滿江勇（烏魯木齊合興同創(chuàng)環(huán)保設備有限公司烏魯木齊830011）

電解槽電壓自動在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究

滿江勇
（烏魯木齊合興同創(chuàng)環(huán)保設備有限公司烏魯木齊830011）

采用電解槽還原析出銅、鎳、鋅、鉛、鉻、鈷等有色金屬的生產(chǎn)方法，現(xiàn)場環(huán)境為強腐蝕、大磁場、高電流環(huán)境，電解槽槽電壓、陰陽極間電壓在線監(jiān)測困難，導致生產(chǎn)質(zhì)量控制困難、單位電耗增加、人員現(xiàn)場操作勞動強度大，實際生產(chǎn)能耗普遍高于設計能耗。研究開發(fā)一種槽壓自動在線監(jiān)測系統(tǒng)，顯得尤為重要。

電解槽電壓自動監(jiān)測降低能耗

1 研究背景

采用電解槽還原析出銅、鎳、鋅、鉛、鉻、鈷等有色金屬的生產(chǎn)方法在冶金行業(yè)應用極為廣泛。但是，由于該生產(chǎn)方法的環(huán)境為強腐蝕、大磁場、高電流環(huán)境，電解槽槽電壓、陰陽極間電壓在線監(jiān)測困難，現(xiàn)場大部分采用人工巡視、觸摸、灑水等方式判斷短路、涼板，導致生產(chǎn)質(zhì)量控制困難、單位電耗增加、人員現(xiàn)場操作勞動強度大，實際生產(chǎn)能耗普遍高于設計能耗。

通過在新疆的生產(chǎn)企業(yè)實地調(diào)研，得知目前國內(nèi)尚未有先進適用的槽壓自動在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用，部分企業(yè)也提出了相應的需求。研發(fā)一種槽壓自動在線監(jiān)測系統(tǒng)，減少人員勞動強度，降低單位電耗，提高經(jīng)濟效益，顯得尤為重要。

2 電解工藝的技術原理

電解槽是將電能轉化為化學能的裝置。電解槽構成三要素：直流電源、電極（陰陽極）、電解質(zhì)溶液（或熔融電解質(zhì)）。電解質(zhì)是指在水溶液中或熔融狀態(tài)下能夠導電的化合物。影響產(chǎn)品電解析出產(chǎn)品質(zhì)量的其他主要因素還有：⑴電解液中電解質(zhì)的濃度；⑵電解液中電解質(zhì)的性質(zhì)；⑶電解液的溫度；⑷溶劑的介電常數(shù)和離子的強度等，對溶液的金屬還原析出質(zhì)量和效率影響也較大。

電解時電解質(zhì)的理論電解電壓與實際電解電壓之比即為電壓效率。后者即是電解槽的槽電壓。槽電壓是理論電解電壓、超電壓和輸電導體電壓損失之和。影響槽電壓大小的因素很多,除超電壓的因素外,還有導線與電極之間的接觸電壓、隔膜材料、電解槽結構、電流密度等。槽電壓通常遠大于理論電解電壓，導致電壓效率很低。因此，降低超電壓和輸電導體的電壓損失是提高電壓效率的關鍵。

3 數(shù)據(jù)采集

經(jīng)過與各相關企業(yè)的電解廠的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集后，統(tǒng)計得知采用可溶陽極電解的工藝，槽電壓一般在0～0.5 V之內(nèi)；采用不溶陽極電解的工藝，槽電壓一般在1～5 V之內(nèi)。

現(xiàn)場車間內(nèi)都不同程度上有酸霧，人員每過一至兩小時需進入電解槽槽面上檢查陰陽極導電母排。通過目測、彎腰觸摸、灑水等方式，判斷極間是否發(fā)生短路、串板、涼板故障，再通過人員提起陰極板、調(diào)整極間距等方法，進行故障排除。人員作業(yè)勞動強度大，環(huán)境對身體長期易傷害，操作工人數(shù)多，造成勞動生產(chǎn)率低，單位電耗增多，普遍比設計電耗高。

4 研究開發(fā)準備

依據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，有針對性的采購元器件，自制變送器、接收器、信號放大器，先后研發(fā)了兩套槽電壓自動在線監(jiān)測系統(tǒng)，專門針對槽壓監(jiān)測和極間短路開發(fā)的實時在線監(jiān)控系統(tǒng)。其中一套是監(jiān)測0～0.5 V電壓的電解槽，一套是監(jiān)測1～5 V電壓的電解槽。通過前端高速采樣采集電壓信號，經(jīng)過毛刺干擾濾波，特別算法對電壓信號的識別，進行信號處理。設置無線通信和報警顯示，來判定槽壓是否正常和是否發(fā)生了極間短路。

本系統(tǒng)都是采用的以太網(wǎng)系統(tǒng)架構，可以方便地與廠區(qū)局域網(wǎng)無縫連接。在網(wǎng)絡內(nèi)的任何一臺計算機均可快捷地訪問系統(tǒng)，通過操作系統(tǒng)自帶的IE瀏覽器即可查看、調(diào)取電壓和溫度數(shù)據(jù)和報警信息，該系統(tǒng)采取了抗電磁干擾、抗絕緣、耐腐蝕的材料，達到了本質(zhì)安全等特點（圖1）。

前段采集模塊負責對極小槽壓信號的采樣，濾波，共模電壓處理，數(shù)模轉化和無線通信，把采樣的槽壓數(shù)值傳送給處理終端。處理終端可以顯示每個電解槽的電壓并存儲電壓數(shù)據(jù)，如果發(fā)生極間短路，處理終端會報警并顯示是哪個電解槽發(fā)生了極間短路。系統(tǒng)設有以下功能特點：

⑴基于Web的以太網(wǎng)系統(tǒng)架構，可多點監(jiān)控；

⑵人性化的中文界面，可視化視圖，易于定位。簡單易用，操作方便；

⑶監(jiān)測電壓范圍可以從0～0.5 V、1～5 V、6～9 V等三個電壓段。1信號實時測量，結果實時可見。

圖1 槽電壓自動在線監(jiān)測系統(tǒng)

5 研究開發(fā)實施技術目標

2014年6月、9月我們分別在疆內(nèi)兩家電解廠做了試驗。試驗目的是為了檢驗電解槽槽壓自動監(jiān)測系統(tǒng)應用于電解槽短路監(jiān)測是否達到以下目標：

⑴槽壓監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性；⑵短路狀況能否及時準確發(fā)現(xiàn)，有沒有誤報和漏報情況；⑶軟件操作是否滿足現(xiàn)場需要。

6 試驗現(xiàn)場測試情況

將電解池槽壓監(jiān)控系統(tǒng)前端探測模塊安裝到每個電解池上并通電，安裝完畢，通過調(diào)整，即刻可知道每個電解池的槽壓數(shù)據(jù)，同時用萬用表來檢驗槽壓監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性，經(jīng)測量與萬用表的電壓數(shù)據(jù)誤差≤3 mV，可以使用。

前端探測模塊的天線和后端接收模塊安裝完后，打開監(jiān)控電腦，此時即可在中控室（休息室）讀取前端電解槽的槽壓數(shù)據(jù)。

首次實驗驗證：陰陽極對短路的發(fā)現(xiàn)與操作工巡檢記錄對照驗證。

現(xiàn)場操作工在記錄小夜班晚20∶30和大夜班凌晨4∶30查槽的記錄顯示有一對陰陽極對短路；現(xiàn)場監(jiān)測的電壓曲線見圖2。

從圖2可以看到：當班小夜班晚上19∶30和次日大夜班2∶30左右發(fā)生了兩次電壓明顯的下降，發(fā)生了一次串板、一次短路。操作人員發(fā)現(xiàn)陰陽極上吊耳發(fā)熱分別是當班小夜班20：30和次班大夜班∶4∶30，比監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)晚了1～2 h。

第二次實驗驗證：現(xiàn)場及時發(fā)現(xiàn)短路故障。第二次在做現(xiàn)場測試時，及時發(fā)現(xiàn)了第一組電解槽明顯電壓下降，并馬上告知現(xiàn)場操作工，經(jīng)確認，發(fā)生了兩對陰陽極對短路，并做了處理，整個過程的電壓曲線見圖3。

圖2

圖3

第三次實驗驗證：第三次做測試時，發(fā)現(xiàn)電解槽顯示槽壓又出現(xiàn)電壓下降，把該情況通知現(xiàn)場操作工，經(jīng)確認，發(fā)生了一對陰陽極對短路情況，趕緊做了處理。整個過程的電壓曲線見圖4。

圖4

經(jīng)過試驗后得出結論：電解槽槽壓自動監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)電壓曲線，能夠及時準確發(fā)現(xiàn)極間短路的故障，比現(xiàn)場操作人員的判斷方法要提早1 h，數(shù)據(jù)準確，沒有漏報和誤報現(xiàn)象，操作簡單，實驗達到了預期研發(fā)效果。

7 研究開發(fā)總結

通過電解槽槽壓自動檢測系統(tǒng)的研發(fā)，使之現(xiàn)場安裝方便，不影響生產(chǎn)。具備提前發(fā)現(xiàn)故障，分區(qū)設置多級報警閾值，操作簡單易會，降低了勞動強度，減少了人員誤操作幾率，達到降低能耗的目標，為企業(yè)提高經(jīng)濟效益做出了有益支撐，可以為企業(yè)推廣。

8 后期改進措施

通過在現(xiàn)場的測試，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)監(jiān)測槽電壓準確性靈敏度都很高，但是每個電解廠槽內(nèi)安放的陰陽極板的數(shù)量不同，有的是30多對陰陽極板，有的是50多對陰陽極板。電解槽通電母線上槽電壓發(fā)生變化時，槽內(nèi)的幾十對陰陽極板間，只有個別發(fā)生短路、串板、涼板現(xiàn)象，不能明確到是哪個陰陽極板間發(fā)生故障，后期將主要改進針對具體的那個陰陽極間發(fā)生故障的預警監(jiān)測系統(tǒng)的研究開發(fā)。

[1]馬榮駿.濕法冶金原理.冶金工業(yè)出版社，2007，7.

[2]馬竹梧.冶金工業(yè)自動化.機械工業(yè)出版社，2011，8.

[3]郭年祥.有色冶金化工過程原理及設備.冶金工業(yè)出版社，2008，6.

收稿:2014-11-25

DOI∶10.16206∕j.cnki.65-1136∕tg.2015.01.032