基于阻抗變化的鋁電解高溫熔體液位在線檢測研究

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：B 文章編號：1004-4345（2025）02-0034-05

Research on Online Level Detection of High Temperature Melts in Aluminum Electrolysis based on Impedance Variation

AbstractAonlinedual-leveldetectionsysteminaluminumelectrolysiscellbasedonimpedancevariationisproposedto addressthedifiultiesofonlineleveldetectionofhightemperaturemeltsinalumiumeectrolysis.Asverifiedbyvariostestsunder diffrentworkingonditios，thesytemutilesensorstolctipedncesignalsinealtime，aciesaccurateidentifcatiof level/interfacepositionsbymeansofPLControlalgorithms，andgivesadisplayinreal-timeusingvisualmeans.Theexperiental resultsndicatethatthesystemcaneplacemanualdetetionandachveral-tielevelmonitorngofteeletrolyticellproviding data support for optimizing the alumina discharging control strategy and improving current efficiency.

Keywordsaluminum electrolyticcel; high temperature melts;impedancedetection;levelmeasurement;onlinedetection

近年來，有色金屬冶煉行業的信息化、數字化與智能化持續深化，綠色制造已成為制造業轉型升級的核心方向。然而，由于鋁電解生產環境惡劣，存在高溫、強腐蝕性與電磁干擾等特殊復雜性，其在線檢測自動化水平長期滯后，尤其是電解槽內高溫熔體液位的一體化智能檢測裝備尚未實現工業化應用的突破。目前，鋁液與電解質液位仍依賴人工測量，存在精度低、主觀誤差顯著、勞動強度高、安全隱患突出等問題，嚴重制約了生產效率與管理水平的提升。

國內外學者針對電解槽高溫熔體液位在線檢測進行了部分研究，但工業化應用仍存在瓶頸。例如，國外力拓冰島鋁業公司通過計算陽極插入深度和探桿高度間接測量液位，但該方法是基于出鋁后槽內鋁液液位已知的條件，且需在電解槽相對穩定的狀態下進行，難以適應動態工況2。國內某科研團隊曾研發了一種巡檢機器人，并已完成工業生產環境測試，但實際使用中暴露了3項關鍵技術瓶頸：1）液位檢測需開啟爐門，存在安全操作風險；2）設備抗電磁干擾能力不足；3）移動定位依賴人工干預，系統自主性不足。上述缺陷嚴重制約了該設備在復雜工業場景中的實際應用效能3-4。因此，開發一種穩定、可靠、高精度的在線檢測裝備對實現鋁電解生產過程的精準感知和低碳轉型具有重要意義。本文以某鋁業公司 350kA 系列電解槽為對象，開展基于阻抗變化的液位在線檢測試驗，驗證系統的測量精度與穩定性，為工業化應用提供技術參考。

1驗試原理

1.1系統架構

鋁電解高溫熔體液位在線檢測系統由控制器模塊、電機驅動模塊、傳感模塊、TCP傳輸模塊和探頭模塊五部分組成（圖1）。系統以西門子S7-1200PLC為核心控制器，負責向電機驅動器輸出脈沖控制信號，同時處理ADC模塊采集的傳感器數據以計算鋁液參數。電機驅動模塊控制探桿的伸縮運行，通過精確控制電機轉速與位置，實現探桿在電解鋁液中的伸入/抽出運動。傳感模塊實時測量探桿垂直位移，TCP傳輸模塊將測量數據上傳至計算機，探頭模塊則負責采集高溫熔體界面位置信號。

1.2測量原理

本系統基于空氣一電解質一鋁液三相介質的阻抗特性差異進行界面檢測。在測量過程中，鋁電解高溫熔體液位在線檢測系統以西門子PLC為控制器，控制滑軌電機和測量模塊同步運行，當探桿由空氣進入電解質層時，系統監測到電位上升，繼續深人至鋁液層時，電位呈顯著下降；在探桿拔出過程中，電位變化則相反。通過記錄探桿位移與電位變化的對應關系，可精確識別界面位置，計算得到電解質液位和鋁液液位5。儀器測量液面/界面位置的動作原理見圖2所示。

圖2中，h1為參考平面至電解槽底部高度，h2為鋁液面到槽底的界面高度，h3為電解質到槽底的液面高度，h4為參考平面到探桿在初始狀態的高度，h5為探桿接觸到電解質時所伸出的增量，h6為探桿接觸到鋁液時所伸出長度的增量，則電解質到槽底的液面高度可由式（1）計算，鋁液面到槽底的界面高度可由式（2）計算得到。

2 試驗結果分析及討論

2.1探測信號測試

為驗證系統檢測原理的可行性，針對不同槽型、時段及工況進行了重復性驗證試驗，累計完成探桿進槽測試700次。以某廠 400kA 電解槽試驗數據為例，選取典型測試數據繪制曲線如圖3所示。可以看到，探桿從空氣中接觸液面，進入液面下方，經過電解質界面進入鋁液層時，電壓信號呈現突然上升后逐漸下降的形態，且在液面、界面處信號梯度變化明顯。試驗中，通過人工控制探桿在界面區域停留并重復進出，數據特征呈現高度一致性，驗證了檢測原理的有效性。

2.2單臺槽全天多次測量分析

在某鋁廠 400kA 車間選取10余臺電解槽進行液位/界位對比試驗，累計完成了300次進槽測試。典型槽號（2715、2715、2718、2719、2720）的測量數據統計結果見表1，該表包含了人工與自動測量的電解質高度（h3）鋁液高度（h2）及其誤差分析。

1）液面數據一致性分析。比較5次測量的標準差，槽2715、2716、2718的自動測量液面標準差均小于人工測量值；而槽2719、2720的自動測量標準差高于人工測量值。其原因為電解質表面波動幅度非常大，導致單次測量的離散性顯著。建議采用5次測量均值作為有效數據。

2）界面測量穩定性分析。所有電解槽界面測量的自動標準差均顯著低于人工測量值。其原因分析：電解質一鋁液分界面雖然也有波動，但是波動范圍較?。?lt;2cmj ），而人工測量的讀數主觀性大。本設備的自動檢測系統通過電信號實時采集，避免了人工判讀的主觀誤差，因此測量結果的重復性、一致性明顯優于人工。

為驗證實驗結果的普適性，在2714號電解槽開展分時段驗證試驗。如圖4所示，人工與自動測量的電解質液位（h3）及鋁液液位（h2）均值與前述結果具有一致性。

2.3兩水平自動測量與人工測量對比分析

為了更進一步驗證設備測量準確性，選擇單臺槽在出鋁前后進行兩水平人工測量和系統自動測量對比，測量結果對比見圖5。電解質液位的自動測量值較人工值系統性偏低約 2cm （穩定工況點對比）；鋁液液位的自動測量值較人工值系統性偏高約 4cm （穩定工況點對比）。試驗分析認為，這種系統誤差主要來源于以下兩方面：1）測量機制差異。人工測量是一個大約 10s 的接觸過程，由于電解質的黏附性要強于鋁液，在這段時間內電解質層的最大波動范圍有充足的時間被探桿捕捉。相比而言，自動測量探頭是瞬時穿越分界面，其所測得的數據只對應某一個時刻值，因此很大概率上將會小于這一時間段內的最大值。2）槽底沉淀干擾。電解槽底部的沉積物可能會影響到自動探測信號的分布。對此可以根據每臺槽子的實際情況建立獨立標定機制，并定期校準，以消除系統誤差

3 結論

本研究構建的基于阻抗變化的液位檢測系統經350～400kA 系列電解槽多次試驗表明：1）雙液位測量精度達工業應用標準，測量誤差在可接受范圍內；2）該系統打破人工耗時耗力測量的局面，實現了分鐘級數據更新，較人工檢測效率大幅提升；3）通過實時液位反饋優化氧化鋁添加策略，實現對電解槽的全息、個性化、標準化管控，電流效率得到提升，生產成本也得以降低。該系統解決了高溫（ 960^°C ）強磁場（ ?50mT ）環境下連續監測難題，為鋁電解工藝數字化管控提供了可靠的技術手段。

參考文獻

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