CN117935660A - 一种铝电解槽炉帮变化机理实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种铝电解槽炉帮变化机理实验装置及方法，属于铝电解槽热平衡技术领域。本发明的加热器与热交换系统相对于铝电解质相变反应槽正对分布；下料器位于铝电解质相变反应槽上部；铝电解质相变反应槽内外部均设有热电偶；热流计位于铝电解质相变反应槽外部且与热交换系统同侧分布；控温补热器与加热器垂直分布；电压信号传感器与控温补热器同侧分布。本发明能够测定不同电解温度、电解质分子比变化、输入功率波动等工况条件下的铝电解质的热平衡，可以测定不同换热效率下的炉帮厚度，进一步量化换热对铝电解质相变反应槽内热平衡的控制机理，为换热技术的推广应用提供实验数据支撑，还可以进一步扩展用于教学演示。

Description

一种铝电解槽炉帮变化机理实验装置及方法

技术领域

本发明属于铝电解槽热平衡技术领域，特别是涉及一种铝电解槽炉帮变化机理实验装置及方法。

背景技术

通过霍尔-埃鲁法在铝电解槽中制取纯铝是工业铝生产的主流方法，电解铝过程中的高温电解反应发生在铝电解槽的熔融电解质区域，铝电解槽热平衡更是铝电解正常生产的重要保证。

在正常的热平衡下，铝电解槽内的熔体与铝电解槽内衬之间会形成具有一定厚度的电解质结壳，也就是炉帮。炉帮的存在隔绝了电解质对铝电解槽内衬的侵蚀。

然而，在实际电解环境下，电解质分子比变化、熔体区域温度变化、换极、电流波动等情况，都会改变电解槽原有的热平衡，而热平衡的改变会进一步导致炉帮厚度的变化，炉帮过厚或过薄，均不利于铝电解生产。

其中，若炉帮过薄甚至完全熔化，铝电解槽内衬会逐渐被电解质冲蚀，后果就是逐渐演化为漏槽现象，同时铝电解槽外壳温度也会增加，从而造成大量热量的损失。

为了降低铝电解槽外壳温度和漏槽风险，申请号为200710011378.1的中国专利申请，公开了一种铝电解槽余热回收系统和装置，该方案提出了在电解槽侧壁安装热交换器的方法，通过热交换器回收大量余热，同时降低漏槽风险。申请号为200620168327.0的中国专利申请，公开了一种大型铝电解槽强制对流冷却装置，该方案在铝电解槽侧部安装风管，通过风冷的形式冷却铝电解槽，用以改善铝电解槽外壳的散热分布。

但是，尽管上述专利申请提出了铝电解槽热平衡的调节方案，但均未涉及具体的调节机制以及炉帮变化机理的相关内容。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种铝电解槽炉帮变化机理实验装置及方法，能够测定不同电解温度、电解质分子比变化、输入功率波动等工况条件下的铝电解质的热平衡，可以测定不同换热效率下的炉帮厚度，进一步量化换热对铝电解质相变反应槽内热平衡的控制机理，为换热技术的推广应用提供实验数据支撑，还可以进一步扩展用于教学演示。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种铝电解槽炉帮变化机理实验装置，包括铝电解质相变反应槽、加热器、下料器、热交换系统、热电偶、热流计、控温补热器及电压信号传感器；所述加热器与热交换系统相对于铝电解质相变反应槽正对分布；所述下料器位于铝电解质相变反应槽上部；在所述铝电解质相变反应槽的内部和外部均设有热电偶，且铝电解质相变反应槽外部的热电偶与热交换系统同侧分布；所述热流计位于铝电解质相变反应槽外部，热流计与热交换系统同侧分布；所述控温补热器与加热器垂直分布；所述电压信号传感器与控温补热器同侧分布。

所述铝电解质相变反应槽根据构型的不同，分为卧式矩形结构、立式矩形结构和立式筒形结构；所述铝电解质相变反应槽包括绝热层、石墨炭块层、钢制槽壳层及碳化硅耐火砖层。

当所述铝电解质相变反应槽采用卧式矩形结构时，熔体铝电解质与炉帮水平并列分布；所述石墨炭块层分布在熔体铝电解质和炉帮的上方和下方，在上方的石墨炭块层顶部及下方的石墨炭块层底部均设有控温补热器，所述电压信号传感器位于控温补热器中部；所述碳化硅耐火砖层分布在熔体铝电解质和炉帮的前方、后方、左方和右方；所述加热器位于碳化硅耐火砖层外侧且与熔体铝电解质同侧分布；所述绝热层在前、后、上、下、左的五个方向上将石墨炭块层和碳化硅耐火砖层包覆，与炉帮同侧的碳化硅耐火砖层外部不设绝热层，所述加热器和控温补热器均包覆在绝热层内侧；所述钢制槽壳层在前、后、上、下、左、右的六个方向上将绝热层和不设绝热层的碳化硅耐火砖层包覆；所述绝热层、石墨炭块层、钢制槽壳层及碳化硅耐火砖层之间的接缝处均通过扎固糊填充；所述下料器依次穿过上方的钢制槽壳层、绝热层及石墨炭块层伸入熔体铝电解质所在区域内；所述热电偶包括高温热电偶和低温热电偶，高温热电偶依次穿过上方的钢制槽壳层、绝热层及石墨炭块层伸入熔体铝电解质所在区域内，低温热电偶设置在不设绝热层的钢制槽壳层外侧；所述热交换系统和热流计均设置在不设绝热层的钢制槽壳层外侧；在上方的钢制槽壳层顶部中心处设置有槽盖把手。

当所述铝电解质相变反应槽采用立式矩形结构时，熔体铝电解质与炉帮竖直分布，且熔体铝电解质位于炉帮上方；所述石墨炭块层分布在熔体铝电解质和炉帮的左方和右方，在左方的石墨炭块层外部及右方的石墨炭块层外部均设有控温补热器，所述电压信号传感器位于控温补热器中部； 所述碳化硅耐火砖层分布在熔体铝电解质和炉帮的前方、后方、上方和下方；所述加热器位于上方的碳化硅耐火砖层顶部；所述绝热层在前、后、上、左、右的五个方向上将石墨炭块层和碳化硅耐火砖层包覆，下方的碳化硅耐火砖层底部不设绝热层，所述加热器和控温补热器均包覆在绝热层内侧；所述钢制槽壳层在前、后、上、下、左、右的六个方向上将绝热层和不设绝热层的碳化硅耐火砖层包覆；所述绝热层、石墨炭块层、钢制槽壳层及碳化硅耐火砖层之间的接缝处均通过扎固糊填充；所述下料器依次穿过上方的钢制槽壳层、绝热层及碳化硅耐火砖层伸入熔体铝电解质所在区域内；所述热电偶包括高温热电偶和低温热电偶，高温热电偶依次穿过上方的钢制槽壳层、绝热层及碳化硅耐火砖层伸入熔体铝电解质所在区域内，低温热电偶设置在不设绝热层的钢制槽壳层底部外侧；所述热交换系统和热流计均设置在不设绝热层的钢制槽壳层底部外侧；在上方的钢制槽壳层顶部中心处设置有槽盖把手，在下方的钢制槽壳层底部配套设置镂空支座。

当所述铝电解质相变反应槽采用立式筒形结构时，将加热器替换为加热棒，熔体铝电解质与炉帮同轴分布，且炉帮位于熔体铝电解质外侧；所述加热棒竖直位于熔体铝电解质中心处；所述石墨炭块层分布在熔体铝电解质和炉帮的上方和下方，在上方的石墨炭块层顶部及下方的石墨炭块层底部均设有控温补热器，所述电压信号传感器位于控温补热器中部；所述碳化硅耐火砖层同轴分布在炉帮外侧；所述绝热层在上、下的两个方向上将石墨炭块层包覆，在碳化硅耐火砖层外部不设绝热层，所述控温补热器包覆在绝热层内侧；所述钢制槽壳层在上、下的两个方向上将绝热层包覆，且在不设绝热层的碳化硅耐火砖层外侧也由钢制槽壳层包覆；所述绝热层、石墨炭块层、钢制槽壳层及碳化硅耐火砖层之间的接缝处均通过扎固糊填充；所述下料器依次穿过上方的钢制槽壳层、绝热层及石墨炭块层伸入熔体铝电解质所在区域内；所述热电偶包括高温热电偶和低温热电偶，高温热电偶依次穿过上方的钢制槽壳层、绝热层及石墨炭块层伸入熔体铝电解质所在区域内，低温热电偶设置在不设绝热层的钢制槽壳层外侧；所述热交换系统和热流计均设置在不设绝热层的钢制槽壳层外侧；在上方的钢制槽壳层顶部中心处设置有槽盖把手。

所述热交换系统根据热交换介质类型的不同，分为液态介质热交换系统和气态介质热交换系统。

当所述热交换系统采用液态介质热交换系统时，包括液态介质热交换器、工作热机、补热炉、液态介质储存罐及输送泵；所述液态介质热交换器采用排管式结构，液态介质热交换器的换热管截面形状为半圆形，且换热管的平直端面与钢制槽壳层相贴合；所述液态介质热交换器的换热介质出口与工作热机的换热介质进口相连通，工作热机的换热介质出口与补热炉的换热介质进口相连通，补热炉的换热介质出口与液态介质储存罐的换热介质进口相连通，液态介质储存罐的换热介质出口与输送泵的换热介质进口相连通，输送泵的换热介质出口与液态介质热交换器的换热介质进口相连通。

当所述热交换系统采用气态介质热交换系统时，包括气态介质热交换器、工作热机、气态介质排放口及风机；所述气态介质热交换器采用排管式结构，气态介质热交换器的换热管截面形状为半圆形，且换热管的平直端面与钢制槽壳层相贴合；所述气态介质热交换器的换热介质出口与工作热机的换热介质进口相连通，工作热机的换热介质出口通过气态介质排放口与大气相连通；所述风机的换热介质进口与大气相连通，风机的换热介质出口与气态介质热交换器的换热介质进口相连通。

一种铝电解槽炉帮变化机理实验方法，采用了所述的铝电解槽炉帮变化机理实验装置，当进行铝电解质热平衡测定时，包括如下步骤：

步骤一：将铝电解质置于铝电解质相变反应槽内，之后封闭铝电解质相变反应槽；

步骤二：启动加热器/加热棒和控温补热器，将铝电解质加热至完全熔化；

步骤三：关闭控温补热器，使熔体铝电解质通过不设绝热层的铝电解质相变反应槽表面散热，通过散热使熔体铝电解质逐渐冷却凝固形成炉帮，直到熔体铝电解质与炉帮之间达到动态热平衡；

步骤四：通过高温热电偶对动态热平衡状态下的熔体铝电解质的温度进行测量；通过低温热电偶对不设绝热层的钢制槽壳层表面温度进行测量；通过热流计对不设绝热层的钢制槽壳层表面热流进行测量；

步骤五； 先利用电压信号传感器通过电压信号的变化间接确定炉帮的厚度，之后将铝电解质相变反应槽的上方槽盖启封，利用厚度测定棒对炉帮的厚度进行直接测量；

步骤六：将炉帮厚度的间接测量数据和炉帮厚度的直接测量数据进行对比，当炉帮厚度的间接测量数据的误差值处于设定范围内时，后续炉帮厚度的测量全部采用间接测量；

步骤七：重新封闭铝电解质相变反应槽，直接以电压信号传感器实时测量炉帮的厚度变化；

步骤八：根据不设绝热层的钢制槽壳层表面温度、不设绝热层的钢制槽壳层表面热流及炉帮厚度数据，确定铝电解质相变反应槽的吸热功率和热损失比例。

一种铝电解槽炉帮变化机理实验方法，采用了所述的铝电解槽炉帮变化机理实验装置，当通过换热控制铝电解质热平衡时，包括如下步骤：

步骤一：将铝电解质置于铝电解质相变反应槽内，之后封闭铝电解质相变反应槽；

步骤二：启动加热器/加热棒和控温补热器，将铝电解质加热至完全熔化；

步骤三：关闭控温补热器，使熔体铝电解质通过不设绝热层的铝电解质相变反应槽表面散热，通过散热使熔体铝电解质逐渐冷却凝固形成炉帮，直到熔体铝电解质与炉帮之间达到动态热平衡；

步骤四：当热交换系统采用液态介质热交换系统时，启动工作热机和输送泵，液态介质储存罐内的换热介质由输送泵输送至液态介质热交换器，不设绝热层的铝电解质相变反应槽表面的散热会被液态介质热交换器内的换热介质吸收，换热介质升温后进入工作热机进行热能利用，热能利用后的换热介质实现降温并经补热炉返回液态介质储存罐；其中，若换热介质为水则补热炉不启用，若换热介质为熔盐则启用补热炉，通过补热炉对熔盐补热以维持熔盐的液态状态；通过输送泵调整换热介质在液态介质热交换器的流量，通过换热介质的流量调整对不设绝热层的铝电解质相变反应槽表面的温度进行调节，进而调节铝电解质的热平衡，从而通过铝电解质热平衡的调节实现炉帮厚度的调节；当热交换系统采用气态介质热交换系统时，启动工作热机和风机，气态换热介质由风机输送至气态介质热交换器，不设绝热层的铝电解质相变反应槽表面的散热会被气态介质热交换器内的换热介质吸收，换热介质升温后进入工作热机进行热能利用，热能利用后的换热介质实现降温并由气态介质排放口排入大气。

本发明的有益效果：

本发明的铝电解槽炉帮变化机理实验装置及方法，能够测定不同电解温度、电解质分子比变化、输入功率波动等工况条件下的铝电解质的热平衡，可以测定不同换热效率下的炉帮厚度，进一步量化换热对铝电解质相变反应槽内热平衡的控制机理，为换热技术的推广应用提供实验数据支撑，还可以进一步扩展用于教学演示。

附图说明

图1为本发明的铝电解质相变反应槽采用卧式矩形结构、热交换系统采用液态介质热交换系统时的铝电解槽炉帮变化机理实验装置结构示意图；

图2为本发明的铝电解质相变反应槽采用卧式矩形结构、热交换系统采用气态介质热交换系统时的铝电解槽炉帮变化机理实验装置结构示意图；

图3为本发明的铝电解质相变反应槽采用立式矩形结构、热交换系统采用气态介质热交换系统时的铝电解槽炉帮变化机理实验装置结构示意图；

图4为本发明的铝电解质相变反应槽采用立式筒形结构、热交换系统采用气态介质热交换系统时的铝电解槽炉帮变化机理实验装置结构示意图；

图5为本发明的采用卧式矩形结构的铝电解质相变反应槽的结构示意图；

图6为本发明的采用卧式矩形结构的铝电解质相变反应槽进行炉帮厚度测定时的结构示意图；

图7为熔体铝电解质和炉帮的温度梯度分布图；

图中，1—加热器，2—下料器，3—热电偶，4—槽盖把手，5—熔体铝电解质，6—炉帮，7—热流计，8—绝热层，9—控温补热器，10—电压信号传感器，11—石墨炭块层，12—钢制槽壳层，13—碳化硅耐火砖层，14—厚度测定棒，15—加热棒，16—液态介质热交换器，17—工作热机，18—补热炉，19—液态介质储存罐，20—输送泵，21—气态介质热交换器，22—气态介质排放口，23—风机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～6所示，一种铝电解槽炉帮变化机理实验装置，包括铝电解质相变反应槽、加热器1、下料器2、热交换系统、热电偶3、热流计7、控温补热器9及电压信号传感器10；所述加热器1与热交换系统相对于铝电解质相变反应槽正对分布；所述下料器2位于铝电解质相变反应槽上部；在所述铝电解质相变反应槽的内部和外部均设有热电偶3，且铝电解质相变反应槽外部的热电偶3与热交换系统同侧分布；所述热流计7位于铝电解质相变反应槽外部，热流计7与热交换系统同侧分布；所述控温补热器9与加热器1垂直分布；所述电压信号传感器10与控温补热器9同侧分布。

所述铝电解质相变反应槽根据构型的不同，分为卧式矩形结构、立式矩形结构和立式筒形结构；所述铝电解质相变反应槽包括绝热层8、石墨炭块层11、钢制槽壳层12及碳化硅耐火砖层13。

当所述铝电解质相变反应槽采用卧式矩形结构时，熔体铝电解质5与炉帮6水平并列分布；所述石墨炭块层11分布在熔体铝电解质5和炉帮6的上方和下方，在上方的石墨炭块层11顶部及下方的石墨炭块层11底部均设有控温补热器9，所述电压信号传感器10位于控温补热器9中部；所述碳化硅耐火砖层13分布在熔体铝电解质5和炉帮6的前方、后方、左方和右方；所述加热器1位于碳化硅耐火砖层13外侧且与熔体铝电解质5同侧分布；所述绝热层8在前、后、上、下、左的五个方向上将石墨炭块层11和碳化硅耐火砖层13包覆，与炉帮6同侧的碳化硅耐火砖层13外部不设绝热层8，所述加热器1和控温补热器9均包覆在绝热层8内侧；所述钢制槽壳层12在前、后、上、下、左、右的六个方向上将绝热层8和不设绝热层8的碳化硅耐火砖层13包覆；所述绝热层8、石墨炭块层11、钢制槽壳层12及碳化硅耐火砖层13之间的接缝处均通过扎固糊填充；所述下料器2依次穿过上方的钢制槽壳层12、绝热层8及石墨炭块层11伸入熔体铝电解质5所在区域内；所述热电偶3包括高温热电偶和低温热电偶，高温热电偶依次穿过上方的钢制槽壳层12、绝热层8及石墨炭块层11伸入熔体铝电解质5所在区域内，低温热电偶设置在不设绝热层8的钢制槽壳层12外侧；所述热交换系统和热流计7均设置在不设绝热层8的钢制槽壳层12外侧；在上方的钢制槽壳层12顶部中心处设置有槽盖把手4。

当所述铝电解质相变反应槽采用立式矩形结构时，熔体铝电解质5与炉帮6竖直分布，且熔体铝电解质5位于炉帮6上方；所述石墨炭块层11分布在熔体铝电解质5和炉帮6的左方和右方，在左方的石墨炭块层11外部及右方的石墨炭块层11外部均设有控温补热器9，所述电压信号传感器10位于控温补热器9中部； 所述碳化硅耐火砖层13分布在熔体铝电解质5和炉帮6的前方、后方、上方和下方；所述加热器1位于上方的碳化硅耐火砖层13顶部；所述绝热层8在前、后、上、左、右的五个方向上将石墨炭块层11和碳化硅耐火砖层13包覆，下方的碳化硅耐火砖层13底部不设绝热层8，所述加热器1和控温补热器9均包覆在绝热层8内侧；所述钢制槽壳层12在前、后、上、下、左、右的六个方向上将绝热层8和不设绝热层8的碳化硅耐火砖层13包覆；所述绝热层8、石墨炭块层11、钢制槽壳层12及碳化硅耐火砖层13之间的接缝处均通过扎固糊填充；所述下料器2依次穿过上方的钢制槽壳层12、绝热层8及碳化硅耐火砖层13伸入熔体铝电解质5所在区域内；所述热电偶3包括高温热电偶和低温热电偶，高温热电偶依次穿过上方的钢制槽壳层12、绝热层8及碳化硅耐火砖层13伸入熔体铝电解质5所在区域内，低温热电偶设置在不设绝热层8的钢制槽壳层12底部外侧；所述热交换系统和热流计7均设置在不设绝热层8的钢制槽壳层12底部外侧；在上方的钢制槽壳层12顶部中心处设置有槽盖把手4，在下方的钢制槽壳层12底部配套设置镂空支座。

当所述铝电解质相变反应槽采用立式筒形结构时，将加热器1替换为加热棒15，熔体铝电解质5与炉帮6同轴分布，且炉帮6位于熔体铝电解质5外侧；所述加热棒15竖直位于熔体铝电解质5中心处；所述石墨炭块层11分布在熔体铝电解质5和炉帮6的上方和下方，在上方的石墨炭块层11顶部及下方的石墨炭块层11底部均设有控温补热器9，所述电压信号传感器10位于控温补热器9中部；所述碳化硅耐火砖层13同轴分布在炉帮6外侧；所述绝热层8在上、下的两个方向上将石墨炭块层11包覆，在碳化硅耐火砖层13外部不设绝热层8，所述控温补热器9包覆在绝热层8内侧；所述钢制槽壳层12在上、下的两个方向上将绝热层8包覆，且在不设绝热层8的碳化硅耐火砖层13外侧也由钢制槽壳层12包覆；所述绝热层8、石墨炭块层11、钢制槽壳层12及碳化硅耐火砖层13之间的接缝处均通过扎固糊填充；所述下料器2依次穿过上方的钢制槽壳层12、绝热层8及石墨炭块层11伸入熔体铝电解质5所在区域内；所述热电偶3包括高温热电偶和低温热电偶，高温热电偶依次穿过上方的钢制槽壳层12、绝热层8及石墨炭块层11伸入熔体铝电解质5所在区域内，低温热电偶设置在不设绝热层8的钢制槽壳层12外侧；所述热交换系统和热流计7均设置在不设绝热层8的钢制槽壳层12外侧；在上方的钢制槽壳层12顶部中心处设置有槽盖把手4。

所述热交换系统根据热交换介质类型的不同，分为液态介质热交换系统和气态介质热交换系统。

当所述热交换系统采用液态介质热交换系统时，包括液态介质热交换器16、工作热机17、补热炉18、液态介质储存罐19及输送泵20；所述液态介质热交换器16采用排管式结构，液态介质热交换器16的换热管截面形状为半圆形，且换热管的平直端面与钢制槽壳层12相贴合；所述液态介质热交换器16的换热介质出口与工作热机17的换热介质进口相连通，工作热机17的换热介质出口与补热炉18的换热介质进口相连通，补热炉18的换热介质出口与液态介质储存罐19的换热介质进口相连通，液态介质储存罐19的换热介质出口与输送泵20的换热介质进口相连通，输送泵20的换热介质出口与液态介质热交换器16的换热介质进口相连通。

当所述热交换系统采用气态介质热交换系统时，包括气态介质热交换器21、工作热机17、气态介质排放口22及风机23；所述气态介质热交换器21采用排管式结构，气态介质热交换器21的换热管截面形状为半圆形，且换热管的平直端面与钢制槽壳层12相贴合；所述气态介质热交换器21的换热介质出口与工作热机17的换热介质进口相连通，工作热机17的换热介质出口通过气态介质排放口22与大气相连通；所述风机23的换热介质进口与大气相连通，风机23的换热介质出口与气态介质热交换器21的换热介质进口相连通。

一种铝电解槽炉帮变化机理实验方法，采用了所述的铝电解槽炉帮变化机理实验装置，当进行铝电解质热平衡测定时，包括如下步骤：

步骤一：将铝电解质置于铝电解质相变反应槽内，之后封闭铝电解质相变反应槽；

步骤二：启动加热器1/加热棒15和控温补热器9，将铝电解质加热至完全熔化，本实施例中，铝电解质加热温度控制在955℃左右；

步骤三：关闭控温补热器9，使熔体铝电解质5通过不设绝热层8的铝电解质相变反应槽表面散热，通过散热使熔体铝电解质5逐渐冷却凝固形成炉帮6，直到熔体铝电解质5与炉帮6之间达到动态热平衡，如图7所示，为熔体铝电解质5和炉帮6的温度梯度分布图；

步骤四：通过高温热电偶对动态热平衡状态下的熔体铝电解质5的温度进行测量；通过低温热电偶对不设绝热层8的钢制槽壳层12表面温度进行测量；通过热流计7对不设绝热层8的钢制槽壳层12表面热流进行测量；本实施例中，在利用低温热电偶进行温度测量时，需要将低温热电偶的探头置于钢制槽壳层12表面，停留时间在1分钟左右，之后在进行读数；

步骤五； 先利用电压信号传感器10通过电压信号的变化间接确定炉帮6的厚度，之后将铝电解质相变反应槽的上方槽盖启封，利用厚度测定棒14对炉帮6的厚度进行直接测量；具体的，由于炉帮6不导电，因此炉帮6的厚度可由电压信号传感器10测量熔体铝电解质5电压变化而得到；

步骤六：将炉帮6厚度的间接测量数据和炉帮6厚度的直接测量数据进行对比，当炉帮6厚度的间接测量数据的误差值处于设定范围内时，后续炉帮6厚度的测量全部采用间接测量；

步骤七：重新封闭铝电解质相变反应槽，直接以电压信号传感器10实时测量炉帮6的厚度变化；

步骤八：根据不设绝热层8的钢制槽壳层12表面温度、不设绝热层8的钢制槽壳层12表面热流及炉帮6厚度数据，确定铝电解质相变反应槽的吸热功率和热损失比例。

一种铝电解槽炉帮变化机理实验方法，采用了所述的铝电解槽炉帮变化机理实验装置，当通过换热控制铝电解质热平衡时，包括如下步骤：

步骤一：将铝电解质置于铝电解质相变反应槽内，之后封闭铝电解质相变反应槽；

步骤二：启动加热器1/加热棒15和控温补热器9，将铝电解质加热至完全熔化，本实施例中，铝电解质加热温度控制在955℃左右；

步骤三：关闭控温补热器9，使熔体铝电解质5通过不设绝热层8的铝电解质相变反应槽表面散热，通过散热使熔体铝电解质5逐渐冷却凝固形成炉帮6，直到熔体铝电解质5与炉帮6之间达到动态热平衡，如图7所示，为熔体铝电解质5和炉帮6的温度梯度分布图；

步骤四：当热交换系统采用液态介质热交换系统时；启动工作热机17和输送泵20，液态介质储存罐19内的换热介质由输送泵20输送至液态介质热交换器16，不设绝热层8的铝电解质相变反应槽表面的散热会被液态介质热交换器16内的换热介质吸收，换热介质升温后进入工作热机17进行热能利用，热能利用后的换热介质实现降温并经补热炉18返回液态介质储存罐19；其中，若换热介质为水则补热炉18不启用，若换热介质为熔盐则启用补热炉18，通过补热炉18对熔盐补热以维持熔盐的液态状态；通过输送泵20调整换热介质在液态介质热交换器16的流量，通过换热介质的流量调整对不设绝热层8的铝电解质相变反应槽表面的温度进行调节，进而调节铝电解质的热平衡，从而通过铝电解质热平衡的调节实现炉帮6厚度的调节；本实施例中，液态介质热交换器16的换热管直径为1cm～3cm；当热交换系统采用气态介质热交换系统时；启动工作热机17和风机23，气态换热介质由风机23输送至气态介质热交换器21，不设绝热层8的铝电解质相变反应槽表面的散热会被气态介质热交换器21内的换热介质吸收，换热介质升温后进入工作热机17进行热能利用，热能利用后的换热介质实现降温并由气态介质排放口22排入大气；本实施例中，气态换热介质为空气，气态介质热交换器21的换热管直径为5cm～10cm。

实施例中的方案并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的保护范围中。

Claims (10)

1.一种铝电解槽炉帮变化机理实验装置，其特征在于：包括铝电解质相变反应槽、加热器、下料器、热交换系统、热电偶、热流计、控温补热器及电压信号传感器；所述加热器与热交换系统相对于铝电解质相变反应槽正对分布；所述下料器位于铝电解质相变反应槽上部；在所述铝电解质相变反应槽的内部和外部均设有热电偶，且铝电解质相变反应槽外部的热电偶与热交换系统同侧分布；所述热流计位于铝电解质相变反应槽外部，热流计与热交换系统同侧分布；所述控温补热器与加热器垂直分布；所述电压信号传感器与控温补热器同侧分布。

2.根据权利要求1所述的一种铝电解槽炉帮变化机理实验装置，其特征在于：所述铝电解质相变反应槽根据构型的不同，分为卧式矩形结构、立式矩形结构和立式筒形结构；所述铝电解质相变反应槽包括绝热层、石墨炭块层、钢制槽壳层及碳化硅耐火砖层。

3.根据权利要求2所述的一种铝电解槽炉帮变化机理实验装置，其特征在于：当所述铝电解质相变反应槽采用卧式矩形结构时，熔体铝电解质与炉帮水平并列分布；所述石墨炭块层分布在熔体铝电解质和炉帮的上方和下方，在上方的石墨炭块层顶部及下方的石墨炭块层底部均设有控温补热器，所述电压信号传感器位于控温补热器中部；所述碳化硅耐火砖层分布在熔体铝电解质和炉帮的前方、后方、左方和右方；所述加热器位于碳化硅耐火砖层外侧且与熔体铝电解质同侧分布；所述绝热层在前、后、上、下、左的五个方向上将石墨炭块层和碳化硅耐火砖层包覆，与炉帮同侧的碳化硅耐火砖层外部不设绝热层，所述加热器和控温补热器均包覆在绝热层内侧；所述钢制槽壳层在前、后、上、下、左、右的六个方向上将绝热层和不设绝热层的碳化硅耐火砖层包覆；所述绝热层、石墨炭块层、钢制槽壳层及碳化硅耐火砖层之间的接缝处均通过扎固糊填充；所述下料器依次穿过上方的钢制槽壳层、绝热层及石墨炭块层伸入熔体铝电解质所在区域内；所述热电偶包括高温热电偶和低温热电偶，高温热电偶依次穿过上方的钢制槽壳层、绝热层及石墨炭块层伸入熔体铝电解质所在区域内，低温热电偶设置在不设绝热层的钢制槽壳层外侧；所述热交换系统和热流计均设置在不设绝热层的钢制槽壳层外侧；在上方的钢制槽壳层顶部中心处设置有槽盖把手。

4.根据权利要求3所述的一种铝电解槽炉帮变化机理实验装置，其特征在于：当所述铝电解质相变反应槽采用立式矩形结构时，熔体铝电解质与炉帮竖直分布，且熔体铝电解质位于炉帮上方；所述石墨炭块层分布在熔体铝电解质和炉帮的左方和右方，在左方的石墨炭块层外部及右方的石墨炭块层外部均设有控温补热器，所述电压信号传感器位于控温补热器中部； 所述碳化硅耐火砖层分布在熔体铝电解质和炉帮的前方、后方、上方和下方；所述加热器位于上方的碳化硅耐火砖层顶部；所述绝热层在前、后、上、左、右的五个方向上将石墨炭块层和碳化硅耐火砖层包覆，下方的碳化硅耐火砖层底部不设绝热层，所述加热器和控温补热器均包覆在绝热层内侧；所述钢制槽壳层在前、后、上、下、左、右的六个方向上将绝热层和不设绝热层的碳化硅耐火砖层包覆；所述绝热层、石墨炭块层、钢制槽壳层及碳化硅耐火砖层之间的接缝处均通过扎固糊填充；所述下料器依次穿过上方的钢制槽壳层、绝热层及碳化硅耐火砖层伸入熔体铝电解质所在区域内；所述热电偶包括高温热电偶和低温热电偶，高温热电偶依次穿过上方的钢制槽壳层、绝热层及碳化硅耐火砖层伸入熔体铝电解质所在区域内，低温热电偶设置在不设绝热层的钢制槽壳层底部外侧；所述热交换系统和热流计均设置在不设绝热层的钢制槽壳层底部外侧；在上方的钢制槽壳层顶部中心处设置有槽盖把手，在下方的钢制槽壳层底部配套设置镂空支座。

5.根据权利要求4所述的一种铝电解槽炉帮变化机理实验装置，其特征在于：当所述铝电解质相变反应槽采用立式筒形结构时，将加热器替换为加热棒，熔体铝电解质与炉帮同轴分布，且炉帮位于熔体铝电解质外侧；所述加热棒竖直位于熔体铝电解质中心处；所述石墨炭块层分布在熔体铝电解质和炉帮的上方和下方，在上方的石墨炭块层顶部及下方的石墨炭块层底部均设有控温补热器，所述电压信号传感器位于控温补热器中部；所述碳化硅耐火砖层同轴分布在炉帮外侧；所述绝热层在上、下的两个方向上将石墨炭块层包覆，在碳化硅耐火砖层外部不设绝热层，所述控温补热器包覆在绝热层内侧；所述钢制槽壳层在上、下的两个方向上将绝热层包覆，且在不设绝热层的碳化硅耐火砖层外侧也由钢制槽壳层包覆；所述绝热层、石墨炭块层、钢制槽壳层及碳化硅耐火砖层之间的接缝处均通过扎固糊填充；所述下料器依次穿过上方的钢制槽壳层、绝热层及石墨炭块层伸入熔体铝电解质所在区域内；所述热电偶包括高温热电偶和低温热电偶，高温热电偶依次穿过上方的钢制槽壳层、绝热层及石墨炭块层伸入熔体铝电解质所在区域内，低温热电偶设置在不设绝热层的钢制槽壳层外侧；所述热交换系统和热流计均设置在不设绝热层的钢制槽壳层外侧；在上方的钢制槽壳层顶部中心处设置有槽盖把手。

6.根据权利要求5所述的一种铝电解槽炉帮变化机理实验装置，其特征在于：所述热交换系统根据热交换介质类型的不同，分为液态介质热交换系统和气态介质热交换系统。

7.根据权利要求6所述的一种铝电解槽炉帮变化机理实验装置，其特征在于：当所述热交换系统采用液态介质热交换系统时，包括液态介质热交换器、工作热机、补热炉、液态介质储存罐及输送泵；所述液态介质热交换器采用排管式结构，液态介质热交换器的换热管截面形状为半圆形，且换热管的平直端面与钢制槽壳层相贴合；所述液态介质热交换器的换热介质出口与工作热机的换热介质进口相连通，工作热机的换热介质出口与补热炉的换热介质进口相连通，补热炉的换热介质出口与液态介质储存罐的换热介质进口相连通，液态介质储存罐的换热介质出口与输送泵的换热介质进口相连通，输送泵的换热介质出口与液态介质热交换器的换热介质进口相连通。

8.根据权利要求7所述的一种铝电解槽炉帮变化机理实验装置，其特征在于：当所述热交换系统采用气态介质热交换系统时，包括气态介质热交换器、工作热机、气态介质排放口及风机；所述气态介质热交换器采用排管式结构，气态介质热交换器的换热管截面形状为半圆形，且换热管的平直端面与钢制槽壳层相贴合；所述气态介质热交换器的换热介质出口与工作热机的换热介质进口相连通，工作热机的换热介质出口通过气态介质排放口与大气相连通；所述风机的换热介质进口与大气相连通，风机的换热介质出口与气态介质热交换器的换热介质进口相连通。

9.一种铝电解槽炉帮变化机理实验方法，采用了权利要求8所述的铝电解槽炉帮变化机理实验装置，当进行铝电解质热平衡测定时，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：将铝电解质置于铝电解质相变反应槽内，之后封闭铝电解质相变反应槽；

步骤二：启动加热器/加热棒和控温补热器，将铝电解质加热至完全熔化；

步骤三：关闭控温补热器，使熔体铝电解质通过不设绝热层的铝电解质相变反应槽表面散热，通过散热使熔体铝电解质逐渐冷却凝固形成炉帮，直到熔体铝电解质与炉帮之间达到动态热平衡；

步骤四：通过高温热电偶对动态热平衡状态下的熔体铝电解质的温度进行测量；通过低温热电偶对不设绝热层的钢制槽壳层表面温度进行测量；通过热流计对不设绝热层的钢制槽壳层表面热流进行测量；

步骤五； 先利用电压信号传感器通过电压信号的变化间接确定炉帮的厚度，之后将铝电解质相变反应槽的上方槽盖启封，利用厚度测定棒对炉帮的厚度进行直接测量；

步骤六：将炉帮厚度的间接测量数据和炉帮厚度的直接测量数据进行对比，当炉帮厚度的间接测量数据的误差值处于设定范围内时，后续炉帮厚度的测量全部采用间接测量；

步骤七：重新封闭铝电解质相变反应槽，直接以电压信号传感器实时测量炉帮的厚度变化；

步骤八：根据不设绝热层的钢制槽壳层表面温度、不设绝热层的钢制槽壳层表面热流及炉帮厚度数据，确定铝电解质相变反应槽的吸热功率和热损失比例。

10.一种铝电解槽炉帮变化机理实验方法，采用了权利要求8所述的铝电解槽炉帮变化机理实验装置，当通过换热控制铝电解质热平衡时，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：将铝电解质置于铝电解质相变反应槽内，之后封闭铝电解质相变反应槽；

步骤二：启动加热器/加热棒和控温补热器，将铝电解质加热至完全熔化；

步骤三：关闭控温补热器，使熔体铝电解质通过不设绝热层的铝电解质相变反应槽表面散热，通过散热使熔体铝电解质逐渐冷却凝固形成炉帮，直到熔体铝电解质与炉帮之间达到动态热平衡；

步骤四：当热交换系统采用液态介质热交换系统时，启动工作热机和输送泵，液态介质储存罐内的换热介质由输送泵输送至液态介质热交换器，不设绝热层的铝电解质相变反应槽表面的散热会被液态介质热交换器内的换热介质吸收，换热介质升温后进入工作热机进行热能利用，热能利用后的换热介质实现降温并经补热炉返回液态介质储存罐；其中，若换热介质为水则补热炉不启用，若换热介质为熔盐则启用补热炉，通过补热炉对熔盐补热以维持熔盐的液态状态；通过输送泵调整换热介质在液态介质热交换器的流量，通过换热介质的流量调整对不设绝热层的铝电解质相变反应槽表面的温度进行调节，进而调节铝电解质的热平衡，从而通过铝电解质热平衡的调节实现炉帮厚度的调节；当热交换系统采用气态介质热交换系统时，启动工作热机和风机，气态换热介质由风机输送至气态介质热交换器，不设绝热层的铝电解质相变反应槽表面的散热会被气态介质热交换器内的换热介质吸收，换热介质升温后进入工作热机进行热能利用，热能利用后的换热介质实现降温并由气态介质排放口排入大气。