CN102177279A - 使金属电解槽放液的系统、方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于从电解槽导出熔融液体的系统、方法和装置。在一个实施例中，系统包括容器和电特性检测仪。容器包括适于容纳熔融液体的本体和喷管。喷管包括底部、顶部以及使底部和顶部相连的通道。电特性检测仪连接到容器并且被配置成当熔融液体经由通道进入容器的本体中时确定与熔融液体相关的电特性。当确定与熔融液体相关的电特性已经达到预定阀值时，可以改变与从容器中排出的熔融液体相关的过程参数。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2008年10月15日提交的US专利申请No.12/252,312，标题为“用于使金属电解槽放液的系统、方法和装置(SYSTEMS，METHODS，AND APPARATUS FOR TAPPING A METAL ELECTROLYSIS CELL，)”的优先权，其全部内容通过引用并入本申请。
背景技术
电解槽是容纳电解质的容器，外部产生的电流经由电极系统(例如阳极和阴极)通过电解质从而改变材料的成分。例如，铝化合物(例如Al2O3)可以经由电解槽分解为纯金属铝(Al)。金属产生之后，一般经由熔炉(crucible)和真空抽吸系统从电解槽排出。
发明内容
大体上，本申请涉及从电解槽导出液体(如熔融的铝)的系统、方法和装置。这些系统、方法和装置可以利用检测与从电解槽导出的液体相关的至少一种电特性的电特性检测仪以便于第一类型液体从电解槽排出，同时限制第二类型液体的排出。
一方面，提供从电解槽导出液体的系统。在一种方法中，系统包括容器和电特性检测仪。容器包括适于容纳熔融液体的本体和具有与容器的本体相连的底部(base portion)的喷管。喷管包括适于配合电解槽的熔融液体的顶部(tip portion)和使底部和顶部相连的通道。电解槽的熔融液体可以经由通道进入容器的本体中。在一个实施例中，熔融液体包括熔融金属和电解质中的至少一种，但是在其他实施例中熔融液体可以包括其他组分。电特性检测仪连接到容器，并且被配置成当熔融液体经由通道进入容器的本体中时确定与熔融液体相关的电特性。
在一个实施例中，电特性检测仪可以经由第一感知接触部连接到喷管的第一部分。电特性检测仪可以经由第二感知接触部连接到喷管的第二部分。喷管的第一部分可以与喷管的第二部分电绝缘。当熔融液体出现在通道内时，电特性检测仪可以被配置成经由第一和第二感知接触部确定与熔融液体相关的电特性。当电特性检测仪确定与熔融液体相关的电特性已经达到预定阀值时，电特性检测仪可以输出警报信号。
在一个实施例中，电特性与熔融液体的电阻相关。当电特性检测仪确定与熔融液体相关的电阻已经达到预定的电阻率阀值时，电特性检测仪输出警报信号。
在一个实施例中，电特性与熔融液体的电势相关。当电特性检测仪确定与熔融液体相关的电势已经达到预定的电势阀值时，电特性检测仪输出警报信号。
在一个实施例中，电特性与熔融液体的电流相关。当电特性检测仪确定与熔融液体相关的电流已经达到预定的电流阀值时，电特性检测仪输出警报信号。
在一个实施例中，电特性检测仪可以被配置成当电特性检测仪确定与熔融液体相关的电特性指示存在过量的第一类型液体时输出警报信号。例如，电特性检测仪可以被配置成当电特性检测仪确定与熔融液体相关的电特性指示熔融液体中存在过量电解质时输出警报信号。在另一个实施例中，电特性检测仪可以被配置成当电特性检测仪确定与熔融液体相关的电特性指示熔融液体中存在过量金属时输出警报信号。
系统可以包括与电特性检测仪电连通的感觉指示器。感觉指示器可以被配置成接收电特性检测仪的警报信号。感觉指示器可以被配置成输出感觉输出以响应于响应警报信号。在一个实施例中，感觉输出可以是视觉警报和听觉警报的至少一种。
另一方面，提供从电解槽中导出液体的方法。在一种方法中，方法包括通过容器的喷管使电解槽中的熔融液体通过的步骤，和在通过步骤期间并且当熔融液体位于容器的喷管中时，检测与熔融液体相关的电特性。在一个实施例中，检测与熔融液体相关的电特性的步骤可以包括使电流最接近(proximal)第一感知接触部和第二感知接触部而通过的步骤，其中第一和第二感知接触部能够与容器和熔融液体中的至少一个电连通。检测步骤可以包括经由(i)第一和第二感知接触部和(ii)与第一和第二感知接触部电连通的电特性检测仪，来测量与熔融液体相关的至少一种电特性。
在一个实施例中，伴随与熔融液体相关的电特性的检测步骤，可以经由电特性检测仪输出警报信号。响应于该输出步骤，可以提供感觉输出。当电特性达到预定阀值时，可以改变过程参数。在一个实施例中，改变过程参数的步骤可以包括下列的一个或多个步骤：(i)降低进入容器的熔融液体的流速，(ii)将喷管的顶部重新定位到电解槽中的不同位置，并且(iii)终止通过熔融液体步骤(即，停止熔融液体流入容器)。
上文中提及的多个方面的不同方面可以合并以产生系统、方法和/或装置，以便从电解槽中排出熔融液体和/或调整与从电解槽中排出熔融液体相关的过程参数。此外，本申请的这些以及其它的方面、优势、和新颖的特征会在接下来的描述中被部分地阐述，而且在查看下面的描述和附图之后对本领域技术人员而言将变得显而易见，或者可以通过实践本发明而得知。
附图说明
图1是根据本申请的有用的容器的一个实施例的透视图。
图2是图1的喷管的一个实施例的透视图。
图3是示出涉及图1的容器的电路图的一个实施例的示意图。
图4是图1的电特性检测仪的一个实施例的示意图。
图5a是在检测与熔融液体相关的电特性中有用的方法的一个实施例的流程图。
图5b是在检测与熔融液体相关的电特性中有用的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考附图，附图至少帮助示出本申请的各种相关的实施例。
大体上，本申请涉及用于从电解槽导出液体(例如熔融的铝)的系统、方法和装置。这些系统、方法和装置可以利用电特性检测仪，电特性检测仪检测与从电解槽中导出的液体相关的至少一种电特性，以便于从电解槽中排出第一类型液体，同时限制第二类型液体的排出。
例如，现在参考图1和图2，电特性检测仪20可以与容器10电连接。容器10(例如熔炉)具有适于容纳熔融金属(未示出)的本体11。容器10也具有喷管12，喷管12包括底部13、顶部14和使底部13与顶部14相连的管道部15。喷管是与容器相连接的部件，容器允许液体进出容器。喷管12的底部13与容器10的本体11相连，并且喷管12内布置有通道17。通道17从喷管12的顶部14至少延伸到喷管12的底部13，以便于液体流入容器10的本体11。换言之，通道17便于液体在喷管12的顶部14与容器10的本体11之间连通。
喷管12的顶部14适于配合电解槽中的熔融液体(未示出)。熔融液体是在升高的温度下具有液体形式的任何元素或化合物。例如，在铝电解槽中，金属铝(Al)和/或冰晶石(Na3AlF6)可以构成熔融液体的至少一部分。电解槽是包含电解质的容器，经由电极系统(例如阳极和阴极)使外部产生的电流通过电解质从而改变材料的组分。例如，铝化合物(例如Al2O3)可以经由电解槽分解为纯金属铝(Al)。
在所示的实施例中，喷管12包括使喷管16a的第一部分与喷管16b的第二部分电隔离的电隔离器22。电隔离意味着使一种材料与另一种材料分开，以便限制或消除两种材料之间的电连通。电特性检测仪20可以经由电线112和114、以及经由两个感知接触部21a和21b与喷管12相连接，其中第一感知接触部21a与喷管16a的第一部分相关而第二感知接触部21b与喷管16b的第二部分相关，并且电特性检测仪20可以被配置成检测与通过喷管12并进入容器10的本体11中的熔融液体相关的电特性。
在操作中，电解槽中的液体可以经由与喷管12相连的真空单元(未示出)从电解槽中排出。随之，恒定的电流可以经由外部电源通过喷管12。随着液体通过喷管12并最接近于感知接触部21a和21b，电特性检测仪20可以确定与第一和第二感知接触部21a和21b之间的液体相关的电特性。
当通道17中的熔融液体主要包括第一类型液体(例如熔融金属)时，测量的电特性值可以是第一电特性值。当熔融液体包括较多第二类型液体(例如电解质)并且通过第一感知接触部21a和电隔离器22之后的喷管12时，与熔融液体相关的电特性将改变并且电特性检测仪20将测量第二电特性值。
图3中示出涉及图1的容器的电路图的一个实施例的示意图。如上所述，外部电源50将电流提供给容器10的喷管12。喷管12为电流提供平行的路径以使电流流过喷管12和熔融液体(ML)两者。电路中的第一电阻(R1)代表喷管12。电路中的第二电阻(R2)代表熔融液体，尤其是第一和第二感知接触部21a和21b之间的熔融液体。随着熔融液体通过第一感知接触部21a和电隔离器22，与熔融液体相关的电阻的改变表现为第一与第二感知接触部21a和21b之间的电势差的改变。电特性检测仪20测量第一与第二感知接触部21a和21b之间的电流和该电势差。接着，电特性检测仪20由测量的第一和第二感知接触部21a和21b之间的电势差和电流确定第一和第二感知接触部21a和21b之间流动的熔融液体流的电阻。当电势差随时间改变时，这个改变指示与熔融液体(ML)相关的电阻的改变。与熔融液体(ML)相关的电阻或电势差随时间的变化率(rate of change)与熔融液体的组分随时间的变化率一致。因此，当电阻或电势差变化率(或者测量的电阻或电势差值)达到预定阀值时，电特性检测仪20可以输出警报信号以便于改变与从电解槽排出熔融液体相关的过程参数。
例如，在一种方法中，从电解槽中排出熔融金属同时限制电解质的排出可能是有用的。当从电解槽中排出的熔融液体主要包括熔融金属铝时，第一和第二感知接触部21a和21b之间的电势差可以是第一电势差值或者变化率。当熔融液体变成熔融金属铝和电解质两者的混合物并通过第一感知接触部21a和电隔离器22之后的喷管12时，电势差可以达到第二电势差值或者变化率。该第二电势差值或者变化率可以与预定阀值相关，并且可以在达到预定阀值时输出警报信号。预定阀值是可以提前确定的、达到引发响应的一个点或者一个变化率。警报信号是一种从电特性检测仪输出、以响应与熔融液体相关的电特性的测量的信号(例如电信号或者光信号)。例如，当与熔融液体相关的至少一种电特性已经达到预定阀值时可以输出警报信号。
在另一种方法中，从电解槽中排出电解质同时限制熔融金属的排出可能是有用的。当从电解槽中排出的熔融液体主要包括电解质时，第一和第二感知接触部21a和21b之间的电势差可以是第一电势差值或者变化率。当熔融液体变成电解质和熔融金属铝两者的混合物并且通过第一感知接触部21a和电隔离器22之后的喷管12时，电势差可以达到第二电势差值或变化率。该第二电势差值或变化率可以与预定阀值相关，并且在达到预定阀值时输出警报信号。
如上所述，现在参考图4，当测量的电特性值达到预定阀值时，电特性检测仪20可以输出警报信号。被配置成接收电特性检测仪20的警报信号的感觉指示器120可以与电特性检测仪20电连接或者被包括在电特性检测仪20内(例如经由电线118)，并且可以输出感觉输出122以响应于警报信号。控制器110可以经由电线112和/或114将电特性检测仪20连接到感觉指示器120。响应于警报信号和/或感觉输出，过程参数可以改变，诸如降低进入容器10的熔融液体的流速，将喷管12的顶部14重新定位到电解槽中的不同位置，或者终止从电解槽排出熔融液体。
感觉指示器可以是与电特性检测仪20电连接或者包括在电特性检测仪20内的数字或者模拟设备。感觉输出是可以被活的生物体理解的任何输出，诸如任何声音的、视觉的、触觉的或者嗅觉的输出，仅举几个例子。在一个实施例中，感觉输出可以是听觉输出和视觉输出的至少一种。电特性检测仪是能够确定材料的一种或者多种电特性的任何设备。与本申请协同使用的一些电特性检测仪包括伏特计、万用表、示波器、光谱分析仪或滤波器等，仅举几个例子。感知接触部是便于电特性检测仪连接到容器的设备/装置。例如，容器或电特性检测仪的导电突出部或者凹进部可以用作感知接触部。电特性是电荷的存在和流动的任何性质或者涉及电荷的存在和流动的任何性质。一些电特性包括电压、电流、电阻和电容。与熔融液体相关的电特性是可以被测量以便于熔融液体的物理性质的大致估计的电特性。例如，电特性检测仪可以电互连到容器的喷管以便于确定与熔融液体相关的电特性(例如电阻)。
还提供使电解槽放液的方法，该方法的一个实施例在图5a中示出。在所示的实施例中，方法(200)包括通过容器的喷管使电解槽的熔融液体通过(220)、和检测与熔融液体相关的电特性(230)的步骤。在一种方法中，确定与熔融液体相关的电阻和/或电势差。该方法可以选择性地包括当与熔融液体相关的电特性已经达到预定阀值时输出警报信号(240)的步骤，和/或提供感觉输出(250)以响应于警报信号的步骤。
如上所述，电特性检测仪可以确定与熔融液体相关的电势差和/或电阻。现在参考图5b，该确定步骤(225)可以包括使电流最接近于第一和第二感知接触部而通过(260)和/或经由感知接触部和电特性检测仪测量电势差或电阻(262)。此外，确定步骤(225)可以包括改变过程参数(268)。电阻或电势值(或变化率)可以与预定阀值、相关。如果没达到预定阀值(264)，则测量步骤可以继续/被重复。如果达到预定阀值(264)，则可以输出警报信号(240)，输出警报信号可以导致提供感觉输出(250)。响应于警报信号的输出(240)和/或感觉输出的提供(250)，可以改变过程参数(264)。在一种方法中，可能发生液体进入容器的流速降低的情况(270)。液体进入容器的流速的降低可以允许第一液体流入容器，同时限制第二液体到达容器。在另一种方法中，可以将喷管的顶部重新定位到电解槽中的不同位置(272)。将喷管的顶部重新定位到电解槽中的不同位置可以增加喷管与第一液体之间的连通。在又一种方法中，可以终止从电解槽排出熔融液体(274)。停止排出熔融液体可以消除从电解槽中排出额外的液体。
虽然已经详细描述了本发明的各种实施例，但是对于本领域技术人员而言将发生对那些实施例的更改和修改是显而易见的。然而，要清楚地理解，这种更改和修改是在本发明的精神和范围内。例如，电解槽的熔融液体可以包括除金属和电解质之外的其他组分。电解槽也可以是用于产生诸如镁的其他金属的类型。同样，第一和第二感知接触部可以与容器的任何部分相关。此外，感知接触部可以相互之间电连通，只要与熔融液体相关的电流、电阻和电势差之间的关系以这种方式而始终如一，以能够确定与熔融液体相关的至少一种电特性。可以从电解槽中排出第三液体和/或其他液体并且电特性检测仪可以检测与该其他液体相关的电特性，从而达到从第二液体或其他液体中分离第一液体的目的。
Claims (18)
1.一种系统，包括：
(a)容器，其中所述容器包括：
(i)本体，其中所述本体适于容纳熔融金属；和
(ii)喷管，包括底部、顶部和使所述底部与所述顶部相连的通道；
其中所述底部与所述容器的所述本体相连；
其中所述顶部适于配合电解槽中的熔融液体；并且
其中所述电解槽中的所述熔融液体可以经由所述通道进入所述容器的所述本体中；并且
(b)与所述容器连接的电特性检测仪，其中所述电特性检测仪被配置成当所述熔融液体经由所述通道进入所述容器的所述本体中时确定与所述熔融液体相关的电特性。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述熔融液体包括熔融金属和电解质的至少一种，其中所述电特性检测仪被配置成当所述电特性检测仪确定与所述熔融液体相关的所述电特性指示在所述熔融液体中存在过量电解质时输出警报信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述熔融液体包括熔融金属和电解质中的至少一种，其中所述电特性检测仪被配置成当所述电特性检测仪确定与所述熔融液体相关的所述电特性指示在所述熔融液体中存在过量金属时输出警报信号。
4.根据任一项上述权利要求所述的系统，进一步包括：
与所述电特性检测仪电连通的感觉指示器，其中所述感觉指示器被配置成接收所述电特性检测仪的所述警报信号，其中所述感觉指示器被配置成输出感觉输出以响应于所述警报信号，并且其中所述感觉输出是视觉警报和听觉警报的至少一种。
5.根据任一项上述权利要求所述的系统，其中所述电特性检测仪经由第一感知接触部连接到所述喷管的第一部分；
其中所述电特性检测仪经由第二感知接触部连接到所述喷管的第二部分；并且
其中所述喷管的所述第一部分与所述喷管的所述第二部分电隔离。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，当所述熔融液体在所述通道内出现时，所述电特性检测仪被配置成经由所述第一和第二感知接触部来确定与所述熔融液体相关的所述电特性。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述电特性检测仪被配置成当所述电特性检测仪确定与所述熔融液体相关的所述电特性已经达到预定阀值时输出警报信号。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述电特性与所述熔融液体的电阻相关，并且其中所述电特性检测仪被配置成当所述电特性检测仪确定与所述熔融液体相关的所述电阻已经达到预定电阻值时输出所述警报信号。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述电特性与所述熔融液体的电势相关，并且其中所述电特性检测仪被配置当所述电特性检测仪确定与所述熔融液体相关的所述电势已经达到预定电势值时输出所述警报信号。
10.根据任一项上述权利要求所述的系统，其中所述电解槽是铝电解槽，其中所述熔融金属是熔融铝金属，并且其中所述熔融液体包括所述熔融铝金属和冰晶石的至少一种。
11.一种方法，包括：
使电解槽的熔融液体通过容器的喷管，其中所述容器包括配置成容纳所述熔融液体的本体，其中所述喷管与所述容器的所述本体相连，并且其中所述熔融液体包括熔融金属和电解质的至少一种；并且
在所述通过步骤期间并且当所述熔融液体位于所述容器的所述喷管中时，检测与所述熔融液体相关的电特性。
12.根据权利要求11所述的方法，包括：
伴随着所述检测步骤，当与所述熔融液体相关的所述电特性已经达到预定阀值时输出警报信号。
13.根据权利要求11-12的任一项所述的方法，其中所述检测步骤包括：
当所述熔融液体位于所述容器的所述喷管中时确定与所述熔融液体相关的电势和电阻的至少一种。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述检测步骤包括：
使电流靠近于第一感知接触部和第二感知接触部通过，其中所述第一和第二感知接触部能够与所述容器和所述熔融液体中的至少一种电连通；并且
经由(i)所述第一和第二感知接触部和(ii)与所述第一和第二感知接触部电连通的电特性检测仪，测量与所述熔融液体相关的所述电势和所述电阻的至少一种。
15.根据权利要求14所述的方法，包括：
响应于所述确定步骤，经由所述电特性检测仪输出所述警报信号。
16.根据权利要求15所述的方法，包括：
响应于所述输出步骤，提供感觉输出。
17.根据权利要求13-16的任一项所述的方法，包括：
响应于所述检测步骤，当所述电势和所述电阻的至少一种已经达到预定阀值时改变过程参数。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述改变步骤包括以下步骤的至少一个：
降低进入所述容器的所述熔融液体的流速；
将所述喷管的所述顶部重新定位到所述电解槽中的不同位置；并且
终止通过所述熔融液体的步骤。
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