鋁電解槽槽殼溫度監(jiān)測與分析系統(tǒng)模型

譚震軍,黃亮,白萬全,楊曉玲,石忠寧

(1.新疆生產(chǎn)建設兵團第八師天山鋁業(yè)有限公司,新疆 石河子 832200;2.東北大學 冶金學院,遼寧 沈陽 110819)

霍爾-埃魯鋁電解法經(jīng)過一個多世紀的發(fā)展,技術和裝備水平大幅提升,機械化和自動化程度不斷提高,極大地促進了鋁電解工業(yè)的發(fā)展[1]。但智能化方面,鋁電解工業(yè)才剛剛起步,在未來的“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的總體規(guī)劃下,鋁電解智能化將成為鋁工業(yè)發(fā)展的重要方向,鋁電解智能化包含物聯(lián)網(wǎng)和機器學習功能的實現(xiàn)。

由于鋁電解槽內(nèi)為腐蝕性很強的氟化物熔鹽,與氟化物熔鹽相關的參數(shù)如氧化鋁濃度、分子比、電解溫度和爐幫形狀及厚度等,在現(xiàn)有技術條件下無法實現(xiàn)在線連續(xù)測量,使鋁電解智能制造缺乏有效的感知量,難以通過物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)機器學習?；趥鳠岱治隹芍?鋁電解槽的爐幫形狀和厚度與電解槽槽殼溫度有對應關系,通過研究槽殼的溫度分布規(guī)律,可以掌握電解槽的爐幫形狀和厚度,從而掌握電解槽的生產(chǎn)狀況,通過調(diào)整參數(shù)進行生產(chǎn)調(diào)控,保證電解槽穩(wěn)定生產(chǎn),獲得較高的電流效率和較低的能耗等經(jīng)濟技術指標。

生產(chǎn)過程中,鋁電解槽的槽況復雜多變[2-5],其實時感知量僅為電流和電壓,槽控系統(tǒng)通過物料平衡和能量平衡調(diào)節(jié)。槽殼溫度是電解槽運行中常監(jiān)測的參數(shù),但是其用途僅用于判斷電解槽是否過熱或存在漏槽風險。然而,可以通過槽殼的溫度變化信息了解到鋁電解槽的爐幫形狀和變化規(guī)律,從而了解電解槽的運行狀況的好壞。

本文選用光纖光柵溫度傳感器[6-9]作為測溫元件,構(gòu)建鋁電解槽槽殼溫度實時監(jiān)測系統(tǒng),用于槽殼溫度的實時監(jiān)測和爐幫形狀分析。

1 鋁電解槽槽殼測溫系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 測溫元件選擇

溫度的測量方法有非接觸式和接觸式兩種。非接觸式測溫中的CCD(電荷耦合器件)多光譜輻射法在鋁電解環(huán)境中很容易使受到灰塵和噪聲污染,選用CCD技術測量鋁電解槽槽殼溫度需要進行除塵降噪處理,性價比不高[10]。激光測溫技術精度高且不受強磁場影響,但建設成本高[11]。聲學測溫法在線檢測困難[12]。

接觸式測溫方法中,熱電偶在鋁電解車間需要長距離信號輸送不便實現(xiàn)。而光纖光柵溫度測量靈敏度高、可避免電磁干擾、可遠距離傳輸。本研究采用光纖光柵傳感器測溫元件,其光路傳播如圖1所示。

圖1 光纖Bragg光柵的傳感光路圖

1.2 測溫系統(tǒng)構(gòu)建

溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)的硬件由上位機軟件、光纖傳感分析儀、光分路盒及光纖光柵溫度傳感器等組成。如圖2所示。

光纖光柵傳感器分布安裝于電解槽側(cè)壁各測溫點,溫度信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘柦?jīng)光分路盒傳送至光纖傳感分析儀,光纖傳感分析儀將光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號存儲顯示,通過TCP Modbus通訊協(xié)議將分析儀中的實時溫度數(shù)據(jù)傳送至上位機軟件,實時寫入數(shù)據(jù)庫,供后續(xù)進行信息加工和處理。溫度數(shù)據(jù)加工和處理系統(tǒng)采用基于HView 6.4.0的軟件架構(gòu)在Visual C++6.0編程環(huán)境中搭建,實現(xiàn)鋁電解槽槽殼溫度實時監(jiān)測功能。

溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)的軟件功能主要包括:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、用戶管理、參數(shù)配置、實時溫度圖表顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、報警預警、報表打印等功能,軟件系統(tǒng)的功能模塊如圖3所示。

圖2 溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)硬件連接示意圖

圖3 系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)圖

1.3 測溫系統(tǒng)驗證

采用恒溫水浴鍋和電阻爐對實時溫度監(jiān)測裝備進行調(diào)試驗證[13],其溫度動態(tài)監(jiān)測實驗范圍分別為15～ 94℃和90～ 200℃時;測溫系統(tǒng)采用8根傳感器同步測量,這8根光纖光柵溫度傳感器通過光纖跳線,經(jīng)光分路器連接到光纖傳感分析儀上,而光纖傳感分析儀上有8個測溫通道,可以實現(xiàn)同步測量。在光纖光柵傳感分析儀中可以設置溫度采集系統(tǒng)的基本參數(shù),數(shù)據(jù)保存間隔為10 ms,即每隔10 ms采集一個溫度數(shù)據(jù),當保存間隔為0時表示不存儲數(shù)據(jù);文件生成規(guī)則設置的是每小時生成一個數(shù)據(jù)文檔文件;傳感器的故障確認時間為20 s,測量的溫度數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點后6位。

低溫動態(tài)溫度監(jiān)測調(diào)試過程,將溫度傳感器用耐高溫膠帶固定在水浴鍋中,控制水浴鍋溫度從15℃升至94℃,每10 min從數(shù)顯表中讀取一次溫度數(shù)據(jù)。低溫動態(tài)監(jiān)測調(diào)試結(jié)果如圖4所示。從圖中溫度曲線和數(shù)顯水浴鍋讀數(shù)的比較可以看出,實時溫度監(jiān)測裝置的低溫動態(tài)監(jiān)測過程中的測溫準確度非常高,其測量位置與光纖傳感器測量位置相同,根據(jù)實時數(shù)據(jù)對比可以得出其測溫誤差在-0.7～+1.3℃之間。此外,從曲線和讀數(shù)點的吻合程度可以看出溫度采集系統(tǒng)的響應速度及其采集頻率很高,滿足鋁電解槽殼溫度的實時監(jiān)測要求。

圖4 低溫動態(tài)溫度監(jiān)測調(diào)試

高溫動態(tài)溫度檢測調(diào)試過程,主要是針對電阻爐的降溫過程進行連續(xù)實時監(jiān)測,然后與數(shù)顯控溫儀(CKW-3100)進行對比。耐高溫陶瓷光纖光柵溫度傳感器采用耐高溫膠粘在電阻爐內(nèi)膽上端圓口平臺處,每隔10 min從數(shù)顯控溫儀中讀取一遍由熱電偶測量的溫度數(shù)據(jù),作為高溫動態(tài)監(jiān)測的對照組。用于模擬監(jiān)測鋁電解槽A組傳感器和B組傳感器的高溫動態(tài)監(jiān)測調(diào)試數(shù)據(jù)分別如圖5、圖6所示。

圖5 A組傳感器動態(tài)溫度監(jiān)測結(jié)果與熱電偶測溫對比結(jié)果

圖6 B組傳感器動態(tài)溫度監(jiān)測結(jié)果與熱電偶測溫對比結(jié)果

從監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)測溫與控溫儀熱電偶測溫的高溫動態(tài)溫度監(jiān)測結(jié)果可以看出,實時溫度監(jiān)測裝置A、B組傳感器的測溫準確度高,其差值范圍分別為-2.9～+4.8℃和-3.2～+2.4℃,而且與熱電偶測溫相比,這兩種方法測量得到的溫度數(shù)據(jù)很接近。通過高溫動態(tài)溫度監(jiān)測驗證了實時溫度監(jiān)測裝置的響應速率,其數(shù)據(jù)采集頻率在1～10000 ms之間可調(diào)。根據(jù)對比情況可以看出,基于光纖光柵傳感體系的溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)滿足鋁工業(yè)測溫的測溫精度、響應速率和連續(xù)測溫穩(wěn)定性要求。

2 鋁電解槽爐幫形狀模型

李景江基于平板導熱計算機模型和“熱流管分析”模型,采用二維穩(wěn)定溫度場的拉普拉斯方程進行計算[14],得到了電解槽的槽殼溫度,爐幫厚度等數(shù)據(jù),給出了影響電解槽爐幫形狀的主要因素:電解溫度、熔體散熱條件、槽內(nèi)襯熱阻、槽殼表面散熱條件和陽極浸入電解質(zhì)的深度與陽極到爐幫邊縫距離之比。成庚等人通過測量電解槽的熱量密度、電解溫度、電解質(zhì)溫度、槽殼厚度、側(cè)壁厚度等參數(shù),計算了爐幫的厚度,并突出了電解槽爐幫控制的一些方法[15]。Zhang等人對420 kA電解槽進行熱-電耦合分析發(fā)現(xiàn),當強化電流小于2%時對爐幫影響較小,當電流強化大于5%時,爐幫發(fā)生熔化[16]。

鋁電解槽內(nèi)高溫電解質(zhì)與低溫側(cè)部內(nèi)襯接觸,電解質(zhì)在側(cè)壁內(nèi)襯材料上凝固形成爐幫,并往下延伸到鋁液部分,如圖7所示。圖中溫度T1、T2、T3、T4和T5分別為鋼板外側(cè)溫度(即槽殼溫度)、鋼板與內(nèi)襯材料接觸處溫度、內(nèi)襯材料和爐幫接觸處溫度、爐幫和電解質(zhì)接觸處溫度(電解質(zhì)初晶溫度)和電解質(zhì)溫度。d1、d2和d3分別為鋼板的厚度、側(cè)部碳磚的厚度和爐幫的厚度。

圖7 鋁電解槽側(cè)壁示意圖

在實際操作中,爐幫在豎直方向的厚度差異較大,上方較薄,下方較厚,意味著,電解質(zhì)熱量將向斜下方傳遞,假設整個計算過程基于傳熱方向為水平方向,依據(jù)電解質(zhì)熱量的散失從而使得槽殼外溫度的不同進而得到不同的爐幫厚度矩陣模型。當電解槽的能量收支處于平衡狀態(tài)時,此時槽膛內(nèi)形和槽幫厚度都趨于穩(wěn)定,根據(jù)傅里葉定律,將電解槽熱傳遞體系視為一維穩(wěn)態(tài)處理,建立電解槽的熱傳遞關系。

對于電解槽槽殼和內(nèi)襯界面:

(1)

解得:

(2)

對電解槽側(cè)部內(nèi)襯的傳熱情況:

(3)

解得:

(4)

將(2)式帶入(4)式中,可得:

(5)

對爐幫結(jié)殼中的傳熱:

(6)

解得:

(7)

將(5)式帶入(7)式中,可得:

(8)

(9)

根據(jù)電解槽內(nèi)電解質(zhì)和槽幫邊界熱傳導:

(10)

電解質(zhì)通過槽幫、槽內(nèi)襯以及電解槽殼的總熱阻:

(11)

聯(lián)合式(8)～(11),可得到爐幫厚度:

(12)

式中:λ1——鋼板的熱導率,W/(m·K);

λ2——側(cè)部碳磚的熱導率,W/(m·K);

λ3——爐幫的熱導率,W/(m·K);

λ4——電解質(zhì)對電解槽槽幫結(jié)殼的綜合傳熱系數(shù),W/(m·K);

d1——鋼板的厚度,m;

d2——側(cè)部碳磚的厚度,m;

d3——爐幫的厚度,m;

A——傳熱面積,m2;

Q——熱流量,W;

Rw——鋼殼和側(cè)部碳磚材料的熱阻之和,Ω;

∑R——鋼殼、側(cè)部碳磚材料和爐幫的熱阻之和,Ω。

由式(12)可知,電解槽槽幫的厚度及其穩(wěn)定性與電解質(zhì)通過槽幫和槽內(nèi)襯向外部空氣傳遞的熱流量多少有關,而傳熱量受電解質(zhì)電解溫度、初晶溫度和外部廠房空氣溫度的影響,又與電解槽選用的材料熱導率有關。過熱度(T5-T4)越大,爐幫熔化變薄,電解質(zhì)溫度變化對爐幫形狀和厚度影響較大;冬天或加強換熱時,槽殼溫度T1下降,爐幫增厚。該系統(tǒng)實現(xiàn)溫度T1的測量;電解質(zhì)溫度T5和初晶溫度T4可通過一種雙傳感器探頭快速測量[17-18]。

電解槽爐幫變化可以客觀反映電解槽能量平衡情況,爐幫結(jié)殼的形成和消失是一個動態(tài)的過程,只有當電解槽的能量收入和支出處于平衡狀態(tài)時,槽幫才會處于穩(wěn)定狀態(tài),否則當電解槽結(jié)殼與內(nèi)襯界面溫度大于電解質(zhì)與槽幫結(jié)殼界面溫度時,槽幫會逐漸融化至消失;當電解槽結(jié)殼與槽內(nèi)襯界面溫度小于電解質(zhì)與槽幫結(jié)殼界面溫度時,槽幫結(jié)殼會慢慢積累變厚。這兩種情況都會影響電解槽內(nèi)部的能量平衡,損害電解槽的正常生產(chǎn),所以在鋁電解過程中需要時刻關注電解槽的能量收支平衡。影響能量平衡的因素較多,主要有槽壓、極距、電解質(zhì)電導率和保溫料性能等,換極過程對熱平衡造成影響也值得重視,通過實施附加電壓策略可得到解決[19]。

要獲得電解槽爐幫形狀和厚度之間的計算結(jié)果,需要獲得不同溫度條件下鋼板、耐火材料和爐幫的熱導率及其隨溫度之間的變化關系,這些基礎數(shù)據(jù)的測量是必不可少的。同樣,未來鋁電解生產(chǎn)智能化,需要大量有關電解槽建造原材料的基礎數(shù)據(jù),方能結(jié)合日常生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行智能分析判斷,實現(xiàn)電解槽智能管控。因此,系統(tǒng)的建立鋁電解槽相關原材料的物化性質(zhì)的數(shù)據(jù)庫是一項重要而又緊迫的工作。

3 結(jié) 論

(1)光纖光柵溫度技術比較適合于在鋁電解環(huán)境中實現(xiàn)槽殼側(cè)壁實時溫度監(jiān)測。

(2)構(gòu)建了鋁電解槽槽殼溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)硬件和軟件,低溫測溫誤差在-0.7～+1.3℃之間,高溫測溫誤差在測溫誤差在-3.2～+4.8℃之間,響應時間小于10 s。