銅電解槽的極間短路溫度效應

曾箐雨，蒙 毅，李 純，鐵 軍，趙仁濤

(北方工業大學 機械與材料工程學院，北京 100144)

粗銅通過電解精煉去除雜質[1-2]。電解精煉過程中，極間短路影響電流效率，因短路故障引起的電流效率損失可達3%[1]。絕大多數短路是陰極上沉積銅異常生長產生的結瘤因長大接觸陽極導致的[3-4]。一旦發生極間短路，極板間電流遠大于正常工作電流，且絕大部分轉換為熱能而被消耗[5]。當前的技術對電解槽中極間短路現象尚無法有效消除[6]，所以，研究銅電解極間短路的快速檢測及處理對銅電解生產有重要意義。

目前，銅電解過程中極間短路的檢測主要是人工持拖表或熱像儀等裝置進行巡查，勞動強度大且漏檢率較高[5]。Wiechmann等[7]提出可以在極間導電排上安裝霍爾傳感器通過檢測陰極導電棒磁感應強度來跟蹤陰極電流的變化，但由于電解槽背景磁場復雜，該方法容易受環境影響造成誤檢。趙仁濤等[8]提出基于紅外圖像，利用頂棚巡檢小車監測極板發熱情況進而判斷陰極是否短路，這有效減少了短路故障的誤檢及漏檢。杜素忠等[9]改進了紅外溫度采集模塊，并將其用于銅電解生產中。為了減少電解液蒸發損失、穩定電解液溫度，生產企業普遍在電解槽上蓋布，這限制了基于紅外圖像的故障檢測方法的應用。

光纖電流傳感器可用于在線測量銅電解槽的陰極電流。陰極電流對短路最敏感，可對短路進行預測和快速檢測[10-11]。但由于光纖電流傳感器價格昂貴，而且銅電解槽上測點較多，工業上無法實際采用。K型熱電偶是一種靈敏度高、價格便宜的溫度傳感器。在用光纖電流傳感器檢測短路電流時，可以同時采用熱電偶監測對應電極的溫度變化，快速檢測電解槽極間短路故障[12]。

研究了熱電偶與光纖電流傳感器對極間短路過程陰極狀態的協同監測，利用熱電耦合原理建立陰極導電棒-槽間導電排的有限元模型，模擬溫度隨陰極電流的變化，以期為開發基于熱電偶測溫的銅電解槽故障檢測技術提供參考信息。

1 測量和模擬計算方法

1.1 電流、溫度測量

FS207-2kA-F-BFG光纖電流傳感器和K型熱電偶，自主研制，頻率均為10 Hz。將光纖電流傳感器繞住短路陰極導電棒形成閉環，測量并記錄被測陰極通過的電流。

熱電偶分別固定在陰極和陽極導電棒與槽間導電排凸臺的搭接位置，以及電解槽液面下約5 cm處，如圖1所示，對陰極A、B、C和陽極A、B同時檢測溫度。其中陰極B為短路陰極，陽極A為短路陽極，紅色圓點為熱電偶測溫點。

圖1 電解槽短路陰極電流及溫度測量方法及位置示意(圓點為熱電偶測溫點)

測量過程中，先用灑水方法找到電解槽短路陰極，取出陰極并找到短路工作面。處理該工作面表面，留下一個最大最長的結瘤，然后放入槽中，移動使其處于正常工作狀態。把光纖電流傳感器套住目標陰極導電棒，同時把熱電偶分別固定在圖1所示目標測溫點。仔細移動目標陰極，使其結瘤表面靠近陽極但不形成短路，然后開始測量電流和溫度直到再次短路、且電流和溫度變化趨勢穩定一段時間后結束測量，得到極間短路過程電流及溫度曲線。該陰極的正常工作電流460 A左右，電解液工作溫度60 ℃左右。

1.2 數值模擬計算

陰極導電棒和槽間導電排上的溫度變化是由導體電阻在通過電極上的巨大電流產生的焦耳熱加熱導致的，同時伴隨有導體與槽上方空氣熱對流散熱及導電排底部向槽體上的傳熱，可用式(1)描述導體上溫度的瞬態變化。

(1)

式中：θ—導體溫度，℃；ρ—導體材料密度，kg/m3；cp—導體材料熱容，J/(kg·K)；u—導體與空氣的對流熱通量，J/s；k—導體導熱系數，W/(m·K)；Qj—電流通過導體產生的焦耳熱，J。

式(2)為歐姆定律，描述固體導體中電流密度J隨時間的變化：

(2)

式中,D—電位移矢量，C/m2，在各向同性介質中，為介質的介電常數與電場強度E的乘積，即D=ε0εrE。

材料電導率σ隨溫度的變化按式(3)計算：

(3)

式中：ρ0—線性電阻率，Ω·m；α—電阻率溫度系數，%。

針對溫度隨電流的變化關系，在COMSOL多物理場模擬軟件中建立幾何模型(圖2)。模型由一塊槽間導電排和搭接到導電排一側凸臺上的11根陰極導電棒組成。設中間第6根導電棒對應的陰極發生短路。11根陰極導電棒流過的電流總量恒定，短路陰極電流提高，則鄰近陰極電流相應降低。在模擬模型建立過程中，引用傳熱模塊、AC/DC模塊，建立電熱耦合模型，并設定導體與空氣對流的傳熱系數h= 5 W/(m2·K)，參照測量得到的短路電流變化模式設定輸入電流，對幾何模型進行網格劃分后進行求解，分析各測量點的溫度隨輸入電流的變化。

圖2 模擬陰極短路電流-溫度變化的幾何模型

2 試驗結果與討論

2.1 短路過程的電流、溫度測量

目標陰極短路后，測量到一組短路電陰極流、各測量點溫度隨時間的變化曲線如圖3所示。可以看出：陰極電流開始時為500 A左右；隨時間延長，持續震蕩提高，在77 min左右達1 200 A；之后緩慢提高，82 min時達最高值，近1 600 A。這表明剛開始測量就發生了短路。在6條溫度變化曲線上，對應電解液、陰極A、陰極C、陽極A、陽極B的溫度在近100 min整個測量時間內基本穩定，只略微提升；但陰極B作為短路陰極，其測量點溫度顯著提高，從51 ℃持續升高到77 ℃，過程中的起伏變化趨勢與電流的變化趨勢基本一致。

測量過程中，同時考察與陰極B短路的陽極A測量點溫度的變化，因為所有短路電流的提高都經過該陽極。但由圖3看出，與非短路的陽極B相比，陽極A溫度僅略有升高，這可能是該陽極的導電端與導電排接觸良好、提高的電流沒有引起顯著熱效應所致。

1—陰極B(短路陰極)電流；2—陰極B(短路陰極)溫度；3—電解液溫度；4—陰極C溫度;5—陽極A溫度;6—陰極A溫度；7—陽極B溫度。圖3 短路陰極電流、各測量點溫度隨時間的變化曲線

由圖3看出，能夠反映短路電流變化的只有短路陰極B上的測量點，其具有作為判斷陰極短路的可能性。為此，對短路陰極導電棒與導電排凸臺搭接點的溫度進一步測量。

典型銅電解陰極短路電流與其導電棒溫度隨時間的變化曲線如圖4所示。

圖4 典型銅電解陰極短路電流與導電棒溫度隨時間的變化曲線

由圖4看出：電流和溫度都出現了明顯的平臺，表明該部分處于短路前的正常電解狀態；陰極短路后，電流和溫度均存在明顯的分段式變化，且變化趨勢相一致，大致可分為4個部分。曲線第①部分：對應時間為0～20 min，陰極電流維持在500 A左右，溫度穩定在55 ℃左右；如前所述，這段時間內陰極處于正常工作狀態。曲線第②部分：對應時間為20～80 min，電流及溫度曲線均出現拐點，電極開始發生短路；電流從500 A震蕩上升至900 A左右，曲線拐點出現時間為短路開始時間；而溫度曲線開始呈上升趨勢，增長率為0.1～0.18 ℃/min。曲線第③部分：對應時間為80～90 min，短路陰極電流從持續震蕩上升轉變為短時間內大幅上升，特別是在80～85 min時間段內，電流迅速升高至1 500 A，而此階段溫度增長率也大幅提升為1.14～1.32 ℃/min。這種電極短路后電流及溫度突然進一步升高的現象可能是短路陰、陽極之間的接觸面積逐漸變大使極間短路通路穩固連通所致。剩余時間段的曲線即第④部分：電流在1 000～1 400 A之間劇烈震蕩，溫度繼續升高但增長率平緩。這部分現象并非在測得的所有曲線上都會出現，可能是電解操作擾動等因素使極間短路點松動、電極短路通路出現虛接、導致短路陰極電流下降所致。

2.2 短路過程電流、溫度效應的計算

在模擬計算中，參照圖4的短路電流設定計算模型的短路陰極電流，如圖5所示。前20 min，短路陰極與其他陰極電流一樣，為正常的500 A；然后按6.667 A/min的速度提高到900 A，再以120 A/min的速度提高到1 500 A。圖5中模擬計算得到的溫度變化與圖3、4相似：在前20 min，溫度趨于平穩；在約20 min處，溫度隨電流出現緩慢提高拐點；在80 min處，與電流同步出現急速提高拐點；持續到90 min左右，開始緩慢升高并趨向逐漸減緩。

圖5 短路陰極與凸臺搭接點溫度和短路電流的變化

根據圖5電流曲線特征，可以推斷，在較大電流下，溫度對電流的響應敏銳，特別是電流達900 A時，10 min內溫度升高近16 ℃，變化趨勢達1.6 ℃/min。該模型假設溫度變化完全是由于電流的電熱效應引起，計算結果與測量結果的高度相近表明：測量過程中的溫度變化完全是由于電流變化所致，溫度對電流變化反應幾乎同步。

考慮到工程上的可行性，以及生產車間的溫度測量結果，對比短路陰極導電排凸臺底部和臨近陰極等的對應位置的溫度變化，結果如圖6所示。

a—短路陰極與凸臺搭接點溫度；b—短路陰極導電棒上端溫度；c—短路陰極搭接凸臺底部溫度；d—鄰近正常陰極與凸臺搭接點溫度。圖6 短路電流隨不同位置溫度的變化曲線

曲線a為短路陰極與凸臺搭接點的溫度；短路陰極導電棒的端部溫度(曲線b)與曲線a變化體征一致，整個過程中，2條曲線非常相近；凸臺底部溫度(曲線c)也有明顯的變化趨勢，但溫度略低，最大電流狀態下與曲線a相差7 ℃左右；臨近正常陰極搭接點的溫度(曲線d)最低，但在短路陰極大電流狀態下也顯示出溫度變化，這顯然是由于銅質導電排具有的良好導熱性、短路陰極的大電流產生的熱量傳導到該處的結果。

應該指出的是，圖3所示的陰極A和陰極C測量點的溫度與圖6中的曲線d對應，但即使在高短路電流下也沒有明顯升溫，可能是由于模型中沒有考慮在2個相鄰陰極中間的陽極掛耳的“隔離”作用，因為該側的陽極掛耳本身不導電發熱，但其肯定具有明顯的傳熱降溫作用。

由圖6看出，曲線a、b、c表示的對應點溫度均反映短路電流的變化。實際上，現有根據溫度判斷短路的方法，如車間常用的灑水觀察、紅外成像故障檢測系統等，依據的就是曲線b進一步發展到高溫下的狀態。根據電流在短路過程中的變化特征提出的短路快速檢測方法[11]，可完全利用極間短路期間，陰極溫度隨電流的變化趨勢等特征變量來快速檢測短路，而避免發生短路較長時間，引發電熱效應致使溫度升高到特定閾值后才發現故障，從而可大幅降低短路造成的損失和危害。根據溫度變化進行判斷的具體策略見文獻[12]。需要指出的是，要實現快速檢測，需在線采集電解槽的溫度信息。從可操作性上來看，無法利用曲線b，因為在電解過程中，陰極導電棒會和陰極一起更換，并且將熱電偶測量點固定在陰極導電棒上，會影響槽面作業。相反，如果將熱電偶固定在陰極導電棒與凸臺的搭接處附近或凸臺底部，便可以解決此問題，由圖6可知這是可行的。

2.3 影響短路溫度的因素

通過建立的短路模型，模擬短路電流導致的溫度變化，可近似反映短路電流的溫度變化。圖5、6表明：在1 500 A短路電流作用下，測量點溫度會升高，但逐漸趨于某個高點溫度并達到穩態。將模擬時間延長至200 min，可以獲得最高溫度的近似值，視為到達穩態的最高溫度(θs)。另外，在模擬計算過程中，導體接觸電阻(Rs)、環境溫度(θext)、導體與空氣的傳熱系數(h)對θs的影響很大。為了評估這些因素對θs的影響，在固定其他2個因素為中間值的條件下分別模擬這些因素變化的影響，圖7為模擬計算結果。

圖7 短路模型各變量對短路陰極最高溫度的影響

由圖7看出：θs隨Rs、θext增大而線性增大，但隨h增大近似線性減小;如果接觸電阻很小，環境溫度不高，導體與空氣的傳熱效果好，即使在大短路電流下，溫度也可能不高，在不超過80 ℃時，生產車間簡單地使用灑水方法來識別，可能容易產生漏檢；而如果接觸電阻大，環境溫度也高，同時導體與空氣的散熱不好，則容易導致太高的溫度，除應清除引起短路的結瘤外，還應清理導電棒與凸臺搭接處，否則容易燒損導電棒及加速導電排的氧化腐蝕。

3 結論

用光纖電流傳感器和K型熱電偶，根據電熱耦合方程建立導電排-陰極導電棒的數值模擬模型，可以分別對電解槽陰極電流和導電棒溫度進行檢測。檢測及分析結果表明：電解槽中，陰極導電棒與導電排凸臺的搭接位置及凸臺底部的溫度對短路電流的響應靈敏，溫度變化完全是由電流變化引起的，并隨陰極電流變化而迅速改變；根據短路電流導致的溫度變化模式，可以通過溫度升高速度來快速判斷短路的發生；導電棒與導電排凸臺的基礎電阻、環境溫度都會使短路溫度升高，而增大導體與空氣的傳熱系數，會降低短路溫度。