CN108446501A - 一种槽帮预测量方法 - Google Patents

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王棋钰
李劼
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Abstract

本发明公开了一种槽帮预测量方法，包括如下步骤：获取铝电解槽的结构参数和工艺参数，并使用假设的初始槽帮形状，采用有限元理论及方法建立有限元切片模型；获取每班每台槽现场测量的电解质温度及各监测点的槽壳温度参数；将电解质温度及各监测点的槽壳温度参数作为边界条件输入有限元切片模型中进行迭代求解，计算槽帮厚度；获取对应温度所计算的槽帮内形曲面的节点坐标，对所有节点坐标先进行二维插值预处理，再进行三维插值建模，得到三维槽膛整体形状，并反馈槽帮形状。本发明利用槽帮厚度与形状的慢时变特点与槽帮预测量需要一段时间的特点，可以实现温度测量与槽帮形状计算的无缝衔接，既减少了计算，又保证了槽帮预测量的效果。

Description

一种槽帮预测量方法
技术领域
本发明属于铝电解槽领域，尤其涉及一种槽帮预测量方法。
背景技术
我国铝电解工业发展迅猛，目前原铝产量连续十几年保持世界第一，并且在电解槽设计、建造、控制与管理方面均取得创新性发展。我国铝电解工业正呈现产业集中化、槽大型化以及操作工艺苛刻化的特征。槽帮是在电解槽内部沿四周槽膛逐渐形成的一层坚固的固态结壳。槽帮对于铝电解槽的长寿命、低能耗及稳定运行影响重大。槽帮的存在避免了熔融的高温电解质及铝液对于侧部炭块的直接物理冲刷和化学侵蚀，保护了内衬材料，是槽寿命延长的先决条件；槽帮是电和热的不良导体，规整的槽膛能抑制电流侧漏，对节能意义重大；槽帮的生长与消融一定程度上能够使电解质实现自适调节，从而及时调节电解槽内热损失及电解质分子比，维持动态热平衡与物料平衡。因此，测量槽帮形状对槽况和生产的监控及问题的处理具有重要意义。
对应用于工业铝电解槽槽帮的测量方法，主要有用工具直接测量和计算机模拟两方面。工具直接测量较困难，难以及时测量。专利201110439642.8与专利CN201611055395.0均公开了一种铝电解槽炉帮实时测量方法，但实际工业生产上，电解槽槽帮厚度与形状是一个慢时变过程，无需实时监测。对于一个稳定生产的电解槽，其温度波动不大，所以一般每台槽一班人工测量一次温度。专利申请“一种基于热流耦合的铝电解槽三维炉帮的评估方法”中公开了一种计算铝电解槽炉帮的具体方法，但计算时间长，且没有具体说明如何在工业生产中应用。因此有必要设计一个适用于工业生产需求的有效的槽帮预测量方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种槽帮预测量方法，以解决现有铝电解工业生产中槽帮形状难以有效测量的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种槽帮预测量方法：包括下述步骤：
步骤1：获取铝电解槽的结构参数和工艺参数，并使用假设的初始槽帮形状，采用有限元理论及方法建立有限元切片模型；
步骤2：获取每班每台槽现场测量的电解质温度及各监测点的槽壳温度参数；
步骤3：将步骤2中得到的电解质温度及各监测点的槽壳温度参数作为边界条件输入有限元切片模型中进行迭代求解，计算槽帮厚度；
步骤4：获取对应温度所计算的槽帮内形曲面的节点坐标，对所有节点坐标先进行二维插值预处理，再进行三维插值建模，得到三维槽膛整体形状，并反馈槽帮形状。
步骤1中采用有限元理论及方法建立的有限元切片模型的表达式如下所示：
式中，T为节点温度，kx、ky、kz为x、y、z轴方向的导热系数，由步骤1获得，qs为热源强度，对于设置电解质恒定温度，qs＝0。
进一步的，步骤4中所述二维插值的方法采用最小曲率法，其所采用的约束条件为：
式(2)中，x、y、z为各节点坐标值，f为曲面函数，E为曲面能或粗糙度，即要求对曲面函数的二次偏导数项的平方和在插值区域内的积分值为最小。对它的显式全局解可写作：
式中，是拉普拉斯算子，n是边界法线，Ti是内张力，Tb是边界张力。
先分别对已测得的节点坐标用最小曲率法进行插值计算，得到光滑的曲面，然后将各曲面按槽膛内形轮廓插值拼接成三维模型，得到三维槽帮形状。
进一步的，步骤2中槽壳温度参数通过在槽壳大面、小面及拐角处的槽帮高度位置均匀设置有限个温度监测装置测量得到。
进一步的，所示温度监测装置为红外测温枪、热电偶仪器、热流计及红外探测仪中的一种或多种。
进一步的，所述铝电解槽结构参数包括槽体各部分的尺寸和材料属性参数；槽体各部分的尺寸是指阳极、阴极、炉膛、槽壳和各种内衬材料的长度、宽度以及高度或厚度；槽体各部分的材料属性参数是指槽体各部分的导热系数。
进一步的，步骤4所述反馈槽帮形状包括反馈槽况监测系统、人工判断两部分。
进一步的，步骤1中铝电解槽工艺参数包括极距、电解质水平、铝液水平及槽系列电流值。
进一步的，步骤1中建立的有限元切片模型包括：电解槽大面、小面及拐角的有限元切片模型。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.本发明提供的槽帮预测量方法，其利用槽帮厚度与形状的慢时变特点与槽帮预测量需要一段时间的特点，可以实现温度测量与槽帮形状计算的无缝衔接，既减少了计算，又保证了槽帮预测量的效果。
2.本发明提供的槽帮预测量方法，其实现方式简单且操作方便，仅需要获取工业生产过程中每班每台槽必须测量的温度和槽壳的温度，即可通过有限元切片模型和插值建模显示出整槽的三维槽膛内形。
3.本发明提的供槽帮预测量方法，测量的点多且具有代表性，能够较准确地反映各区域的实际槽帮形状，计算的三维槽帮形状可直接反馈槽况监测系统或人工判断，用于槽况的及时把控与病槽的问题来源分析。
附图说明
图1本发明方法的流程图；
图2为实施例1有限元切片模型计算得到的槽壳温度为314℃时的温度分布图；
图3为实施例1有限元切片模型计算得到的槽壳温度314℃时槽帮形状；
图4为实施例1插值建模得到电解槽大面0.8m-16.9m部分槽帮形状。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
参见图1，一种槽帮预测量方法：包括下述步骤：
步骤1：获取铝电解槽的结构参数和工艺参数，并使用假设的初始槽帮形状，采用有限元理论及方法建立大面、小面及拐角的限元切片模型；
步骤2：获取每班每台槽现场测量的电解质温度及各监测点的槽壳温度参数；
步骤3：将步骤2中得到的电解质温度及各监测点的槽壳温度参数作为边界条件输入有限元切片模型中进行迭代求解，计算槽帮厚度；
步骤4：获取对应温度所计算的槽帮内形曲面的节点坐标，对所有节点坐标先进行二维插值预处理，再进行三维插值建模，得到三维槽膛整体形状，并反馈槽帮形状。
下面将结合实施例1对本发明作进一步的说明。
实施例1
本发明一种槽帮预测量的方法，以某420kA级预焙铝电解槽为例，预测量其一侧大面上长度方向0.8m-16.9m部分的槽帮形状。实际测量电解质温度为949.78℃。
具体步骤如下：
步骤1：获取铝电解槽的结构参数和工艺参数，并使用假设的初始槽帮形状，建立大面的有限元切片模型；
其中：铝电解槽工艺参数包括极距、电解质水平、铝液水平及槽系列电流值；铝电解槽结构参数包括槽体各部分的尺寸和材料属性参数；槽体各部分的尺寸是指阳极、阴极、炉膛、槽壳和各种内衬材料的长度、宽度以及高度或厚度；槽体各部分的材料属性参数是指槽体各部分的导热系数。例如，某420kA电解槽的结构参数、材料属性、运行参数如下表：
表1为某420kA级预焙铝电解槽关键参数
步骤2：获取每班每台槽现场测量的电解质的温度及各监测点的槽壳温度参数；槽壳温度参数通过在槽壳大面处的槽帮高度位置均匀设置有限个温度监测装置测量得到。温度监测装置可以采用红外测温枪、热电偶仪器、热流计及红外探测仪中的一种或多种。
步骤3：温度参数作为边界条件输入有限元切片模型进行迭代求解，计算槽帮厚度；所述有限元计算基于稳态热传导方程：
式中，T为节点温度，kx、ky、kz为x、y、z轴方向的导热系数，由步骤1获得，qs为热源强度，对于设置电解质恒定温度，qs＝0。
将槽壳温度和电解质温度设为边界条件，并使用步骤1中建立的假设初始槽帮形状，编写迭代程序进行迭代计算。电解槽大面测量的槽壳温度列于表2，314℃时计算槽帮厚度列于表3，切片模型的温度分布如图2所示，计算槽帮厚度如图3所示。
步骤4：获取对应温度所计算的槽帮内形曲面的节点坐标，对所有节点坐标先进行二维插值预处理，再进行三维插值建模，得到三维槽帮整体形状，反馈槽帮形状。所述二维插值采用的插值方法为最小曲率法。其所采用的约束条件为：
式(2)中，x、y、z为各节点坐标值，f为曲面函数，E为曲面能或粗糙度，即要求对曲面函数的二次偏导数项的平方和在插值区域内的积分值为最小。对它的显式全局解可写作：
式中，是拉普拉斯算子，n是边界法线，Ti是内张力，Tb是边界张力。
表2电解槽大面测量的槽壳温度
表3槽壳温度为314℃时切片模型计算的槽帮厚度
先分别对已测得的节点坐标用最小曲率法进行插值计算，得到光滑的曲面，然后将各曲面按槽膛内形轮廓插值拼接成三维模型，得到三维槽帮形状。电解槽大面上长度方向0.8m-16.9m部分的槽帮形状如图4所示。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种槽帮预测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：获取铝电解槽的结构参数和工艺参数，并使用假设的初始槽帮形状，采用有限元理论及方法建立有限元切片模型；
步骤2：获取每班每台槽现场测量的电解质温度及各监测点的槽壳温度参数；
步骤3：将步骤2中得到的电解质温度及各监测点的槽壳温度参数作为边界条件输入有限元切片模型中进行迭代求解，计算槽帮厚度；
步骤4：获取对应温度所计算的槽帮内形曲面的节点坐标，对所有节点坐标先进行二维插值预处理，再进行三维插值建模，得到三维槽膛整体形状，并反馈槽帮形状。
2.根据权利要求1所述的槽帮预测量方法，其特征在于：步骤1中采用有限元理论及方法建立的有限元切片模型的表达式如下所示：
式中，T为节点温度，kx、ky、kz为x、y、z轴方向的导热系数，由步骤1获得，qs为热源强度，对于设置电解质恒定温度，qs＝0。
3.根据权利要求1所述的槽帮预测量方法，其特征在于：步骤4中所述二维插值的方法采用最小曲率法，其所采用的约束条件为：
式(2)中，x、y、z为各点坐标值，f为曲面函数，E为曲面能或粗糙度。
4.根据权利要求1所述的槽帮预测量方法，其特征在于：步骤2中槽壳温度参数通过在槽壳大面、小面及拐角处的槽帮高度位置均匀设置有限个温度监测装置测量得到。
5.根据权利要求4所述的槽帮预测量方法，其特征在于：所示温度监测装置为红外测温枪、热电偶仪器、热流计及红外探测仪中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的槽帮预测量方法，其特征在于：步骤1中铝电解槽结构参数包括槽体各部分的尺寸和材料属性参数；槽体各部分的尺寸是指阳极、阴极、炉膛、槽壳和各种内衬材料的长度、宽度以及高度或厚度；槽体各部分的材料属性参数是指槽体各部分的导热系数。
7.根据权利要求1所述的槽帮预测量方法，其特征在于：步骤1中铝电解槽工艺参数包括极距、电解质水平、铝液水平及槽系列电流值。
8.根据权利要求1所述的槽帮预测量方法，其特征在于：步骤1中建立的有限元切片模型包括：电解槽大面、小面及拐角的有限元切片模型。
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