CN113741581A - 一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统及其调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统，所述制膜槽包括外部壳体、保温层、内衬四氟的钢结构内腔和顶盖，所述制膜槽内部设置有若干阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板等间距交替设置，所述制膜槽上设置有多个加热控温单元，所述加热控温单元平行设置于所述阳极板和所述阴极板之间，所述多个加热控温单元独立控制，互不干涉，根据不同控温区域的需求适配功率加热；本发明提出智能加热控温方法，在任意环境条件下均可适配最佳加热功率，实现了制膜槽液温度场时空均匀分布，兼顾了加热维温的快速、精准和稳定，为铅基阳极表面高效制膜提供了均一稳定的温度条件保障。

Description

一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统及其调控方法

技术领域

本发明属于湿法冶金技术领域，具体涉及一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统及其调控方法。

背景技术

电解锌和电解锰等湿法冶金行业普遍采用含铅量99％以上的铅合金板作为阳极，在高温高酸电解条件下，阳极铅在电解液中持续暴露并腐蚀溶出，产生了高浓度的含铅废水，电解液中的锰离子在阳极表面催化氧化又产生大量二氧化锰，与阳极释放出的部分铅混合形成了大量的阳极泥危险废物，导致了严重的资源损失、环境污染和健康损害。

通过对铅基阳极表面预制一层保护膜层，可以从源头实现对阳极铅溶蚀的阻断，同时减少催化锰离子形成的高铅阳极泥产生，达到控铅减泥协同效果，实现资源节约、源头减量和风险防控。由于阳极板尺寸较大，实际制膜过程在单个槽体内对多块阳极板进行批量制膜处理，但是不同空间位置的阳极板以及单块阳极板不同微区的温度场空间分布存在差异，会导致不同空间位置的极板以及一块极板不同区域的沉积效率不一致，造成阳极板表面膜层的致密连续性和晶型结构差异较大，进而影响制膜阳极板的控铅减泥效果，所以如何促进不同时间以及不同制膜槽液空间温度场分布均匀性，对于实现铅基阳极表面均匀稳定制膜至关重要。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本申请提供了一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统与及其调控方法，通过智能加热控温方法，在任意环境条件下均可适配最佳加热功率，实现了制膜槽液温度场时空均匀分布，兼顾了加热维温的快速、精准和稳定，为铅基阳极表面高效制膜提供了均一稳定的温度条件保障。

本发明提供如下技术方案：一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统，所述制膜槽包括外部壳体、保温层、内衬四氟的钢结构内腔和顶盖，所述制膜槽内部设置有若干阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板等间距交替设置，所述制膜槽上设置有多个加热控温单元，所述加热控温单元平行设置于所述阳极板和所述阴极板之间，所述多个加热控温单元独立控制，互不干涉，根据不同控温区域的需求适配功率加热。

本发明所述加热控温单元包括加热管，所述加热管安装于所述制膜槽的底部内壁上，所述加热管的上方设置有温度传感器，所述温度传感器位于所述所述阴极板和所述阳极板的中间位置。

本发明所述温度传感器为铂材质，所述温度传感器的测温精度为±0.1℃。

本发明所述加热控温单元中加热管的最大输出功率为P₀，所述P₀的范围为3kw-8kw。

本发明所述加热控温单元中的加热管为螺旋管，所述加热管的长度比阳极板的宽度长10-50mm。

本发明所述加热控温单元由手动和自动两种模式；每个所述加热控温单元的温度场自动控制通过上位机与PLC控制模块调控实现，且可实时监测反馈加热控温单元的断路、短路以及过电流等故障，并指示故障点。

本发明所述制膜槽内装有制膜液，所述制膜液中的阳离子为Mn²⁺、Co²⁺、Ru²⁺、H⁺中的一种或多种，阴离子为SO₄ ^2-、NO₃ ^-、Cl^-中的一种。

本发明所述制膜液中阳离子的摩尔浓度为1～3mol/L，阴离子的摩尔浓度为0.5～2mol/L。

本发明所述阳极板为Pb与Sb、Ag、Bi、Ca、Sr、Sn、Ba、Al、Co、Nd、Mn中一种或多种元素组成的合金；所述阴极板为石墨、铜、铝中的一种。

本发明还提供了一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统的调控方法，包括以下步骤：

a.设置控温的目标温度为T_g，所述T_g的范围为70℃≤T_g≤96℃；

b.启动加热控温单元，实测制膜液的初始温度为T₀，通过公式(1)、(2)自动确定初始加热功率系数k₀(0≤k₀≤1)：

其中：T_c根据控温区间的需求，在0.5℃～2℃范围内取值；

c.在k₀*P₀的功率下加热制膜液，P₀为加热管的最大输出功率；加热控温过程每隔Δt min连续实测制膜液的温度，根据控温的时间精度需要自行选择Δt；设t_i min和t_{i+ 1}min时刻测得的温度分别为T_i、T_i+1，其中i＝0，1，2…，t_i+1min＝t_i min+Δt，温差ΔT＝T_i+1-T_i，根据T_i+1的数值通过公式(3)-(5)迭代适配加热功率系数k_i+1，其中0≤k_i+1≤1：

其中，k_i的初始值为k₀，见b步骤；R_p在0.5℃/min-1℃/min之间，根据控温需求选择；若计算过程k_i+1<0，则自动重置k_i+1＝0；若k_i+1>1，则自动重置k_i+1＝1；

d.通过上述实测，即可建立T_i+1与k_i+1之间的对应关系，数据即时存储，并可在人机界面以曲线形式展示T_i+1、k_i+1随时间的变化趋势，在下批次加热和控温过程，系统根据T_i+1自动快速匹配适宜的k_i+1值作为初值，缩短迭代优选加热功率系数的时间。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过在制膜槽底内壁设置多组加热控温单元，并单独控制，解决了制膜槽长度方向上制膜液温度场的分布不均问题，而且能充分利用制膜过程极板表面产生的大量气泡流在升流过程中的强制对流作用，促进底部热能快速由底部向上部分散，解决制膜槽高度方向上制膜液温度场的分布不均问题。

(2)传统控温很难做到既快速又精准，如采用固定的大功率加热，在控温点容易出现温度震荡，控温精度低，而且加热管频繁启停，缩短加热组件寿命，增加热损。如采用固定小功率加热，则耗时长，实时性差，最适加热功率确定难。为此，本发明提出智能加热控温方法，距离目标温度较大时，以较大加热功率加热，缩短加热时间，在接近目标温度时，以较小加热功率加热，避免温冲，保证了不同空间位置加热的精度。在任意环境条件下均可以实现自主适配最佳加热功率，促进了制膜槽液温度场时空均匀分布，同时兼顾了加热维温的快速、精准和稳定，不同空间温度与设定目标温度差可控制在0.7℃以内，而传统加热控温方式的温度差值最高在5℃以上，为铅基阳极表面高效制膜提供了均一稳定的温度条件保障。

(3)与传统加热制膜工艺相比，采用本法控温制膜，膜层均一度较传统制膜阳极提高20％以上，相应的封铅和减泥效果提高20％以上。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明提供的系统的制膜槽的结构示意图；

图2为本发明提供的方法在不同时间的温度和加热功率系数变化曲线图。

附图标记：1、外部壳体，2、保温层，3、内腔，4、顶盖，5、阳极板，6、阴极板，7、温度传感器，8、加热管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合具体优选实施例对本发明一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统及其调控方法进行详细阐述。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统，所述制膜槽包括外部壳体1、保温层2、内衬四氟的钢结构内腔3和顶盖4，所述制膜槽内部设置有若干阳极板5和阴极板6，所述阳极板5和阴极板6等间距交替设置，所述制膜槽上设置有多个加热控温单元，所述加热控温单元平行设置于所述阳极板5和所述阴极板6之间，所述多个加热控温单元独立控制，互不干涉，根据不同控温区域的需求适配功率加热。

所述加热控温单元包括加热管8，所述加热管8安装于所述制膜槽的底部内壁上，所述加热管8的上方设置有温度传感器7，所述温度传感器7位于所述所述阴极板6和所述阳极板5的中间位置。

所述温度传感器7为铂材质，所述温度传感器7的测温精度为±0.1℃。

所述加热控温单元中加热管8的最大输出功率为P₀，所述P₀为3kw。

所述加热控温单元中的加热管8为螺旋管，增加有效加热面积，并固定于制膜槽的底部，避免制膜液流动的不利影响；所述加热管8的长度比阳极板5的宽度长10mm，以保证加热面覆盖上方阴极板6和阳极板5间的制膜液区域。

所述加热控温单元由手动和自动两种模式；每个所述加热控温单元的温度场自动控制通过上位机与PLC控制模块调控实现，且可实时监测反馈加热控温单元的断路、短路以及过电流等故障，并指示故障点。

所述制膜槽内装有制膜液，所述制膜液中的阳离子为Mn²⁺、阴离子为SO₄ ^2-。

所述制膜液中阳离子的摩尔浓度为3mol/L，阴离子的摩尔浓度为2mol/L。

所述阳极板为Pb与Sr、Ca、Ag组成的四元合金；所述阴极板为石墨。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：所述制膜槽内装有制膜液，所述制膜液中的阳离子为Mn²⁺、Co²⁺，阴离子为NO₃ ^-。

所述制膜液中阳离子的摩尔浓度为1mol/L，阴离子的摩尔浓度为0.5mol/L。

所述阳极板为Pb与Ag组成的二元合金；所述阴极板为石墨。

实施例3

本实施例与实施例2的区别在于：所述制膜槽内装有制膜液，所述制膜液中的阳离子为Mn²⁺，阴离子为NO₃ ^-。

所述制膜液中阳离子的摩尔浓度为2mol/L，阴离子的摩尔浓度为1mol/L；

所述阳极板为Pb与Ag、Sb组成的三元合金；所述阴极板为铜。

实施例4

本实施例提供的一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统的调控方法，包括以下步骤：

a.设置控温的目标温度为T_g，所述T_g的范围为70℃≤T_g≤96℃；

b.启动加热控温单元，实测制膜液的初始温度为T₀，通过公式(1)、(2)自动确定初始加热功率系数k₀(0≤k₀≤1)：

其中：T_c根据控温区间的需求，在0.5℃～2℃范围内取值；

c.在k₀*P₀的功率下加热制膜液，P₀为加热管的最大输出功率。加热控温过程每隔Δt min连续实测制膜液的温度，根据控温的时间精度需要自行选择Δt；设t_i min和t_{i+ 1}min时刻测得的温度分别为T_i、T_i+1，其中i＝0，1，2…，t_i+1min＝t_i min+Δt，温差ΔT＝T_i+1-T_i，根据T_i+1的数值通过公式(3)-(5)迭代适配加热功率系数k_i+1，其中0≤k_i+1≤1：

其中，k_i的初始值为k₀，见b步骤；R_p在0.5℃/min-1℃/min之间根据控温需求选择；若计算过程k_i+1<0，则自动重置k_i+1＝0；若k_i+1>1，则自动重置k_i+1＝1；

d.通过上述实测，即可建立T_i+1与k_i+1之间的对应关系，数据即时存储，并可在人机界面以曲线形式展示T_i+1、k_i+1随时间的变化趋势。在下批次加热和控温过程，系统根据T_i+1自动快速匹配适宜的k_i+1值作为初值，缩短迭代优选加热功率系数的时间。

如图2所示，为本实施例提供的阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统的调控方法在不同时间的温度和加热功率系数变化曲线图。

当系统参数值：(P₀,Δt,R_p,T_c,T_g)＝(3,10,1.0,0.5,65)时，实时测控的得到制膜槽内维温段8个采样点温度波动±0.4℃。

实施例5

本实施例与实施例4的区别在于，为本实施例提供的阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统的调控方法，当系统参数值：(P₀,Δt,R_p,T_c,T_g)＝(6,30,0.75,1,80)时，实时测控的得到制膜槽内维温段8个采样点温度波动±0.5℃。

实施例6

本实施例与实施例5的区别在于，为本实施例提供的阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统的调控方法，当系统参数值：(P₀,Δt,R_p,T_c,T_g)＝(8,60,0.5,2,96)时，实时测控的得到制膜槽内维温段8个采样点温度的波动±0.7℃。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统，其特征在于，所述制膜槽包括外部壳体、保温层、内衬四氟的钢结构内腔和顶盖，所述制膜槽内部设置有若干阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板等间距交替设置，所述制膜槽上设置有多个加热控温单元，所述加热控温单元平行设置于所述阳极板和所述阴极板之间，所述多个加热控温单元独立控制，互不干涉，根据不同控温区域的需求适配功率加热。

2.根据权利要求1所述的一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统，其特征在于，所述加热控温单元包括加热管，所述加热管安装于所述制膜槽的底部内壁上，所述加热管的上方设置有温度传感器，所述温度传感器位于所述所述阴极板和所述阳极板的中间位置。

3.根据权利要求2所述的一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统，其特征在于，所述温度传感器为铂材质，所述温度传感器的测温精度为±0.1℃。

4.根据权利要求2所述的一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统，其特征在于，所述加热控温单元中加热管的最大输出功率为P₀，所述P₀的范围为3kw-8kw。

5.根据权利要求2所述的一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统，其特征在于，所述加热控温单元中的加热管为螺旋管，所述加热管的长度比阳极板的宽度长10-50mm。

6.根据权利要求2所述的一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统，其特征在于，所述加热控温单元由手动和自动两种模式；每个所述加热控温单元的温度场自动控制通过上位机与PLC控制模块调控实现，且可实时监测反馈加热控温单元的断路、短路以及过电流等故障，并指示故障点。

7.根据权利要求1所述的一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统，其特征在于，所述制膜槽内装有制膜液，所述制膜液中的阳离子为Mn²⁺、Co²⁺、Ru²⁺、H⁺中的一种或多种，阴离子为SO₄ ^2-、NO₃ ^-、Cl^-中的一种。

8.根据权利要求7所述的一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统，其特征在于，所述制膜液中阳离子的摩尔浓度为1～3mol/L，阴离子的摩尔浓度为0.5～2mol/L。

9.根据权利要求1所述的一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统，其特征在于，所述阳极板为Pb与Sb、Ag、Bi、Ca、Sr、Sn、Ba、Al、Co、Nd、Mn中一种或多种元素组成的合金；所述阴极板为石墨、铜、铝中的一种。

10.一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统的调控方法，其特征在于，所述一种阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统为权利要求1到9中任一所述阳极制膜槽槽液温度场时空均匀分布系统，包括以下步骤：

a.设置控温的目标温度为T_g，所述T_g的范围为70℃≤T_g≤96℃；

b.启动加热控温单元，实测制膜液的初始温度为T₀，通过公式(1)、(2)自动确定初始加热功率系数k₀(0≤k₀≤1)：

其中：T_c根据控温区间的需求，在0.5℃～2℃范围内取值；

c.在k₀*P₀的功率下加热制膜液，P₀为加热管的最大输出功率；加热控温过程每隔Δtmin连续实测制膜液的温度，根据控温的时间精度需要自行选择Δt；设t_imin和t_i+1min时刻测得的温度分别为T_i、T_i+1，其中i＝0，1，2…，t_i+1min＝t_imin+Δt，温差ΔT＝T_i+1-T_i，根据T_i+1的数值通过公式(3)-(5)迭代适配加热功率系数k_i+1，其中0≤k_i+1≤1：

其中，k_i的初始值为k₀，见b步骤；R_p在0.5℃/min-1℃/min之间，根据控温需求选择；若计算过程k_i+1<0，则自动重置k_i+1＝0；若k_i+1>1，则自动重置k_i+1＝1；

d.通过上述实测，即可建立T_i+1与k_i+1之间的对应关系，数据即时存储，并可在人机界面以曲线形式展示T_i+1、k_i+1随时间的变化趋势，在下批次加热和控温过程，系统根据T_i+1自动快速匹配适宜的k_i+1值作为初值，缩短迭代优选加热功率系数的时间。

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