林福坤

(紫金銅業(yè)有限公司， 福建 龍巖 364204)

0 前言

電解銅大容量整流裝置是一種將三相工頻交流電轉換成電壓可調的直流電的裝置。系統(tǒng)輸出電壓依靠調壓變壓器通過27級有載開關粗調，同時通過晶閘管細調達到穩(wěn)流效果。某公司300 kt/a陰極銅電解項目的整流裝置采用雙反星帶平衡電抗器(非同相逆并聯(lián))晶閘管整流(內置式平衡電坑器)，單機24脈波，兩套同時投入運行后形成48脈波；整流裝置輸出額定電壓DC210 V、額定電流DC45 kA；采用永久不銹鋼陰極工藝，該工藝具有極間距小、電流密度高、電流效率高、殘極率低等優(yōu)點。但是隨著生產的進行，目前電解東區(qū)整流裝置總出口電流反饋顯示的數(shù)值與設定值存在較大差異，影響了電流傳感器的輸出精度。

1 電流密度和電流效率

電流密度和電流效率是影響陰極銅質量和產量的重要因素。

1.1 電流密度

電流密度是指每平方米陽極或者陰極表面通過的電流安培數(shù)[1]。在電解過程中，陽極不斷溶解引起板面尺寸的變化，而陽極電流密度會隨著板身面積的縮小而增大。在生產實踐中，通常所說的電流密度是對陰極而言的，實際陰極電流密度是指陰極的平均電流密度，標志著電極過程的強度。在電流密度允許范圍內，電解槽數(shù)相同情況下電流密度越高，陰極銅的產量就越多[2]。

電流密度的計算見式(1)：

Dk=I/(2nLW)

(1)

式中：Dk—— 陰極電流密度，A/m2；

I—— 通過陰極的電流強度 ，A；

L—— 陰極的有效長度(浸入電解液深度)，m；

W—— 陰極的寬度，m；

n——每槽裝入的陰極塊數(shù)。

1.2 電流效率

電流效率是指銅電解精煉過程中，陰極銅的實際析出量與理論析出量的百分比[3]，即：

η=實際析出量/理論析出量×100%=
M/(qItn)×100%

(2)

式中：η——電流效率，%；

M——當日通電電解槽陰極銅的實際析出量，t；

q——銅的電化當量，為1.186×10-6t/A·h

I——生產電流強度，A；

t——實際通電時間，h；

n——當日通電出銅的電解槽個數(shù)。

2 整流裝置直流電流現(xiàn)存的問題

圖1 某公司整流裝置控制原理示意圖

某公司電解廠房采用雙跨結構，分東、西2個系統(tǒng)，每個系統(tǒng)分4個系列，每個系列含8組電解槽，每組15個電解槽，即每個系統(tǒng)有480個電解槽，2個系統(tǒng)共960個電解槽。每個系統(tǒng)各使用1套九江歷源生產的KES-45 kA/210 V大容量整流裝置，其直流電流測量控制反饋系統(tǒng)各由4個12.5 kA的分臂直流電流傳感器和一個總出口50 kA直流電流傳感器組成。生產電流在整流裝置觸摸屏相關界面根據(jù)工藝生產要求直接設定，且觸摸屏主界面顯示4個分臂反饋電流和總出口反饋電流。

某公司現(xiàn)有電解槽陰極有效長度為1.029 m，陰極寬度為1.01 m，每槽裝入的陰極塊數(shù)為54，平均電流效率為99%，電解槽個數(shù)為960個，通電時間為24 h，根據(jù)公式(1)和(2)計算電流密度和實際陰極銅產量，計算結果見表1。

表1 不同電流下的電流密度和實際陰極銅產量

根據(jù)表1可以看出：

1)目前電解東區(qū)整流裝置總出口電流反饋顯示的數(shù)值與設定值存在較大差異。當設定電流為35.0 kA時，反饋電流高達39.5 kA，最大相差4.5 kA，遠大于直流電流傳感器±1%的出廠精度。

2)生產電流設定值和反饋值的差異對電流密度和陰極銅產量的影響非常大。故無論是從生產工藝控制還是從設備管理的角度出發(fā)，均須徹底處理該問題，在確保電流準確性的前提下，使設定值和反饋值接近一致。

3 整流裝置的控制原理分析

某公司采用九江歷源KES-45 kA/210 V大容量整流裝置，其控制原理如圖1所示。

3.1 控制主板各單元功能簡介

控制主板包括監(jiān)控CPU、控制 CPU、量程選擇電路、反饋信號處理電路4個單元。

1)監(jiān)控CPU。負責與觸摸屏通訊，并將觸摸屏上設定的生產電流等工作參數(shù)下傳給控制CPU，同時將整流裝置相關工況信息上傳給觸摸屏顯示。

2)控制CPU。負責接收給定、反饋等信息做出輸出控制。

3)量程選擇電路。負責將電流傳感器輸出的電壓信號轉換成直流0～5 V，并可根據(jù)需要選擇合適的量程通道，以免超出檢測范圍。

4)反饋信號處理電路。負責將 0～5 V的反饋信號處理成控制CPU的AD接口可接受的 0～5 V信號，并實現(xiàn)阻抗匹配。

3.2 設定電流的傳遞過程

3.2.1 設定電流成為實際電流的過程

設定電流成為實際電流的過程：直流電流傳感器反饋輸出電壓信號→量程選擇電路→反饋信號處理電路→控制CPU的 AD 接口。控制CPU的 AD接口將 0～5 V的模擬信號轉成0～1 024的數(shù)字量，將該數(shù)字量乘以直流修正系數(shù)結果作為數(shù)字反饋，一方面作為反饋量送到PID調節(jié)程序作調節(jié)用，另一方面經數(shù)字濾波(每800 ms的平均值)作顯示數(shù)字量傳給監(jiān)控CPU。監(jiān)控CPU將這一顯示數(shù)字量乘以直流量程/1024的結果作為電流顯示值上傳給觸摸屏。

直流修正系數(shù)是為了避免到用戶現(xiàn)場需使用相關工具調整反饋信號處理電路，同時也是為了實現(xiàn)只要出廠前調試好硬件電路，便可使用不同的修正系數(shù)來實現(xiàn)更換控制主板而不需調整硬件電路。

3.2.2 實際電流與顯示電流的調整方法

實際電流與顯示電流的調整方法是將控制系統(tǒng)打到開環(huán)，給定導通角，這樣沒有調節(jié)過程，可比較直觀地實現(xiàn)調整。電流傳感器輸出5 V時對應電流為10 kA，直流修正系數(shù)為1 024，導通角為100°，顯示電流為5 kA，電流傳感器的反饋電壓為 2.4 V(折算成真實的電流就是4.8 kA)，此時要達到顯示電流與實際電流一致的目的，則應修改直流修正系數(shù)，其修改結果=(4 800/5 000 )×1 024=983，將直流修正系數(shù)改為983，則顯示電流就變成了4.8 kA。

4 整流裝置的校驗及效果

4.1 電流傳感器的校驗

生產電流在整流裝置觸摸屏相關界面根據(jù)工藝生產要求直接設定， 4個12.5 kA的分臂直流傳感器反饋信號進入控制主板參與閉環(huán)反饋控制；總出口50 kA直流傳感器則直接進入PLC的AI模塊作為電流反饋顯示比較用。因此，4個分臂直流傳感器的校驗工作是最主要的，為了最大程度減少因大電流傳感器校驗導致整流裝置停電的時間，某公司采用如下方法進行校驗：

1)準備1個生產廠家出廠前校準過的標準12.5 kA電流傳感器X，再準備一個庫存的備用12.5 kA電流傳感器Y。

2)將X和Y安裝到第一個分橋臂A引出銅排上，采用FLUCK 87V萬用表分別在35 kA、28 kA、20 kA設定電流下實測X輸出電壓值，分三次調節(jié)Y使之與X輸出電壓值一致。

3)將整流裝置電流降到0，拆除X和現(xiàn)用的電流傳感器，將校驗后的Y留在該分臂使用。

4)按照前三個步驟循環(huán)，完成剩余的B、C、D三個分橋臂電流傳感器的校驗。

電解東區(qū)整流裝置4個分橋臂電流傳感器現(xiàn)采用深圳安貝爾科技有限公司生產的CSK- 12.5 kA- C5，電流量程為0～2.5 kA，對應輸出電壓為0～5 V，精度為±1%。4個分橋臂在設定電流35 kA時相關測量校驗數(shù)據(jù)見表2， 4個分橋臂傳感器校驗前后相關數(shù)據(jù)對比見表3。

表2 各分臂傳感器輸出電壓校驗表單位：V

橋臂標準傳感器電壓備用傳感器電壓原工作傳感器電壓誤差電壓A橋臂3.6163.6153.5680.048B橋臂3.4713.4653.3830.088C橋臂3.6363.5853.805-0.169D橋臂3.5533.5403.3200.233

由表3可知，各橋臂電流傳感器電流校準后與標準50 kA電流傳感器誤差控制在1%內，與校驗前相比有明顯的改善，并且線性度達到出廠標準，此次校準符合某公司生產要求。

4.2 各分臂傳感器修正系數(shù)的調整

由表2可知，某公司目前電解生產電流為35 kA，電流傳感器經上述方法校驗后，仍存在269 A的顯示反饋誤差，因此，需要利用修正系數(shù)進一步使設定電流和反饋電流趨于一致：

1) 進入觸摸屏整流參數(shù)設置界面，根據(jù)上述介紹的調整方法計算出給定值并下傳。

2) 測量各分橋臂傳感器輸出的0～5 V電壓，以35 kA設定電流為例，每個分臂平均電流應為8.75 kA，對應的電流傳感器輸出電壓為3.5 V，當實測的反饋電壓為3.5 V時，該修正系數(shù)即為最合理。修正系數(shù)的調整見表4。

表3 各分臂傳感器校驗前后電流數(shù)據(jù)對比 單位：kA

表4 各分臂直流傳感器修正系數(shù)調整

5 結術語

通過對整流裝置直流電流傳感器的校驗和直流修正系數(shù)的調整，最終實現(xiàn)了設定電流和反饋電流的一致，保障了電流密度等生產工藝指標，確保某公司300 kt/a陰極銅質量和產量的順利實現(xiàn)。另外，由于直流電流傳感器長期連續(xù)工作，加上銅排發(fā)熱等因素加速其內部元件老化，使其性能變差、參數(shù)漂移，進而影響到電流傳感器的輸出精度, 嚴重時會造成輸出不穩(wěn)定或導致系統(tǒng)誤判過流，最終造成整流裝置保護停機。因此需要定期對電流傳感器進行校驗調整，以保證其工作的穩(wěn)定性、可靠性和精確性。