铝电解槽极间电压组成及实时测量

史 冬，赵新亮，高炳亮，王兆文，石忠宁，胡宪伟

(1.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819;2.山东兖矿集团 科奥铝业公司，山东 邹城 273515)

铝电解槽极间电压组成及实时测量

史 冬1，赵新亮2，高炳亮1，王兆文1，石忠宁1，胡宪伟1

(1.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819;2.山东兖矿集团 科奥铝业公司，山东 邹城 273515)

探讨了电解槽电压的组成及降低槽电压的途径，同时开发了一种实时测量方法及设备来测量铝电解槽槽电压组成，为降低槽电压和控制电解槽热平衡提供重要的数据基础.实验室和工业现场测试表明，该设备可准确地测量出电解槽的各部分电压组成和极距，为电解槽精确化控制和操作提供了可靠的技术支持.

槽电压;铝电解;实时测量;极距

铝电解是高耗能工业，节省电能是铝电解工业技术进步的标志之一.目前一些电解铝厂采用降低槽电压的方法来节省电能，遇到了一些问题.其中主要的问题是在降低槽电压的同时，极距也大幅度降低，电流效率亦随之降低［1］.要实现在不降低电流效率的基础上，来降低槽电压，就需要对电解槽的电压构成进行分析研究，因此对槽电压组成的测量就变得尤为重要.

我们知道，工业电解槽的电能消耗与其平均电压和电流效率有关，其关系如式(1)，

降低平均电压，或者提高电流效率，都能减少电解槽的电耗量.现代大型预焙槽的电流效率可以达到95%［2］，继续提升的空间非常有限.另外，电流效率和槽电压对电耗的影响也不一样.方程(2)给出了电流效率和槽电压之间的关系.

式中:V是槽电压，CE是电流效率.如果槽电压是4.0 V，电流效率为95%，则

对电能消耗来说，降低100 mV电压对节省电耗的贡献相当于提高2.4%的电流效率.相比在95%的电流效率基础上再提高2.4%，在4.0 V槽电压的基础上降低100 mV显然要容易得多.由此看来降低电耗的主要途径是降低电解槽平均电压.

1 电解槽平均电压

所谓平均电压是指槽电压与槽电压量程以外的导线中的电压降以及由于系列中发生阳极效应而分摊到每一台电解槽的电压.实际上就是每台电解槽本身的电压与分摊的电压之和.电解槽电压是由反电动势(E反)、电解质电压降(E质)、阳极电压降(E阳)、阴极电压降(E阴)和外线路的电压降(E外)五部分组成.表1给出了电解槽槽电压组成和降低的途径［3］.可以看出，设法降低电解质压降是节省电能的关键所在.

表1 电解槽槽电压组成和降低的途径Table 1 Composition of the cell voltage and the way to deduce the cell voltage

表1列出了几种降低槽电压的方法，东北大学冯乃祥发明的新型阴极技术，实际上就是在缩短极距的情况下，保证不降低电流效率，从而最终达到节能的目的.还有一些铝厂通过添加氟化锂或其他添加剂提高电解质的电导率来达到降低电解质压降的目的.保持铝熔池高度在合理的范围内(15～22 cm)，尽量取低值将有助于增加阳极的浸入深度，增大阳极与电解质的接触面积，也有助于降低槽电压.

2 电解槽极距

电解槽极距是阳极底掌与阴极铝液表面之间的距离.对实际电解槽而言，由于液态铝阴极表面并不是一个静态的水平面，而是一个流动的有波浪的表面(如图1所示)，因此电解槽各个阳极底部的极距是不同的.我们通常所说的极距实际上是平均极距.平均极距(ACD)也称为有效极距，定义为铝液最高波峰与阳极底掌之间的距离(h0)加上铝液波峰与波谷之间的平均高度(1/2hAl)，即ACD=h0+1/2hAl，hAl的范围大约在2～4 cm之间.

工业测量表明，电解槽中部阳极极距最小，向边部偏移极距增大，然后角部阳极的极距又减小.电解槽运行的稳定与否也会对极距产生很大的影响.图2和图3［5］分别为稳定运行电解槽和不稳定运行电解槽的各阳极极距分布情况.其中，柱状图的顶端数据为极距，柱状图中部的数据为阳极的使用天数，横轴为阳极序号，纵轴为相应极距.从图中可以看出，电解槽运行稳定时，极距分布比较均匀，最小极距与最大极距之间相差1 cm左右.不稳定电解槽的各个阳极之间的极距偏差非常大，最小极距与最大极距之间的偏差高达2.8 cm.

3 电解槽电压组成在线测量系统

本文开发了一种在线测量系统用于测量铝电解槽的电压组成，同时测量出单块阳极区域的极距，测量系统简图如图4所示［6］.该测量系统包括控制装置、信号采集和升降测量装置三大部分.控制装置由操作平台和升降机控制器组成，并和电压信号采集装置一起封装在带有恒温空调的控制柜中.升降机控制器为PLC，内置电机控制程序，与操作平台相连，通过自编写的控制程序控制升降机构的动作.升降测量装置包括伺服电机以及伺服电机支架和用于固定电压测量探头的可伸缩架.

图1 154 kA铝电解槽铝液－电解质界面形状［4］Fig.1 Liquid aluminum－electrolyte interface of an aluminum electrolysis cell［4］

图2 稳定工业电解槽的各阳极的极距分布［5］Fig.2 Anode－cathode distance distribution of the stable cell［5］

该装置将测量装置与控制装置分离，中间以导线相连，可以避免操作人员长时间暴露于电解槽开孔，改善了操作环境.测量时将电压测量装置的正极和负极分别通过导线与阳极导杆和探头相连，将探头浸入到铝液中沾取铝液，运行测量程序，探头将从铝液中缓缓上升，直到接触到阳极低掌停止.测量程序将探头采集的电压与探头所行进的距离实时地绘制成电压－位移曲线.

图3 不稳定工业电解槽的各阳极的极距分布［5］Fig.3 Anode－cathode distance distribution of the erratic cell［5］

图4 铝电解槽槽电压组成在线测量系统简图Fig.4 The in－situ measurement system for composition of aluminum cell voltage

软件控制界面和电压采集程序采用LabVIEW编写(见图5)，以NI－DAQmx测量服务软件为基础，同时应用OPC技术，将软件界面上的虚拟控件与升降机构的伺服电机相连，构成控制系统，直接通过软件界面来操作测量探头，更加方便快捷.电压采集所用的探头为Haupin发明的铝参比电极，其结构简图见图6.

图5 槽电压组成在线测量系统的测量操作界面Fig.5 Operation panel of the in－situ measurement system for composition of aluminum cell voltage

4 装置的实验室以及工业现场测试

如前所述，准确测量电解槽的电解质电压、反电动势和阳极区域极距等参数对调整电解槽电压策略以减少直流电耗有着重要意义.

电解质压降直接反应电解质电导率的大小，而电解质电导率是熔盐导电性质的表征，由于温度一定时氧化铝的理论分解电压不变，所以其变化直接影响电解槽的直流电耗.能够及时准确地测出电解质电压降，就可以适时地对电解质的成分作出调整，以达到减少能耗，节省成本的目的.本装置可以快速准确地测出电解质压降，为电解质成分的调整提供依据.

图6 铝参比电极.Fig.6 Aluminum reference electrode

阳极过电压不仅影响铝电解能耗，当其过大时，还会使氟离子放电，引起阳极效应，所以监视阳极过电压对电解槽的正常运行意义重大.本装置可以快速测量反电动势，并以此来计算阳极过电压，使阳极过电压的实时监控成为可能.

铝电解槽极距也是一个非常重要的参数，过大或过小的极距都会对铝电解的正常生产带来不利影响.现在工厂普遍的测量方法还是“提拉法”，此法误差一般可达到10 mm，如此大的误差已经很难适应现在越来越精密的电解槽控制要求.

在实验室中对本装置进行实用性测试，以验证装置的可靠性以及测量精度.实验过程中使用外径160 mm，内径140 mm，高120 mm的石墨坩埚作为电解槽，阳极为高纯石墨圆柱，直径为58 mm.电解时，阴极铝液高40 mm，电解电压为5.6 V，电流为26.4 A.实验药品采用分子比为2.95的工业冰晶石并添加质量分数为5%的氧化铝，电解温度为1 050℃，预设极距为60 mm.

图7为该装置在实验室测得的实验铝阴极到阳极底掌的电压分布情况.从图上看，探头在铝液中移动时，电压基本不变.当探头离开铝液进入电解质时，电压发生突变.探头在电解质中运行时，电压基本成线性减小，直到碰触阳极底掌为止.此时出现另一个拐点，电压为2.25 V，并在很短的时间内降到0.7 V并保持不变.由该图还可以得到如下数据:电解质压降为0.98 V，反电动势为1.55 V，阳极导杆到阳极底面的欧姆压降为0.7 V，阳极区域极距为61 mm，与预设值相差不大.由实验室的测试结果可见，本装置精度很高，极距测试误差仅为1.7%，并且可以很直观地测出实验电解槽的电解质压降和反电动势等重要参数.

图7 实验室电解槽电压分布情况Fig.7 Voltage distribution of the laboratory cell

图8 工业电解槽电压分布Fig.8 Voltage distribution of the industry cell

使用本装置在某电解厂进行了现场测量.测试时电解槽的工艺状况如下:电解质分子比2.55，电解槽温度为975℃，电解槽控制箱上显示的电压为4.0 V，系列电流为300 kA.图8为该装置测得的电解槽中由铝阴极到阳极底掌的电压分布情况.

从图中可见，在工厂现场测试所得到的电压分布曲线与在实验室所得的曲线在形式上是相同的，所不同的是拐点电压以及阳极区域极距.其第一拐点和第二拐点的电压值分别为3.43 V和2.30 V，极距为46 mm.另外还得到电解质压降1.13 V;反电动势1.60 V;阳极导杆到阳极底面欧姆压降0.7 V.这些数据的获得为调整电压控制策略和电解槽热平衡控制提供了非常重要的依据.

5 结语

槽电压组成在线测量技术的开发和应用使我们从更深的层次了解电解槽在运行过程中槽电压的分布情况，为我们调节槽电压和极距等重要参数提供了许多有价值的数据，有助于我们更好地控制电解槽的能量平衡.如果结合过热度控制和物料平衡控制，将使我国电解槽的经济技术指标进一步提升.

［1］刘业翔.低极距下铝电解的电流效率［J］.有色金属，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］邱竹贤.铝电解(第二版)［M］.北京:冶金工业出版社，1995，5:155.

(Qiu Zhuxian.Aluminum electrolysis(second edition)［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，1995，5:155.)

［3］邱竹贤.预焙槽炼铝(第三版)［M］.北京:冶金工业出版社，2005，1.

(Qiu Zhuxian.Aluminum smelting with prebake cells［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2005，1.)

［4］周萍.铝电解槽内电磁流动模型及铝液流场数值仿真的研究［D］.长沙:中南大学，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，石忠宁，高炳亮，等.一种铝电解槽阴极和阳极之间距离的测量方法及装置:中国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.

国家科技支撑计划 (2012BAE08B01).

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