?qū)U表面氧化、接觸不好、接線松動、測量位置受限等導(dǎo)致測量誤差較大，測量數(shù)據(jù)對生產(chǎn)的指導(dǎo)作用有限，急需一種能適應(yīng)強磁場、大電流、測量精度高的便攜式移動測量儀表解決數(shù)據(jù)測量問題。

1 主要測量設(shè)備的應(yīng)用情況

目前電流測量工具主要有電磁互感器和電子式互感器[4]。電磁式互感器主要利用電磁感應(yīng)原理進行測量，不能直接測量直流電流。電子式互感器分為有源和無源兩種[5]，其中有源的也是利用電磁感應(yīng)原理進行測量，測量不了直流電流[6]。無源電子式互感器都是利用法拉第效應(yīng)的原理進行測量[7]，均可測量直流電流，但是磁光玻璃式的測量因采用光學(xué)玻璃測量精度較低，測量范圍小，也很難滿足電解槽直流大電流的測量。只有全光纖式的才能滿足使用要求。目前測量電流工具的對比如表1。

表1 電流測量工具對比Tab.1 Comparison of current measurement tools

通過表1不難發(fā)現(xiàn)，既要適應(yīng)電解車間直流大電流的測量，同時又需要抗電磁干擾性好，能適應(yīng)母線大小和位置關(guān)系，要求測量儀器具有很好的線性度，所以便攜式光學(xué)電流測量儀能最大程度滿足使用要求。光纖電流傳感器是利用光纖的偏轉(zhuǎn)特性，根據(jù)光纖法拉第電磁效應(yīng)，電流產(chǎn)生的磁場，引起光纖偏轉(zhuǎn)角發(fā)生變化，從而間接地測量導(dǎo)體的電流大小[8]。光纖電流傳感器具有測量電流范圍較大，可以同時測量直流、交流和高頻成分，而且具有安裝結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量精度較高、可靠性高等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于大電流直流輸電線的電流測量、冶金行業(yè)的大電流測量。

2 便攜式光纖電流測量儀特點及原理

2.1 便攜式測量儀特點

目前光纖電流傳感器主要采用固定位置方式進行測量，主要使用在整流機組進、出線總電流及單臺機組測量，市場上沒有專用于電解鋁行業(yè)針對進電立柱母線、陽極導(dǎo)桿以及陰極軟帶等大電流測量的移動式測量設(shè)備[9]。電流作為電解槽磁場和能量的提供者，運行過程出現(xiàn)較大偏差時直接影響電解槽的穩(wěn)定運行，特別是隨著電解鋁技術(shù)的不斷進步，槽型也在增大，一旦出現(xiàn)較大偏流將給電解系列生產(chǎn)帶來較大隱患。某公司聯(lián)合設(shè)備廠家開發(fā)出便攜式測量工具。具體參數(shù)如表2。

表2 便攜式光學(xué)測試儀配置參數(shù)Tab.2 Parameters configuration of portable optical test instruments

2.2 便攜式測量儀原理

便攜式測量儀的原理：光纖電流傳感器是一種基于Faraday磁光效應(yīng)的無源式電流傳感器，當(dāng)電流通過導(dǎo)體時由于電生磁原理會在導(dǎo)體周邊形成與電流大小成一對一關(guān)系的等量磁場，而磁場可以與光纖介質(zhì)形成Faraday磁光效應(yīng)，故而可基于該原理通過測量磁場大小間接測量流經(jīng)導(dǎo)體的電流值?；诎脖董h(huán)路定理，可將感測光纖彎曲形成閉合光回路，不僅可以更準確地測量導(dǎo)體周邊磁場的大小，而且可以屏蔽相鄰導(dǎo)體陰極電流產(chǎn)生的磁場干擾，為破損電解槽精準定位、判別提供強有力的數(shù)據(jù)支撐，誤差控制范圍0.35%～0.90%。測量示意圖如圖1所示。

圖1 測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement

2.3 便攜式測量儀的測量方式

1）作業(yè)前清理方鋼軟帶及母線積料；

2）檢查光纖電流測量儀是否正常，將光纖閉合電流表顯示數(shù)值為零；

3）一人在槽下部持設(shè)備，一人在槽上部配合將光纖環(huán)繞電解槽陰極鋼棒或軟帶一周，形成閉環(huán)同時待顯示穩(wěn)定后讀數(shù)；

4）重復(fù)操作，測量全部陰極鋼棒電流（kA），讀取測量數(shù)值并做好記錄。

3 電流測量儀在電壓波擺中的應(yīng)用

400 kA大型預(yù)焙槽陽極電流分布測量示意圖如圖2，陽極電流分布是否均勻?qū)﹄娊獠鄣姆€(wěn)定性有極大影響，因為陽極電流分布不均，通過引起“電-磁-流”的連環(huán)式變化使溶體波動劇烈，導(dǎo)致電壓劇烈波動（如圖3），嚴重時可能導(dǎo)致電解槽“滾鋁”。

圖2 陽極測量示意圖Fig.2 Schematic diagram for anode measurement

圖3 電解槽歷史曲線Fig.3 Historical curve of electrolytic cell

通過采用毫伏電壓表測量等距壓降，找不到波擺的具體陽極，根據(jù)測量數(shù)據(jù)處理陽極導(dǎo)桿壓降不能消除波擺。通過采用測量陽極電流分布，如表3，對電流分布值大的A1、A12進行調(diào)極處理，波擺消除，消除后的電流分布如表4。

表3 718#陽極電流分布表處理前Tab.3 Current distribution list for 718#anode current before treatment kA

表4 718#陽極電流分布表處理后Tab.4 Current distribution list for 718#anode current after treatment kA

4 電流測量儀在立柱母線電流測量的應(yīng)用

相鄰兩個鋁電解槽立柱母線電流（圖4），從設(shè)計的理論上講對應(yīng)點電流應(yīng)該相等。通過測量相鄰兩臺電解槽立柱電流值，如果對應(yīng)點電流值不相等，那么會引起磁場變化，電解槽運行穩(wěn)定性變差。如表5、表6所示，806#電解槽立柱電流分布第3顆偏差較大，主要是電解槽在運行過程中48顆陽極的導(dǎo)電不可能絕對均勻，同時爐底結(jié)殼等因素也會導(dǎo)致電流分布偏差大。為確保電解槽平穩(wěn)運行，對于806#電解槽工藝控制應(yīng)作出相應(yīng)調(diào)整，讓第三顆立柱電流逐步降低至66 kA左右?？梢酝ㄟ^采取提高設(shè)定電壓、增加在產(chǎn)鋁量等措施。再定期對其電流分布進行跟蹤測量，直到電流分布均勻。

圖4 立柱母線測量示意圖Fig.4 Schematic diagram for measurement of column generating line

表5 805#立柱電流測量統(tǒng)計表Tab.5 Current measurement statistical table for 805#column kA

表6 806#立柱電流測量統(tǒng)計表Tab.6 Current measurement statistical table for 806#column kA

5 電流測量儀在陰極出電軟帶測量的應(yīng)用

鋁電解生產(chǎn)，要求電流均勻通過陰極鋼棒。如果陰極鋼棒通過電流過大，該位置發(fā)熱量大，爐底沉淀的結(jié)殼少，電流進一步加大可能導(dǎo)致陰極破損；通過陰極鋼棒電流過小，則該位置易產(chǎn)生沉淀，沉淀會進一步增加此處電阻，導(dǎo)致導(dǎo)電進一步減少，會產(chǎn)生偏流，干擾電解槽正常運行，電解槽出現(xiàn)早期破損。通過測量新啟動槽315#電解槽陰極電流分布（表7），其中A1處陰極電流只有3.2 kA，復(fù)測A1處鋼鋁壓接塊壓降為56 mV，判定該處施工質(zhì)量不合格，經(jīng)與施工方協(xié)調(diào)處理，通過A1處電流增加至7.8 kA，通過陰極電流均勻，對電解槽平穩(wěn)運行具有積極意義。

圖5 陰極電流測量示意圖Fig.5 Schematic diagram for cathode current measurement

表7 315#陰極電流分布表Tab.7 315#cathode current distribution list kA

陰極電流測量數(shù)據(jù)，可以作為檢測判斷電解槽破損點方法。當(dāng)爐底破損到一定程度后，會形成陰極炭塊與陰極鋼棒間的鋁液通道，通過該處電流量增大。通過測量電解槽破損前后電流分布、對比、排查，尋找電解槽破損點，如表8、表9是227#電解槽破損前后電流分布，通過對比，A15、16處陰極電流分布值升高1.0 kA及0.5 kA，提極檢查爐底，A15第二爪下陰極斷裂，通過割除A15位置處鋼棒，同時對A15、16陽極對應(yīng)的陰極進行保護和修復(fù)，僅一個月227#電解槽鐵含量恢復(fù)到0.1%以內(nèi)（圖6），有效延長了電解槽壽命。

圖6 227#電解槽鐵含量變化折線圖Fig.6 Variation broken line graph of iron content in 227#electrolytic cell

表8 227#電解槽破損前陰極電流分布表Tab.8 Cathode current distribution list for 227#electrolytic cell before it broken kA

表9 227#電解槽破損后陰極電流分布表Tab.9 Cathode current distribution list for 227#electrolytic cell after it broken kA

6 結(jié)語

在400 kA鋁電解槽生產(chǎn)過程中，通過使用便攜式光纖電流測量儀表對各進、出電回路進行測量，再結(jié)合電解槽狀態(tài)和工藝控制參數(shù)調(diào)整，能有效解決電解槽偏流導(dǎo)致的一系列問題，便攜式光纖電流測量儀表的運用，對400 kA鋁電解槽安全、平穩(wěn)運行，延長槽壽命具有積極意義，對鋁電解其它槽型電流分布測量具有很好的推廣使用價值。主要有以下三個方面：

1）通過對電解槽立柱進電電流測量，可以為鋁電解工藝控制提供立柱電流分布理論依據(jù)，建立單槽檔案，異常時可對電解槽整體電流分布進行局部調(diào)整，提高電解槽穩(wěn)定性；

2）通過測量電解槽陽極電流值的分布，找到電流值偏離正常均值的陽極，結(jié)合陽極導(dǎo)桿和水平母線的接觸情況以及電解槽的工藝參數(shù)、爐底情況進行處理，可以快速處理因陽極電流分布不均引起電壓波擺，提高電解槽生產(chǎn)效率；

3）通過對電解槽陰極電流的測量，正常運行時進行測量建立單槽檔案，異常時再次測量進行對比，可以協(xié)助尋找電解槽陰極破損位置，通過在線修補，延長電解槽壽命。