熔融铝电解质温度测算方法

　　1　引言

　　温度是铝电解过程最重要的操作参数之一,它严重影响生产过程的技术经济指标[1].温度信息的获取是提高铝电解槽控制水平的关键[2].铝电解过程温度测量,目前采用普通热电偶,一般测定铝电解槽的温度是使热电偶与电解质的传热达平衡后读取热电偶的感温,此方法准确可靠.由于高温熔体的强烈侵蚀,热电偶寿命很短,此方法既不经济又增加劳动强度.鉴于经济上及劳动强度因素,生产过程中要数天才测温一次,这远远不能满足铝电解槽控制和生产管理的需要.许多学者就铝电解的温度问题进行过大量研究[3,4],Pechieney[5]采用一个三级服务系统来测算电解槽的温度,中南工业大学研究了一种动态测温方法[6],这些方法匀未能在工业生产过程得到广泛应用.寻求一种较经济又能满足工业生产要求精度的测温方法是一件很有意义的工作.

　　2　热电偶在高温铝电解质中的感温特点

　　热电偶的感温规律与温度环境有密切关系.文献资料表明普通热电偶感温的动态响应过程符合指数规律.但这种规律的递推,要求的条件苛刻,计算量大,不大适合铝电解过程温度的测算.实践测定表明:在测铝电解槽温度时热电偶达平衡温度时间约需40s～100s(误差大于±2℃),开始升温速度很快,在最后50℃很慢,约占整个升温过程的一半多[7],而热电偶保护套管的腐蚀主要发生在这一过程.热电偶在铝电解质中的感温曲线如图1所示.

　　如能根据热电偶感温初期的温度来决定热电偶达平衡时的温度,这将提高热电偶的寿命,减少测温劳动强度,有利于电解槽的管理.

　　我们知道,热电偶插入电解质中的传热过程属于三维不稳态传热,并且包括对流、传导和辐射热交换,是一个十分复杂的过程.准确地求解出热电偶感温的时间、空间函数相当困难.但经过仔细分析,可以把问题简化,使问题的求解成为可能.分析研究表明:热电偶感温可以分3个不同的过程.

　　(1)热电偶感温初期,热电偶吸收电解质的热量,使热电偶表面凝固薄层电解质,此时间热电偶感温速率增加.

　　(2)热电偶感温中期,热电偶表面凝固的薄层电解质慢慢熔化,此时间热电偶升温速率下降.

　　(3)热电偶感温后期,热电偶表面直接与熔融电解质接触,此段时间热电偶升温速率最初是增加的,然后逐渐下降,最终接近于0.

　　由于铝电解过程各电解槽电解质物理化学性能,流动状态不同,测温时热电偶状态也不同,所以各电解槽测温时,3个时期的时间分布是不同的,无一定的规律可寻.这给问题的研究带来困难.

　　3　测算原理

　　用傅立叶导热微分方程把电解槽中热电偶的感温问题(用圆柱坐标系)描述为[8]: