铝电解槽热场仿真与槽壳温度在线检测系统研究

摘要

预焙阳极铝电解槽是铝电解厂的主要的生产设备，因此它的各种技术条件的匹配情况是否处于最佳状态，对于提高电解电流效率和产品质量以及保持铝电解槽的良好状况具有十分重要的作用。准确及时地掌握各种技术参数的变化情况，一直是铝电解工艺优化的目标。电解铝槽的槽壳温度是生产运行中的重要参数，通过在线检测槽壳温度，可以实时监测电解槽运行状况，有效地避免漏槽等事故的发生，延长电解槽的使用寿命，同时为电解工艺的分析提供有效的参考数据。传统的办法是通过仪器、仪表等测量工具进行人工检测，这样，不但有人为的测量或分析误差，而且在很大程度上增加了工人的劳动强度，对于提高企业劳动生产率很不利，特别是在测量电解槽散热孔、阴极钢棒以及炉底钢板温度时，因为测量点多、测量时间间隔短，这种现象就表现得更为明显。电解铝的生产处于强磁场、多尘、高温等复杂的环境，普通的电类传感器难以长期可靠使用，针对该技术难题，本课题在深入分析光纤光栅传感原理的基础上，研制了高温光纤光栅温度传感器。光纤光栅传感器具有本征抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、质量轻及易于与被测物结合的特点，采用光纤光栅设计的温度、应变、振动、超声波等传感器已获得了广泛的应用。普通的光纤一般温度测量范围在-40℃-150℃，而铝电解槽壳温度的上限要达到350℃，论文通过稀土共掺光纤增敏制作特种光纤并利用紫外激光照射周期性相位掩模板法写制，解决了光纤光栅在高温区域的折射率调制易擦除的关键技术问题。根据监测需求，利用光学时分复用和波分复用技术构建了多点监测网络，开发了多点温度在线监测系统，实现了铝电解槽壳温度的实时在线监测。
　　 论文首先分析了铝电解槽壳温度检测对铝电解工艺及铝电解槽健康状况预测的重要意义，调研了铝电解槽槽壳温度检测的研究现状。然后，采用二维电解槽温度场分布模型，根据铝电解槽的温度分布情况，对电解槽进行网格划分，采用有限差分法进行数值计算，重点研究了电解温度、槽膛内形及不同病槽状况对槽壳温度场的影响。对光纤光栅建立了温度传感数学模型，分析了提高光纤光栅高温传感性能的方法，选用化学气相沉积法制作锑-铒-锗及锑-锗共掺特种光纤，采用紫外光照射周期性相位掩模板的方法写制光纤光栅，并对写滞后的光栅进行了500℃以内的高温退火，实验研究了光纤光栅的高温退火反射率变化特性，温度响应灵敏度，稳定性等性能指标，采用共掺增光敏法设计的高温光纤光栅在高温退火后，都仍具有较高的反射率，而且在高温区光纤光栅波长随温度变化具有良好的响应度，满足了铝电解槽壳温度监测对传感器的要求。
　　 然后，分析了电解槽的结构以及生产工艺，并对电解槽的传热原理及影响热平衡的因素进行了研究，确定了对槽壳的温度监测对象为阴极钢棒、侧部钢板、底部钢板。分别根据阴极钢棒、侧部钢板、底部钢板的安装结构需要，测温范围等因素设计了高温光纤光栅传感器。传感器所用光栅均采用在Sb-Ge共掺石英光纤上通过紫外光照射不同周期的掩模板写制而成，并分别对封装后的传感器进行了光栅波长随温度变化趋势，响应时间以及稳定性测试，取得了良好的测试结果。
　　 通过对铝电解槽热散失模型分析可知，阴极钢棒散热占8％，侧部钢板占40％，底部钢板占7％，温度变化可以反映电解槽热平衡的状态，可以依赖监测数据对电解槽的工艺状态和健康状况进行判断分析。在Sb-Ge共掺石英光纤上采用紫外激光照射相位掩模板法写制高温光纤光栅，根据阴极钢棒、侧部钢板以及底部钢板的安装位置需求，设计适用于铝电解槽壳温度监测的光纤光栅传感器。
　　 光纤光栅传感器的波长解调技术是实现系统准确检测的关键技术，系统比较了多种解调方式的优缺点，对体相位光栅解调原理进行了分析，并阐述了体相位光栅实现多点FBG解调的系统设计。通过分析铝电解槽壳温度监测点的需求，对监测点按照阴极钢棒，侧部钢板，底部钢板进行了系统监测分组设计。最后利用体相位光栅作为解调器件设计了多点温度监测系统，并对软件实现进行了详细分析。
　　 最后，将自行研制传感器按照设定的多点传感器监测网络将传感器安装于指定待测点，并说明了在传感器安装过程中应当注意的问题。结合铝电解生产工艺，对系统检测数据进行了比照分析，重点讨论了生产过程中的阳极效应、出铝等时刻的温度变化特性。以阴极钢棒光纤光栅温度传感器为研究对象，参照红外测温枪检测数据，对传感器的准确性进行了实验研究，最后分析了传感器监测数据误差的来源。
　　 该系统的研制成功替代了原有采用红外手持式测温枪人工定时巡检的槽壳温度监测方式，为铝电解工艺的研究提供了科学翔实的数据，通过对数据的分析，可以预测电解槽的健康状况，防止事故的发生，保障铝电解的正常生产。另外，对于减轻工人劳动强度，改善工作环境，提高铝电解生产过程中的自动化管理程度也有着重要的意义。