譚震軍,黃亮,白萬(wàn)全,楊曉玲,石忠寧

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

霍爾-埃魯鋁電解法經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,技術(shù)和裝備水平大幅提升,機(jī)械化和自動(dòng)化程度不斷提高,極大地促進(jìn)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(lái)的“工業(yè)4.0”和“中國(guó)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(jī)器學(xué)習(xí)功能的實(shí)現(xiàn)。

由于鋁電解槽內(nèi)為腐蝕性很強(qiáng)的氟化物熔鹽,與氟化物熔鹽相關(guān)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(shù)條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)測(cè)量,使鋁電解智能制造缺乏有效的感知量,難以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)?；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(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)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(guò)調(diào)整參數(shù)進(jìn)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(jì)技術(shù)指標(biāo)。

生產(chǎn)過(guò)程中,鋁電解槽的槽況復(fù)雜多變[2-5],其實(shí)時(shí)感知量?jī)H為電流和電壓,槽控系統(tǒng)通過(guò)物料平衡和能量平衡調(diào)節(jié)。槽殼溫度是電解槽運(yùn)行中常監(jiān)測(cè)的參數(shù),但是其用途僅用于判斷電解槽是否過(guò)熱或存在漏槽風(fēng)險(xiǎn)。然而,可以通過(guò)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(yùn)行狀況的好壞。

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

1 鋁電解槽槽殼測(cè)溫系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 測(cè)溫元件選擇

溫度的測(cè)量方法有非接觸式和接觸式兩種。非接觸式測(cè)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(shù)測(cè)量鋁電解槽槽殼溫度需要進(jìn)行除塵降噪處理,性價(jià)比不高[10]。激光測(cè)溫技術(shù)精度高且不受強(qiáng)磁場(chǎng)影響,但建設(shè)成本高[11]。聲學(xué)測(cè)溫法在線檢測(cè)困難[12]。

接觸式測(cè)溫方法中,熱電偶在鋁電解車(chē)間需要長(zhǎng)距離信號(hào)輸送不便實(shí)現(xiàn)。而光纖光柵溫度測(cè)量靈敏度高、可避免電磁干擾、可遠(yuǎn)距離傳輸。本研究采用光纖光柵傳感器測(cè)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(cè)溫系統(tǒng)構(gòu)建

溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件由上位機(jī)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(cè)溫點(diǎn),溫度信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)經(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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)顯示,通過(guò)TCP Modbus通訊協(xié)議將分析儀中的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)軟件,實(shí)時(shí)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù),供后續(xù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)鋁電解槽槽殼溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。

溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)溫度圖表顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警預(yù)警、報(bào)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)溫系統(tǒng)驗(yàn)證

采用恒溫水浴鍋和電阻爐對(duì)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)裝備進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證[13],其溫度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)范圍分別為15～ 94℃和90～ 200℃時(shí);測(cè)溫系統(tǒng)采用8根傳感器同步測(cè)量,這8根光纖光柵溫度傳感器通過(guò)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(gè)測(cè)溫通道,可以實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量。在光纖光柵傳感分析儀中可以設(shè)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(gè)溫度數(shù)據(jù),當(dāng)保存間隔為0時(shí)表示不存儲(chǔ)數(shù)據(jù);文件生成規(guī)則設(shè)置的是每小時(shí)生成一個(gè)數(shù)據(jù)文檔文件;傳感器的故障確認(rèn)時(shí)間為20 s,測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點(diǎn)后6位。

低溫動(dòng)態(tài)溫度監(jiān)測(cè)調(diào)試過(guò)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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?zhàn)x數(shù)的比較可以看出,實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)裝置的低溫動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中的測(cè)溫準(zhǔn)確度非常高,其測(cè)量位置與光纖傳感器測(cè)量位置相同,根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比可以得出其測(cè)溫誤差在-0.7～+1.3℃之間。此外,從曲線和讀數(shù)點(diǎn)的吻合程度可以看出溫度采集系統(tǒng)的響應(yīng)速度及其采集頻率很高,滿足鋁電解槽殼溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求。

圖4 低溫動(dòng)態(tài)溫度監(jiān)測(cè)調(diào)試

高溫動(dòng)態(tài)溫度檢測(cè)調(diào)試過(guò)程,主要是針對(duì)電阻爐的降溫過(guò)程進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),然后與數(shù)顯控溫儀(CKW-3100)進(jìn)行對(duì)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(tái)處,每隔10 min從數(shù)顯控溫儀中讀取一遍由熱電偶測(cè)量的溫度數(shù)據(jù),作為高溫動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的對(duì)照組。用于模擬監(jiān)測(cè)鋁電解槽A組傳感器和B組傳感器的高溫動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)調(diào)試數(shù)據(jù)分別如圖5、圖6所示。

圖5 A組傳感器動(dòng)態(tài)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果與熱電偶測(cè)溫對(duì)比結(jié)果

圖6 B組傳感器動(dòng)態(tài)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果與熱電偶測(cè)溫對(duì)比結(jié)果

從監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連續(xù)測(cè)溫與控溫儀熱電偶測(cè)溫的高溫動(dòng)態(tài)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出,實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)裝置A、B組傳感器的測(cè)溫準(zhǔn)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(cè)溫相比,這兩種方法測(cè)量得到的溫度數(shù)據(jù)很接近。通過(guò)高溫動(dòng)態(tài)溫度監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)裝置的響應(yīng)速率,其數(shù)據(jù)采集頻率在1～10000 ms之間可調(diào)。根據(jù)對(duì)比情況可以看出,基于光纖光柵傳感體系的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)滿足鋁工業(yè)測(cè)溫的測(cè)溫精度、響應(yīng)速率和連續(xù)測(cè)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(dǎo)熱計(jì)算機(jī)模型和“熱流管分析”模型,采用二維穩(wěn)定溫度場(chǎng)的拉普拉斯方程進(jìn)行計(jì)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(yáng)極浸入電解質(zhì)的深度與陽(yáng)極到爐幫邊縫距離之比。成庚等人通過(guò)測(cè)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(jì)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(duì)420 kA電解槽進(jìn)行熱-電耦合分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)強(qiáng)化電流小于2%時(shí)對(duì)爐幫影響較小,當(dāng)電流強(qiáng)化大于5%時(shí),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?jī)?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(shí)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(shè)整個(gè)計(jì)算過(guò)程基于傳熱方向?yàn)樗椒较?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(jìn)而得到不同的爐幫厚度矩陣模型。當(dāng)電解槽的能量收支處于平衡狀態(tài)時(shí),此時(shí)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(guān)系。

對(duì)于電解槽槽殼和內(nèi)襯界面:

(1)

解得:

(2)

對(duì)電解槽側(cè)部?jī)?nèi)襯的傳熱情況:

(3)

解得:

(4)

將(2)式帶入(4)式中,可得:

(5)

對(duì)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(dǎo):

(10)

電解質(zhì)通過(guò)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(dǎo)率,W/(m·K);

λ2——側(cè)部碳磚的熱導(dǎo)率,W/(m·K);

λ3——爐幫的熱導(dǎo)率,W/(m·K);

λ4——電解質(zhì)對(duì)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(guò)槽幫和槽內(nèi)襯向外部空氣傳遞的熱流量多少有關(guān),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(dǎo)率有關(guān)。過(guò)熱度(T5-T4)越大,爐幫熔化變薄,電解質(zhì)溫度變化對(duì)爐幫形狀和厚度影響較大;冬天或加強(qiáng)換熱時(shí),槽殼溫度T1下降,爐幫增厚。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度T1的測(cè)量;電解質(zhì)溫度T5和初晶溫度T4可通過(guò)一種雙傳感器探頭快速測(cè)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(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程,只有當(dāng)電解槽的能量收入和支出處于平衡狀態(tài)時(shí),槽幫才會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài),否則當(dāng)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(shí),槽幫會(huì)逐漸融化至消失;當(dāng)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(shí),槽幫結(jié)殼會(huì)慢慢積累變厚。這兩種情況都會(huì)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(guò)程中需要時(shí)刻關(guān)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(dǎo)率和保溫料性能等,換極過(guò)程對(duì)熱平衡造成影響也值得重視,通過(guò)實(shí)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(jì)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(dǎo)率及其隨溫度之間的變化關(guān)系,這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測(cè)量是必不可少的。同樣,未來(lái)鋁電解生產(chǎn)智能化,需要大量有關(guān)電解槽建造原材料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),方能結(jié)合日常生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析判斷,實(shí)現(xiàn)電解槽智能管控。因此,系統(tǒng)的建立鋁電解槽相關(guān)原材料的物化性質(zhì)的數(shù)據(jù)庫(kù)是一項(xiàng)重要而又緊迫的工作。

3 結(jié) 論

(1)光纖光柵溫度技術(shù)比較適合于在鋁電解環(huán)境中實(shí)現(xiàn)槽殼側(cè)壁實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)。

(2)構(gòu)建了鋁電解槽槽殼溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件和軟件,低溫測(cè)溫誤差在-0.7～+1.3℃之間,高溫測(cè)溫誤差在測(cè)溫誤差在-3.2～+4.8℃之間,響應(yīng)時(shí)間小于10 s。