电解电极电流在线测量方法研究学术报告

一、作者及发表信息

本研究由张水华、李纯、蒙毅、铁军、赵仁涛等人合作完成，作者单位均为北方工业大学机械与材料工程学院。论文《电解电极电流在线测量方法研究》发表于《湿法冶金》（Hydrometallurgy of China）2021年第40卷第5期（总第179期），2021年10月出版。

二、学术背景

本研究属于有色金属冶金及工业检测技术领域，主要针对电解精炼或电解沉积过程中电极电流在线测量及极间短路（interelectrode short-circuit）检测问题。工业电解槽通常包含数十个阳极和阴极，极间距仅10~30mm，阴极结瘤、电极变形或摆放偏差易导致极间短路，造成电流效率降低、能耗增加、阴极品质下降及阳极烧损等问题。传统检测方法（如拖表、热像仪或洒水观察）存在劳动强度大、易漏检等缺点，而光纤电流传感器（fiber-optic current sensor）因成本和技术问题难以工业应用。因此，开发一种低成本、高精度的在线测量方法具有重要意义。

三、研究流程与方法

1. 数值模拟计算

研究团队通过计算机数值模拟分析槽间导电排（intercell busbar）的磁场分布，确定霍尔传感器（Hall sensor）的最佳测量位置与方法。

(1) 磁场模拟模型

采用静磁方程（式1）计算磁场分布：
$$\vec{J} = \sigma \vec{E} + \sigma \vec{v} \times \vec{B} + \vec{J}_e$$
其中，$\sigma$为电导率，$\vec{E}$为电场强度，$\vec{v}$为导体速度，$\vec{B}$为磁感应强度，$\vec{J}_e$为外部电流密度。

几何模型包含上游槽导电棒、中间导电排和下游槽导电棒（图1）。霍尔传感器置于上游槽导电棒正下方（x方向），测量磁感应强度$B_x$以反推电极电流。

(2) 测量位置优化

通过模拟分析传感器在x、y、z方向的偏移影响：
- x方向：导电棒左右偏移5mm时，磁场偏差2.3%，可接受。
- y方向：距导电棒端部>60mm时磁场稳定，选定65mm。
- z方向：距离导电棒表面10~40mm为理想区间，最终选定15mm。

(3) 聚磁条（flux concentrator）设计

为增强磁场信号，在高导磁材料聚磁条间隙为2mm时，磁场放大效果最佳（表1）。例如，3#测量点磁场从4.37×10⁻⁴ T提升至14.42×10⁻⁴ T。

(4) 邻近电极干扰分析

模拟显示，目标电极电流贡献占84.51%，相邻两电极分别占6.29%和1.46%（图7）。因此，计算模型仅需考虑单侧2个邻近电极的耦合效应。

2. 电极电流计算模型

基于毕奥-萨伐尔定律（Biot-Savart law，式2），推导出多电极电流耦合的矩阵方程（式4）：
$$\vec{B} = A \vec{I}$$
其中，$A$为耦合系数矩阵，通过逆运算（式6）$\vec{I} = A^{-1} \vec{B}$计算各电极电流。

3. 实验验证

在实验室搭建模拟电解槽（图2），采用Agilent 6680A直流电源供电，Fluke 319钳形表（精度1%）作为基准。测试结果显示，霍尔传感器测量偏差<1.5%（表2），例如输入电流50A时，计算值43.3A与实测值43.3A完全一致。

四、主要结果

1. 测量位置优化：x方向偏差5mm时误差2.3%，y方向>60mm时稳定性高，z方向15mm为最佳。
   
2. 聚磁效果：聚磁条使磁场强度提升约4倍，间隙2mm时效果最优。
   
3. 邻近电极影响：简化模型仅需考虑单侧2个电极，计算效率提高。
   
4. 实测精度：5回路测试中，电流测量偏差率均<1.5%，满足工业需求。
   

五、结论与价值

本研究提出了一种基于霍尔传感器的电解电极电流在线测量方法，通过数值模拟优化传感器布局并引入聚磁条增强信号，最终实现1.5%以内的高精度测量。其科学价值在于建立了多电极耦合磁场的计算模型，应用价值在于为工业电解槽的极间短路检测提供了低成本、高可靠性的解决方案。

六、研究亮点

1. 方法创新：首次结合聚磁条与霍尔传感器，显著提升弱磁场测量精度。
   
2. 模型简化：通过耦合系数矩阵降低计算复杂度，适合工业实时监测。
   
3. 工业适配性：传感器布局设计充分考虑了电解槽的空间限制与电磁干扰环境。
   

七、其他价值

研究团队开发的聚磁条参数（材质1J50坡莫合金，相对磁导率>10k N/A²）为类似弱磁场检测场景提供了参考。未来可进一步拓展至铝电解等其他冶金过程。

（全文约1500字）