CN104480496A - 一种测量铝电解槽熔体高度和炉底压降的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量铝电解槽熔体高度和炉底压降的装置和方法。本测量方法基于空气、铝液和电解质三者电阻率存在巨大的差异，提出对电位数据进行求导处理，通过分析电位-位移曲线和电位变化率-位移曲线来确定空气-电解质界面和电解质-铝液界面，进而计算出熔体高度和炉底压降。本发明实现了对铝电解槽熔体高度和炉底压降的自动、高效、准确测量，提高了自动化水平，减少工人的劳动量，也可将工艺参数检测结果作为槽控机的控制信号源直接反馈到控制系统中，以提高槽控机对电解槽的控制水平。

Description

一种测量铝电解槽熔体高度和炉底压降的装置和方法

技术领域

本发明涉及铝电解技术领域，特别涉及一种测量铝电解槽熔体高度和炉底压降的装置和方法。

背景技术

在传统的Hall-Heroult法铝电解生产过程中，电解质高度、铝液高度和炉底压降等生产工艺参数对维持电解槽的正常生产至关重要。槽内维持一定的电解质高度，有利于氧化铝的溶解和保持槽热量的稳定。铝液高度决定着出铝量，适量的铝液高度既有利于调节槽内热平衡，又有利于规整炉膛和提高槽稳定性，减少铝的溶解损失，提高电流效率。随着电解槽运行时间的延长，炉底出现沉淀和结壳，金属和熔盐渗入阴极炭块，使得炉底压降大幅增加。通过测量炉底压降值，即可掌握解炉底变化情况进而反馈工艺技术条件设置的合理性。因此，熔体高度和炉底压降等关键工艺参数需要操作工人和管理人员频繁的进行测量并人工输入至铝电解槽控制系统中，尤其是熔体高度(包括电解质高度和铝液高度)需要每天测量。

目前，大型铝电解槽处于高温、强磁场环境下运行，工作环境十分恶劣。电解铝厂均使用钢钎人工插入方式进行熔体高度和炉底压降的测量工作，而电解质与铝液留在钢钎上的界面肉眼难以辨别准确，且读数或测量前后钢钎角度变化导致测量结果误差较大，通常误差高达1～2cm，使得传统钢钎插入法难以达到较高的测量精度要求，更重要的是工人劳动量大且耗时，一般需要2～3人同时配合才能测定。尤其是熔体高度测量误差过大可能会误导正常的电解生产操作过程，造成电解质高度和铝液高度控制不当，使得槽况不稳定、电耗增加、电流效率降低等不良后果。在目前炉底压降的测量过程中，钢钎插入炉底的方法来测定炉底压降不够完善，因为该方法在测量时，其中万用表的一端与槽外的阴极钢棒接触，另一端与尖头钢钎相连，并插入槽内底部，钢钎顶端尖头会铲破阴极炭块表面上的沉淀或结壳而直接与阴极炭块接触，这样测量的炉底压降只能反映该钢钎尖头点接触的炭块表面至阴极钢棒的电压降，而没有真正全面地反映炉底沉淀或结壳等炉底槽况信息，不利于现场人员对电解槽运行状况进行判断与管理。

为此，国内外研究者分别提出和开发了一系列铝电解槽相关工艺参数的测量方法和装置。如美国专利US6065867所公开的测量铝电解槽熔体高度的装置，为了解决测量电极导杆在实际应用中易粘电解质等问题，在电极导杆构件设计上进行了外套杆架构，尽管如此，在实际应用中当电极导杆上升复位时，部分电解质进入外套杆和电极导杆的缝隙会造成电极导杆卡死，不能正常工作。而国内关于铝电解槽熔体高度测量的装置大致可分为非自动化和自动化两类，均存在着电极导杆材料易粘附电解质而灵敏度降低甚至失效，需要人工及时处理等问题。专利CN201120465105所公开的一种用于铝电解槽的测量工具，其测量电极为普通的铁钎，在使用过程中有固态电解质粘附在铁钎上，使得测量电路中电压变化再不明显，且通过人工判断电压的变化来确定电解质和铝液界面，测量精度难以保证，劳动量大。专利CN201420300651所公开的一种铝电解电解质高度、铝液高度测量装置，本质是将目前人工测量中斜插铁钎方式改为竖直插入熔体，未能解决电解质和铝液界面在铁钎表面肉眼难以辨认的问题，测量精度依然无法保证且劳动强度大。专利CN201410206118所申请的一种铝电解过程温度和铝液高度测量装置采用热电偶作为温度传感器，存在着高温熔盐腐蚀和电解质粘附而降低灵敏度等问题，需要人工及时处理，同时，由于测温过程中热电偶的反应滞后性也导致测量结果的准确性下降。再如专利ZL200610004044.7所提出的一种预焙铝电解槽工艺参数测量装置，虽提出了对熔体高度和炉底压降进行自动化测量，但在实际应用中测量探头易粘附电解质而结壳，造成探头灵敏度的降低，特别是当粘附的固态电解质过多而在熔体中来不及溶解时，测量探头将失去作用，造成整个测量装置的瘫痪。另外，在实际测量时小推车需紧靠着电解槽，控制器内PLC和电子器件极易受到电解槽强磁场的干扰，造成测量精准度下降，且装置结构较复杂，成本高，操作不方便。

更为重要的是，由于在电解槽实际运行过程中电解质-铝液界面一直处于波动变化状态且该界面存在着模糊的扩散层，而目前所提及的自动化测量装置专利中，仅仅通过分析电位的变化是无法准确地判断电解质-铝液界面的位置，使得装置在测量过程中出现较大误差。因此，至目前为止上述的熔体高度和炉底压降自动测量装置尚未在实际生产中推广应用。

发明内容

本发明旨在提供一种自动化测量铝电解槽熔体高度和炉底压降的装置和方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种测量铝电解槽熔体高度和炉底压降的装置，包括匀速升降机构、测试电极和测量控制器，所述的匀速升降机构设置于铝电解槽上方并连接测试电极，测试电极由匀速升降机构驱动以在铝电解槽内竖直运动，所述的测量控制器通过导线连接匀速升降机构、测试电极和铝电解槽底部的阴极钢棒。

所述的测试电极包括耐蚀绝缘套管和电极探头，所述的耐蚀绝缘套管由铝镁尖晶石制成，一端连接匀速升降机构，另一端固定有电极探头，电极探头包括石墨柱和钨针，石墨柱为扁平型圆柱体，石墨柱的一端固定在耐蚀绝缘套管上，另一端嵌入若干竖直的钨针。

所述的一种测量铝电解槽熔体高度和炉底压降的装置，钨针的数量为20-50根。

所述的一种测量铝电解槽熔体高度和炉底压降的装置，所述的匀速升降机构包括步进电机，导轨支架，行程开关，丝杆，滑块和底座，所述的导轨支架固定于底座上，所述的丝杆设置于导轨支架上且一端连接步进电机并由步进电机驱动旋转，所述的滑块设置于丝杆上并随丝杆旋转而竖直运动，滑块连接测试电极并带动测试电极竖直运动，所述的行程开关固定于导轨支架上且处于丝杆的顶部。

所述的一种测量铝电解槽熔体高度和炉底压降的装置，所述的测量控制器包括PLC、驱动执行电路和电压信号采集滤波电路，所述的PLC分别电连接驱动执行电路、电压信号采集滤波电路，驱动执行电路电连接匀速升降机构，测试电极和阴极钢棒分别电连接电压信号采集滤波电路。

一种测量铝电解槽熔体高度和炉底压降的方法，应用于权利要求1-4中任一所述的装置，包括以下步骤：

步骤一：记录测量电极探头初始位置与炉底压降的距离h，启动装置，测试电极以速度v匀速下降；

步骤二：记录测试电极在匀速下降时所测到的电位值，并根据测试电极的速度和移动时间求出移动距离，绘制出对应的电位-位移曲线和电位变化率-位移曲线；

步骤三：根据电位-位移曲线和电位变化率-位移曲线，当出现或曲线中最大值、对应点为S_a时，即表明电极探头接触到电解质-空气界面a，当出现或曲线中最小值、对应点为S_b时，即表明电极探头接触到电解质-铝液界面b，曲线在对应点S_b后对应的电位值V即是炉底压降；

步骤四：计算电解质高度为S_b-S_a和铝液高度为h-S_b。

本发明方法和装置的优点是，在测量方法中提出对电位数据进行求导处理，通过分析电位变化率-位移曲线准确地找出电解质-铝液界面b。电极探头采用高纯石墨材质，减少电解质的粘附，并在石墨柱上嵌入若干钨针，以提高电极探头的灵敏度。测量控制器远离电解槽，减小电解槽磁场的干扰。装置结构简单，成本较低，实用性强。实现了对熔体高度和炉底压降的自动化测量，测量值直接显示在的液晶屏上，免去人工读数，提高测量精度和可靠性，使工人远离高温强磁场环境，减轻工人的劳动强度。同时，也可将参数检测结果作为槽控机的控制信号源直接反馈到控制系统中，以提高槽控机对电解槽的控制水平。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明熔体高度和炉底压降装置示意图；

图2为本发明实施方案中的电极探头结构示意图；

图3为本发明测量控制器的电路结构图；

图4是经滤波后电解槽内竖直方向电位-位移曲线和电位变化率-位移曲线示意图；

其中：1－匀速升降机构，2－步进电机，3－导轨支架，4－行程开关，5－梯形丝杆，6－滑块，7－底座，8－测试电极，9－绝缘套管,10－电极探头，11－高纯石墨柱，12－钨针，13－阴极钢棒，14－测量控制器。

具体实施方式

本发明所提出的自动化测量熔体高度和炉底压降的方法，其基本原理基于空气、铝液和电解质三者电阻率存在巨大的差异，特别是铝液和电解质两者相差近15000倍，本方法特别提出对电位数据进行求导处理，通过分析电位-位移曲线和电位变化率-位移曲线来确定空气-电解质界面a和电解质-铝液界面b，进而计算出熔体高度和炉底压降。电解质-空气界面a为或曲线的最大值所对应的电极探头位置S_a。在电解槽运行过程中电解质-铝液的界面b处于波动状态且界面存在着模糊的扩散层，单从电位-位移曲线无法准确地找出界面b，而本测量方法提出对电位数据进行求导处理，通过分析电位变化率-位移曲线可以准确地找出电解质-铝液界面b，为曲线的最小值所对应的电极探头坐标S_b。曲线中近乎不变的电位值既是炉底压降，该炉底压降值准确地反映了炉底沉淀或结壳等槽况信息。

本实施例的匀速升降机构1使测试电极8底部的电极探头10到达电解槽内的不同位置，升降速度可调，且电极探头位置可以精确测量。如图1所示，匀速升降机构1包括步进电机2，导轨支架3，行程开关4，梯形丝杆5，滑块6和底座7，此机构1竖直安装在电解槽出铝端打壳机旁，以充分利用打壳孔眼。

本实施例的测试电极8构成测量电压回路，采集电解槽内不同位置的电位信号。测试电极8包括耐蚀绝缘套管9和电极探头10，其中耐蚀绝缘套管9为耐高温和熔盐腐蚀的铝镁尖晶石，电极探头10(图2)的设计为在扁平型高纯石墨柱11嵌入若干竖直的钨针12，减少电解质的粘附，提高电极探头10的灵敏度。

本实施例的测量控制器14的核心为PLC，PLC内嵌入控制操作和信号发生、处理程序算法。脉冲电压发生电路产生预设的信号以驱动步进电机2旋转，电压信号采集电路按一定的频率f对测试电极8上的电压信号进行采集并进行滤波处理，电路结构详见图3。由PLC从起点开始计算相邻两个电位数据的斜率值，并保存，得到的电位-位移曲线和电位变化率-位移曲线如图4所示。

在曲线中，若某斜率   (其中S_a-S_a-1＝v/f)为所有中最大值或某为所有中的最大值，则坐标S_a为电解质-空气界面a位置，若斜率     (其中S_b-S_b-1＝v/f)为所有中的最小值，则坐标S_b为电解质-铝液界面b的位置。

采用本发明装置对400kA工业铝电解槽进行测量，其电解质体系为CR2.3，5wt％CaF₂，3wt％Al₂O₃，其中，电解质温度为945℃。

安装并连接好测量装置后，首先测量电极探头10初始位置距离炉底的高度h＝100cm，并以参数形式输入测量控制器14的PLC中。启动测量装置后，步进电机2在驱动执行电路发出脉冲电压信号的作用下转动，电极导杆8以v＝2mm/s匀速下降，同时测量控制器14的电压信号采集电路以频率f＝2Hz采集电压信号，并存储经过滤波的电压信号，同时PLC对数据进行运算处理。当电极探头10接触到电解质-空气界面a时，电压测量回路中会突然出现明显的电压信号，电压由0突变为1840mV。当电极探头10到达电解质-铝液界面b时，曲线会出现最小值，当电极探头10进入铝液后，电位值恒为342mV，电极探头10在铝液中下降一段距离后，步进电机2开始反转，测试电极8上升复位，当滑块6碰到行程开关4时，步进电机2停止，测试过程结束。通过测量控制器14里的程序对滤波后的电压信号进行处理，计算出相邻点两电位值的斜率，得到电位-位移曲线和电位变化率-位移曲线。曲线最大值或曲线突变点所对应的坐标S_a＝51.4cm是电解质-空气界面a位置，而曲线的最小值所对应的坐标S_b＝71.8cm即电解质-铝液界面b位置，曲线最后不变的电位值372mV即是炉底压降，所以电解质高度为S_b-S_a＝20.4cm，铝高度为h-S_b＝28.2cm，最后在液晶屏上直接读数，测量精度达0.5cm。

所测得的熔体高度和炉底压降值比传统方法更为准确和方便，且大大减少了工人的劳动强度。

Claims (6)

1.一种测量铝电解槽熔体高度和炉底压降的装置，其特征在于，包括匀速升降机构、测试电极和测量控制器，所述的匀速升降机构设置于铝电解槽上方并连接测试电极，测试电极由匀速升降机构驱动以在铝电解槽内竖直运动，所述的测量控制器通过导线连接匀速升降机构、测试电极和铝电解槽底部的阴极钢棒。

2.根据权利要求1所述的一种测量铝电解槽熔体高度和炉底压降的装置，其特征在于，所述的测试电极包括耐蚀绝缘套管和电极探头，所述的耐蚀绝缘套管由铝镁尖晶石制成，一端连接匀速升降机构，另一端固定有电极探头，电极探头包括石墨柱和钨针，石墨柱为扁平型圆柱体，石墨柱的一端固定在耐蚀绝缘套管上，另一端嵌入若干竖直的钨针。

3.根据权利要求2所述的一种测量铝电解槽熔体高度和炉底压降的装置，其特征在于，钨针的数量为20-50。

4.根据权利要求1所述的一种测量铝电解槽熔体高度和炉底压降的装置，其特征在于，所述的匀速升降机构包括步进电机，导轨支架，行程开关，丝杆，滑块和底座，所述的导轨支架固定于底座上，所述的丝杆设置于导轨支架上且一端连接步进电机并由步进电机驱动旋转，所述的滑块设置于丝杆上并随丝杆旋转而竖直运动，滑块连接测试电极并带动测试电极竖直运动，所述的行程开关固定于导轨支架上且处于丝杆的顶部。

5.根据权利要求1所述的一种测量铝电解槽熔体高度和炉底压降的装置，其特征在于，所述的测量控制器包括PLC、驱动执行电路和电压信号采集滤波电路，所述的PLC分别电连接驱动执行电路、电压信号采集滤波电路，驱动执行电路电连接匀速升降机构，测试电极和阴极钢棒分别电连接电压信号采集滤波电路。

6.一种测量铝电解槽熔体高度和炉底压降的方法，其特征在于，应用于权利要求1-5中任一所述的装置，包括以下步骤：

步骤一：记录测量电极探头初始位置与炉底压降的距离h，启动装置，测试电极以速度v匀速下降；

步骤二：记录测试电极在匀速下降时所测到的电位值，并根据测试电极的速度和移动时间求出移动距离，绘制出对应的电位-位移曲线和电位变化率-位移曲线；

步骤三：根据电位-位移曲线和电位变化率-位移曲线，当出现或曲线中最大值、对应点为S_a时，即表明电极探头接触到电解质-空气界面a，当出现或曲线中最小值、对应点为S_b时，即表明电极探头接触到电解质-铝液界面b，曲线在对应点S_b后对应的电位值V即是炉底压降；

步骤四：计算电解质高度为S_b-S_a和铝液高度为h-S_b。