CN107385476B - 一种铝槽自适应打壳装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝槽自适应打壳装置，属测控技术领域。该装置包括电磁换向阀、迁移控制器和叶轮直流发电蓄能器，所述电磁换向阀，安装在气控柜与活塞气控二位五通阀之间，气控打壳、提锤指令气路上，所述迁移控制器接收到打壳到位信号后，驱动电磁换向阀，由打壳换向为提锤指令，将打壳状态剩余时段迁移成提前执行提锤，叶轮直流发电蓄能器利用气压潜能，储备电磁换向阀驱动电能。本发明能够不改变原气路、电控系统；利用打壳到位信号，增添闭环控制手段，构建自适应调整装置，减少锤头与熔融电解质液接触时间，优化打壳进程，进而改善由“粘包”引起的系列问题。

Description

一种铝槽自适应打壳装置

技术领域

本发明属测控技术领域，具体涉及一种铝槽自适应打壳装置。

背景技术

铝电解槽在正常生产中，950℃熔融的电解质液上会形成一层坚硬的电解质壳体，从而阻碍向电解槽中加入氧化铝。

打壳锤头利用打壳气缸的动力，冲击并打穿电解质壳体，从而保证氧化铝原料，经打穿的壳孔中进入电解槽内。

因打壳锤头在工作时会进入到熔融的电解质液内，使打壳锤头不断地被磨损、熔化，所以其必须定期对打壳锤头进行更换。并且在打壳过程中打壳锤头进入熔融电解质液中，电解槽的直流电会通过打壳机构与电解槽上部连通，导致打壳气缸损坏，因此打壳气缸支承座与槽上部之间须采用绝缘垫板、绝缘套和绝缘垫等大量绝缘元件，以隔绝直流电串流。

通常电解铝槽厂房内分成两个工作区域，每个区大致并置有74槽系列；电解铝槽约17.5米长、4.9米宽，铝槽间距约2.9米；单个电解铝槽配置一路供气管，分别向六处气缸打壳点、对应的六处加料点，提供6～8Bar动力供气源。周期动作按：1、3、5奇数点先执行A秒打壳，6秒～7秒后1、3、5点下料，再2、4、6偶数点打壳，随后2、4、6点下料，间隔130秒后重复执行。

打壳锤头所发生的“粘包”现象，导致槽电压波动范围大，劳动强度明显增加，影响电解槽稳定运行，降低电流效率，严重时破坏电解槽热平衡，引发化炉帮、槽壳发红等不良情况。

既要确保打壳开孔有效前提下，又要锤头触碰熔融电解质液时间短、插入深度适当、侵蚀缓慢、粘附结垢少，是铝电解槽打壳所追求的效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铝槽自适应打壳装置，本发明不改变原气路、电控系统；利用打壳到位信号，增添闭环控制手段，确保打壳锤击有效前提下，能够提前发出提锤指令，减少锤头与熔融电解质液接触时间，优化打壳进程，进而改善由“粘包”引起的系列问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种铝槽自适应打壳装置，包括电磁换向阀和迁移控制器，所述电磁换向阀，安装在气控柜与活塞气控二位五通阀之间，气控打壳、提锤指令气路上，所述迁移控制器接收到打壳到位信号后，驱动电磁换向阀，由打壳换向指令变更为提锤指令，将打壳状态剩余时段提前变更为执行提锤指令。

进一步，所述电磁换向阀，采用弹簧自复位式二位五通电磁阀，常态下，将打壳气控指令输出给活塞气控二位五通阀，受电换向后，将打壳气控指令当作提锤气控指令输出给气控二位五通阀，自复位后回到常态。

进一步，所述迁移控制器，采用电磁式电流电压继电器，所述电磁式电流电压继电器动作构成打壳到位信号，向所述电磁换向阀提供驱动电流。

进一步，所述迁移控制器，采用电磁式功率继电器，所述电磁式功率继电器动作构成打壳到位信号，向所述电磁换向阀提供驱动电流。

进一步，所述电磁换向阀、所述迁移控制器和所述叶轮直流发电蓄能器的组合方式为三者合成一体并设置在抗电磁防护罩体内，或者两两组合或者单独设置。

进一步，还包含叶轮直流发电蓄能器，所述叶轮直流发电蓄能器采用电容、电感或电池储能方式，为所述电磁换向阀蓄积驱动电能。

进一步，所述抗电磁防护罩内设置有温控冷却系统，用于引入放散气流降温，抵抗高温对设备的侵扰。

本发明的有益效果在于：本发明主要由电磁换向阀和迁移控制器，以及叶轮直流发电蓄能器三种标配设备组成，并辅以抗电磁防护罩、避雷针、绝缘垫等材料，放置在电解槽上盖、气缸旁，具有技术上成熟可靠、流程简单通用，针对电解铝槽环境适应性较强的特点。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1铝槽打壳气路、电控系统主要部件图；

图2迁移控制器捕获打壳到位信号图；

图3中止气缸活塞后续打壳行程示意图；

图4打壳、提锤气控指令顺控逻辑关系图；

图5排放气余能发电储能示意图；

图6铝槽自适应打壳装置系统图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如附图1铝槽打壳气路、电控系统主要部件图所示，打壳气缸垂直安装，相对活塞上下划界，分别有上气孔和下气孔；上气孔与气控二位五通阀4号气路口连接，下气孔与2号气路口连接，气控二位五通阀1号气路口接6～8Bar动力供气源管。

当打壳时，地面气控柜内的打壳换向阀，3号气路口接2Bar气控指令气源，打壳电磁阀受电后，2-3和1-4气路通，发出打壳气控指令给气控二位五通阀，此时气控二位五通阀1-4气路通，供气源向打壳上气缸充压，同时2-3气路通，下气缸对外排放气，在气缸活塞行程推力和活塞连接的钎杆锤头重力共同作用下，活塞快速驱动锤头向下，实现有力打壳。

执行A秒后，气控柜内的打壳换向阀的电磁阀失电，阀芯弹簧推动自复位，切换成1-2和3-4气路通，即放空打壳气控指令、发出提锤气控指令；这时，气控二位五通阀收到提锤气控指令后，切换至1-2气路通，供气源向提锤下气缸充压，同时4-5气路通，上气缸对外排放气，在气缸活塞行程推动下，克服活塞连接的钎杆锤头重力，活塞缓慢向上提锤。气控柜内的打壳换向阀，电磁阀受电发出A秒打壳气控指令外，其余时段保持提锤气控指令130秒，如此循环。传输气控指令的低压气源与气缸动力供气源相互独立。打壳气缸上的气控二位五通阀，听从打壳换向阀气控指令，操控活塞作上行或者下行往复二位动作。

由于电解铝槽可能带有电势，借道各种电缆不慎形成对地短路，将造成车间供电设备损毁，后果不堪设想；其次是巨大的电解电流，伴随着强大的干扰电磁场，未作特殊防护的电子类仪器极易失效。因此，在电解铝槽环境中，采用线缆式电子仪表设备隐藏着较高的风险。所以电子仪表都要作好磁防护的同时，尽量不要在电解铝槽与地面设备之间敷设电缆。如电解铝槽上气控二位五通阀，与地面气控柜内的打壳换向阀连接，全部采用气控信号传递，气控指令管采用分段式金属和绝缘胶管交替敷设，从而杜绝沿信号线路出现对地短路风险。

同理，还对应配置有一套加料气控系统，在发出打壳气控指令6秒～7秒后，下料阀换向，驱动下料缸通过打壳开孔，添加氧化铝或氟化盐物料，打壳与加料时序联动。

打壳气缸行程末端设有缓冲室，防止活塞与端底盖碰撞；锤头和活塞钎杆间采用螺纹或焊接连接，要求锤头必须到达熔融电解质液，否则易出现打壳不到位，进料口不开，不能及时加进料，导致发生阳极效应；然而，锤头太长在熔融电解质液中浸泡时间过长，从而电解质熔融黏附物比较多，有助于“粘包”长大，降低打壳效率。

打壳气缸昼夜动作700次以上，每次锤头浸泡在高达950℃的冰晶石90％、氧化铝5％及添加剂5％组成的熔液中2～3秒，造成锤头浸泡时间过长、电解质熔融黏附物比较多、清理“粘包”费时耗力、甚至频繁更换锤头等系列问题的原因有：设定执行打壳气控指令A秒时长过大；同时多气缸充气拉低供气管网压力，活塞提锤缓慢；活塞连接的钎杆锤头过重，启动惯性太大；气缸活塞下面积小于上面积，天生提升力不足。

通常活塞行程约有2000mm长，一方面由氧化钠、氧化钙、氧化镁分解成的冰晶石所构成的电解质主体成分不断变化，会造成表面结壳硬度和粘度不一样；另一个方面熔融电解质液，随生产调整有100mm波动范围，电解质壳体温度500℃左右，因此，打壳所需锤击力度和插入有效深度也要跟随调控。

到目前为止，围绕打壳效率设计的气动系统，对提锤效率考虑不够，减少锤头滞留措施不力，另外打壳过程按时序开环控制；本发明增添闭环控制手段，确保打壳锤击有效前提下，提前发出提锤指令，减少锤头与熔融电解质液接触时间，优化打壳进程，进而改善由“粘包”引起的系列问题。

如附图2迁移控制器捕获打壳到位信号图所示，如前所述，气控柜内的打壳换向阀，3号气路口接2Bar气控指令气源，打壳电磁阀受电后，2-3和1-4气路通后，首先打壳气控指令传递给新增设的电磁换向阀。

其次，电磁换向阀处于失电常态下，1-4气路通，打壳气控指令能够顺畅传递给气控二位五通阀，气缸活塞执行打壳动作；同时2-3气路通，提锤气控指令放空。

电磁换向阀采用弹簧自复位式二位五通电磁阀，常态下，将打壳气控指令，输出给气控二位五通阀作打壳气控指令，受电换向后，将打壳气控指令，当作提锤气控指令输出给气控二位五通阀，执行提锤动作，自复位后，又回到常态下。

打壳过程中，活塞快速驱动锤头，打穿电解质壳体，会触碰到熔融电解质液，铝槽内电解电势将与钎杆锤头形成正等势体，阴极方钢棒穿越电解槽金属外壳时自然接触构成负等势体，铝槽内阳极与阴极之间充满熔融电解质液；此时，正势钎杆锤头与负势电解槽壳对比，能够检测出钎杆锤头电流、电压，构成打壳到位信号，表明打壳开孔力度充足。

钎杆锤头一旦带电，引起打壳气缸带电，电流、电压输入线一端取自钎杆或者气缸壳体，而打壳气缸支承座与电解槽上部之间采用绝缘垫板隔离，输入线另一端就近取自电解槽上部金属外壳。

如附图3中止气缸活塞后续打壳行程示意图所示，迁移控制器接收到打壳到位信号后，驱动电磁换向阀，触发受电换向，气控二位五通阀进而收到的是提锤气控指令。

引入打壳到位信号，提前结束打壳动作，希望中止气缸活塞后续打壳行程；但气动活塞在行程中间位置停止时，受运动惯性和气体可压缩影响，会伴随着超过设定位才能停止的现象；即便执行提锤指令：上气缸排放气，下气缸充压，但气缸活塞仍将惯性下行一段距离，待下缸气体升压足够后，方能托浮活塞、停止运动、行程反向，这段深入的距离，将确保锤头插入深度有效。

如附图4打壳、提锤气控指令顺控逻辑关系图所示，原设定顺控逻辑，要求打壳指令执行A秒，提锤指令执行130秒，由于迁移控制器捕获到打壳到位信号，进而驱动电磁换向阀换向，在打壳指令时序段内，能够提前T秒结束打壳动作，转而提前T秒执行提锤指令，引入闭环控制环节，将打壳状态剩余时段迁移成提前执行提锤，优化打壳进程，减少锤头滞留熔融电解质液时间。

所提早的T秒为变量值，依据打壳到位情况，实测捕捉；所以原设定打壳指令执行A秒变成参考值，实际打壳指令时长A-T秒，而提锤指令延长至T+130秒。

另外，当超出打壳时序段，都还未捕获到T时间，则无迁移时长量，T相当于零，则按原设定打壳指令执行A秒。

迁移控制器采用电磁式电流电压继电器，其磁系统有两个线圈，分别为电流继电器和电压继电器，串联负载电阻端接电流继电器，并联负载电阻端接电流继电器；当电流、电压分别大于整定值时，继电器就动作，所带输出常开、常闭输出触点反向；降低到0.8倍整定值时，继电器就复原，所带输出常开、常闭触点回到初始状态；转动刻度盘上的指针，可以改变继电器的动作值。

依据电流和电压双高信号原则，激励输入既需要钎杆锤头与电解槽外壳之间形成回路后大于0.5～1A整定电流值，还需要3～4V整定电压值，明确、充裕的电流和电压整定值，构成打壳到位信号；当电磁式电流电压继电器上，两个线圈都动作后，才能向电磁换向阀输出如24或48V甚至220V驱动电源，促使换向。打壳到位信号，从打穿电解质壳体触碰到熔融电解质液起，到执行提锤动作锤头离开熔液为止，由电压和电流双信号共同组成，电流或电压信号其中一个升高，不构成打壳到位信号，防止干扰造成误动作。

迁移控制器还可采用电磁式功率继电器，其磁系统只有一个线圈，电流、电压乘积大于激励输入整定值时，构成打壳到位信号，由于铝槽内电解电压最大约4.2V，需要足够的回路电流作保证，满足电流和电压双高信号原则；此后原理、用法与电磁式电流电压继电器相似。

高温电解铝槽工作直流电压约4.2V、电流约8KA感生磁场极强的状况下，电流或电压信号其中一个升高，怀疑电磁干扰所致，不构成打壳到位信号；另外采用技术成熟、适应性强的继电器，多角度预防干扰造成误动作。

打壳到位信号，既捕捉锤杆上电压升高信号，还包括形成回路的电流信号。

详细按时间顺序梳理，原设定打壳气控指令执行A秒，引入打壳到位信号后，可能提前T秒结束打壳动作，实际打壳指令执行时长A-T秒；将打壳指令剩余时段迁移成提锤执行指令，直到钎杆锤头离开熔融电解质液，打壳到位信号消失为止。这期间完成：电磁换向阀换向、气控二位五通阀切换、活塞动作提锤，接下来可能会发生两种情况，原设定打壳指令A秒太长，打壳到位信号消失，此时电磁换向阀失电，弹簧自复位，结束迁移提锤执行指令，而原设定130秒提锤指令还没到来，气控二位五通阀，将再次收到提锤气控指令，这种情况不允许发生；需合理调配A秒时长，要求设定打壳指令A秒之后，打壳到位信号才消失，电磁换向阀失电自复位，设定130秒提锤指令已经发出，能够自然续接，连续执行提锤指令。

举例说明，原设定打壳指令执行5秒，引入打壳到位信号后，可能提前T＝4秒结束打壳动作，实际打壳指令执行时长5-4＝1秒；将打壳指令剩余时段迁移成提锤执行指令后，打壳到位信号从始至终持续3秒，随后电磁换向阀失电，弹簧自复位，结束迁移提锤执行指令，又将恢复打壳气控指令执行5-1-3＝1秒，如上所述多出的1秒，属于不允许发生情况；需要合理调配打壳指令A秒时长由5秒缩短成3秒，不能大于4秒。

在下气缸充压、提锤过程中，如附图5排放气余能发电储能示意图所示，利用排放气余能，在气控二位五通阀上气缸对外排放气口3和5合并管上，设置叶轮直流发电蓄能器，利用气压潜能，推动叶轮旋转发电，采用电容或电感、电池储能方式，快速收集电能，为电磁换向阀储备驱动电能。

还有，为减少排放气路阻力，叶轮直流发电蓄能器叶轮，采用低阻力设计，尽量不影响气流速度。设置的叶轮直流发电蓄能器，可安装在有气压潜能的地方，无论是排气放散管，或是另接供气源管。

铝槽自适应打壳装置就地取材、实现自供电后，不再需要从地面敷设电源线，消除了电解铝槽对地短路途径。

电磁换向阀和迁移控制器，以及叶轮直流发电蓄能器，这三种标配设备，工作在强磁场、大电流环境下，除隔离、绝缘处理外，既可以三者合成一体，设置在抗电磁防护罩体内，还能两两组合或单独设置，并配有避雷针、绝缘垫等辅助材料。

同时，高温电解环境中，抗电磁防护罩体内所设置的电磁换向阀和迁移控制器，以及叶轮直流发电蓄能器，设温控冷却系统，引入放散气流降温，抵抗高温对设备的侵扰。

如附图6铝槽自适应打壳装置系统图所示，一种铝槽自适应打壳装置，捕获电解电势作为打壳到位信号，电流电压双触发迁移控制器，促使电磁换向阀将打壳剩余时段迁移成提锤执行指令；另外利用排放气余能，叶轮直流发电蓄能器，收集电磁换向阀驱动电能；构建自适应打壳和防风险装置，起到减少锤头与熔液接触时间的效果。

所带来的显著优势：不改变原气路、电控系统；利用打壳到位信号，增添闭环控制手段，确保打壳锤击有效前提下，能够提前发出提锤指令，减少锤头与熔融电解质液接触时间，优化打壳进程，进而改善由“粘包”引起的系列问题。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种铝槽自适应打壳装置，其特征在于：包括电磁换向阀和迁移控制器，所述电磁换向阀，安装在气控柜与活塞气控二位五通阀之间，气控打壳、提锤指令气路上，所述迁移控制器接收到打壳到位信号后，驱动电磁换向阀，由打壳换向指令变更为提锤指令，将打壳状态剩余时段提前变更为执行提锤指令；

还包含叶轮直流发电蓄能器，所述叶轮直流发电蓄能器采用电容、电感或电池储能方式，为所述电磁换向阀蓄积驱动电能；

所述电磁换向阀、所述迁移控制器和所述叶轮直流发电蓄能器的组合方式为三者合成一体并设置在抗电磁防护罩体内，或者两两组合或者单独设置。

2.根据权利要求1所述的一种铝槽自适应打壳装置，其特征在于：所述电磁换向阀，采用弹簧自复位式二位五通电磁阀，常态下，将打壳气控指令输出给活塞气控二位五通阀，受电换向后，将打壳气控指令当作提锤气控指令输出给气控二位五通阀，自复位后回到常态。

3.根据权利要求1所述的一种铝槽自适应打壳装置，其特征在于：所述迁移控制器，采用电磁式电流电压继电器，所述电磁式电流电压继电器动作构成打壳到位信号，向所述电磁换向阀提供驱动电流。

4.根据权利要求1所述的一种铝槽自适应打壳装置，其特征在于：所述迁移控制器，采用电磁式功率继电器，所述电磁式功率继电器动作构成打壳到位信号，向所述电磁换向阀提供驱动电流。

5.根据权利要求1所述的一种铝槽自适应打壳装置，其特征在于：所述抗电磁防护罩内设置有温控冷却系统，用于引入放散气流降温，抵抗高温对设备的侵扰。