鋁電解槽熱場仿真與槽殼溫度在線檢測系統(tǒng)研究.pdf

1、預(yù)焙陽極鋁電解槽是鋁電解廠的主要的生產(chǎn)設(shè)備，因此它的各種技術(shù)條件的匹配情況是否處于最佳狀態(tài)，對于提高電解電流效率和產(chǎn)品質(zhì)量以及保持鋁電解槽的良好狀況具有十分重要的作用。準確及時地掌握各種技術(shù)參數(shù)的變化情況，一直是鋁電解工藝優(yōu)化的目標。電解鋁槽的槽殼溫度是生產(chǎn)運行中的重要參數(shù)，通過在線檢測槽殼溫度，可以實時監(jiān)測電解槽運行狀況，有效地避免漏槽等事故的發(fā)生，延長電解槽的使用壽命，同時為電解工藝的分析提供有效的參考數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的辦法是通過儀器、儀

2、表等測量工具進行人工檢測，這樣，不但有人為的測量或分析誤差，而且在很大程度上增加了工人的勞動強度，對于提高企業(yè)勞動生產(chǎn)率很不利，特別是在測量電解槽散熱孔、陰極鋼棒以及爐底鋼板溫度時，因為測量點多、測量時間間隔短，這種現(xiàn)象就表現(xiàn)得更為明顯。電解鋁的生產(chǎn)處于強磁場、多塵、高溫等復(fù)雜的環(huán)境，普通的電類傳感器難以長期可靠使用，針對該技術(shù)難題，本課題在深入分析光纖光柵傳感原理的基礎(chǔ)上，研制了高溫光纖光柵溫度傳感器。光纖光柵傳感器具有本征抗電磁干擾

3、、耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕及易于與被測物結(jié)合的特點，采用光纖光柵設(shè)計的溫度、應(yīng)變、振動、超聲波等傳感器已獲得了廣泛的應(yīng)用。普通的光纖一般溫度測量范圍在-40℃-150℃，而鋁電解槽殼溫度的上限要達到350℃，論文通過稀土共摻光纖增敏制作特種光纖并利用紫外激光照射周期性相位掩模板法寫制，解決了光纖光柵在高溫區(qū)域的折射率調(diào)制易擦除的關(guān)鍵技術(shù)問題。根據(jù)監(jiān)測需求，利用光學(xué)時分復(fù)用和波分復(fù)用技術(shù)構(gòu)建了多點監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)了多點溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了

4、鋁電解槽殼溫度的實時在線監(jiān)測。
　　 論文首先分析了鋁電解槽殼溫度檢測對鋁電解工藝及鋁電解槽健康狀況預(yù)測的重要意義，調(diào)研了鋁電解槽槽殼溫度檢測的研究現(xiàn)狀。然后，采用二維電解槽溫度場分布模型，根據(jù)鋁電解槽的溫度分布情況，對電解槽進行網(wǎng)格劃分，采用有限差分法進行數(shù)值計算，重點研究了電解溫度、槽膛內(nèi)形及不同病槽狀況對槽殼溫度場的影響。對光纖光柵建立了溫度傳感數(shù)學(xué)模型，分析了提高光纖光柵高溫傳感性能的方法，選用化學(xué)氣相沉積法制作銻-鉺-

5、鍺及銻-鍺共摻特種光纖，采用紫外光照射周期性相位掩模板的方法寫制光纖光柵，并對寫滯后的光柵進行了500℃以內(nèi)的高溫退火，實驗研究了光纖光柵的高溫退火反射率變化特性，溫度響應(yīng)靈敏度，穩(wěn)定性等性能指標，采用共摻增光敏法設(shè)計的高溫光纖光柵在高溫退火后，都仍具有較高的反射率，而且在高溫區(qū)光纖光柵波長隨溫度變化具有良好的響應(yīng)度，滿足了鋁電解槽殼溫度監(jiān)測對傳感器的要求。
　　 然后，分析了電解槽的結(jié)構(gòu)以及生產(chǎn)工藝，并對電解槽的傳熱原理及影響

6、熱平衡的因素進行了研究，確定了對槽殼的溫度監(jiān)測對象為陰極鋼棒、側(cè)部鋼板、底部鋼板。分別根據(jù)陰極鋼棒、側(cè)部鋼板、底部鋼板的安裝結(jié)構(gòu)需要，測溫范圍等因素設(shè)計了高溫光纖光柵傳感器。傳感器所用光柵均采用在Sb-Ge共摻石英光纖上通過紫外光照射不同周期的掩模板寫制而成，并分別對封裝后的傳感器進行了光柵波長隨溫度變化趨勢，響應(yīng)時間以及穩(wěn)定性測試，取得了良好的測試結(jié)果。
　　 通過對鋁電解槽熱散失模型分析可知，陰極鋼棒散熱占8％，側(cè)部鋼板占4

7、0％，底部鋼板占7％，溫度變化可以反映電解槽熱平衡的狀態(tài)，可以依賴監(jiān)測數(shù)據(jù)對電解槽的工藝狀態(tài)和健康狀況進行判斷分析。在Sb-Ge共摻石英光纖上采用紫外激光照射相位掩模板法寫制高溫光纖光柵，根據(jù)陰極鋼棒、側(cè)部鋼板以及底部鋼板的安裝位置需求，設(shè)計適用于鋁電解槽殼溫度監(jiān)測的光纖光柵傳感器。
　　 光纖光柵傳感器的波長解調(diào)技術(shù)是實現(xiàn)系統(tǒng)準確檢測的關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)比較了多種解調(diào)方式的優(yōu)缺點，對體相位光柵解調(diào)原理進行了分析，并闡述了體相位光柵

8、實現(xiàn)多點FBG解調(diào)的系統(tǒng)設(shè)計。通過分析鋁電解槽殼溫度監(jiān)測點的需求，對監(jiān)測點按照陰極鋼棒，側(cè)部鋼板，底部鋼板進行了系統(tǒng)監(jiān)測分組設(shè)計。最后利用體相位光柵作為解調(diào)器件設(shè)計了多點溫度監(jiān)測系統(tǒng)，并對軟件實現(xiàn)進行了詳細分析。
　　 最后，將自行研制傳感器按照設(shè)定的多點傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)將傳感器安裝于指定待測點，并說明了在傳感器安裝過程中應(yīng)當(dāng)注意的問題。結(jié)合鋁電解生產(chǎn)工藝，對系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)進行了比照分析，重點討論了生產(chǎn)過程中的陽極效應(yīng)、出鋁等時刻的

9、溫度變化特性。以陰極鋼棒光纖光柵溫度傳感器為研究對象，參照紅外測溫槍檢測數(shù)據(jù)，對傳感器的準確性進行了實驗研究，最后分析了傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差的來源。
　　 該系統(tǒng)的研制成功替代了原有采用紅外手持式測溫槍人工定時巡檢的槽殼溫度監(jiān)測方式，為鋁電解工藝的研究提供了科學(xué)翔實的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析，可以預(yù)測電解槽的健康狀況，防止事故的發(fā)生，保障鋁電解的正常生產(chǎn)。另外，對于減輕工人勞動強度，改善工作環(huán)境，提高鋁電解生產(chǎn)過程中的自動化管理程度