工业铝电解槽温度监测与分析系统..
基于工业应用的电解铝槽内外温度在线测量
基于工业应用的电解铝槽内外温度在线测量作者：陈金辉来源：《中国科技博览》2017年第18期[摘要]近年来，随着社会的发展与人们生活水平的提高，为了能够更好的实现节能，并促进劳动生产率的提高，降低单位产能的投资成本，铝电解工业的核心设备—铝电解槽正向大容量（400kA级及以上）、低电压（3.9V以下）节能型（12500kWh/t-Al以下）的方向迅猛发展。
同时，以实现大幅节能为目标的各种新型结构电解槽及配套生产工艺与控制技术相继面世，在我国铝业界掀起了一场技术革新热潮。
在电解铝的过程中，必须要对槽内外的温度加以控制，才能提高电流的效率，确保电解槽的平稳运行，并实现对环境与人员的保护。
下面，本文就针对工业应用的电解铝槽内外温度在线测量展开分析，以供参考。
[关键词]工业应用；电解铝；槽内外温度；在线测量中图分类号：TF821 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）18-0006-01在进行铝的冶炼过程中，需要运用一种非常重要的添加剂，即：氟化铝。
通过氟化铝的运用，能够实现对熔体温度和分子比的控制，当熔体温度和分子比在一个很狭窄的波动范围时，电流效率高，电解槽运行平稳，同时氟化物是造成环境污染的重要物质。
氟化物不仅对环境造成污染也是对仪器仪表造成腐蚀的一种重要成分，氟化物的产生与铝冶炼所用物质本身的沸点及槽溶质的温度有紧密的联系。
槽温升高，将导致槽溶质氟化铝的分子比降低，加快氟化铝及冰晶石的挥发，造成原材料的损失并产生环境污染，所以对电解槽内外温度的在线测量及控制将有效地减少氟化物的产生，降低能耗，减少环境污染，保护员工的身体健康。
一、铝电解工业概述在地壳中，铝是储量最大的一种金属元素。
从本质上来说，金属铝有着良好的物理化学性质，并且，是有色金属当中产量最大、用途最广的一种，因此，在国民经济的发展过程中，有着非常重要的地位。
1886年，美国人Hall和法国人Heroult各自独立发明了冰晶石一氧化铝熔盐电解炼铝法，揭开了铝电解工业的序幕。
工业铝电解槽槽况监测要点和分析系统
✓实现测量数据的自动存储：在实现准确测量的 基础上，增加自动记录槽号、测量位置、测量时 间和测量数据的功能。
✓在不改变当前测量方式和传感器的情况下，解 决当前测量准确性和测量效率不高的问题。
✓将多个参数测量功能集成在一个便携式测试仪 器中。
4、系统已成功应用在中国铝业股份有限公司连城分公 司，山西华圣铝业有限责任公司、江苏大屯铝业有限 公司。
5、项目成果申报了四项发明专利（已授权两项）、四 项实用新型专利（全部授权）：
ZL200610137608.4一种可在智能红外测温枪上同时显示多方面信息的方 法。
ZL200610145560.1 一种利用计算机对智能红外测温枪的操作进行控制 的方法。
✓解决手工转录数据效率低、容易出错的问题， 开发能将测量仪表与网络数据库通过USB接口进 行通讯的软件。
✓读取数据库中预定义测试任务并保存到测量仪 表中。
✓通过无线或USB接口读取测量仪表中的测量数 据并保存到数据库表中。
✓自动判断连接的测温仪、电压-温度测量仪，接 口软件显示对应的功能和界面。
✓与测温仪连接的数据接口 软件界面
工作人员利用Excel对测量数据 绘制图表
打印报表/图表，送技术主管
技术主管分析报表，查看数据变化，判断槽况，查找 电解槽破损隐患等
➢存在的问题与不足
✓ 两人或两人以上操作，效率低，成本高。
✓ 存在数据读取、记录、誊抄、输入等多个环节， 容易发生错误。
✓ 使用Excel分析，步骤繁多，速度慢，并要求 操作者熟悉Excel。
✓ 当前方法没有充分利用测量参数进行电解槽的 控制、分析和管理。
✓ 浪费宝贵的人力资源。
基于组态王的铝电解槽槽壳温度检测系统设计与应用
基于组态王的铝电解槽槽壳温度检测系统设计与应用文章针对利用组态王开发的“铝电解槽温度检测系统”的设计与实现进行了分析，利用仿真PLC采集的模拟数据测试了该系统的数据采集功能、监控功能、历史数据记录功能以及报警功能，验证了该系统的可靠性与有效性。
通过仿真表明，该仿真系统切实可行、经济适用、可靠性高[1]。
标签：组态王；仿真设计；铝电解槽；检测系统；数据采集引言铝工业因其高耗能高排放成为节能减排重点行业之一，铝电解槽是铝工业生产的重要组成成分。
因此，对铝电解槽槽壳温度的准确、方便的检测，对铝工业的实际生产具有保障作用[2-3]。
组态王软件kingview是新型的工业控制系统，可以对企业的生产流程提供一个集实时检测、数据汇总、分析和管理于一体的平台，并具有良好的可视化监控界面。
组态王与计算机以及现场间的关系如图1所示：图1 组态王与上位机、下位机的关系基于组态王软件，以铝电解槽的工业控制为例，设计了一个铝电解槽的温度控制系统。
该系统用动画模拟铝电解槽的运行过程，化“抽象”为“形象”，开发了实时数据监控功能、实时数据报表和曲线、历史数据报表和阈值报警等功能，并利用仿真PLC代替现场检测仪表输入数据，对系统进行运行、调试和数据采集。
1 铝电解槽工控软件设计该软件的主界面以铝电解槽的工作过程[4]为主要部分，帮助使用者理解该工况。
由于铝电解生产在实际工艺中需要检测温度、电压、电流等数据，该软件设计相应的检测功能，并增添相应的实时报表、实时曲线、历史报表和报警模块。
1.1 主画面设计在组态王工程浏览器中新建界面，命名为“铝电解槽”，作为铝电解槽控制系统的主界面。
在主界面中，利用组态王提供的画图工具和图库绘制系统的主画面，并添加可切换至其他界面的按钮[5-6]。
最后铝电解槽主控界面如图2所示：1.2 定义硬件设备和数据变量组态王开发的软件需要外部设备与之交换数据，文章中采用的是仿真PLC 设备实现虚拟仿真[7]。
铝电解槽温度控制方法与优化
增强材料保温性能
选用保温性能更好的材料 ，降低热量散失，保持温 度稳定。
提高材料耐腐蚀性
选用耐腐蚀性能更好的材 料，提高电解槽的使用寿 命。
引入智能温度控制系统
实时监测温度
01
通过安装温度传感器，实时监测电解槽温度，为控制策略提供
数据支持。
智能调控算法
温度数据自动调整控制参
新型热管技术在铝电解槽中的应用案例
总结词
新型散热技术
详细描述
新型热管技术在铝电解槽中的应用，有效解 决了传统散热方式存在的问题，提高了电解 槽的散热性能和稳定性，进一步提高了铝产 品的质量和产量。
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02
铝电解槽温度控制方法
直接冷却法
直接冷却法是通过在电解槽周围设置冷却设备，如风扇或水 冷系统，直接将热量从电解槽带走。这种方法降温效果明显 ，但需要大量的冷却介质和能源。
直接冷却法适用于大型电解槽，可以快速降低槽温，但需要 定期维护和清洗冷却设备，以防止堵塞和腐蚀。
间接冷却法
间接冷却法是通过在电解槽的侧壁或底部设置热交换器， 利用循环冷却水或其他冷却介质带走热量。这种方法结构 简单，易于维护，但降温效果不如直接冷却法。
高效能冷却技术还可以通过优化冷却水流量、温度和压力等参数，实现对铝电解槽温度的精确控制， 减少能源浪费和环境污染。
新型热管技术的研发
热管技术是一种高效的传热技术，通过热管 将热量快速传递并分散，实现对铝电解槽温 度的有效控制。新型热管技术正在研发中， 以提高传热效率和降低能耗为目标。
新型热管技术可以应用于铝电解槽的冷却系 统，通过优化热管的设计和布局，提高冷却 效果和降低能耗，为铝电解槽温度控制提供
数，实现快速响应和精确控制。
工业铝电解槽温度监测与分析系统
研发了便携智能测温枪
利用红外测温方法测量槽壳温度；连接K型热电偶测量电解质 温度。
研发了便携智能电压-温度测量仪
可以测量阳极电流分布、阴极电流分布、槽底压降、卡具压降； 连接K型热电偶测量电解质温度；通过无线接口实时传送测量 数据。
使用测温枪测量电解温度 使用测温枪测量槽壳温度
开发数据接口程序
与电压-温度测量仪连接的 数据接口软件界面
接口软件将测温枪数据保存到数据库
开发了数据分析软件
解决数据分析的手工方式，开发实现图表和多 维、多层次的分析软件。
采用B/S结构，实现基于因特网和浏览器模式管 理和分析数据库中的测量数据。
数据管理：完成数据库中电解槽、测量位置、 测试任务及顺序、测量点临界值等数据信息的添 加、编辑和删除。
系列电流强度、槽工作电压是在线监测，是当 前进行计算机控制的主要依据。氧化铝浓度、极距 不能直接测量，根据槽电压的变化来确定，是生产 自动控制的主要目标。
电解质成分如分子比，一般用取样方法测量。
电解质温度用K型铠装热电偶和温度表测量； 两水平用钢钎插入电解槽后根据腐蚀和电解质结巴 痕迹测量；阳极电流和阴极电流分布利用万用电表 测量等距压降来；槽壳温度采用便携式红外测温仪 测量。
先进的电解槽技术包括先进的 设计制造技术、控制技术和管理技 术，我们致力于管理技术和手段的 研发！
谢 谢！
分析软件主界面
在一个页面分析温度分布和历史变化
A面和B面的温度分布
槽底温度温度分布 出铝端和烟道端的温度分布
关键点的温度变化历史曲线
通过友好的界面查询数据并以列表方式显示， 可以方便进行初步分析
预定义数据透视表格式分析温度
切换为图表方式分析数据
不同电解槽的对比分析
工业应用电解铝槽内外温度在线测量论文
工业应用电解铝槽内外温度在线测量论文摘要：通过实时精确测量电解槽内外温度，可以让现场和控制室操作人员准确的了解电解槽的运行状态，可以用温度信号与其他参数联锁控制，实现对电解铝槽运行的精确控制，也可通过现场温度显示实现现场的人工干预，对于控制电解槽平稳运行有积极意义，实现电解槽平稳运行，将能有效减小能耗并降低污染具有积极意义。
在进行铝的冶炼过程中，需要运用一种非常重要的添加剂，即：氟化铝。
通过氟化铝的运用，能够实现对熔体温度和分子比的控制，当熔体温度和分子比在一个很狭窄的波动范围时，电流效率高，电解槽运行平稳，同时氟化物是造成环境污染的重要物质。
氟化物不仅对环境造成污染也是对仪器仪表造成腐蚀的一种重要成分，氟化物的产生与铝冶炼所用物质本身的沸点及槽溶质的温度有紧密的联系。
槽温升高，将导致槽溶质氟化铝的分子比降低，加快氟化铝及冰晶石的挥发，造成原材料的损失并产生环境污染，所以对电解槽内外温度的在线测量及控制将有效地减少氟化物的产生，降低能耗，减少环境污染，保护员工的身体健康。
一、铝电解工业概述在地壳中，铝是储量最大的一种金属元素。
从本质上来说，金属铝有着良好的物理化学性质，并且，是有色金属当中产量最大、用途最广的一种，因此，在国民经济的发展过程中，有着非常重要的地位。
1886年，美国人Hall和法国人Heroult各自独立发明了冰晶石一氧化铝熔盐电解炼铝法，揭开了铝电解工业的序幕。
Hall-Heroult电解铝工艺以A1203为原料，采用高温强腐蚀性Na3A1F6熔盐为电解质，炭素材料作为阳极和阴极，在直流电的作用下，阴极表面析出铝（反应实际阴极为铝液），阳极参与电化学反应产生CO2（含部分CO）。
Hall-Heroult炼铝法是工业上唯一生产原铝的方法，诞生一百多年来，在技术水平和生产工艺上都获得了长足进步，并仍在不断发展之中。
铝电解槽是炼铝的核心设备，其演变与发展代表了工业铝电解的技术革新过程。
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先进的电解槽技术包括先进的 设计制造技术、控制技术和管理技 术，我们致力于管理技术和手段的 研发！
谢 谢！
4、系统已成功应用在中国铝业股份有限公司连城分公 司，山西华圣铝业有限责任公司、江苏大屯铝业有限 公司。 5、项目成果申报了四项发明专利（已授权两项）、四 项实用新型专利（全部授权）：
ZL200610137608.4一种可在智能红外测温枪上同时显示多方面信息的方法。 ZL200610145560.1 一种利用计算机对智能红外测温枪的操作进行控制的 方法。 CN200610161853.9 一种利用计算机远程监测铝电解槽槽壳温度的方法。 CN200810118085.8 一种利用测温枪控制数据接口程序的方法 ZL200620148251.5，智能红外测温枪。 ZL200820109903.3，一种测温枪。 ZL200820109901.4，电解槽阳极母线电流测量仪。 ZL200820109902.9,电压降测量装置。
系列电流强度、槽工作电压是在线监测，是当 前进行计算机控制的主要依据。氧化铝浓度、极距 不能直接测量，根据槽电压的变化来确定，是生产 自动控制的主要目标。 电解质成分如分子比，一般用取样方法测量。 电解质温度用K型铠装热电偶和温度表测量； 两水平用钢钎插入电解槽后根据腐蚀和电解质结巴 痕迹测量；阳极电流和阴极电流分布利用万用电表 测量等距压降来；槽壳温度采用便携式红外测温仪 测量。
研发了便携智能测温枪
利用红外测温方法测量槽壳温度；连接K型热电偶测量电解质 温度。
研发了便携智能电压-温度测量仪
可以测量阳极电流分布、阴极电流分布、槽底压降、卡具压降； 连接K型热电偶测量电解质温度；通过无线接口实时传送测量 数据。
使用测温枪测量电解温度
使用测温枪测量槽壳温度
开发数据接口程序
技术主管分析报表，查看数据变化，判断槽况，查找 电解槽破损隐患等
存在的问题与不足
两人或两人以上操作，效率低，成本高。 存在数据读取、记录、誊抄、输入等多个环节， 容易发生错误。 使用Excel分析，步骤繁多，速度慢，并要求 操作者熟悉Excel。 当前方法没有充分利用测量参数进行电解槽的 控制、分析和管理。 浪费宝贵的人力资源。
分析软件主界面
在一个页面分析温度分布和历史变化
A面和B面的温度分布
槽底温度温度分布
出铝端和烟道端的温度分布
关键点的温度变化历史曲线
通过友好的界面查询数据并以列表方式显示， 可以方便进行初步分析
预定义数据透视表格式分析温度
切换为图表方式分析数据
不同电解槽的对比分析
结论与建议
6、改变了铝电解 参数测量和分析 的模式
7、系统提供了一个基础的、完全开放的研究平台， 可以进一步开发两水平测量仪器和图表分析，结合 其他参数变化开发分析电解槽各物理场变化、槽堂 形状的变化、槽破损隐患监测等的综合智能槽况分 析、控制和管理系统，结合数值仿真技术模拟进行 数字化电解槽管理优化等。
项目实施内容和效果
开发了电解槽槽 况监测与分析系 统
•红外测温传感器技术 •热电偶测温传感器技术 •嵌入式数据库存储技术 •通信技术 •网络数据库技术 •基于ASP和的Web 数据分析技术
研制新的智能测量仪器仪表
集成利用传感器、嵌入式微处理器、通信技术， 开发智能测量仪器仪表。 实现测量数据的自动存储：在实现准确测量的 基础上，增加自动记录槽号、测量位置、测量时 间和测量数据的功能。 在不改变当前测量方式ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ传感器的情况下，解 决当前测量准确性和测量效率不高的问题。 将多个参数测量功能集成在一个便携式测试仪 器中。
1、研制了具有存储功能的新型便携智能测量仪表， 既能够测量和记录电解温度、槽壳温度、电流分布 数据等，大幅提高测量效率和测量数据的准确性。 2、开发了C/S构架的数据接口软件，利用USB与无线 接口实现便携智能测量仪表和网络数据库之间的数 据交换，取消了数据录入过程，避免了数据录入过 程产生错误。 3、开发了B/S构架的数据分析软件，以透视表和图表 形式实时直观查询和分析数据，为及时判断电解槽 的运行状况和预报槽壳的早期破损提供依据。
测量现状
电解温度、两水平、电流分布、槽壳温度等参 数测量方式原始、技术简单。
两水平的现场测量过程
测量数据的处理手段 落后--技术技术人员在工区 办公室重新誊抄测量数据， 再录入到计算机中。
现行工作模式
工作人员手持测量仪表在现场测量参数
其他工作人员专门进行记录
将测量数据誊抄到专门报表 将测量数据输入到计算机的 Excel工作表中 工作人员利用Excel对测量数据 绘制图表 打印报表/图表，送技术主管
解决手工转录数据效率低、容易出错的问题， 开发能将测量仪表与网络数据库通过USB接口进行 通讯的软件。 读取数据库中预定义测试任务并保存到测量仪 表中。 通过无线或USB接口读取测量仪表中的测量数据 并保存到数据库表中。 自动判断连接的测温仪、电压-温度测量仪，接 口软件显示对应的功能和界面。
工业铝电解槽槽况监测与分析系统
北方工业大学 二〇〇九年七月
交流内容
项目背景 项目实施内容和实施效果 结论与建议
项目背景
电解过程参数
铝电解过程的技术参数是生产的技术规范，是 铝电解生产过程管理的主要内容。 电解过程的主要技术参数包括系列电流强度、 槽工作电压、氧化铝浓度、极距、电解质温度、电 解质成分、两水平、电流分布、阴极压降、阳极效 应系数等，它们之间既互相影响又相互制约。其中 一项参数改变其他各项参数也必须做出相应的改变 ，才能使电解槽生产稳定进行。电解参数的监测是 铝电解生产过程中主要的操作任务之一。
与测温仪连接的数据接口 软件界面
与电压-温度测量仪连接的 数据接口软件界面
接口软件将测温枪数据保存到数据库
开发了数据分析软件
解决数据分析的手工方式，开发实现图表和多 维、多层次的分析软件。 采用B/S结构，实现基于因特网和浏览器模式管 理和分析数据库中的测量数据。 数据管理：完成数据库中电解槽、测量位置、 测试任务及顺序、测量点临界值等数据信息的添 加、编辑和删除。
以Flash动画图表直观分析各测量面的温度分布、 各测量点的历史变化。 以OWC的数据透视表和透视图方式，在时间维度 上以年/季度/月/日/时/分的层次、在测量位置维 度上以车间/工区/槽号/测量面/测量点的层次来 分析展示数据。 数据筛选、排序和平均、总和、均方差、计数 等多种汇总计算，报表的定义和读取，图表类型 转换，多种趋势分析，图表输出等等。