本發(fā)明涉及鋁電解技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種工業(yè)鋁電解槽局部反電動勢測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

工業(yè)鋁電解過程是一個熔鹽電解過程，在電解槽的陽極通入直流電以后，槽內(nèi)進行電解反應(yīng)得到金屬鋁。根據(jù)電化學(xué)理論可知，當(dāng)直流電通過熔鹽時，只有當(dāng)外加電壓達到一定數(shù)值時才開始電解，而要維持電解的進行，外加電壓始終不能低于該最小電壓值，這個電壓就稱為理論分解電壓。理論分解電壓可由熱力學(xué)數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確的計算，即通過各物質(zhì)的活度值、物質(zhì)的價數(shù)變化及其他常數(shù)等，可計算得到。但在實際鋁電解過程中，當(dāng)外界通入電流一定時，則在兩極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，析出金屬鋁，此時的分解電壓為實際的分解電壓。由于實際分解電壓總是與電解上產(chǎn)中槽電壓方向相反，常成為反電動勢。當(dāng)外界電壓大于發(fā)電動勢時候，開始正常電解，外電壓小于反電動勢時，電解槽將變成電池向外反饋電壓和電流。故實際的反電動勢等于理論分解電壓與陰陽極過電壓之和。

鋁電解工業(yè)生產(chǎn)中，反電動勢一般在1.5-1.8v之間，但會隨著電解槽的工藝條件與電解質(zhì)體系存在差異，即使同一系列，其值也是彼此不同。目前鋁電解槽的控制實際為對電阻的控制，即用下式計算槽電阻：

但對于反電動勢e反的取值，常常根據(jù)經(jīng)驗取一個常數(shù)，一般為1.7v左右。如果e反的取值和實際相差比較大，則所計算的槽電阻便存在很大的差異，如此會導(dǎo)致電解槽的控制誤差增大，槽能耗增加、效率降低。因此，為了獲得穩(wěn)定電解過程，必須要對槽內(nèi)的反電動勢有精準(zhǔn)的認識，這也是計算機控制電解槽的一個關(guān)鍵。

而當(dāng)前鋁電解槽的控制系統(tǒng)所用的反電動勢均為一個假定的常數(shù)，究其原因在于工業(yè)鋁電解槽的反電動勢測量困難。目前，對反電動勢的測量一般有五種方法，分別為：斷電法、掃描參比法、紋波法、統(tǒng)計回歸法和其他方法。

工業(yè)鋁電解電解槽由于其極為強大的電流(200～600ka)、腐蝕的熔鹽換極及惡劣的現(xiàn)場條件，其反電動勢的現(xiàn)場測量一直為一個行業(yè)難題。東北大學(xué)的張明杰與邱竹賢等人在這一領(lǐng)域開始諸多探索，但依然難以找到一個工業(yè)上較為適用的反電動勢測量發(fā)放。對于上述五種方法，首先，電解槽的正常上產(chǎn)中，無法突然斷電，故全系列斷電法測量反電動勢不適用于工業(yè)鋁電解槽；對于掃描參比法，由于槽內(nèi)的過電壓只有不到80mv，測定極化曲線時不能采用類似于水溶液中常用的魯金毛細管來消除體系的歐姆壓降，其歐姆壓降的準(zhǔn)確扣除或補償一直是高溫熔鹽電化學(xué)研究中急需解決的一項關(guān)鍵技術(shù)難題，故測量誤差極大；對于紋波法，則由于工業(yè)電解槽數(shù)量多，總電壓高，交流諧波數(shù)量少，難以測量，且槽電阻較小，信號發(fā)生器較大等原因而難以成功測量；統(tǒng)計回歸法則受限于數(shù)據(jù)量導(dǎo)致精度較低；其他的方法都有類似于問題。

由此可見，在工業(yè)鋁電解槽上，目前尚缺乏一種較為經(jīng)濟有效的反電動勢測量方法，對于鋁電解控制系統(tǒng)中的反電動勢多為人工假設(shè)的值，這對控制的精度及電解槽的管理均帶來較大的的偏差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠方便、準(zhǔn)確且經(jīng)濟地對鋁電解槽局部反電動勢進行測量的裝置。本分的核心思路是基于斷電法，同時利用電解槽換極時必須將所更換的陽極斷電這一原理，將被更換陽極的局部電解質(zhì)與周圍絕緣開，在被更換陽極斷電瞬間測量該局部區(qū)域的反電動勢。

為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，

一種工業(yè)鋁電解槽局部反電動勢測量裝置，包括陽極區(qū)域側(cè)部隔離框架1、熔體內(nèi)部參比電極3、陽極導(dǎo)桿電壓探頭4、高頻數(shù)字示波器6和底部隔離板8；所述的陽極區(qū)域側(cè)部隔離框架1包括多段環(huán)繞被測量區(qū)域設(shè)置的豎直隔離板，并和底部隔離板8形成頂面開口的絕緣隔離區(qū)域，所述的熔體內(nèi)部參比電極3和陽極導(dǎo)桿電壓探頭4分別電連接高頻數(shù)字示波器6，熔體內(nèi)部參比電極3設(shè)置于絕緣隔離區(qū)域內(nèi)的底部電解質(zhì)熔體位置，陽極導(dǎo)桿電壓探頭4接觸陽極導(dǎo)桿設(shè)置；

熔體內(nèi)部參比電極3包括內(nèi)參比剛玉管12、外參比剛玉管13、高純鋁液14、剛玉管壁小孔15和導(dǎo)電鎢絲16，所述的內(nèi)參比剛玉管12套裝于外參比剛玉管13內(nèi)，所述的高純鋁液14封閉于內(nèi)參比剛玉管12和外參比剛玉管13的前端，所述的導(dǎo)電鎢絲16一端穿過內(nèi)參比剛玉管12并連接于高純鋁液14內(nèi)，另一端從內(nèi)參比剛玉管12的尾端穿出并通過導(dǎo)線連接至高頻數(shù)字示波器6，所述的剛玉管壁小孔15設(shè)置于外參比剛玉管13的側(cè)壁上，以使絕緣隔離區(qū)域內(nèi)的底部電解質(zhì)熔體連通至熔體內(nèi)部參比電極前端的高純鋁液14。

所述的一種工業(yè)鋁電解槽局部反電動勢測量裝置，所述的組成陽極區(qū)域側(cè)部隔離框架1的豎直隔離板包括外隔離板9、內(nèi)隔離板10和中間層，所述的外隔離板9和內(nèi)隔離板10均由剛玉板制成，中間層為留空的隔熱空間。

所述的一種工業(yè)鋁電解槽局部反電動勢測量裝置，所述的導(dǎo)電鎢絲16連接至高頻數(shù)字示波器6的導(dǎo)線是從豎直隔離板的中間層穿過的。

所述的一種工業(yè)鋁電解槽局部反電動勢測量裝置，所述的外隔離板9和內(nèi)隔離板10均是由雙層剛玉板制成，雙層剛玉板中間設(shè)有不銹鋼層作為支撐。

所述的一種工業(yè)鋁電解槽局部反電動勢測量裝置，所述的多段豎直隔離板中，至少有一段為開合式的活動隔離板11。

所述的一種工業(yè)鋁電解槽局部反電動勢測量裝置，還包括熔體內(nèi)電壓探頭保護裝置2，所述的熔體內(nèi)電壓探頭保護裝置2為中空的筒狀結(jié)構(gòu)，固定于陽極區(qū)域側(cè)部隔離框架的內(nèi)壁上，熔體內(nèi)部參比電極3套裝于熔體內(nèi)電壓探頭保護裝置2內(nèi)。

所述的一種工業(yè)鋁電解槽局部反電動勢測量裝置，還包括接口模塊7，所述的接口模塊7包括存儲單元、通信單元和顯示單元，所述的存儲單元分別通信連接高頻數(shù)字示波器6、通信單元和顯示單元，所述的通信單元用于為外部上位機提供通信接口，所述的顯示單元用于顯示測量數(shù)據(jù)。

一種工業(yè)鋁電解槽局部反電動勢測量方法，采用所述的裝置，包括以下步驟：

a將被測量陽極旁的陽極拔出電解槽，保留被測量陽極，并應(yīng)用陽極區(qū)域側(cè)部隔離框架1和底部隔離板8將被更測量陽極的局部電解質(zhì)與周圍絕緣開；

b將熔體內(nèi)部參比電極3和陽極導(dǎo)桿電壓探頭4分別布置在絕緣隔離區(qū)域內(nèi)的底部電解質(zhì)熔體內(nèi)和陽極導(dǎo)桿處；然后將陽極導(dǎo)桿與陽極橫梁母線斷開，在斷開前后瞬間，應(yīng)用高頻數(shù)字示波器6測量該局部區(qū)域的電動勢的變化；

c根據(jù)電壓的變化，尋找電壓階躍點對應(yīng)的電壓值，即為所測量的局部區(qū)域的反電動勢e反；

d將測量的結(jié)果通過接口模塊7進行儲存和顯示，并將測量結(jié)果保存。

本發(fā)明的技術(shù)效果在于：

1.可行性：傳統(tǒng)的斷電法為對整臺電解槽或系列斷電，這對電解槽影響巨大，生產(chǎn)中除非特殊情況一般不予進行，本發(fā)明提出在陽極更換過程正，對陽極這一個小回路進行局部斷電，在生產(chǎn)中每天均進行，再利用絕緣材料進行熔體的絕緣，便可形成一個局部的測量空間，故具有理論和實際的可行性。

2.便捷性：本發(fā)明的裝置在操作中十分便利，無需過多復(fù)雜的設(shè)備與裝置配合，只需在陽極斷電前將絕緣板與相應(yīng)的測量探頭擺好即可，足以滿足工業(yè)的需求。

3.成本較低，本發(fā)明提供的局部反電動勢測量裝置，其絕緣板選用性價比較高的氧化鋁剛玉板，既可以絕緣又可以絕熱，此外所選用的電壓測量探頭、導(dǎo)線及電壓表等均屬于較成熟產(chǎn)品，應(yīng)用這些低成本的部件構(gòu)成的反電動勢測量裝置，其成本可極大的較低。

綜上所述，本發(fā)明是一種能準(zhǔn)確且方便地測量電解槽反電動勢的裝置，通過構(gòu)造被更換陽極的局部導(dǎo)電區(qū)域，利用換極必須斷電的特性，基于斷電法測量電解槽的局部反電動勢，從而有效的解決了鋁電解槽控制系統(tǒng)中反電動勢設(shè)定的難題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)在槽內(nèi)使用的俯視圖；

圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)的側(cè)部框架結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)的參比電解結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為應(yīng)用本裝置測量實驗得到的電壓曲線示意圖。

圖中：1-陽極區(qū)域側(cè)部隔離框架、2-熔體內(nèi)電壓探頭保護裝置、3-熔體內(nèi)部參比電極、4-陽極導(dǎo)桿電壓探頭、5-耐高溫銅導(dǎo)線、6-高頻數(shù)字示波器、7-接口模塊、8-底部隔離板、9-外隔離板、10-內(nèi)隔離板、11-活動隔離板、12-內(nèi)參比剛玉管、13-外參比剛玉管、14-高純鋁液、15-剛玉管壁小孔、16-導(dǎo)電鎢絲。

具體實施方式

本實施例包括陽極區(qū)域側(cè)部隔離框架、熔體內(nèi)部參比電極、陽極導(dǎo)桿電壓探頭、耐高溫銅導(dǎo)線、高頻數(shù)字示波器、接口模塊和底部隔離板。陽極區(qū)域側(cè)部隔離框架由隔離框架的外隔離板、內(nèi)隔離板和活動隔離板組成，與底部隔離板共同形成方便使用的絕緣隔離框架，確保被測量區(qū)域的斷電。熔體內(nèi)部參比電極由內(nèi)參比剛玉管、外參比剛玉管、高純鋁液、剛玉管壁小孔和導(dǎo)電鎢絲組成，用于測量斷電瞬間的電流。

陽極區(qū)域側(cè)部隔離框架1材料為耐高溫且絕緣的氧化鋁剛玉，并采用中空結(jié)構(gòu)。陽極區(qū)域側(cè)部隔離框架1如圖2和圖3所示，外、內(nèi)隔離板均是采用內(nèi)外雙層4mm的剛玉板，中間用高強度不銹鋼作為支撐，外、內(nèi)隔離板之間留有5mm的隔熱空間作為中間層。見圖3所示，該隔離框架采用三面固定，一面活動的方式，在陽極斷電前，裝入陽極內(nèi)，并固定好，將被更換陽極的區(qū)域與電解槽內(nèi)其他熔體斷開，已形成局部的回路。

內(nèi)參比剛玉管和外參比剛玉管兩層剛玉管均為氧化鋁剛玉材質(zhì)，內(nèi)參比剛玉管套裝于外參比剛玉管內(nèi)，目的是起到保護導(dǎo)電鎢絲的作用。電壓探頭保護裝置的尾部與所述的陽極區(qū)域側(cè)部隔離框架互通，以使導(dǎo)線穿過側(cè)部隔離框架的中間層連接至高頻數(shù)字示波器而不是從電解質(zhì)中穿過，以免導(dǎo)線在電解質(zhì)中腐蝕。外參比剛玉管上鉆一小孔，以保證電解質(zhì)熔體與純鋁的接觸導(dǎo)電。

陽極導(dǎo)桿電壓探頭4、耐高溫銅導(dǎo)線5和高頻數(shù)字示波器6為常用的電壓測量器件，通過高頻數(shù)字示波器測量陽極斷電的瞬間得到的電壓值，再計算測量過程的歐姆壓降，便得到反電動勢，通過接口模塊7可以顯示、存儲與上傳到控制系統(tǒng)中。

接口模塊通過存儲單元、通信單元和顯示單元來實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的顯示、存儲與上傳功能，相應(yīng)的各個功能單元可采用常見的電子元件實現(xiàn)。

圖5為應(yīng)用該系統(tǒng)測量得到的電壓曲線，可以看出，斷電前后的電壓有較大的突變，斷電前的電壓在測量的時間內(nèi)的平均值為3.165v，斷電后的瞬間電壓的值為1.735v，只有電壓不斷衰減，通過計算可得到該次測量得到的反電動勢為1.735v。

工業(yè)鋁電解槽局部反電動勢測量裝置進行反電動勢的測量，包括以下幾步：

a)進行陽極更換的正常步驟，即拔覆蓋料、打殼等操作，將殘極區(qū)域清理干凈，首先將被測量陽極旁的陽極拔出電解槽，保留被測量陽極，并應(yīng)用陽極區(qū)域側(cè)部隔離框架、底部隔離板將被更測量陽極的局部電解質(zhì)與周圍絕緣開；

b)將熔體內(nèi)部參比電極和陽極導(dǎo)桿電壓探頭分別布置在確定高度的熔體內(nèi)、陽極導(dǎo)桿處，用天車進行陽極更換，即將陽極導(dǎo)桿與陽極橫梁母線斷開，在斷開前后瞬間，應(yīng)用高頻數(shù)字示波器測量該局部區(qū)域的電動勢的變化；

c)根據(jù)電壓的編號，尋找電壓階躍點對應(yīng)的電壓值，即為所測量的局部區(qū)域的反電動勢e反；

d)將測量的結(jié)果通過接口模塊顯示，并將測量結(jié)果保存。

采用上述技術(shù)方案的工業(yè)鋁電解槽局部反電動勢測量裝置，在鋁電解每次更換陽極的時候，利用其瞬間斷電的過程測量局部區(qū)域的反電動勢，從而為電解槽的控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。