CN100487165C - 一种铝电解槽阴极和阳极之间距离的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种铝电解槽阴极和阳极之间距离的测量方法，通过测量两个电极探头之间的电压突变位置确定铝液与电解质的界面及阳极底掌位置，从而确定两极的极间距离，具体操作采用极距测量装置，该装置包括测试架、控制箱、升降机构和电极探头，升降机构装在测试架的可移动小车上，控制箱和电极探头装在测试架上，控制箱核心为单片机，单片机内嵌入了控制操作程序，单片机通过接口电路分别与电解槽阳极、电极探头和测试架升降机构相连，并控制测距过程，本发明的优点是，能够快捷方便的用于工业电解槽极距的测量和过电压测试，测量结果更加精确。

Description

一种铝电解槽阴极和阳极之间距离的测量方法及装置

技术领域

本发明属于铝电解技术领域，特别涉及一种应用于铝电解槽中阴极和阳极之间距离的测量方法和装置。

背景技术

目前，铝电解工业一直采用传统的Hall-Heroult法。所用的电解质为冰晶石—氧化铝熔盐体系，阳极和阴极上下放置，阳极为预焙炭素阳极，阴极为炭素，目前向石墨化阴极发展。电解时，阴极铝液沉积在电解槽的底部，不断累积的金属铝液成为实际的阴极，一般大型铝电解槽的铝液水平高度达到20cm左右。由于电解过程存在强大的电场把铝液搅动，使得铝液平面波动较大。而目前的极距测定方法——钎插法，该法采用钢钎插入熔体中，再提出来确定铝液的位置，然后也同样的方法确定阳极底部的位置，根据这两个位置的距离来确定极距。钎插法的准确度较差，主要是因为电解质与铝液交界面难以确定准确，而且人为误差很大所致。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于测量铝电解槽阴极和阳极之间距离的方法及装置。

本方法的原理如下：

铝电解槽的极距指的是槽底铝液的上表面到阳极底掌之间的距离。精确测量极距的关键在于精确测量这两个面的位置，尤其是铝液的上表面。在电解过程中铝液的上表面是变化的，同时还存在着波动的因素，因此测量电解槽中铝液上表面的位置比较困难。

本发明方法是基于电解质的电导率与铝液的电导率差别在10000倍，通过测量电势随槽膛深度的变化规律来确定铝液的上表面。即当探头由铝液中上升到与电解质的界面后，电势的变化出现一个拐点，这个拐点的位置就是铝液和电解质的界面。

阳极底掌的位置也可通过电位的变化来确定。由于阳极极化电压较大，因此在探头接触到阳极底掌前，测量的电位还包括阳极的极化电压，但当探头一接触到阳极上，测量的电压就不包括极化电压了，因此在阳极底掌位置上也将出现一个电位拐点。这两个点的位置确定了，电解槽的极距的测量就准确了。

本发明的测试装置包括测试架、测量控制箱、升降机构和电极探头，升降机构装在测试架的可移动小车上，控制箱和电极探头装在测试架上，控制箱核心为单片机，单片机内嵌入了控制操作程序，单片机通过接口电路分别与电解槽阳极、电极探头和测试架升降机构相连，并控制测距过程。

具体测量方法和过程如下，

操作控制箱6，将小车11驶入指定位置，将阳极连线5接到阳极上，探头1放到电解槽底部的铝液2中的某一位置S₁，操作控制箱6，自动记下探头1在S₁位置时的电压值V₁，然后以每分钟1cm的速度抬升探头1，这时电位表上的电压几乎不变，当探头上升到铝液与电解质的界面S₂时，电位变化出现拐点。继续以每分钟2cm-5cm的速度抬升探头，当探头1接近阳极底掌S₃时，电压值为V₂，放慢抬升速度为每分钟0.2cm-1cm，当电压出现拐点，即到阳极底表面S₃，电压值为V₃，即可测量出极距d＝S₃-S₂，同时可得到阳极过电压η_阳极＝V₃-V₂。以上的电压值，位移值等数据由控制箱6中的单片机进行采集，然后通过编程，根据相邻两点连线的斜率比较，找到数据点中的S₁、S₂和S₃及其对应的V₁、V₂和V₃。自动计算出极距d和阳极过电压η_阳极。

本发明的优点是，能够快捷方便的用于工业电解槽极距的测量和过电压测试。

附图说明

图1为本发明极距测量装置图；

图2为本发明极距测量原理说明图；

图3为本发明实施例中铂探头结构示意图；

图4为本发明极距测量流程图。

图中：1、探头，2、铝液，3、阳极，4、阳极导杆，5、阳极连线，6、控制箱，7、丝杆，8、可移动丝套，9、加强套环，10、升降机构，11、可移动小车，12、小车移动传动控制箱，13、连线，14、加强杆，A1、铂片，A2、密封结构，A3、保护管，A4、导线。

具体实施方式

本发明测量电解槽极距的装置如图1所示：

测试架：由可移动小车11、丝杆7、可移动丝套8组成，用于固定安装测量系统和电极升降机构，小车底部安装有可移动的轮子，便于设备的移动。

电极探头：如图3所示，用于伸到电解槽中的部分，前部有一个铂探头，用于精确测量电位。

电极探头材料：A1为金属铂；A2的密封结构材料为氮化硼或高温水泥制成；A3为绝缘保护管，采用氮化硼管或刚玉管制成；A4探头连线采用铂丝或者镍铬丝制成。

电极的升降机构：本实施例采用齿轮组传动，也可采用液压传动，可根据需要自动升降阳极探头，升降速度可调，电极的位置可精确测量。

控制箱6，控制箱含单片机或可编程控制器组成，具有计算和实现功能，并能够输出指令控制小车移动，其控制测量程序如图4所示，从探测区的起点位置顺序取两个相邻坐标(X₁，Y₁)，(X₂，Y₂)，计算这两点之间的斜率 $K_1=\frac{Y_2-Y_1}{X_2-X_1},$ 保存K₁，同理，取(X₂，Y₂)，(X₃，Y₃)两点，计算 $K_2=\frac{Y_3-Y_2}{X_3-X_2},$ 保存K₂，按此方法，可以保存若干个斜率数据K_i。在斜率数据K_i中找到K_i发生突变的位置，即可判定为曲线的拐点。查找拐点的实现方法为，设计计数器i，当i＝0时，判断K₁是否等于0，当K₁＝0时，判断K₂是否大于K₁，如果是，则可根据K₁，K₂是拐点所在两点的坐标之间的斜率定下第一个拐点位置。如果K₂≥K₁，那么i＝i+1，比较下一组斜率K₂和K₃，直到找出拐点，之后记下相应坐标值。同理判断K_i若等于∞，可找到第二拐点。两个拐点的位置对应铝液与电解质的界面和阳极底部所处位置。两个位置之差即为极距。

采用本发明装置进行测量，在3000A电解试验槽中进行大型实验研究时，电解采用的电解质体系为NaF-AlF₃-4Al₂O₃-2CaF₂(wt.％)，其中NaF/AlF₃物质的量之比为2.2。电解温度930℃。

调整好位置，装置连接好后，操作控制箱6，将探头1放到电解槽底部的铝液中位置S₁，此时电压值V₁＝2857mV，然后以每分钟0.8cm的速度抬升探头1，这时电位表上的电压几乎不变为2857mV，当探头上升到铝液与电解质的界面S₂时(此时在垂直方向上，探头的位移S₂-S₁＝12mm)，电位变化出现拐点。继续以每分钟5cm的速度抬升探头，当探头1快接近阳极底掌S₃时，V₂＝671mV，放慢抬升速度为每分钟0.2cm-1cm，当电压出现拐点，即到阳极底表面S₃，电压值为V₃＝204mV，探头的位移即极距d＝S₃-S₂＝47mm，同时可以得到阳极过电压η＝V₃-V₂＝467mV。

所测得的极距d和过电压η与采用其他方法相比更加精确。

Claims (2)

1、一种铝电解槽阴极和阳极之间距离的测量方法，通过测量两个电极探头之间的电压突变位置确定铝液与电解质的界面及阳极底掌位置，从而确定两极的极间距离，其特征在于具体操作是采用极距测量装置，按以下步骤进行：

(1)将装置控制箱连线与电解槽阳极连接，探头置于电解槽底部铝液中某一位置S₁，装置自动记录探头在S₁位置时的电压值V₁；

(2)以每分钟1cm的速度抬升探头，当探头上升到铝液与电解质的界面S₂时，电位变化出现拐点；

(3)继续以每分钟2cm-5cm的速度抬升探头，当探头接近阳极底掌S₃时，电压值为V₂；

(4)放慢抬速，以每分钟0.2cm-1cm速度抬升，当电压出现拐点，即到阳极底表面S₃，电压值为V₃；

(5)计算极距d＝S₃-S₂，阳极过电压η_阳极＝V₃-V₂。

2、权利要求1所述铝电解槽阴极和阳极之间距离测量方法所用装置，其特征在于该装置包括测试架、控制箱、升降机构和电极探头，升降机构装在测试架的可移动小车上，控制箱和电极探头装在测试架上，控制箱核心为单片机，单片机内嵌入了控制操作程序，单片机通过接口电路分别与电解槽阳极、电极探头和测试架升降机构相连，并控制测距过程。

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