铝电解槽阳极电流分布在线监测理论分析计算

冶金冶炼
M etallurgical smelting
铝电解槽阳极电流分布在线监测理论分析计算
张旭贵
（中铝郑州有色金属研究院有限公司，河南　郑州　４５００４１）
摘 要：铝电解槽阳极电流分布影响到电解槽的稳定运行，实际生产中需要对阳极电流分布进行跟踪和检测，人工测试不但劳动强度大，而且在数据分析上存在一定的滞后性，阳极电流分布的在线检测可以实时监控电解槽阳极电流分布状态，出现偏流可以及时调整，为铝电解槽稳定高效生产提供保障。

本文针对铝电解槽阳极电流分布在线检测算法进行了理论分析，给出了详细的计算公式，为铝电解槽阳极电流分布在线检测提供理论支持和参考。

关键词：铝电解槽；阳极电流分布；在线监测；分析计算
中图分类号：ＴＦ８２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２０）１６－００１６－２
Theoretical analysis and calculation of on-line monitoring of anode current distribution in aluminum reduction cell
ZHANG Xu-gui
（Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ　ｍｅｔａｌｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｌｔｄ　ｏｆ　Ｃｈａｌｃｏ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５００４１，Ｃｈｉｎａ）　Abstract: Ｔｈｅ　ａｎｏｄｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｃｅｌｌ　ａｆｆｅｃｔｓ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｌｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ　ｃｅｌｌ．　Ｉｎ　ａｃｔｕａｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，　ｉｔ　ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｏ　ｔｒａｃｋ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔ　ｔｈｅ　ａｎｏｄｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．　Ｍａｎｕａｌ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｈａｓ　ｇｒｅａｔ　ｌａｂｏｒ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，　ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｈａｓ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｌａｇ　ｉｎ　ｄａｔａ　ａｎａｌｙｓｉｓ．　Ｔｈｅ　ｏｎ－ｌｉｎｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎｏｄｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｔｈｅ　ａｎｏｄｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｉａｓ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｄｊｕｓｔｅｄ　ｉｎ　ｔｉｍｅ　Ｓｔａｂｌｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｇｕａｒａｎｔｅｅｄ．　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｏｎ－ｌｉｎｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｆ　ａｎｏｄｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｃｅｌｌ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ，　ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ａｎｄ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｏｎｌｉｎｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎｏｄｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｃｅｌｌ．　
Keywords: ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ　ｃｅｌｌ；　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｃｕｒｒｅｎｔ；　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｌｉｑｕｉｄ；　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ
铝电解槽是铝电解生产过程中最重要的一个环节，在电解槽的运行过程中，槽内的物料平衡与能量平衡状态都是在不断的变化，还有诸多因素也影响到槽况的实时变化[1，2]。

其中，阳极的工作状态也直接影响着电流效率、电能消耗、吨铝阳极碳耗等各项经济技术指标，因此碳阳极运行状况也决定着铝电解槽生产是否正常，若阳极导杆的等距压降出现不稳定变化，往往会造成阳极局部过热，改变了电解质的导电性和表面张力等特性，大大突出了电解槽内熔体中的电流分布，改变了阳极电流密度，严重危害了铝电解生产的正常运行，从而影响到铝电解槽的生产效率和其他重要性能指标[3]。

在预焙电解槽生产过程中，阳极电流分布测量工作是非常关键的，也是不得不频繁进行的项目之一。

电解槽焙烧启动阶段，每天必须进行全部阳极的电流分布测量，以检查阳极工作情况。

正常生产期，每组新阳极换上必须测量其电流承担量，以确定阳极高度设置是否适当，换极质量是否符合要求。

生产槽一旦出现异常或阳极病变，首先进行检测的项目也是阳极电流分布。

因此，阳极电流分布的测量工作每天、每班都得进行，电解操作工人和现场技术管理人员都得熟练掌握。

目前的电解生产中人员用工紧张，上述工作占据了大量的人力，测量结果也会由于人员的不同操作存在着误差，测量工作效率也较为低下，需要设计开发出电解槽前快速、便捷、实时在线监控槽阳极电流分布状况的在线检测设备，用于对电解槽的生产及时准确地做出指导与报警提示[4]。

阳极电流分布的在线检测可以实时监控电解槽阳极电流分布状态，出现偏流可以及时调整，为铝电解槽稳定高效生产提供保障。

本文针对铝电解槽阳极电流分布在线检测算法进行了理论分析，给出了详细的计算公式，为铝电解槽阳极电流分布在线检测提供理论支持和参考。

1 铝电解槽在线电流分布计算原理
阳极电流分布计算原理根据电压与电流之间的关系公式进行计算：
其中，I—阳极电流：
∆U—电压降。

∆R—电阻。

由于电解槽阳极大母线为均质铝导体，每组阳极之间的距离相同，每组平衡母线对应的位置均在两根阳极导杆之间的正中心，因此，可以通过在阳极母线上采集电信号，检测分析铝电解槽阳极电流分布。

2 阳极电流分布实时监测理论计算
以某企业300kA电解槽为例，电信号采集分布图如图1所示。

信号采集点为每组阳极导杆对应的大母线的中心位置和平衡母线对应的大母线中心位置（中间平衡母线对应位置
收稿日期：２０２０－０８
作者简介：张旭贵，男，生于１９７５年，山西平遥人，本科，高级工程师，研究方向：铝电解节能技术及装备开发。

世界有色金属 2020年 8月下
16
2020年 8月下 世界有色金属17
冶金冶炼
M etallurgical smelting
为左右两根大母线的端头），该企业300kA 电解槽共需要布点32个。

由于电解槽的A、B 面是完全对称的，其计算原理完全相同，因此只分析计算一面即可。

如上图所示，以计算A 面阳极电流分布为例，设V1对应的母线电阻为∆R，则V2、V3、V4、V7、V8、V9、V10对应的母线电阻均为∆R，而V’23、V’45、V’67、V’89对应的母线电阻为2∆R，V5、V6对应的母线电阻为R ∆κ（κ为小于1的系数，），从而可算
出A 面阳极的电流分布：
I A1=VA1/∆R=V1/∆R
I A2=VA2/∆R=V2/∆R-V’23/(2∆R)I A3=VA3/∆R=V3/∆R+V’23/(2∆R)I A4=VA4/∆R=V4/∆R-V’45/(2∆R)I A5=VA5/∆R=V5/（R ∆κ）+V’45/(2∆R)I A6=VA6/∆R=V2/（R ∆κ）-V’67/(2∆R)I A7=VA7/∆R=V2/∆R+V’67/(2∆R)I A8=VA8/∆R=V8/∆R-V’89/(2∆R)I A9=VA9/∆R=V9/∆R+V’89/(2∆R)I A10=VA10/∆R=V10/∆R
根据上述公式，可算出A 面阳极等距压降：VA1=V1
VA2=V2-V’23/2VA3=V3+V’23/2VA4=V4-V’45/2VA5=V5/κ+V’45/2VA6=V6/κ-V’67/2
[1] 刘业祥，李劼.现代铝电解[M].北京：冶金工业出版社，2008.
[2] 冯乃祥.铝电解[M].北京：化学工业出版社，2006.
[3] 李劼，徐宇杰，刘伟，赖延清.基于波动模态耦合的铝电解槽磁流体稳
定性傅里叶级数法分析[J].计算力学学报，2010,27（2）：213-217.[4] 铁军，赵仁涛，张志芳，李月恒，王晓纯，赵新亮.基于无线网的铝电解
槽电流分布在线监测系统设计与实现[J].材料也冶金学报，2010年第6期：
14-16.
图1 阳极电流分布实时监测电信号采集分布图
VA7=V7+V’67/2VA8=V8-V’89/2VA9=V9+V’89/2VA10=V10
同理，可算出VB1~VB10，由于计算出的电压降均为相同电阻下的电压降，因此，可根据电解槽总电流，计算出每组阳极的电流分布。

需要注意的是，布点时，应严格按照上图所示进行布点，正负方向不能接反。

3 结论
铝电解槽阳极电流分布影响到电解槽的稳定运行，出现偏流会引起电解槽波动，电压升高，电流效率降低，增加电解槽能耗。

阳极电流分布的在线检测可以实时监控电解槽阳极电流分布状态，出现偏流可以及时调整，有效解决偏流引起的各种问题，为铝电解槽稳定高效生产提供保障。

本文给出了铝电解阳极电流分布在线监测计算原理，并结合某企业300kA 系列现场阳极电流分布典型案例，对铝电解槽阳极电流分布在线检测算法进行了理论分析，给出了详细的计算公式，为铝电解槽阳极电流分布在线检测提供理论支持和参考。