CN101967658A - 铝电解槽阳极效应预测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝电解槽阳极效应预测装置，属于铝电解技术领域。该装置包括等距压降测量叉和温度传感器；用于对测量卡具输出信号进行处理的电流分布在线监测仪；用于传输信号的ZIGBEE无线网络；以及用于根据接收到的信号进行预警处理的控制装置。本发明还公开了一种铝电解槽阳极效应预测方法，首先将等距压降值通过测量温度值进行修正，并得到每个铝电解槽阳极导杆的电流值，然后将电流值与理想电流值的差值进行归一化处理，得到结果后与设定的阈值进行比较，判断所述的被测铝电解槽阳极导杆是否发生了阳极效应。本发明可以实时监测电解槽正常生产过程电流的分布情况，进行早期预警，为尽早消灭效应、降低效应危害提供了有利保障。

Description

铝电解槽阳极效应预测装置

技术领域

本发明涉及铝电解技术领域，特别是涉及一种铝电解槽阳极效应预测装置。

背景技术

在铝电解槽正常生产过程中，电解质中含氧离子随着电解过程的进行而逐渐减少，当这种情况达到一定程度时，导致析出的氟与阳极碳块发生化学反应生成碳的氟化物；而这种碳的氟化物分解后生成的细微碳粒附着在阳极表面，使电解质与阳极之间形成导电不良的气膜，随着这种情况的进一步蔓延，导致阳极电压急剧增大，引起阳极效应。

阳极效应对铝电解槽的正常生产会产生巨大危害，当阳极效应发生时，电解质的温度由正常值的940℃～955℃急速升高到980℃～990℃，导致炉帮熔化变薄，增加了侧部炭块被侵蚀的可能性。同时，电压的急剧升高使系列电流发生波动，导致电耗增加，进而影响电解槽的正常生产。

以中间下料的300KA预焙槽为例：发生阳极效应的平均效应系数为0.3次/槽日；每次阳极效应的平均效应时间为5min，电流效率93％。根据上述数据可以测算出每次阳极效应带来的原铝减产量：300×0.3355×5÷60＝8.4kg；同时因阳极效应导致吨铝电耗增加158kwh。

这种能量在生产中大多转化为热能，使电解槽极距间温度急剧升高，进而向阳极四周传导，使的电解槽温度升高，进而引起电解质中氟化铝的大量挥发。以前述电解槽为例：一个阳极效应时间为5min，分子比平均上升0.1，这样导致氟化铝损失大约为10～20kg。

针对上述现象，目前普遍采用效应棒熄灭法来克服阳极效应问题，即：将长大约2～3米、直径2～4厘米的树枝作为效应棒插入铝液中使木棒燃烧，进而排除阳极底掌的气体薄膜，清洁阳极底部。上述做法实际是在燃烧铝液，整个过程大约持续3～5分钟，而此时电解的电化学过程是停止的，这也就是电解行业内所谓的“效应时间不产铝，而且还要跑电耗的”原因所在。虽然上述方法可以在一定程度上消除阳极效应，缩短阳极效应时间，但是不能在效应初期，即气膜包裹某个阳极，电压上升不明显时进行预警，更不能确定阳极效应发生的初始位置，同时还会造成铝液的严重损失。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供了一种铝电解槽阳极效应预测装置。所述技术方案如下：

本发明的一种铝电解槽阳极效应预测装置，包括：

至少一套测量卡具，所述测量卡具包括等距压降测量叉和温度传感器，用于测量所述铝电解槽阳极导杆的等距压降信号和温度信号；

与所述测量卡具相连接的电流分布在线监测仪，用于对所述测量卡具输出的测量信号进行处理；

ZIGBEE无线网络，用于将所述电流分布在线监测仪输出的信号发送至控制装置；

控制装置，用于根据接收到的信号进行预警处理。

本发明的铝电解槽阳极效应预测装置，所述电流分布在线监测仪包括嵌入式微处理器、与所述嵌入式微处理器相连接的电源模块、实时时钟模块、A/D转换模块，以及与所述A/D转换模块相连接的滤波电路和温度测量电路；所述温度测量电路与所述温度传感器相连接；所述滤波电路与所述等距压降测量叉相连接；所述A/D转换模块将接收到所述等距压降测量叉测量的等距压降信号以及所述温度传感器测量的温度信号分别进行放大并转换成数字信号输入所述嵌入式微处理器；所述嵌入式微处理器内写有所述电流分布在线监测仪的设备编号、位置编号信息。

本发明的铝电解槽阳极效应预测装置，所述ZIGBEE无线网络包括设置在所述电流分布在线监测仪上的无线通信模块、移动式路由器以及协调器；所述无线通信模块将所述电流分布在线监测仪输出的温度信号、等距压降信号、时间信号、设备编号信息以及位置编号信息通过所述移动式路由器发射至所述协调器，再由所述协调器向所述控制装置进行传输。

本发明的铝电解槽阳极效应预测装置，所述ZIGBEE无线网络包括设置在所述电流分布在线监测仪上的无线通信模块、移动式路由器、固定式路由器以及协调器，所述无线通信模块将所述电流分布在线监测仪输出的温度信号、等距压降信号、时间信号、设备编号信息以及位置编号信息通过所述移动式路由器传输至所述固定式路由器，再由所述固定式路由器转发至所述协调器，最后由所述协调器向所述控制装置进行传输。

本发明的铝电解槽阳极效应预测装置，所述控制装置包括阳极效应判断模块、报警模块以及阳极效应熄灭控制模块；所述阳极效应判断模块将等距压降值通过温度值进行修正，并得到每个铝电解槽阳极导杆的电流估计值，然后将所述电流值与根据电解槽总流入电流减去该电解槽阳极导杆数量得到的理想电流值的差值进行归一化处理，得到结果后与设定的阈值进行比较，判断所述的被测铝电解槽阳极是否将要发生效应，并将判断结果输入所述报警模块和阳极效应熄灭控制模块；所述报警模块在收到阳极效应判断模块发出的判定所述铝电解槽阳极导杆将要发生阳极效应的信号后发出报警信号；所述阳极效应熄灭控制模块在收到阳极效应判断模块发出的判定所述铝电解槽阳极导杆将要发生阳极效应的信号后控制所述铝电解槽阳极导杆的自动熄灭效应装置启动。

一种铝电解槽阳极效应预测方法，所述方法包括下列步骤：

步骤A、设定采样周期，在各采样周期内利用等距压降测量装置和温度测量装置分别在被测铝电解槽阳极导杆上连续测量两个以上的等距压降信号u_n和温度信号Tn；

步骤B、分别对一个采样周期内测得的每个阳极导杆对应的等距压降数据u_n进行滑动平均(取当前时刻和前k个数据进行平均)，得到等距压降的滑动平均值

步骤C、根据所述被测铝电解槽阳极导杆的实际温度Tn，按照下列公式对所述被测铝电解槽阳极导杆的电阻设定值进行修正：

$R_n={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ref}}(1+\mathrm{\ϵ}(T_n-25))\·\frac{L}{S}$

式中：

Rn----被测铝电解槽阳极导杆的实际电阻值；

ρ_ref----25℃时被测铝电解槽阳极导杆的电阻率；

ε----电阻率的温度系数；

L----等距压降测量装置的两个电极的中心距离；

S----被测铝电解槽阳极导杆的截面积；

步骤D、将被测铝电解槽阳极导杆的等距压降滑动平均值

除以该阳极导杆的等效电阻值R_n，得到该阳极导杆的电流估计值i_n；

步骤E、计算被测铝电解槽阳极导杆的电流估计值i_n与根据电解槽阳极导杆数量得到的理想电流值i_ref相减得到电流差值Δi_n；并根据下列公式进行归一化处理：

δ_n＝Δi_n/i_ref；

式中：

δ_n----电流分布相对误差

i_n----被测铝电解槽阳极导杆的电流估计值；

Δi_n----被测铝电解槽阳极导杆的电流估计值与理想电流值的电流差值；

步骤F、将电流分布相对误差δn与设定的阈值δ_ref进行比较；若δn大于等于阈值δ_ref，则判定该被测铝电解槽将要发生阳极效应；若δn小于阈值δ_ref，则判定该被测铝电解槽工作正常。

本发明包括下列有益效果：

本发明的铝电解槽阳极效应预测装置，采用每个阳极导杆上测量等距压降的方法，实时监测电解槽正常生产过程电流的分布情况，从而保证在阳极效应初期即可准确定位异常的“阳极包裹”位置，进行早期预警，为尽早消灭效应，降低效应危害提供了有利保障。

此外，本发明采用ZIGBEE无线网络传输信号，具有无限的扩展能力，使多台电解槽的同时监测成为可能；同时还可以通过ZIGBEE无线网络，利用上位机上的数据接口软件对每个电流分布在线监测仪的参数进行设置，包括设备编号、导杆位置编号、电压测量范围、时间等参数进行设置，可以将被判断将要发生阳极效应的阳极导杆的设置情况准确向控制系统进行传输；

本发明的铝电解槽阳极效应预测方法根据每个阳极导杆上测量到的等距压降，并结合阳极导杆的实际温度进行阳极导杆的电流值的修正，通过检测电流分布的变化情况可以早期预测阳极效应，较通过直接检测电压的方法更为准确、快速。

附图说明

图1是本发明实施例提供的铝电解槽阳极效应预测装置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的铝电解槽阳极效应预测装置中电流分布在线检测仪的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明的铝电解槽阳极效应预测装置主要包括测量卡具2、电流分布在线监测仪3、无线网络以及上位机控制装置6。

测量卡具2主要由等距压降测量叉和温度传感器构成。测量卡具2固定在每一个待测的铝电解槽阳极导杆1上，等距压降测量叉用于测量铝电解槽阳极导杆1固定距离上的电压降。此外，测量卡具上还设置有温度传感器，用于测量每根铝电解槽阳极导杆的温度。测量卡具2通过高温屏蔽电缆与电流分布在线监测仪3相连。

测量卡具2的数量根据被测的铝电解槽阳极导杆1的数量确定，每个被测的铝电解槽阳极导杆1上固定一套测量卡具2；测量卡具2的数量根据测量现场的实际情况和测量需要可以任意扩展。

电流分布在线监测仪3的数量与测量卡具2相同，其结构主要包括嵌入式微处理器10以及与嵌入式微处理器10相连接的电源模块11、实时时钟模块12、信号放大倍数可调的A/D转换模块18、滤波电路15以及温度测量电路16。等距压降测量叉13测量得到的铝电解槽阳极导杆的等距压降信号经过滤波电路15滤波后送入A/D转换模块18转换为数字量；温度传感器14测量的温度信号通过温度测量电路16后也经A/D转换模块18转换为数字量；上述温度信号和等距压降信号都送入嵌入式微处理器10，再由嵌入式微处理器10将该数字量，连同预先写入电流分布在线监测仪的设备编号、位置编号、温度、时间信息(年、月、日、时、分)一起通过无线网络上传至控制装置上位机6。当本发明的铝电解槽阳极效应预测装置测量后判定有阳极导杆将要发生阳极效应时，控制装置6或操作人员可以根据传输的设备编号、位置编号以及时间信息立刻找到需要处理的阳极导杆。电流分布在线监测仪3中的电源模块包括高温电池和电压变换电路，完成对电流分布在线监测仪的系统供电。

ZIGBEE无线网络用于将电流分布在线监测仪输出的信号发送至控制装置的上位机。在本实施例中ZIGBEE无线网络工作在2.4GHz开放的频段。ZIGBEE无线网络核心设备为协调器，所有电流分布在线监测仪的数据收发均需通过协调器完成输送。而ZIGBEE无线网络中路由器的数量取决于实际电流分布在线监测仪的数量。

ZIGBEE无线网络主要包括设置在电流分布在线监测仪3上的无线通信模块17、移动式和/或固定式路由器以及协调器。电流分布在线监测仪3上的无线通信模块17负责上传数据并接受控制装置上位机6发送的指令，以完成参数的设置和查询操作。移动式路由器安装在可移动式网络中继车上，该车可以根据测量任务的需要移动到被监测电解槽附近，实现铝电解槽上电流分布在线监测仪的无线数据中继功能。如果电流分布在线监测仪和电脑的距离较远，则这些数据需要再通过安装在车间墙上的固定路由器转发到协调器上，协调器5将收到的数据通过有线通信接口形式传输到厂区放置装有数据采集软件的控制装置上。

另一种数据传输的方式：电流分布在线监测仪3通过车间的ZIGBEE无线网，将数据上传到工区办公室的网络数据收发器(实现ZIGBEE无线网协调器与企业局域网之间数据交换)上，再通过企业内部的有线局域网将实测数据与控制装置上的网络数据库之间实现双向传输。

综上所述，本发明中的无线网络数据传输的途径有三种情况：

1)电流分布在线监测仪→移动式路由器→协调器→电脑→企业局域网→服务器(控制装置)；

2)电流分布在线监测仪→移动式路由器→固定式路由器→协调器→电脑→企业局域网→服务器(控制装置)；

3)电流分布在线监测仪→移动式路由器→固定式路由器→网络数据收发器→企业局域网→服务器(控制装置)。

控制装置6可采用包括计算机在内的上位机来实现。控制装置6内部包括阳极效应判断模块、报警模块以及阳极效应熄灭控制模块；阳极效应判断模块根据等距压降值通过温度值进行修正，并得到每个铝电解槽阳极导杆的电流值，然后将电流值与根据电解槽总流入电流除以该电解槽阳极导杆数量得到的理想电流值的差值进行归一化处理，得到结果后与设定的阈值进行比较，判断被测铝电解槽阳极导杆是否发生了阳极效应，并将判断结果输入所述报警模块和阳极效应熄灭控制模块；所述报警模块在收到阳极效应判断模块发出的判定所述铝电解槽阳极导杆将要发生阳极效应的信号后发出报警信号；阳极效应熄灭控制模块在收到阳极效应判断模块发出的判定所述铝电解槽阳极导杆将要发生阳极效应的信号后控制所述铝电解槽阳极导杆的自动熄灭效应装置启动。自动熄灭效应装置可以采取震动方式，如设置震动杆。当自动熄灭效应装置启动后，震动杆震动，这样可以围绕在阳极周围的气泡消除，达到消除效应的目的。

电流分布在线监测仪的采样周期从1秒至60分钟范围连续可调，定时通过无线网络将电流分布数据实时上传至作为控制装置的上位机上，上位机根据整台电解槽每个阳极导杆的电流分布差值信息进行阳极效应预测，具体步骤如下：

步骤A、设定采样周期，在各采样周期内利用等距压降测量装置和温度测量装置分别在被测铝电解槽阳极导杆上连续测量两个以上的等距压降信号u_n和温度信号Tn；

步骤B、分别对一个采样周期内测得的每个阳极导杆对应的等距压降数据u_n进行滑动平均(取当前时刻和前k个数据进行平均)，得到等距压降的滑动平均值

步骤C、根据所述被测铝电解槽阳极导杆的实际温度Tn，按照下列公式对所述被测铝电解槽阳极导杆的电阻设定值进行修正：

$R_n={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ref}}(1+\mathrm{\ϵ}(T_n-25))\·\frac{L}{S}$

式中：

Rn----被测铝电解槽阳极导杆的实际电阻值；

ρ_ref----25℃时被测铝电解槽阳极导杆的电阻率；

ε----电阻率的温度系数；

L----等距压降测量装置的两个电极的中心距离；

S----被测铝电解槽阳极导杆的截面积；

步骤D、将被测铝电解槽阳极导杆的等距压降滑动平均值除以该阳极导杆的等效电阻值R_n，得到该阳极导杆的电流估计值i_n；

步骤E、计算被测铝电解槽阳极导杆的电流估计值i_n与根据电解槽阳极导杆数量得到的理想电流值i_ref相减得到电流差值Δi_n；并根据下列公式进行归一化处理：

δ_n＝Δi_n/i_ref；

式中：

δ_n----电流分布相对误差

i_n----被测铝电解槽阳极导杆的电流估计值；

Δi_n----被测铝电解槽阳极导杆的电流估计值与理想电流值的电流差值；

步骤F、将电流分布相对误差δn与设定的阈值δ_ref进行比较；若δn大于阈值δ_ref，则判定该被测铝电解槽将要发生阳极效应；若δn小于阈值δ_ref，则判定该被测铝电解槽工作正常。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种铝电解槽阳极效应预测装置，其特征在于，所述装置包括：

至少一套测量卡具，所述测量卡具包括等距压降测量叉和温度传感器，用于测量所述铝电解槽阳极导杆的等距压降信号和温度信号；

与所述测量卡具相连接的电流分布在线监测仪，用于对所述测量卡具输出的测量信号进行处理；

ZIGBEE无线网络，用于将所述电流分布在线监测仪输出的信号发送至控制装置；

控制装置，用于根据接收到的信号进行预警处理。

2.根据权利要求1所述的铝电解槽阳极效应预测装置，其特征在于，所述电流分布在线监测仪包括嵌入式微处理器、与所述嵌入式微处理器相连接的电源模块、实时时钟模块、A/D转换模块，以及与所述A/D转换模块相连接的滤波电路和温度测量电路；所述温度测量电路与所述温度传感器相连接；所述滤波电路与所述等距压降测量叉相连接；所述A/D转换模块将接收到所述等距压降测量叉测量的等距压降信号以及所述温度传感器测量的温度信号分别进行放大并转换成数字信号输入所述嵌入式微处理器；所述嵌入式微处理器内写有所述电流分布在线监测仪的设备编号、位置编号信息。

3.根据权利要求1所述的铝电解槽阳极效应预测装置，其特征在于，所述ZIGBEE无线网络包括设置在所述电流分布在线监测仪上的无线通信模块、移动式路由器以及协调器；所述无线通信模块将所述电流分布在线监测仪输出的温度信号、等距压降信号、时间信号、设备编号信息以及位置编号信息通过所述移动式路由器发射至所述协调器，再由所述协调器向所述控制装置进行传输。

4.根据权利要求1所述的铝电解槽阳极效应预测装置，其特征在于，所述ZIGBEE无线网络包括设置在所述电流分布在线监测仪上的无线通信模块、移动式路由器、固定式路由器以及协调器，所述无线通信模块将所述电流分布在线监测仪输出的温度信号、等距压降信号、时间信号、设备编号信息以及位置编号信息通过所述移动式路由器传输至所述固定式路由器，再由所述固定式路由器转发至所述协调器，最后由所述协调器向所述控制装置进行传输。

5.根据权利要求1所述的铝电解槽阳极效应预测装置，其特征在于，所述控制装置包括阳极效应判断模块、报警模块以及阳极效应熄灭控制模块；所述阳极效应判断模块将等距压降值通过温度值进行修正，并得到每个铝电解槽阳极导杆的电流估计值，然后将所述电流值与根据电解槽总流入电流减去该电解槽阳极导杆数量得到的理想电流值的差值进行归一化处理，得到结果后与设定的阈值进行比较，判断所述的被测铝电解槽阳极是否将要发生效应，并将判断结果输入所述报警模块和阳极效应熄灭控制模块；所述报警模块在收到阳极效应判断模块发出的判定所述铝电解槽阳极导杆将要发生阳极效应的信号后发出报警信号；所述阳极效应熄灭控制模块在收到阳极效应判断模块发出的判定所述铝电解槽阳极导杆将要发生阳极效应的信号后控制所述铝电解槽阳极导杆的自动熄灭效应装置启动。

6.一种铝电解槽阳极效应预测方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

步骤A、设定采样周期，在各采样周期内利用等距压降测量装置和温度测量装置分别在被测铝电解槽阳极导杆上连续测量两个以上的等距压降信号u_n和温度信号Tn；

步骤B、分别对一个采样周期内测得的每个阳极导杆对应的等距压降数据u_n进行滑动平均(取当前时刻和前k个数据进行平均)，得到等距压降的滑动平均值

步骤C、根据所述被测铝电解槽阳极导杆的实际温度Tn，按照下列公式对所述被测铝电解槽阳极导杆的电阻设定值进行修正：

$R_n={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ref}}(1+\mathrm{\ϵ}(T_n-25))\·\frac{L}{S}$

式中：

Rn----被测铝电解槽阳极导杆的实际电阻值；

ρ_ref----25℃时被测铝电解槽阳极导杆的电阻率；

ε----电阻率的温度系数；

L----等距压降测量装置的两个电极的中心距离；

S----被测铝电解槽阳极导杆的截面积；

步骤D、将被测铝电解槽阳极导杆的等距压降滑动平均值

除以该阳极导杆的等效电阻值R_n，得到该阳极导杆的电流估计值i_n；

步骤E、计算被测铝电解槽阳极导杆的电流估计值i_n与根据电解槽阳极导杆数量得到的理想电流值i_ref相减得到电流差值Δi_n；并根据下列公式进行归一化处理：

δ_n＝Δi_n/i_ref；

式中：

δ_n----电流分布相对误差

i_n----被测铝电解槽阳极导杆的电流估计值；

Δi_n----被测铝电解槽阳极导杆的电流估计值与理想电流值的电流差值；

步骤F、将电流分布相对误差δn与设定的阈值δ_ref进行比较；若δn大于或等于阈值δ_ref，则判定该被测铝电解槽将要发生阳极效应；若δn小于阈值δ_ref，则判定该被测铝电解槽工作正常。

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