铝电解槽连续测温方法研究

　　1　引言

　　铝电解槽温度的连续测量,对于实时监控电解槽运行状况,对其运行状况进行综合分析,并加以控制,从而使电解槽各项技术指标达到最佳值,具有重要意义。然而,铝电解槽的连续测温是一个国际性的难题。主要原因有两个,其一是,电解槽内电解质呈现强腐蚀性[1]。其二是,电解槽内部温度高,正常工作时大约在940~970℃之间,出现“效应”时可能达到1000~1200℃。

　　在接触测量法中,可采用的温度传感器有热电偶和光纤等。然而,高温下金属活性增强,电解质对热电偶(铠装)有很强的腐蚀作用,难以用来连续测温。而光纤抗折强度低,由于铝电解槽上面不断地有氧化铝结渣,封住进料口,不能抵抗进料时敲打氧化铝结渣层带来的冲击,也难以用来连续测温。非接触测量法如红外测温等,受环境温度、测量精度、成本等影响,也很难获得实际应用。目前,在工厂里实用的仍然是间断测温,即每隔一段时间用热电偶进行一次测量,一般是每周1~2次。即便如此,热电偶的使用寿命仍然很短,一只热电偶仅能测量几十个电解槽就腐蚀坏了,而一般的铝厂都有数百个电解槽。

　　我们提出了利用温度平衡原理[2]对铝电解槽进行连续测温的方法。仍然采用热电偶进行测量,但是在电解槽外面测量,不接触电解槽内的电解质,而利用负反馈来减小环境温度的影响,提高测量精度。初步实验表明,这种方法使得铝电解槽温度的低成本、高精度连续测量成为可能。

　　2　测量原理

　　如图2—1所示,用两个温度特性相同的热电偶,将与电解槽壳体表面相接触的绝热层1内、外表面的温度测量出来,设分别为T2、T3。当T2≠T3时,如果放大及控制电路的增益足够大,并且极性恰当,则两个热电偶输出热电势的差值经过放大及控制电路之后,就可以控制加热电阻丝中的电流增大或减小,直到T2=T3为止。当T2=T3以后,电阻丝中的电流保持不变,所产生的热量用于经绝热层2向环境散发,以便维持T3不变。当T2=T3时,绝热层1内、外表面之间没有热能交换,绝热层1附近电解槽内、外也将没有热能交换,则T2必然和绝热层1附近电解槽内的温度T1相等,即必然有T2=T1。环境温度T4的改变,最终只是引起电阻丝内维持电流的改变,而不会影响T2和T1的相等关系。

　　假定系统是线性的,即可以应用叠加原理分析被测温度T1的改变量ΔT1、环境温度T4的改变量ΔT4对输出的影响,则可以用图2—2所示的方框图来说明本方法的测量原理。图中,R1是铝电解槽内部到表面(对应于测量点位置)之间的热阻,R2是热层1内表面到外表面之间的热阻,R3是绝热层2内表面到外表面之间的热阻,R4是绝热层2外表面到周围环境之间的热阻,K1、K2分别是两个热电偶的灵敏度,K3是放大及控制电路的增益,K4是电阻丝的传递系数。ΔU0是输出热电势。