CN108221004B - 一种铝液界面波动的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝液界面波动的测量方法，包括步骤：步骤1：采集铝电解槽内每块阳极的阳极电流，并计算出每块阳极的阳极电流波动系数；步骤2：利用CFD流场仿真技术获取每块阳极对应的理论铝液界面高度及位置坐标，并利用阳极电流波动系数修正理论铝液界面高度得到每块阳极的铝液界面实际高度；步骤3：依据每块阳极的铝液界面实际高度和位置坐标采用克里金空间插值法得到整个电解槽内每个样本点的铝液界面实际高度以及坐标位置；步骤4：以电解槽内每个样本点的位置坐标以及铝液界面实际高度构建三维坐标系，并绘制铝液界面的三维图和二维等值图。通过上述方法得到的三维图和二维等值图可以直观地反应铝液界面波动状况。

Description

一种铝液界面波动的测量方法

技术领域

本发明属于铝电解技术领域，具体涉及一种铝液界面波动的测量方法。

背景技术

铝液高度的测量获取技术是电解槽的重要技术条件之一，其测定结果决定了出铝量，同时对掌握电解槽的运行状况也是至关重要的，尤其是热平衡状态。在电解槽中的电磁场力作用下，铝液界面会产生连续波动，这种连续波动会引起极距的不断变化，严重时将引发极间短路，致使电解槽消耗大量电能，破坏电解槽的热稳定性。传统的铝液高度测量方法是采用人工测量，一般通过多点测量铝液高度，再取平均值的方法得到一个粗糙的值，但是无法获知整槽的铝液界面波动情况，因而也就无法从整体上做出决策，适时调整极距。

目前，铝电解生产中急需的是一种简单有效的测量技术，其可以直观反映铝电解槽内铝液界面波动状况，为铝电解生产提供有效指导。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝液界面波动的测量方法，可以得到反映铝电解槽内铝液界面波动状况的图，进而更加直观地反应铝液界面波动状况。

本发明提供一种铝液界面波动的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：采集铝电解槽内每块阳极的阳极电流，并计算出每块阳极的阳极电流波动系数；

步骤2：利用CFD流场仿真技术获取每块阳极对应的理论铝液界面高度及位置坐标，并利用步骤1中每块阳极的阳极电流波动系数修正对应阳极下的理论铝液界面高度得到每块阳极的铝液界面实际高度；

其中，所述位置坐标表示各点在铝液电解质水平面上的X轴坐标和Y轴坐标；

步骤3：依据步骤2得到的每块阳极的铝液界面实际高度和位置坐标采用克里金空间插值法得到整个电解槽内每个样本点的铝液界面实际高度以及坐标位置；

所述样本点均匀分布于整个电解槽区域；

步骤4：以步骤3中电解槽内每个样本点的位置坐标以及铝液界面实际高度构建X-Y-Z三维坐标系，并绘制铝液界面的三维图和二维等值图以便观测铝液界面波动状况；

其中，以每个样本点的铝液界面实际高度作为Z坐标，所述二维等值图以Z坐标作为等值坐标。

本发明通过构造阳极电流波动系数，并结合CFD流场仿真和克里金空间差值模拟得到铝电解槽内铝液界面的三维图和二维等值图，从三维图和二维等值图可以对铝液界面波动进行观测，直观、准确地反应铝液界面波动情况，实现了铝液界面波动状况的软测量，克服了传统人工测量精度低、无法获知整个电解槽铝液界面波动状态的缺陷，为快速了解铝电解槽内状态运行状况、制定调整计划提供参考。其中，电解槽区域内的样本点是CFD流场仿真所确定的。CFD流场仿真输入参数主要包括铝液、电解质、气泡的密度和粘度，输出参数为整个电解槽内每个样本点的理论铝液界面高度及位置坐标。

其中，每块阳极的阳极电流是采用非接触式测量法在线测量得到的。本发明所采集的阳极电流波动系数间接反映铝液界面波动状况，阳极电流越大，说明电阻越小，极距也越小，反应在铝液界面高度上就是铝液高度上升，而阳极电流越大，δ_i也越大，因此δ_i可以反应铝液界面波动状况，本发明采用阳极电流波动系数修正CFD流场仿真数据，进而使最终结果与实际铝液界面波动情况更加吻合，提高检测结果可靠性。

进一步优选，步骤3中所述克里金空间插值法是按照如下公式计算：

式中，Z^*(x₀)为样本点x₀的铝液界面实际高度，Z(x_i)为样本点x_i的铝液界面实际高度，λ_i是样本点x_i的待定权重系数，x_i表示区域A内第i个已知铝液界面实际高度的已知样本点，x₀表示区域A内未知铝液界面实际高度的未知样本点，A为电解槽的待研究的区域，n为区域A内已知铝液界面实际高度的已知样本点的个数；

其中，样本点x_i的待定权重系数λ_i满足如下条件：

式中，Cov(x_i,x_j)是Z(x_i)和Z(x_j)的协方差函数，Z(x_j)为样本点x_j的铝液界面实际高度，μ为拉格朗日乘子。

本发明利用每块阳极的铝液界面实际高度和位置坐标采用克里金空间插值法得到整个电解槽内每个样本点的铝液界面实际高度以及坐标位置。其中，将每块阳极的铝液界面实际高度和位置坐标作为已知样本点来求解未知样本点，而求解出的未知样本点变为已知样本点，同样可以再用于求解其他未知样本点。

其中，每块阳极的铝液界面实际高度和位置坐标可以理解为每块阳极区域对应一个或多个已知样本点，每个已知样本点具有一个铝液界面实际高度和位置坐标。

其中，样本点x_i的待定权重系数λ_i满足如下条件是以无偏为前提，再根据克里金插值所要求的最小方差，则可得到求解待定权重系数λ_i，进而可以求解出样本点x₀的铝液界面实际高度Z^*(x₀)。

进一步优选，步骤3的执行过程为：

首先，获取电解槽内的未知样本点的位置坐标以及已知样本点的铝液界面实际高度和位置坐标；

其中，已知样本点为步骤2中已获取到铝液界面实际高度和位置坐标的阳极的样本点，整个电解槽为待研究的区域A；

然后，依据获取的已知样本点的铝液界面实际高度和位置坐标并采用克里金空间插值法依次计算出未知样本点的铝液界面实际高度。

将整个电解槽视为一个待研究区域A，将步骤2获取的阳极区域的样本点的参数作为已知样本点参数，再利用已知样本点计算出未知样本点的铝液界面实际高度和位置坐标。

进一步优选，步骤3的执行过程为：

将电解槽划分为若干待研究的区域A，再依据步骤2得到的每块阳极的铝液界面实际高度和位置坐标采用克里金空间插值法依次得到各个区域A内每个样本点的铝液界面实际高度以及坐标位置；

其中，获取区域A内每个样本点的铝液界面实际高度以及坐标位置包括如下步骤：

步骤A：获取电解槽内每个区域A中未知样本点的坐标位置以及每个区域A内已知样本点的铝液界面实际高度和位置坐标；

其中，区域A内的已知样本点取自于采用克里金空间插值法得到铝液界面实际高度的样本点或者是区域A中的阳极；

步骤B：依据区域A内已知样本点的铝液界面实际高度和位置坐标并采用克里金空间插值法得到每个区域A内未知样本点的铝液界面实际高度；

重复步骤A和步骤B直至得到区域A内所有未知样本点的铝液界面实际高度。

将电解槽分区，并计算每个区域内的未知样本点的铝液界面实际高度以及坐标位置，最终使得每个区域内的样本点都为已知样本点。本实施例中优选将电解槽分为4-6个区域，每个区域包括两个以上已知样本点。

进一步优选，步骤2中利用每块阳极的阳极电流波动系数修正对应阳极下的理论铝液界面高度得到每块阳极的铝液界面实际高度的过程按照如下公式执行：

D_i(x,y)＝d_i(x,y)δ_i，i＝1,2,…m

式中，D_i(x,y)为第i块阳极下的铝液界面实际高度，d_i(x,y)为第i块阳极下的理论铝液界面高度；δ_i为第i块阳极的阳极电流波动系数。

进一步优选，步骤2中利用CFD流场仿真技术获取每块阳极对应的理论铝液界面高度及位置坐标的过程如下：

首先，利用CFD流场仿真技术得到整个电解槽内各区域的理论铝液界面高度；

然后，利用预设的电解槽的大面、小面、中缝和阳极间缝尺寸确定每块阳极的阳极底掌所占区域和位置坐标；

最后，从整个电解槽内各区域的理论铝液界面高度中选取每块阳极的阳极底掌对应区域的理论铝液界面高度。

由于CFD流场仿真实际得到是整槽的理论铝液界面高度，包括了大面、小面、阳极间缝和中缝区域对应的理论铝液界面高度，因此在计算每块阳极下的实际铝液界面高度时，需要将大面、小面、阳极间缝和中缝等对应的数据剔除，仅仅获取阳极的阳极底掌对应区域的理论铝液界面高度的数据。

进一步优选，步骤1中按照如下公式(1)计算出每块阳极的阳极电流波动系数：

式中，δ_i为第i个阳极的阳极电流波动系数，I_i为采集的第i个阳极的阳极电流，I为预设的系列电流，m为电解槽内的阳极块数。

有益效果

与现有技术相比，本发明的优点有：

1、本发明通过构造阳极电流波动系数δ_i，结合CFD仿真和克里金空间插值模拟得到铝电解槽内铝液界面实际高度，进而绘制铝液界面的三维图和二维等值图，直观地反映铝电解槽内铝液界面波动状况，实现了铝液界面波动状况的软测量，克服了传统的人工测量无法获知整槽铝液界面波动状况的缺陷，为生产上快速了解铝电解槽内整体运行状况，制定调整计划提供适时参考。

2、本发明所采用的克里金(Kriging)插值法是建立在变异函数理论分析基础上，对有限区域内的区域化变量取值进行无偏最优估计的一种方法。它的基本原理是概率统计和估计理论中的无偏、最小条件。与其他方法相比，它的特殊之处在于插值时不仅仅考虑了插值点与临近已知点的空间位置，还考虑了各临近点之间的位置关系，并利用已知点的空间分布结构特点，进行结构分析，使估计方法更精确，更符合实际。通过克里金空间插值得到整个槽内铝液界面波动状况，直观的展示了电解槽其变化情况，为生产上提供有益指导。

3、本发明考虑到CFD流场仿真得到的铝液界面波动状况并未考虑阳极电流波动对铝液界面波动的影响，而通过定义阳极电流波动系数δ_i进一步修正了其仿真结果，更具有现实意义和可靠性；同时针对CFD流场仿真数据，仅仅选取阳极底掌对应区域的理论铝液界面高度，而将大面、小面、阳极间缝和中缝等对应的数据剔除，可以提高检测结果的可靠性。

4、本发明上述方法实现方式简单有效，仅需要测量每块阳极电流大小，就可以通过本发明模拟铝液界面的波动状况。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种铝液界面波动的测量方法的流程图；

图2是CFD流场仿真得到的铝液界面波动状况图，其中，a图为三维图，b图为二维等值图；

图3是本发明实施例提供的得到的铝液界面波动状况图，其中，a图为三维图，b图为二维等值图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明实施例提供一种铝液界面波动的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：采集铝电解槽内每块阳极的阳极电流，并计算出每块阳极的阳极电流波动系数。

其中，通过非接触式测量法采集每块阳极的阳极电流。且按照如下公式计算出每块阳极的阳极电流波动系数：

式中，δ_i为第i个阳极的阳极电流波动系数，I_i为采集的第i个阳极的阳极电流，I为预设的系列电流，m为电解槽内的阳极块数。例如本实施例中选取的电解槽共有48块阳极，如下表1罗列出了每块阳极对应的阳极电流波动系数。

表1 阳极电流波动系数δ_i表

步骤2：利用CFD流场仿真技术获取每块阳极对应的理论铝液界面高度及位置坐标，并利用步骤1中每块阳极的阳极电流波动系数修正对应阳极下的理论铝液界面高度得到每块阳极的铝液界面实际高度；

其中，所述位置坐标表示各点在铝液电解质水平面上的X轴坐标和Y轴坐标。

具体的，利用CFD流场仿真技术获取每块阳极对应的理论铝液界面高度及位置坐标的过程如下：

首先，利用CFD流场仿真技术得到整个电解槽内各区域的理论铝液界面高度；

然后，利用预设的电解槽的大面、小面、中缝和阳极间缝尺寸确定每块阳极的阳极底掌所占区域和位置坐标；

最后，从整个电解槽内各区域的理论铝液界面高度中选取每块阳极的阳极底掌对应区域的理论铝液界面高度。

例如，本实施例中的电解槽的大面宽度为280mm，小面宽度为390mm，中缝宽180mm，阳极间缝宽40mm。再依据大面、小面、中缝和阳极间缝尺寸可以确定每块阳极底掌所占区域及其坐标位置，进而获取到每块阳极的阳极底掌对应区域的理论铝液界面高度。需要说明的是，每块阳极底掌所占区域及其坐标位置可以理解为阳极底掌所占区域内各点的坐标位置和理论铝液界面高度。

此外，获取到理论铝液界面高度后，再按照如下公式执行用每块阳极的阳极电流波动系数修正对应阳极下的理论铝液界面高度得到每块阳极的铝液界面实际高度：

D_i(x,y)＝d_i(x,y)δ_i，i＝1,2,…m (2)

式中，D_i(x,y)为第i块阳极下的铝液界面实际高度，d_i(x,y)为第i块阳极下的理论铝液界面高度；δ_i为第i块阳极的阳极电流波动系数。

步骤3：依据步骤2得到的每块阳极的铝液界面实际高度和位置坐标采用克里金空间插值法得到整个电解槽内每个样本点的铝液界面实际高度以及坐标位置；

其中，所述样本点均匀分布于整个电解槽区域，进而可以根据样本点的数据得出电解槽的铝液界面的波动状况。其中，得到每块阳极的铝液界面实际高度和位置坐标可以视为样本点的数据。

其中，克里金插值的原理如下：

假设所研究区域为A，点x_i∈A(i＝1,…，n)，在区域上所研究的物理属性变量即铝液界面高度为Z(x)，其在点x_i处的属性值为Z(x_i)，则根据克里金法，插值点x₀(x₀∈A)处的属性值Z^*(x₀)是n个已知样本点属性值Z(x_i)的加权和。即：

式中，λ_i是待定权重系数。针对克里金法的无偏条件可以确定λ_i(i＝1,…,n)必须满足关系式：

其中，Cov(x_i,x_j)是Z(x_i)和Z(x_j)的协方差函数，μ为拉格朗日乘子。由方程组(4)解出λ_i，代入(3)式即可求得插值点x₀处的属性值Z^*(x₀)。

基于上述克里金插值的原理，本实施例中优选步骤3的执行过程如下：

首先，获取电解槽内的未知样本点的位置坐标以及已知样本点的铝液界面实际高度和位置坐标；然后，依据获取的已知样本点的铝液界面实际高度和位置坐标并采用克里金空间插值法依次计算出未知样本点的铝液界面实际高度。

其中，已知样本点为步骤2中已获取到铝液界面实际高度和位置坐标的阳极的样本点，整个电解槽为待研究的区域A。

其他可行的实施例中，从上述克里金插值的原理可知，本发明将每块阳极的铝液界面实际高度和位置坐标作为已知样本点来求解未知样本点，而求解出的未知样本点变为已知样本点，同样可以再用于求解其他未知样本点。进而步骤3的执行过程为：

将电解槽划分为若干待研究的区域A，再依据步骤2得到的每块阳极的铝液界面实际高度和位置坐标采用克里金空间插值法依次得到各个区域A内每个样本点的铝液界面实际高度以及坐标位置；

其中，获取区域A内每个样本点的铝液界面实际高度以及坐标位置包括如下步骤：

步骤A：获取电解槽内每个区域A中未知样本点的坐标位置以及每个区域A内已知样本点的铝液界面实际高度和位置坐标；

其中，区域A内的已知样本点取自于采用克里金空间插值法得到铝液界面实际高度的样本点或者是区域A中的阳极；

步骤B：依据区域A内已知样本点的铝液界面实际高度和位置坐标并采用克里金空间插值法得到每个区域A内未知样本点的铝液界面实际高度；

重复步骤A和步骤B直至得到区域A内所有未知样本点的铝液界面实际高度。

其中，若区域A中只有一个未知样本点，则执行步骤A和步骤B后即可获知到该未知样本点的铝液界面实际高度和位置坐标。若区域A中存在多个未知样本点，本实施例中则依次求解未知样本点的数据，其中已得出铝液界面实际高度的未知样本点变为已知样本点后，其可以用于求解另一未知样本点的数据。

需要说明的是，不同区域A之间可以存在空间重叠，进而存在重叠的样本点，即一个区域A中的已知样本点可以是另一区域A中通过克里金空间插值法得出的。

步骤4：以步骤3中电解槽内每个样本点的位置坐标以及铝液界面实际高度构建X-Y-Z三维坐标系，并绘制铝液界面的三维图和二维等值图；

其中，以每个样本点的铝液界面实际高度作为Z坐标，所述二维等值图以Z坐标作为等值坐标。

具体的，如图3中的a图和b图所示，其中a图为铝液界面的三维图，b图为铝液界面的二维等值图，由图可知，所得到的铝液界面的三维图和二维等值图可以直观地反映铝液界面的波动状况。对比图2中的a图和b图，其中，a图为CFD流场仿真得到的铝液界面的三维图，b图为CFD流场仿真得到的铝液界面的二维等值图。对比图2和图3可知，图3的铝液界面波动状况更加均匀，更能反应实际生产状况，为生产实际提供相应指导。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种铝液界面波动的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采集铝电解槽内每块阳极的阳极电流，并计算出每块阳极的阳极电流波动系数；

其中，按照如下公式计算出每块阳极的阳极电流波动系数：

式中，δ_i为第i个阳极的阳极电流波动系数，I_i为采集的第i个阳极的阳极电流，I为预设的系列电流，m为电解槽内的阳极块数；步骤2：利用CFD流场仿真技术获取每块阳极对应的理论铝液界面高度及位置坐标，并利用步骤1中每块阳极的阳极电流波动系数修正对应阳极下的理论铝液界面高度得到每块阳极的铝液界面实际高度；

其中，所述位置坐标表示各点在铝液电解质水平面上的X轴坐标和Y轴坐标；

步骤3：依据步骤2得到的每块阳极的铝液界面实际高度和位置坐标采用克里金空间插值法得到整个电解槽内每个样本点的铝液界面实际高度以及坐标位置；

所述样本点均匀分布于整个电解槽区域；

步骤4：以步骤3中电解槽内每个样本点的位置坐标以及铝液界面实际高度构建X-Y-Z三维坐标系，并绘制铝液界面的三维图和二维等值图以便观测铝液界面波动状况；

其中，以每个样本点的铝液界面实际高度作为Z坐标，所述二维等值图以Z坐标作为等值坐标。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3中所述克里金空间插值法是按照如下公式计算：

式中，Z^*(x₀)为样本点x₀的铝液界面实际高度，Z(x_i)为样本点x_i的铝液界面实际高度，λ_i是样本点x_i的待定权重系数，x_i表示区域A内第i个已知铝液界面实际高度的已知样本点，x₀表示区域A内未知铝液界面实际高度的未知样本点，A为电解槽的待研究的区域，n为区域A内已知铝液界面实际高度的已知样本点的个数；

其中，样本点x_i的待定权重系数λ_i满足如下条件：

式中，Cov(x_i,x_j)是Z(x_i)和Z(x_j)的协方差函数，Z(x_j)为样本点x_j的铝液界面实际高度，μ为拉格朗日乘子。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤3的执行过程为：

首先，获取电解槽内的未知样本点的位置坐标以及已知样本点的铝液界面实际高度和位置坐标；

其中，已知样本点为步骤2中已获取到铝液界面实际高度和位置坐标的阳极的样本点，整个电解槽为待研究的区域A；

然后，依据获取的已知样本点的铝液界面实际高度和位置坐标并采用克里金空间插值法依次计算出未知样本点的铝液界面实际高度。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤3的执行过程为：

将电解槽划分为若干待研究的区域A，再依据步骤2得到的每块阳极的铝液界面实际高度和位置坐标采用克里金空间插值法依次得到各个区域A内每个样本点的铝液界面实际高度以及坐标位置；

其中，获取区域A内每个样本点的铝液界面实际高度以及坐标位置包括如下步骤：

步骤A：获取电解槽内每个区域A中未知样本点的坐标位置以及每个区域A内已知样本点的铝液界面实际高度和位置坐标；

其中，区域A内的已知样本点取自于采用克里金空间插值法得到铝液界面实际高度的样本点或者是区域A中的阳极；

步骤B：依据区域A内已知样本点的铝液界面实际高度和位置坐标并采用克里金空间插值法得到每个区域A内未知样本点的铝液界面实际高度；

重复步骤A和步骤B直至得到区域A内所有未知样本点的铝液界面实际高度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2中利用每块阳极的阳极电流波动系数修正对应阳极下的理论铝液界面高度得到每块阳极的铝液界面实际高度的过程按照如下公式执行：

D_i(x,y)＝d_i(x,y)δ_i，i＝1,2,…m

式中，D_i(x,y)为第i块阳极下的铝液界面实际高度，d_i(x,y)为第i块阳极下的理论铝液界面高度；δ_i为第i块阳极的阳极电流波动系数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2中利用CFD流场仿真技术获取每块阳极对应的理论铝液界面高度及位置坐标的过程如下：

首先，利用CFD流场仿真技术得到整个电解槽内各区域的理论铝液界面高度；

然后，利用预设的电解槽的大面、小面、中缝和阳极间缝尺寸确定每块阳极的阳极底掌所占区域和位置坐标；

最后，从整个电解槽内各区域的理论铝液界面高度中选取每块阳极的阳极底掌对应区域的理论铝液界面高度。