CN108728865A - 一种自动调节容量的铝电解槽料箱及其智能下料方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动调节容量的铝电解槽料箱及其智能下料方法，所述料箱的内腔设有容积动态调节器，所述容积动态调节器具有占用料箱内腔部分容积的弹性中空腔体，该弹性中空腔体通过管路与压力介质连接，所述容积动态调节器的弹性中空腔体通过充入压力介质产生变形调节料箱的内部容积。本发明采用的铝电解槽料箱能够实现电解铝过程中的智能下料，使得电解槽在工作时槽内氧化铝浓度空间均匀性好、热平衡波动小、效应系数低、综合能耗低，提高了电解铝生产的效率。此外，本发明不需要对料箱的其他部分与打壳系统进行改动，对传统铝电解槽的料箱改动小、投资小，经济效益显著。

Description

一种自动调节容量的铝电解槽料箱及其智能下料方法

技术领域

本发明属于铝电解技术领域，具体涉及一种自动调节容量的铝电解槽料箱及其智能下料方法。

背景技术

传统霍尔-埃鲁特法(Hall-Héroult)铝电解工艺中，氧化铝和炭素阳极为仅有的消耗性原材料，其中又以氧化铝更为关键，直接关系电解过程的物料平衡与电解槽稳定性。常规电解过程中，氧化铝通过料箱添加到电解槽内的熔融电解质中，经过烧结、扩散与溶解后，在阳极界面参与电化学反应，最终被还原成为液态金属铝。

在现代点式下料器出现以前，电解槽的下料为一个纯人工过程，即电解工在每天在固定时间段进行数次加料操作，每次加料量达50-100kg。很明显，此种下料对电解槽的稳定生产破坏很大，故现早已淘汰。之后出现的点式下料系统由槽上料箱和点式下料器组成，通过计算机对下料器的电磁阀的控制，每次向电解槽添加1-3kg的氧化铝，并采用间歇的下料模式，时间间隔有计算机通过对全槽电压和系列电流的计算确定。该套下料系统与计算机控制系统的配置，让中小型电解槽(<240kA)在浓度的控制上获得了较为显著的产业化成绩。

当前，我国电解槽的大型化趋势十分明显，主流槽型基本在400kA和500kA级别，新型的600kA技术也日臻成熟。在如此规模的大型或超大型铝电解槽上，一般基本应用6-10个下料器，然而现行多下料器的设计中，均采取多个下料点同时动作或者分成两组相继进行动作，每个下料器的大小和下料量是完全一样的，即把氧化铝在电解质中的浓度当作均匀分布进行对待。如此设计和布置可让上部结构更为简单，但也出现另外一个严重的问题，即由于电解槽容量增大(等于长度的增加)，电解槽内氧化铝浓度的分布问题和区域性差异已日趋严重，现行下料器的配置已经不能完全满足大型铝电解槽对于物料浓度的控制要求，特别是对于区域浓度偏差来说完全没有适应性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现行铝电解槽所采用的下料器无法解决超大型铝电解槽氧化铝浓度的均匀性的问题，提供一种自动调节容量的铝电解槽料箱及其智能下料方法，在不对电解槽控制系统和上部结构进行大的改动情况下，优化氧化铝浓度的分布。

本发明采用如下技术方案实现：

一种自动调节容量的铝电解槽料箱，所述料箱2的内腔设有容积动态调节器1，所述容积动态调节器1具有占用料箱2内腔部分容积的弹性中空腔体，该弹性中空腔体通过管路3与压力介质连接，所述容积动态调节器1的弹性中空腔体通过充入压力介质产生变形调节料箱2的内部容积。

进一步的，所述容积动态调节器1的弹性中空腔体紧贴料箱2的内壁呈环状设置。

进一步的，所述容积动态调节器1的弹性中空腔体采用具备弹性的耐磨橡胶壁包围，其厚度为2-5mm。

具体的，冲入容积动态调节器1的弹性中空腔体的压力介质为压力液体或压缩空气。

在本发明的一种自动调节容量的铝电解槽料箱中，所述管路3上设有控制压力介质进入容积动态调节器1的控制阀4。

进一步的，所述控制阀4为电动控制阀，其控制模块与铝电解槽的阳极电流检测系统6通信连接。

本发明还公开了一种上述铝电解槽料箱所使用的智能下料方法，所述料箱2内部装满氧化铝，并执行料箱内腔氧化铝全部添加的下料方式；

在料箱2内部装填氧化铝之前，所述控制阀4根据阳极电流检测系统6所检测的阳极电流信号控制充入容积动态调节器1内部的压力介质，调整料箱2的内部容积变化量。

进一步的，根据所述阳极电流检测系统6所检测的阳极电流信号计算料箱下料点临近的n块阳极的平均电阻斜率，其计算过程如下：

a、从阳极电流检测系统6获取阳极电流强度的时间序列I_j(t)，其中t代表时间，j代表阳极的编号；

b、根据公式R(t)＝(V(t)-1.70)/I_j(t)计算各阳极局部导电通道的电阻，其中，R(t)为t时刻阳极的电阻，V(t)为来自电解槽控制系统的全槽平均电压值；

c、根据公式对计算得到的电阻进行滤波，消除各类噪声的影响，其中，R′(t)为滤波后电阻，滤波参数的值可根据实际情况在0～1之间取值；

d、根据公式P(t)＝dR′/dt计算各阳极电阻的斜率，再得到下料点临近的n块阳极的平均电阻斜率P′(t)＝(x₁P₁(t)+x₂P₂(t)+…+x_nP_n(t))/n，其中，n可根据实际电解槽设计取不小于2的偶数；x₁、x₂、x_n为不同阳极在电阻斜率计算中所对应的权值，须满足归一化条件，即x₁+x₂+…+x_n＝1。

进一步的，根据公式V′(t)＝V₀(P′(t)-P₀)/P₀计算所述调整料箱2在t时刻的内部容积变化量，其中，V₀为料箱2的原始定容大小；P₀为基准电阻斜率值。

所述容积变化量V′(t)即容积动态调节器1的弹性中空腔体容积，该容积的实现通过控制阀4控制充入容积动态调节器1内部的压力介质的压力进行反馈控制。

进一步的，所述料箱容积动态调节器1的容积调节间隔为5min～15min。

本发明在铝电解槽料箱内部设置容积动态调节器，通过控制压力介质进出容积动态调节器的弹性中空腔体实现动态调整料箱的容积大小。

本发明采用上述技术方案的铝电解槽料箱结构，应用于铝电解槽下料的过程中，可通过分布在电解槽各处的料箱动态，随着其所在区域电解槽的状态进行增大或减小智能下料的调整，让电解槽氧化铝的加入量能够满足氧化铝的消耗情况，从而让氧化铝消耗速率较慢的区域可减少沉淀，而在消耗速度较快的区域，减少阳极效应的发生。

由上所述，本发明采用的铝电解槽料箱能够实现电解铝过程中的智能下料，使得电解槽在工作时槽内氧化铝浓度空间均匀性好、热平衡波动小、效应系数低、综合能耗低，提高了电解铝生产的效率。此外，本发明不需要对料箱的其他部分与打壳系统进行改动，对传统铝电解槽的料箱改动小、投资小，经济效益显著。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的一种自动调节容量的铝电解槽料箱的结构示意图。

图2为实施例中的料箱调节至小容量状态的示意图。

图3为实施例中的料箱调节至大容量状态的示意图。

图4为实施例一中的料箱与铝电解槽的连接示意图。

图5为实施例一中的下料过程流程示意图。

图6为实施例二中的料箱与铝电解槽的连接示意图。

图中标号：1-容积动态调节器，2-料箱，3-管路，4-控制阀，5-打壳系统，6-阳极电流检测系统，7-下料管，8-氧化铝输送系统，9-压缩空气，10-阳极。

具体实施方式

实施例一

参见图1，图示中的铝电解槽料箱为本发明的一种优选方案，在料箱2的本体内腔内设置有容积动态调节器1，该容积动态调节器1具有中空腔体，该中空腔体与料箱2的内腔空间完全隔离设置，这样该容积动态调节器1就占用了料箱2的一部分容器空间，剩下的料箱空间装填氧化铝。在向中空腔体在冲入压力介质后回发生弹性变化，随着容积动态调节器1的体积发生变化，进而导致料箱2内部的剩余空间也随之变化，实现了料箱2的内部容积进行调节。

为了尽量避免容积动态调节器1影响氧化铝的正常下料流通，可将容积动态调节器1的弹性中空腔体紧贴料箱2的内壁呈环状设置，使得料箱2的内腔中间区域进行装填氧化铝，这样通过氧化铝输送系统8从料箱2的上方对料箱内腔进行装填氧化铝，然后顺利进入到料箱2底部连通的下料管7进行下料。

容积动态调节器1采用具有弹性的耐磨橡胶壁作为弹性变形的机体，耐磨橡胶壁包围形成一个弹性中空腔体，为了保证容积动态调节器1具有一定的抗压强度，橡胶壁的厚度选用2-5mm。

容积动态调节器1的弹性中空腔体通过管路3与压力介质连接，管路3引出料箱设置，用于将外部的压力介质冲入到容积动态调节器1内，压力介质可采用压力油等压力液体或者压缩空气，优选采用压缩空气9，容积动态调节器1的弹性中空腔体通过充入压力介质产生的压力作用在耐磨橡胶壁上，使整个弹性中空腔体的大小发生变形，进而调节料箱2的内部容积。

为了对料箱2的内部容积调节进行控制，本实施例还在管路3上设有控制压力介质进入容积动态调节器1的控制阀4，控制阀4采用电动控制阀，如图2和图3所示，料箱容积动态调节器1通过电动控制阀4对压缩空气压力的大小进行控制，当通入的压缩空气9形成较大的压力时，可以控制容积动态调节器1的弹性中空腔体膨胀成一个较大的体积，进而减小了料箱2内部其他空间，降低了氧化铝的装填量；当通入的压缩空气9形成较小的压力或输出容积动态调节器1内部的压缩空气，控制容积动态调节器1的弹性中空腔体变化至一个较小的体积，相对提高料箱2内部的氧化铝装填空间；在不通入压缩空气9的情况下，料箱2内部能够保持一个最大的氧化铝装填空间。管道3以及控制阀4从料箱2的侧面引出，不会影响到料箱2底部的打壳系统5的运行。

由于压力与体积具有比例关系，容积动态调节器1的弹性中空腔体的体积可利用压力反馈控制的方式实现准确控制，即可在容积动态调节器1内部或者管道上设置压力检测单元，达到设定的压力值时，控制阀动作保持该压力值，即达到弹性中空腔体在该压力下对应的体积大小。

结合图4所示，进一步的为了实现料箱内不同量的氧化铝进行智能下料，本实施例将控制阀4的控制模块与铝电解槽的阳极电流检测系统6通信连接，通过阳极电流检测系统6对料箱临近的阳极电流信号进行检测，通过阳极的电流和电阻信号判断出该区域槽内的氧化铝浓度，进而调整调节容积动态调节器1的大小，控制料箱2内部氧化铝的下料量。

本实施例的具体实施方案如下：

在本实施例中，采用的每四块阳极10安装一个本实施例的料箱2进行下料，每块阳极10的电流信号通过分布式阳极电流检测系统6进行采样，本实施例的料箱2的最大容积可装填3.0kg的氧化铝，料箱2设置容积动态调节器1后内部自动调节的氧化铝装填重量为1.2kg～3.0kg。配合使用分布式阳极电流检测系统6，以8分钟为一个下料调节时间周期，控制容积动态调节器1使料箱2内的容积随着电解槽的状态自动调节实现不同重量的氧化铝智能下料，料箱2内的氧化铝填满后，随着每次下料过程的执行全部添加到槽内的电解质中进行输运及溶解。

结合参见图5，在每一个下料周期内，料箱2的容积调节方法如下：

第一步：判断是否进入料箱容积自动调节的时间，如果未达到则继续等待，如果达到则执行第二步；

第二步：应用分布式阳极电流检测系统6获取上一个周期(8分钟)内的阳极电流强度的时间序列I_j(t)，其中t代表时间，j代表阳极的编号；

第三步：应用电解槽控制系统传输过来的平均槽电压V(t)信息，通过公式R(t)＝(V(t)-1.70)/I_j(t)计算各阳极局部导电通道的电阻；

第四步：设置滤波参数为0.6，应用公式对原始电阻信号进行滤波，得到滤波后的电阻R′(t)；

第五部，通过公式P(t)＝dR′/dt计算电阻的斜率，再应用公式P′(t)＝(x₁*P₁(t)+x₂*P₂(t)+x₃*P₃(t)+x_4*P₄(t))/4得到料箱2下料点临近的4块阳极的平均电阻斜率，本实施例中，x₁、x₂、x₃、x₄均为0.25；

第六步：通过公式V′(t)＝3.0*(P′(t)-8.5)/8.5计算本次下料周期内料箱的体积，根据此容积值及料箱容积动态调节器1的大小，向电动控制阀4输送信号，执行是否向料箱容积动态调节器1内注入或输出压缩空气，直至达到计算得到的料箱体积；

第七步：判定是否执行完毕，完毕则执行下一个等待周期。

在完成上述料箱动态调节后，再通过氧化铝输送系统8向料箱2内部填装氧化铝直至填满料箱2，填满后通过打壳系统5进行打壳后，通过下料管7从打壳孔处执行全部添加下料。

实施例二

如图1和图6所示，本实施例中针对超定型电解槽(>550kA)，设定料箱2的最大容积可装填4.0kg的氧化铝，料箱2设置容积动态调节器1后内部自动调节的氧化铝装填重量为1.8～4.0kg，下料调节周期为5分钟一次，所采用的是每八块阳极对应安装一个料箱2，且八块阳极对应的阳极电阻斜率的权值分别为：0.1、0.1、0.1、0.1、0.15、0.15、0.15、0.15，0.1对应着远离下料器的四块阳极，0.15对应着紧靠下料器的四块阳极，本实施例中的其他部分及容积动态调节器1的智能下料方法与实施例1相同。

按照以上实施例的上述智能下料方法可以显著减小氧化铝在对应电解槽空间分布的不均匀性；可以根据电解槽在每个时间段所处不同状态智能动态调节料箱的大小，可真正实现电解槽的按需下料，在阳极效应发生时可以快速辅助熄灭效应。采用此料箱的电解槽在工作时槽内氧化铝浓度空间均匀性好、热平衡波动小、效应系数第、综合能耗低。

以上实施例描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种自动调节容量的铝电解槽料箱，其特征在于：所述料箱(2)的内腔设有容积动态调节器(1)，所述容积动态调节器(1)具有占用料箱(2)内腔部分容积的弹性中空腔体，该弹性中空腔体通过管路(3)与压力介质连接，所述容积动态调节器(1)的弹性中空腔体通过充入压力介质产生变形调节料箱(2)的内部容积。

2.根据权利要求1所述的一种自动调节容量的铝电解槽料箱，所述容积动态调节器(1)的弹性中空腔体紧贴料箱(2)的内壁呈环状设置。

3.根据权利要求2所述的一种自动调节容量的铝电解槽料箱，所述容积动态调节器(1)的弹性中空腔体采用具备弹性的耐磨橡胶壁包围，其厚度为2-5mm。

4.根据权利要求1所述的一种自动调节容量的铝电解槽料箱，所述压力介质为压力液体或压缩空气。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种自动调节容量的铝电解槽料箱，所述管路(3)上设有控制压力介质进入容积动态调节器(1)的控制阀(4)。

6.根据权利要求5所述的一种自动调节容量的铝电解槽料箱，所述控制阀(4)为电动控制阀，其控制模块与铝电解槽的阳极电流检测系统(6)通信连接。

7.一种权利要求6中的铝电解槽料箱所使用的智能下料方法，其特征在于：所述料箱(2)内部装满氧化铝，并执行料箱内腔氧化铝全部添加的下料方式；

在料箱(2)内部装填氧化铝之前，所述控制阀(4)根据阳极电流检测系统(6)所检测的阳极电流信号控制充入容积动态调节器(1)内部的压力介质，调整料箱(2)的内部容积变化量。

8.根据权利要求7所述的智能下料方法，根据所述阳极电流检测系统(6)所检测的阳极电流信号计算料箱下料点临近的n块阳极的平均电阻斜率，其计算过程如下：

a、从阳极电流检测系统(6)获取阳极电流强度的时间序列I_j(t)，其中t代表时间，j代表阳极的编号；

b、根据公式R(t)＝(V(t)-1.70)/I_j(t)计算各阳极局部导电通道的电阻，其中，R(t)为t时刻阳极的电阻，V(t)为来自电解槽控制系统的全槽平均电压值；

c、根据公式对计算得到的电阻进行滤波，消除各类噪声的影响，其中，R′(t)为滤波后电阻，滤波参数的值可根据实际情况在0～1之间取值；

d、根据公式P(t)＝dR′/dt计算各阳极电阻的斜率，再得到下料点临近的n块阳极的平均电阻斜率P′(t)＝(x₁P₁(t)+x₂P₂(t)+…+x_nP_n(t))/n，其中，n可根据实际电解槽设计取不小于2的偶数；x₁、x₂、x_n为不同阳极在电阻斜率计算中所对应的权值，须满足归一化条件，即x₁+x₂+…+x_n＝1。

9.根据权利要求8所述的智能下料方法，根据公式V′(t)＝V₀(P′(t)-P₀)/P₀计算所述调整料箱(2)在t时刻的内部容积变化量，其中，V₀为料箱(2)的原始定容大小；P₀为基准电阻斜率值。

所述容积变化量V′(t)即容积动态调节器(1)的弹性中空腔体容积，该容积的实现通过控制阀(4)控制充入容积动态调节器(1)内部的压力介质的压力进行反馈控制。

10.根据权利要求7所述的智能下料方法，所述料箱容积动态调节器(1)的容积调节间隔为5min～15min。