鋁電解槽極間電壓組成及實時測量

史 冬，趙新亮，高炳亮，王兆文，石忠寧，胡憲偉

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

鋁電解槽極間電壓組成及實時測量

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 材料與冶金學院，沈陽 110819;2.山東兗礦集團 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，同時開發(fā)了一種實時測量方法及設備來測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據基礎.實驗室和工業(yè)現(xiàn)場測試表明，該設備可準確地測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支持.

槽電壓;鋁電解;實時測量;極距

鋁電解是高耗能工業(yè)，節(jié)省電能是鋁電解工業(yè)技術進步的標志之一.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，極距也大幅度降低，電流效率亦隨之降低［1］.要實現(xiàn)在不降低電流效率的基礎上，來降低槽電壓，就需要對電解槽的電壓構成進行分析研究，因此對槽電壓組成的測量就變得尤為重要.

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，其關系如式(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)代大型預焙槽的電流效率可以達到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

對電能消耗來說，降低100 mV電壓對節(jié)省電耗的貢獻相當于提高2.4%的電流效率.相比在95%的電流效率基礎上再提高2.4%，在4.0 V槽電壓的基礎上降低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線中的電壓降以及由于系列中發(fā)生陽極效應而分攤到每一臺電解槽的電壓.實際上就是每臺電解槽本身的電壓與分攤的電壓之和.電解槽電壓是由反電動勢(E反)、電解質電壓降(E質)、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，設法降低電解質壓降是節(jié)省電能的關鍵所在.

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，東北大學馮乃祥發(fā)明的新型陰極技術，實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的電導率來達到降低電解質壓降的目的.保持鋁熔池高度在合理的范圍內(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.對實際電解槽而言，由于液態(tài)鋁陰極表面并不是一個靜態(tài)的水平面，而是一個流動的有波浪的表面(如圖1所示)，因此電解槽各個陽極底部的極距是不同的.我們通常所說的極距實際上是平均極距.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.電解槽運行的穩(wěn)定與否也會對極距產生很大的影響.圖2和圖3［5］分別為穩(wěn)定運行電解槽和不穩(wěn)定運行電解槽的各陽極極距分布情況.其中，柱狀圖的頂端數據為極距，柱狀圖中部的數據為陽極的使用天數，橫軸為陽極序號，縱軸為相應極距.從圖中可以看出，電解槽運行穩(wěn)定時，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2.8 cm.

3 電解槽電壓組成在線測量系統(tǒng)

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

圖1 154 kA鋁電解槽鋁液－電解質界面形狀［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］

該裝置將測量裝置與控制裝置分離，中間以導線相連，可以避免操作人員長時間暴露于電解槽開孔，改善了操作環(huán)境.測量時將電壓測量裝置的正極和負極分別通過導線與陽極導桿和探頭相連，將探頭浸入到鋁液中沾取鋁液，運行測量程序，探頭將從鋁液中緩緩上升，直到接觸到陽極低掌停止.測量程序將探頭采集的電壓與探頭所行進的距離實時地繪制成電壓－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量系統(tǒng)簡圖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測量服務軟件為基礎，同時應用OPC技術，將軟件界面上的虛擬控件與升降機構的伺服電機相連，構成控制系統(tǒng)，直接通過軟件界面來操作測量探頭，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，其結構簡圖見圖6.

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

4 裝置的實驗室以及工業(yè)現(xiàn)場測試

如前所述，準確測量電解槽的電解質電壓、反電動勢和陽極區(qū)域極距等參數對調整電解槽電壓策略以減少直流電耗有著重要意義.

電解質壓降直接反應電解質電導率的大小，而電解質電導率是熔鹽導電性質的表征，由于溫度一定時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.能夠及時準確地測出電解質電壓降，就可以適時地對電解質的成分作出調整，以達到減少能耗，節(jié)省成本的目的.本裝置可以快速準確地測出電解質壓降，為電解質成分的調整提供依據.

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，當其過大時，還會使氟離子放電，引起陽極效應，所以監(jiān)視陽極過電壓對電解槽的正常運行意義重大.本裝置可以快速測量反電動勢，并以此來計算陽極過電壓，使陽極過電壓的實時監(jiān)控成為可能.

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

在實驗室中對本裝置進行實用性測試，以驗證裝置的可靠性以及測量精度.實驗過程中使用外徑160 mm，內徑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，陰極鋁液高40 mm，電解電壓為5.6 V，電流為26.4 A.實驗藥品采用分子比為2.95的工業(yè)冰晶石并添加質量分數為5%的氧化鋁，電解溫度為1 050℃，預設極距為60 mm.

圖7為該裝置在實驗室測得的實驗鋁陰極到陽極底掌的電壓分布情況.從圖上看，探頭在鋁液中移動時，電壓基本不變.當探頭離開鋁液進入電解質時，電壓發(fā)生突變.探頭在電解質中運行時，電壓基本成線性減小，直到碰觸陽極底掌為止.此時出現(xiàn)另一個拐點，電壓為2.25 V，并在很短的時間內降到0.7 V并保持不變.由該圖還可以得到如下數據:電解質壓降為0.98 V，反電動勢為1.55 V，陽極導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，與預設值相差不大.由實驗室的測試結果可見，本裝置精度很高，極距測試誤差僅為1.7%，并且可以很直觀地測出實驗電解槽的電解質壓降和反電動勢等重要參數.

圖7 實驗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行了現(xiàn)場測量.測試時電解槽的工藝狀況如下:電解質分子比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)場測試所得到的電壓分布曲線與在實驗室所得的曲線在形式上是相同的，所不同的是拐點電壓以及陽極區(qū)域極距.其第一拐點和第二拐點的電壓值分別為3.43 V和2.30 V，極距為46 mm.另外還得到電解質壓降1.13 V;反電動勢1.60 V;陽極導桿到陽極底面歐姆壓降0.7 V.這些數據的獲得為調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.

5 結語

槽電壓組成在線測量技術的開發(fā)和應用使我們從更深的層次了解電解槽在運行過程中槽電壓的分布情況，為我們調節(jié)槽電壓和極距等重要參數提供了許多有價值的數據，有助于我們更好地控制電解槽的能量平衡.如果結合過熱度控制和物料平衡控制，將使我國電解槽的經濟技術指標進一步提升.

［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.鋁電解槽內電磁流動模型及鋁液流場數值仿真的研究［D］.長沙:中南大學，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.

國家科技支撐計劃 (2012BAE08B01).

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