Способ и устройство для обнаружения анодных эффектов в электролизере для производства алюминия

Изобретение относится к области производства алюминия электролизом в солевом расплаве. Технический результат - снижение количества анодных эффектов. Изобретение основано на измерении по меньшей мере одного первого сигнала электрического напряжения U1 и второго сигнала электрического напряжения U2 в двух разных местах указанного электролизера и определении значения по меньшей мере одного показателя А анодного эффекта на основе сравнения указанных сигналов U1 и U2. Изобретение обеспечивает простое, надежное и заблаговременное обнаружение анодных эффектов. 5 н. и 41 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение касается электролизеров для производства алюминия путем электролиза глинозема, растворенного в электролите на основе расплавленного криолита, то есть при помощи способа Холла-Эру. Оно касается, в частности, устройства и способа обнаружения анодных эффектов.

Предшествующий уровень техники

Металлический алюминий получают в промышленном масштабе электролизом расплавов, а именно путем электролиза глинозема, находящегося в виде раствора в ванне расплавленного криолита, называемой электролитической ванной или просто электролитом, то есть при помощи хорошо известного способа Холла-Эру. Электролит содержится в ванне, называемой "электролизной ванной" и содержащей стальной кожух, покрытый изнутри огнеупорными и/или изолирующими материалами, и катодное устройство, расположенное в днище ванны. Термином "электролизер" обычно обозначают установку, содержащую электролизную ванну и один или несколько анодов.

Ток электролиза, проходящий в расплавленном электролите и в слое жидкого алюминия через аноды и катодные элементы, вызывает реакции восстановления глинозема до алюминия, а также обеспечивает поддержание в электролите температуры порядка 950°С благодаря эффекту Джоуля. В электролизер регулярно подают глинозем для того, чтобы компенсировать потребление глинозема за счет реакций электролиза.

Одним из основных факторов, позволяющих обеспечить равномерный и бесперебойный процесс производства алюминия электролизом глинозема, растворенного в электролите на основе расплава криолита, является поддержание необходимого содержания глинозема, растворенного в этом электролите, и, следовательно, приведение в соответствие количества подаваемого в электролит глинозема с расходом глинозема в электролизной ванне.

Избыток глинозема создает опасность загрязнения дна ванны осадком нерастворенного глинозема, который может трансформироваться в твердые пласты, приводящие к электрической изоляции части катода. Это явление способствует образованию в находящемся в электролизной ванне металле очень сильного горизонтального электрического тока, который при взаимодействии с магнитным полем приводит к перемешиванию слоя металла и является причиной неустойчивости поверхности раздела электролит - металл.

И, наоборот, недостаток глинозема может, в частности, привести к появлению "анодного эффекта", то есть к поляризации анода с резким скачком напряжения на выводах электролизера и выделением большого количества фтористых и фторуглеродных продуктов CFx, повышенная способность которых к поглощению инфракрасных лучей способствует появлению парникового эффекта.

На сегодняшний день разработано множество способов регулирования с целью управления подачей глинозема.

В известных промышленных процессах прибегают к косвенной оценке содержания глинозема на основании электрического параметра, отражающего концентрацию глинозема в указанном электролите. Таким параметром, как правило, является изменение электрического сопротивления R на выводах электролизера, который находится под напряжением U, включая противоэлектродвижущую силу Ue, составляющую, например, порядка 1,65 В, и через который проходит ток I, при этом R=(U-Ue)/I. Как правило, способы регулирования содержания глинозема состоят в варьировании подачи глинозема в зависимости от значения R и его изменения во времени. Этот базовый принцип лег в основу многих, в том числе совсем недавних патентов (см., например, французскую заявку FR 2749858, соответствующую американскому патенту US 6033550).

Таким образом, данные способы регулирования позволяют поддерживать содержание глинозема в электролите в узком и невысоком диапазоне и получать значения выхода по току порядка 95% для кислотных ванн, одновременно значительно снижая число (или частотность) анодных эффектов в электролизных ваннах, которое определяют в виде числа анодных эффектов на одну ванну в день (АЭ/ванну/день) и называют "показателем анодного эффекта". Для самых последних электролизеров (с точечным пробиванием корки) этот показатель находится в пределах от 0,15 до 0,5 АЭ/ванну/день.

Все более ужесточающиеся требования к явлению выделения вызывающих парниковый эффект газов заставляют производителей алюминия вести поиск средств для еще большего снижения показателей анодных эффектов.

В связи с этим заявитель поставил перед собой задачу поиска возможного решения этих проблем, которое было бы экономичным и применимым в промышленном масштабе.

Сущность изобретения

Объектом настоящего изобретения является способ заблаговременного обнаружения анодных эффектов в электролизере для производства алюминия электролизом в солевом расплаве, заключающийся в измерении первого сигнала электрического напряжения U1 и по меньшей мере одного второго сигнала электрического напряжения U2 в двух разных местах указанного электролизера и в определении значения по меньшей мере одного показателя A опасности возникновения анодного эффекта (или "заблаговременного показателя A анодного эффекта") на основе анализа указанных сигналов U1, U2, ... с возможностью раннего и заблаговременного обнаружения повышенной опасности возникновения анодного эффекта.

Заблаговременный показатель A анодного эффекта обычно определяют на основе сравнения сигналов U1, U2, .... Точнее показатель А (или показатели А1, A2, ...) обычно определяют на основе функции F (U1, U2, U3, ...), называемой функцией сравнения, которая предпочтительно позволяет количественно определить разброс сигналов, а точнее отклонения Е между сигналами U1, U2, U3, ....

Например, в более простом варианте настоящего изобретения показатель А может быть получен в виде алгебраического отклонения между двумя значениями электрического напряжения при измерении двух сигналов напряжения либо в виде алгебраического отклонения между двумя крайними значениями (например, между наиболее удаленными друг от друга сигналами) или по меньшей мере между двумя сигналами при измерении более двух сигналов напряжения. Согласно другому варианту, показатель А может быть определен статистическим путем, например, в виде типичного отклонения между всеми сигналами. Он может быть также определен при помощи аналоговой обработки или более совершенной цифровой обработки.

Показатель или показатели А предпочтительно определяют на основе временного изменения функции сравнения F (U1, U2, ...), обычно на основе временного изменения по меньшей мере одного отклонения Е между сигналами Ui (например, алгебраического отклонения, типичного отклонения и т.д.). Другими словами, заблаговременный показатель A анодного эффекта может быть получен в виде показателя B временного изменения функции сравнения.

Заявитель неожиданным образом заметил, что большая часть анодных эффектов зарождается задолго (вплоть до нескольких десятков минут) до фактического наступления анодного эффекта и что это зарождение соответствует началу поляризации, выражающемуся в изменении распределения электрического напряжения в электролизере, в частности вблизи анода, подверженного поляризации. Он также заметил, что измерения напряжения по меньшей мере в двух разных местах электролизера обеспечивает надежное и заблаговременное обнаружение зарождения анодного эффекта.

Преимуществом измерений электрического напряжения является их экономичность и возможность автоматизации.

Объектом настоящего изобретения является также способ регулирования электролизера для производства алюминия электролизом в солевом расплаве, включающий в себя способ заблаговременного обнаружения анодного эффекта в соответствии с настоящим изобретением.

Объектом настоящего изобретения является также устройство для заблаговременного обнаружения анодных эффектов в электролизере для производства алюминия электролизом в солевом расплаве, выполненное с возможностью реализации способа обнаружения в соответствии с настоящим изобретением и содержащее по меньшей мере одно первое средство измерения первого сигнала электрического напряжения U1 на указанном электролизере, по меньшей мере одно второе средство измерения второго сигнала электрического напряжения U2 на указанном электролизере и по меньшей мере одно средство определения показателя A анодного эффекта на основе анализа указанных сигналов электрического напряжения U1, U2, ..., обычно на основе сравнения последних и, в случае необходимости, на основе количественного определения временных изменений отклонений между этими сигналами.

Объектами настоящего изобретения являются также электролизер и система регулирования электролизера для производства алюминия электролизом в солевом расплаве, содержащие устройство для заблаговременного обнаружения анодного эффекта в соответствии с настоящим изобретением.

Фигуры

Фиг.1 представляет собой изображение в поперечном разрезе типового электролизера, использующего предварительно обожженные аноды из углеродсодержащего материала.

Фиг.2 иллюстрирует способ измерения напряжения на выводах электролизной ванны в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 представляет собой схематическое изображение устройства для заблаговременного обнаружения анодного эффекта в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.4 представляет собой схематическое изображение части устройства для заблаговременного обнаружения анодного эффекта в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.5 и 6 представляют собой изображения сигналов напряжения и тока, измеренных на электролизере в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение предпочтительно применяется на электролизере (1) для производства алюминия путем электролитического восстановления глинозема, растворенного в электролите (15) на основе криолита, то есть при помощи способа электролиза Холла-Эру.

Как показано на фиг.1, электролизер (1) для производства алюминия при помощи способа электролиза Холла-Эру в типовом исполнении содержит электролизную ванну (20), по меньшей мере один анод (13), по меньшей мере один катод (5) и средства (18) подачи глинозема. Ванна (20) имеет внутренние боковые стенки (3) и выполнена с возможностью ее заполнения расплавленным электролитом (15). Электролизер (1) выполнен с возможностью прохождения через указанный электролит так называемого тока электролиза силой I. Получаемый путем указанного восстановления алюминий обычно образует слой (16), называемый "слоем жидкого металла" на катоде или катодах (5). Аноды (13) обычно закреплены при помощи средств (11, 12) крепления на анодной раме (10), которая может быть выполнена подвижной. Ванна (20) обычно содержит стальной кожух (2), элементы (3) внутренней футеровки и катодные элементы (5, 6), содержащие токоотводящие стержни (или катодные стержни) (6), к которым прикреплены электрические проводники (7, 8) для передачи тока электролиза.

Как правило, несколько электролизеров устанавливают последовательно в виде электролизной серии. Ток, называемый "током электролиза" (общая сила которого составляет Io), проходит через электролизеры и распределяется между ними. Ток электролиза проходит в электролите (15) от анода или анодов (13) к катоду или катодам (5). Он проходит от одного электролизера к другому через соединительные шины (7-12), а точнее через катодные соединительные шины (6, 7, 8) ванны, называемой "входной", и через анодные соединительные шины (9, 10, 11, 12) следующей ванны, называемой "выходной".

Целью подачи глинозема в электролизер является компенсация практически непрерывного потребления глинозема электролизером, в основном в результате его восстановления до металлического алюминия. Подача глинозема происходит путем добавления глинозема в расплавленный электролит (15) и, как правило, регулируется отдельно. Средства (18) подачи обычно включают в себя дозаторы-перфораторы (19), выполненные с возможностью пробивания корки (14) глинозема и введения порции глинозема в отверстие (19а), образованное в глиноземной корке после пробивания.

Металлический алюминий (16), получаемый в ходе электролиза, обычно скапливается на дне ванны, при этом между жидким металлом (16) и электролитом (15) на основе расплавленного криолита образуется достаточно четкая поверхность раздела. Положение этой поверхности раздела "электролит - металл" с течением времени меняется: ее уровень повышается по мере накопления жидкого металла на дне ванны и понижается при извлечении жидкого металла из ванны.

Согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения, способ заблаговременного обнаружения анодного эффекта в электролизере (1) для производства алюминия электролизом в солевом расплаве отличается тем, что содержит:

- измерение первого сигнала электрического напряжения U1 между первой катодной точкой измерения (301-304) на катодной соединительной шине (6, 7, 8) и первой анодной точкой измерения (311-314) на анодной соединительной шине (9, 10, 11, 12);

- измерение по меньшей мере одного второго сигнала электрического напряжения U2 между второй катодной точкой измерения (301-304) на катодной соединительной шине (6, 7, 8) и второй анодной точкой измерения (311-314) на анодной соединительной шине (9, 10, 11, 12), при этом по меньшей мере одна из этих вторых точек измерения отличается от указанных первых точек измерения;

- определение значения по меньшей мере одной функции F (U1, U2, ...) сравнения сигналов за определенный период времени Т;

- определение значения по меньшей мере одного показателя A опасности возникновения анодного эффекта на основе указанной или указанных функций сравнения.

Определенный период времени Т, являющийся переменным параметром способа в соответствии с настоящим изобретением, может быть ничтожным (нулевым) или почти ничтожным (например, он может быть равен калибровочному периоду Те=1/Fe). Оказалось предпочтительным использовать достаточно длительный период Т для того, чтобы устранить случайные колебания значений напряжения Ui.

Предпочтительно предусматривают измерение нескольких разных сигналов электрического напряжения U1, U2, U3, ..., как показано на фиг.3. Другими словами, способ обнаружения в соответствии с настоящим изобретением содержит измерение числа N сигналов электрического напряжения Ui, при этом N предпочтительно должно быть больше 2. Использование нескольких сигналов позволяет повысить надежность заблаговременного обнаружения и более точно локализовать ту зону ванны, в которой может возникнуть анодный эффект. Таким образом, предотвращающая анодный эффект операция могла бы содержать, например, локальное изменение подачи глинозема (обычно в зоне, обнаруженной при помощи указанных измерений).

В способе обнаружения в соответствии с настоящим изобретением указанные сигналы электрического напряжения Ui (то есть U1, U2, U3, ... Un) обычно измеряют в зависимости от времени. Как правило, их измеряют при помощи аналоговых средств, а затем преобразуют в цифровые сигналы для последующей обработки.

Функцию F (U1, U2, ...) сравнения можно получить в виде эквивалентной функции F' (TU1, TU2, ...), в которой в качестве независимых переменных используют предварительно обработанные сигналы TU1, TU2, ..., то есть сигналы TU1, TU2, ..., полученные в результате предварительной обработки сигналов U1, U2, .... Обычно предварительная обработка содержит калибровку при определенной частоте Fe реальных сигналов U1, U2, ... и, в случае необходимости, одну (или несколько) дополнительную(ых) операцию(ий) обработки по меньшей мере одного из сигналов. Эти операции обычно выбирают из операций, включающих в себя частотное фильтрование (фильтр нижних частот, полосовой фильтр или другие фильтры), первичную калибровку, расчет по меньшей мере одного среднего значения (такого как среднее, возможно скользящее значение RMS (корень средне-квадратической величины), которое может быть рассчитано при помощи отношения Urms=√(Σ(Ui(j)-Ur)²/m), где Ui(j) является значением напряжения Ui в момент времени j, Ur - контрольное значение, возможно, ничтожное, и m - число членов суммы; это же отношение может быть использовано для расчета среднего значения TUrms предварительно обработанных сигналов TUi), а также могут использоваться известные математические операции (такие как расчет разности между каждым сигналом Ui или предварительно обработанным сигналом TUi и контрольным значением Uo, которое может быть средним значением Um сигналов Ui или предварительно обработанных сигналов TUi). Эти операции могут комбинироваться. Предпочтительно в процесс предварительной обработки включают фильтр антисвертывания нижних частот. Сигналы могут обрабатываться аналоговым и/или цифровым способом. Можно также предварительно обрабатывать только некоторые сигналы Ui.

Операция частотного фильтрования может быть разных типов. Предпочтительно использовать фильтр типа фильтра нижних частот. Критическая частота этого фильтра предпочтительно находится в пределах от 0,001 до 1 Гц.

Предпочтительно также использовать полосовой фильтр. Нижняя и верхняя критические частоты частотного полосового фильтра типа предпочтительно находятся в пределах соответственно от 0,001 до 1 Гц и от 1 до 10 Гц (обычно от 0,5 до 5 Гц).

Согласно одной форме реализации этого варианта, предварительная обработка включает в себя два частотных фильтрования: одно при помощи фильтра нижней частоты (с критической частотой, как правило, равной примерно 0,5 Гц), в результате которого получают первый предварительно обработанный сигнал TUi, а другое - при помощи полосового фильтра (с нижней критической частотой, как правило, равной примерно 0,5 Гц, и с верхней критической частотой, как правило, равной примерно 5 Гц), в результате которого получают второй предварительно обработанный сигнал TUi'. Согласно этой форме реализации, в способе используются две функции сравнения F, одна из которых применяется для сигналов TUi, а другая - для сигналов TUi'.

Согласно другой форме реализации этого варианта, предварительная обработка включает в себя три частотных фильтрования: одно при помощи фильтра нижней частоты (с критической частотой, как правило, равной примерно 0,003 Гц), в результате которого получают первый предварительно обработанный сигнал TUi, другое - при помощи полосового фильтра (с нижней критической частотой, как правило, равной примерно 0,003 Гц, и с верхней критической частотой, как правило, равной примерно 0,5 Гц), в результате которого получают второй предварительно обработанный сигнал TUi', и третье - при помощи полосового фильтра (с нижней критической частотой, как правило, равной примерно 0,5 Гц, и с верхней критической частотой, как правило, равной примерно 5 Гц), в результате которого получают третий предварительно обработанный сигнал TUi". Согласно этой форме реализации, в способе используются три функции сравнения F, одна из которых применяется для сигналов TUi, другая - для сигналов TUi', а третья - для сигналов TUi".

В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения по меньшей мере одну указанную функцию сравнения F (U1, U2, ...) (или, возможно, F' (TU1, TU2, ...)) получают в виде отклонения Е между указанными сигналами (U1, U2, U3, ...) или между предварительно обработанными сигналами (TU1, TU2, ...). В частности, функцию сравнения F (U1, U2, ...) можно получить в виде отклонения Е между по меньшей мере двумя сигналами напряжения U1, U2, ... или между по меньшей мере двумя предварительно обработанными сигналами напряжения TU1, TU2, .... Отклонение Е может быть получено в виде алгебраического отклонения между сигналами Ui или предварительно обработанными сигналами TUi, например, в виде наибольшей разности между всеми сигналами Ui или предварительно обработанными сигналами TUi (обычно разность между самыми крайними сигналами на данный момент или за данный период времени). Отклонение Е может быть также получено в виде типичного отклонения между сигналами Ui или предварительно обработанными сигналами TUi.

По меньшей мере один заблаговременный показатель A анодного эффекта может быть равен функции сравнения F (U1, U2, ...) или F' (TU1, TU2, ...).

Значение по меньшей мере одного показателя A опасности возникновения анодного эффекта может быть также определено на основе временных изменений указанной или указанных функций сравнения F или F'. Эти изменения могут быть получены в виде показателя В временного изменения функции сравнения F (U1, U2, ...) или F' (TU1, TU2, ...). В более простом варианте реализации функцию сравнения F (U1, U2, ...) получают в виде отклонения Е между по меньшей мере двумя сигналами напряжения U1, U2, ... или между по меньшей мере двумя предварительно обработанными сигналами напряжения TU1, TU2, ..., а показатель В изменения может быть пропорциональным разности между значением E (t) отклонения Е в момент времени t и его значением E (t-to) в момент времени t-to, где to является корректируемым параметром.

Показатель А может свидетельствовать о высокой опасности возникновения анодного эффекта, когда его значение превышает заданную пороговую величину S. Обычно способ позволяет обнаружить эту высокую опасность, когда значение отклонения Е (и в целом Е (t)) превышает заданную пороговую величину Se или когда изменение значения функции сравнения F или F' превышает заданную пороговую величину St.

В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения способ обнаружения дополнительно содержит тестовую операцию, позволяющую определить подверженность электролизера возникновению анодного эффекта. Эта тестовая операция обычно включает в себя временное уменьшение расхода подаваемого в электролизер глинозема (соответствующее недостаточной подаче глинозема), при этом данное уменьшение, как правило, составляет от 20 до 100% от среднего расхода подаваемого глинозема (100% соответствует прекращению подачи глинозема). Например, испытания, проведенные заявителем, показали, что временное уменьшение расхода подаваемого в электролизер глинозема и даже временное прекращение этой подачи может значительно увеличить разброс значений напряжения Ui или предварительно обработанных значений напряжения TUi, когда электролизер находится в состоянии повышенной опасности возникновения анодного эффекта.

Способ регулирования в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно содержит операцию предотвращения анодных эффектов, которая позволяет устранить заблаговременно обнаруженные анодные эффекты и которую можно активировать при заблаговременном обнаружении анодного эффекта. Эту операцию обычно запускают в зависимости от значения функции F (или F'), как правило, тогда, когда отклонение между по меньшей мере двумя сигналами Ui или между по меньшей мере двумя предварительно обработанными сигналами TUi превышает заданную пороговую величину Se или когда временное изменение этого отклонения превышает заданную пороговую величину St.

Операция предотвращения обычно включает в себя изменение положения анода или анодов по отношению к катоду или катодам, повышение расхода подаваемого глинозема по отношению к нормальному расходу подаваемого глинозема или комбинацию этих операций.

Способ регулирования предпочтительно должен учитывать производственные операции, в ходе которых может возникнуть искажение значений функции F (или F') и, следовательно, показателя или показателей А, такие как замены анода.

Для выполнения операции предотвращения анодного эффекта электролизер (1) предпочтительно содержит по меньшей мере одно средство регулирования, такое как подвижная анодная рама (10), на которой закреплен анод или аноды (13), или средство управления средствами (18, 19) подачи глинозема.

Предпочтительно способ регулирования дополнительно содержит:

- измерение по меньшей мере одного сигнала напряжения UA на по меньшей мере одном электролизере, расположенном на входе и/или на выходе;

- сравнение сигнала (или сигналов) UA с сигналами U1, U2, ... (или предварительно обработанными сигналами TU1, TU2, ...) для отсеивания из сигналов U1, U2, ... или из предварительно обработанных сигналов TU1, TU2, ... случайных колебаний (или "помех") от соседних электролизеров или, возможно, от всей производственной линии, представляющей собой электролизную серию.

Согласно другому варианту настоящего изобретения, способ регулирования дополнительно содержит:

- измерение по меньшей мере одного сигнала силы тока I в электролизере;

- сравнение сигнала (или сигналов) I с сигналами U1, U2, ... (или предварительно обработанными сигналами TU1, TU2, ...) для отсеивания из сигналов U1, U2, ... или из предварительно обработанных сигналов TU1, TU2, ... случайных колебаний (или "помех"), общих для всей электролизной серии, включающей в себя ряд электролизеров.

Сила тока I обычно является общей силой тока Io, проходящего через электролизеры. Можно также использовать силу I других токов, проходящих через электролизную серию, таких как ток, проходящий через анод, через соединительную шину или через катодный стержень.

Этот вариант реализации изобретения позволяет, в частности, уменьшить соотношение, называемое "сигнал/помеха".

Согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения, устройство заблаговременного обнаружения анодного эффекта в электролизере для производства алюминия в солевом расплаве отличается тем, что содержит:

- по меньшей мере одно первое средство (321-344) для измерения первого сигнала электрического напряжения U1 между первой катодной точкой измерения (301-304) на катодной соединительной шине (6, 7, 8) и первой анодной точкой измерения (311-314) на анодной соединительной шине (9, 10, 11, 12);

- по меньшей мере одно второе средство (321-344) для измерения второго сигнала электрического напряжения U2 между второй катодной точкой измерения (301-304) на катодной соединительной шине (6, 7, 8) и второй анодной точкой измерения (311-314) на анодной соединительной шине (9, 10, 11, 12), при этом по меньшей мере одна из этих вторых точек измерения отличается от указанных первых точек измерения;

- по меньшей мере одно средство (351-354, 40) для определения значения по меньшей мере одной функции F (U1, U2, ...) или F' (TU1, TU2, ...) сравнения сигналов за определенный период времени Т;

- по меньшей мере одно средство (50) для определения значения по меньшей мере одного показателя A опасности возникновения анодного эффекта на основе функции или функций F или F'.

Устройство может также содержать средство для определения значения по меньшей мере одного показателя A опасности возникновения анодного эффекта на основе временных изменений указанной или указанных функций F или F'.

Средства измерения сигналов электрического напряжения U1, U2, ... предпочтительно содержат электрические проводники (32, 321, 322, 323, 324, ..., 33, 331, 332, 334, ...), как правило, в виде проводов или кабелей, один конец которых соединен с точкой измерения (30, 301, 302, 303, 304, ..., 31, 311, 312, 313, 314, ...) на электролизере, а другой конец соединен со средством (34, 341, 342, 343, ...) измерения напряжения, таким как вольтметр. Точки измерения (30, 301, ..., 31, 311, ...) электрического напряжения могут быть выполнены с помощью любого известного средства, например, при помощи винтов, гнезд и т.д.

Некоторые средства (30, 31, 32, 33, 34, ...) измерения напряжения могут быть постоянно закреплены на электролизере. Предпочтительно их устанавливают на неподвижных частях электролизера, таких как неподвижные шины (7, 8, 9, 10), что, в частности, позволяет избежать прерывания измерений и повторной установки средств измерения во время операций замены анода.

Указанные сигналы электрического напряжения U1, U2, U3, ... предпочтительно измеряют между коллектором (8) и стояком (9), предпочтительно в нижней части (9а) указанного стояка (как показано на фиг.2), что, в частности, позволяет упростить систему соединительных кабелей (32, 321, 322, ..., 33, 331, ...) и облегчить доступ к точкам измерения (30, 301, ..., 31, 311, ...).

Сигналы S (S1, S2, ...), генерируемые средствами измерения (34, 341, 342, ...) и эквивалентные сигналам напряжения U1, U2, ..., передаются на анализатор или компаратор (40) при помощи средств (35, 351, 352, 353, 354, ...) передачи, таких как электрические проводники, радиоволны, оптические средства или любые другие средства.

Средства (351-354, 40) для определения по меньшей мере одной функции F (или F') сравнения указанных сигналов напряжения Ui предпочтительно содержат по меньшей мере одно средство (401-404) предварительной обработки для предварительной обработки по меньшей мере одного из сигналов Ui или эквивалентных сигналов Si. Средство предварительной обработки обычно содержит по меньшей мере один частотный фильтр, предпочтительно фильтр нижней частоты или полосовой фильтр. Средство предварительной обработки может быть также средством калибровки сигналов U1, U2, ... на определенной частоте Fe. На практике оно может содержать также один или несколько элементов, обычно выбранных из группы, в которую входят аналогово/цифровые преобразователи (АЦП), усилители (G), частотные фильтры (фильтры нижней частоты, полосовые фильтры или другие фильтры), средства вычисления среднего значения сигнала (типа RMS или другого типа), средства вычисления среднего значения Um по меньшей мере одного сигнала Ui или нескольких сигналов Ui и известные аппаратные и/или программные средства для осуществления математических операций (такие как средства для осуществления вычитания контрольного значения Uo и, в частности, для расчета разности между каждым сигналом U1, U2, ... или предварительно обработанным сигналом TU1, TU2, ... и контрольным значением Uo, при этом Uo обычно является средним значением Um). В случае, когда устройство содержит фильтр нижней частоты, критическая частота такого фильтра нижней частоты обычно находится в пределах от 0,001 до 1 Гц. Когда устройство содержит полосовой фильтр, нижняя и верхняя критические частоты такого полосового фильтра обычно находятся в пределах соответственно от 0,001 и 1 Гц и от 1 до 10 Гц. Устройство может также содержать средство для определения среднего значения Um сигналов U1, U2, ... или предварительно обработанных сигналов TU1, TU2, ....

Устройство может также содержать средство (40, 411) для определения отклонения Е (и в целом Е (t))(такого как алгебраическое отклонение, типичное отклонение и т.д.) между по меньшей мере двумя сигналами напряжения U1, U2, ... или между по меньшей мере двумя предварительно обработанными сигналами TU1, TU2, ....

Устройство может также содержать средство для определения временного изменения по меньшей мере одной функции F (U1, U2, ...) или F' (TU1, TU2, ...) сравнения сигналов, такой как временное изменение отклонения Е (и, в частности, E (t)) между по меньшей мере двумя сигналами напряжения U1, U2, ... или между по меньшей мере двумя предварительно обработанными сигналами TU1, TU2, ....

Средства для определения функции F (или F') (40, 401, ..., 404, 411) и средства (50) для определения показателя A анодного эффекта предпочтительно могут быть объединены в один блок, обычно при помощи общей электронной схемы и/или программного обеспечения.

Предпочтительно система регулирования электролизера в соответствии с настоящим изобретением может дополнительно содержать:

- средство для измерения по меньшей мере одного сигнала напряжения UA на по меньшей мере одном электролизере, расположенном на входе и/или на выходе;

- средство для сравнения сигнала (или сигналов) UA с сигналами U1, U2, ... (или предварительно обработанными сигналами TU1, TU2, ...) для отсеивания из этих сигналов случайных колебаний (или "помех") от соседних электролизеров и, возможно, от всей производственной линии из соединенных в электролизную серию электролизеров.

Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения, система регулирования дополнительно содержит:

- средство для измерения по меньшей мере одного сигнала силы I тока электролиза (обычно общей силы Io тока, проходящего через электролизеры);

- средство для сравнения сигнала (или сигналов) I с сигналами U1, U2, ... (или предварительно обработанными сигналами TU1, TU2, ...) для отсеивания из этих сигналов случайных колебаний (или "помех"), общих для всей производственной линии из соединенных в электролизную серию электролизеров.

Примеры

Измерения электрического напряжения и силы тока были произведены на электролизере, по которому проходит ток общей силой примерно 500 кА. Измерения производились в течение нескольких недель. Шесть сигналов напряжения Ui были измерены в шести разных местах электролизера между разными анодными точками измерения и катодными точками измерения. Был также измерен в зависимости от времени ток, проходящий через шесть разных анодов.

На фиг.5 и 6 показаны результаты, полученные за период в 24 часа, в течение которого наблюдался анодный эффект (обозначенный как "АЭ"). Фиг.5 соответствует сигналам тока Ui (график А) и напряжения Ui (график В) в зависимости от времени t, оцифрованным и предварительно обработанным при помощи фильтра нижней частоты, критическая частота которого равнялась 0,5 Гц. Фиг.6 соответствует тем же оцифрованным сигналам, но предварительно обработанным при помощи полосового фильтра с критическими частотами 0,5 Гц и 5 Гц. На обеих фигурах график С показывает отклонение между каждым отфильтрованным сигналом напряжения Ui и средним значением Um шести отфильтрованных сигналов напряжения. Буквы "ЗА" обозначают момент замены анода.

За несколько десятков минут до анодного эффекта (обозначенного на фигурах как "АЭ") отмечалось постепенное увеличение разброса сигналов (в частности, сигналов, отфильтрованных по нижней частоте). Один или несколько анодов начали частично поляризоваться, при этом зоны поляризации увеличивались относительно медленно.

На фиг.5 показано, что разброс отфильтрованных по нижней частоте сигналов постепенно увеличивался до наступления поляризации. В частности, разброс увеличился значительно (от 9 мВ до более 30 мВ), начиная с момента за 90 минут до сильной поляризации, наблюдаемой после временного прекращения подачи глинозема (обозначенного на фиг.5 буквами "ППГ"). Аналогично разброс увеличился значительно (от 7,5 мВ до 12 мВ) за 30 минут до анодного эффекта, обозначенного на фиг.5 буквами "АЭ". В этом случае функция сравнения может быть представлена наибольшим отклонением между двумя сигналами Ui-Um.

Наблюдалось также увеличение разброса сигналов во время замены анода (обозначенной на фиг.5 буквами "ЗА"). В этом случае увеличение было мгновенным (в виде резкого скачка от 8,5 мВ до 15 мВ). Эти наблюдения можно использовать для корректировки показателей опасности возникновения анодного эффекта, чтобы избежать известных искажений и, в частности, искажений, связанных с операциями на ванне или с некоторыми специальными регулировками.

Фиг.6 позволяет получить другой прогноз поведения сигналов, отфильтрованных при помощи полосового фильтра. Здесь также отмечается увеличение разброса (в данном случае от 0,2 мВ до более чем 0,4 мВ) в ситуациях опасности возникновения анодного эффекта.

Комбинацию этих данных можно использовать для выработки синтетических показателей опасности возникновения анодного эффекта, которые позволяют заблаговременно обнаружить анодные эффекты с большой степенью надежности и применить соответствующую предотвращающую операцию для устранения опасности их возникновения.

Список цифровых обозначений

(1) электролизер

(2) кожух

(3) внутренняя футеровка (внутренняя боковая стенка)

(4) внутренняя футеровка (огнеупорные кирпичи)

(5) катод

(6) токоотводящий стержень или катодный стержень

(7) соединительная катодная шина

(8) соединительная катодная шина (коллектор)

(9) соединительная анодная шина (стояк)

(9а) нижняя часть стояка

(10) анодная рама

(11) средство установки и крепления анода (анодный стержень)

(12) средство крепления анода

(13) анод

(14) слой (или корка) глинозема

(15) расплавленный электролит

(16) слой жидкого металла

(17) слой застывшего электролита

(19) дозатор-перфоратор

(19а) отверстие в корке глинозема

(20) ванна

(30) (301)(302)...(31) (311)(312)... точки измерения электрического напряжения

(32) (321)(322)(323)...(33) (331)(332)(333)... электрический проводник

(34) (341)(342)(343)... средство измерения электрического напряжения

(35) (351)(352)(353)... средство передачи

(40, 401, ..., 404, 411) средства для определения функции F сравнения

(50) средство для определения показателя A анодного эффекта.

1. Способ заблаговременного обнаружения анодного эффекта в электролизере (1) для производства алюминия электролизом в солевом расплаве, причем указанный электролизер содержит по меньшей мере один анод (13), по меньшей мере один катод (5) и соединительные катодные (6, 7, 8) и анодные (9, 10, 11, 12) шины, отличающийся тем, что содержит измерение первого сигнала электрического напряжения U1 между первой катодной точкой измерения (301-304) на соединительной катодной шине (6, 7, 8) и первой анодной точкой измерения (311-314) на соединительной анодной шине (9, 10, 11, 12); измерение по меньшей мере одного второго сигнала электрического напряжения U2 между второй катодной точкой измерения (301-304) на соединительной катодной шине (6, 7, 8) и второй анодной точкой измерения (311-314) на соединительной анодной шине (9, 10, 11, 12), при этом по меньшей мере одна из этих вторых точек измерения отличается от указанных первых точек измерения; определение значения по меньшей мере одной функции F (U1, U2,...) сравнения сигналов за определенный период времени Т; определение значения по меньшей мере одного показателя А опасности возникновения анодного эффекта на основе указанной или указанных функций сравнения.

2. Способ обнаружения по п.1, отличающийся тем, что функцию F (U1, U2, ...) получают в виде эквивалентной функции F' (TU1, TU2, ...), в которой в качестве независимых переменных используют сигналы TU1, TU2,..., полученные в результате предварительной обработки сигналов U1, U2, ....

3. Способ обнаружения по п.2, отличающийся тем, что предварительная обработка включает в себя калибровку сигналов U1, U2, ... на определенной частоте Fe.

4. Способ обнаружения по п.2 или 3, отличающийся тем, что предварительная обработка включает в себя операцию частотного фильтрования по меньшей мере одного из этих сигналов.

5. Способ обнаружения по п.4, отличающийся тем, что операция частотного фильтрования является фильтрованием по нижней частоте.

6. Способ обнаружения по п.5, отличающийся тем, что критическая частота при операции частотного фильтрования по нижней частоте находится в пределах от 0,001 до 1 Гц.

7. Способ обнаружения по п.4, отличающийся тем, что операция частотного фильтрования является полосовым фильтрованием.

8. Способ обнаружения по п.7, отличающийся тем, что нижняя и верхняя критические частоты при операции частотного полосового фильтрования соответственно находятся в пределах от 0,001 до 1 Гц и от 1 до 10 Гц.

9. Способ обнаружения по п.2 или 3, отличающийся тем, что предварительная обработка включает в себя по меньшей мере одну операцию первичной калибровки.

10. Способ обнаружения по п.2 или 3, отличающийся тем, что предварительная обработка включает в себя расчет по меньшей мере одного среднего значения по меньшей мере одного сигнала Ui.

11. Способ обнаружения по п.10, отличающийся тем, что среднее значение является среднеквадратичным значением.

12. Способ обнаружения по п.2 или 3, отличающийся тем, что предварительная обработка включает в себя расчет разности между каждым сигналом Ui или предварительно обработанным сигналом TUi и контрольным значением Uo.

13. Способ обнаружения по п.12, отличающийся тем, что контрольное значение Uo является средним значением Um сигналов Ui или предварительно обработанных сигналов TUi.

14. Способ обнаружения по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что функцию F (U1, U2, ...) сравнения получают в виде отклонения Е между по меньшей мере двумя сигналами напряжения U1, U2, или между по меньшей мере двумя предварительно обработанными сигналами TU1, TU2, ....

15. Способ обнаружения по п.14, отличающийся тем, что отклонение Е получают в виде алгебраического отклонения между сигналами Ui или предварительно обработанными сигналами TUi.

16. Способ обнаружения по п.14, отличающийся тем, что отклонение Е получают в виде типичного отклонения между сигналами Ui или предварительно обработанными сигналами TUi.

17. Способ обнаружения по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что указанный по меньшей мере один показатель А равен функции F (U1, U2, ...) или F' (TUI, TU2, ...) сравнения.

18. Способ обнаружения по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что указанный по меньшей мере один показатель А получают в виде показателя В временного изменения функции F (U1, U2, ...) или Р (TU1, TU2, ...) сравнения.

19. Способ обнаружения по п.18, отличающийся тем, что функцию F (U1, U2, ...) сравнения получают в виде отклонения между по меньшей мере двумя сигналами напряжения U1, U2, ... или между по меньшей мере двумя предварительно обработанными сигналами напряжения TU1, TU2, ..., и показатель В изменения пропорционален разности между значением Е (t) отклонения Е в момент времени t и его значением Е (t-to) на момент времени t-to, где to является корректируемым параметром.

20. Способ обнаружения по п.17, отличающийся тем, что показатель А свидетельствует о повышенной опасности возникновения анодного эффекта, когда его значение превышает заданную пороговую величину.

21. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он содержит тестовую операцию, позволяющую определить подверженность электролизера возникновению анодного эффекта.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что тестовая операция содержит временное уменьшение расхода подаваемого в электролизер глинозема.

23. Способ обнаружения по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он содержит измерение N сигналов электрического напряжения Ui, при этом N превышает 2.

24. Способ регулирования электролизера, отличающийся тем, что обнаружения анодного эффекта осуществляют способом по любому из пп.1-23.

25. Способ регулирования по п.24, отличающийся тем, что он дополнительно содержит операцию предотвращения анодного эффекта.

26. Способ регулирования по п.25, отличающийся тем, что операция предотвращения содержит операцию, выбранную из группы, в которую входят изменение положения анода или анодов по отношению к катоду или катодам, увеличение расхода подаваемого глинозема по отношению к нормальному расходу и комбинация из этих операций.

27. Способ регулирования по любому из пп.24-26, отличающийся тем, что он дополнительно содержит измерение по меньшей мере одного сигнала напряжения UA на по меньшей мере одном электролизере, расположенном на входе и/или на выходе; сравнение сигнала или сигналов UA с сигналами U1, U2,... или предварительно обработанными сигналами TU1, TU2, ... для отсеивания из сигналов U1, U2, ... или предварительно обработанных сигналов TU1, TU2, ... случайных колебаний от соседних электролизеров и, возможно, от всей электролизной серии.

28. Способ регулирования по любому из пп.24-26, отличающийся тем, что он дополнительно содержит измерение по меньшей мере одного сигнала силы I тока электролиза; сравнение сигнала или сигналов I с сигналами U1, U2, ... или предварительно обработанными сигналами TU1, TU2, ... для отсеивания из сигналов U1, U2, ... или предварительно обработанных сигналов TU1, TU2, ... случайных колебаний, общих для всей электролизной серии.

29. Устройство для заблаговременного обнаружения анодного эффекта в электролизере для производства алюминия электролизом в солевом расплаве, выполненное с возможностью реализации способа обнаружения по любому из пп.1-23, при этом указанный электролизер содержит по меньшей мере один анод (13), по меньшей мере один катод (5) и катодные (6, 7, 8) и анодные (9, 10, 11, 12) соединительные шины, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере одно первое средство (321-344) измерения первого сигнала электрического напряжения U1 между первой катодной точкой измерения (301-304) на катодной соединительной шине (6, 7, 8) и первой анодной точкой измерения (311-314) на анодной соединительной шине (9, 10, 11, 12); по меньшей мере одно второе средство (321-344) измерения второго сигнала электрического напряжения U2 между второй катодной точкой измерения (301-304) на катодной соединительной шине (6, 7, 8) и второй анодной точкой измерения (311-314) на анодной соединительной шине (9, 10, 11, 12), при этом по меньшей мере одна из этих вторых точек измерения отличается от указанных первых точек измерения; по меньшей мере одно средство (351-354, 40) определения значения по меньшей мере одной функции F (U1, U2, ...) или F' (TU1, TU2, ...) сравнения сигналов за определенный период времени Т; по меньшей мере одно средство (50) определения показателя А опасности возникновения анодного эффекта на основе функции или функций F или F'.

30. Устройство по п.29, отличающееся тем, что средство (351-354, 40) для определения значения по меньшей мере одной функции (F (U1, U2, ...) сигналов напряжения содержит по меньшей мере одно средство (401-404) для предварительной обработки по меньшей мере одного из сигналов U1, U2, ....

31. Устройство по п.30, отличающееся тем, что средство предварительной обработки содержит средство калибровки сигналов U1, U2, ... на определенной частоте Fe.

32. Устройство по п.30 или п.31, отличающееся тем, что средство предварительной обработки содержит частотный фильтр.

33. Устройство по п.32, отличающееся тем, что частотный фильтр является фильтром нижней частоты.

34. Устройство по п.33, отличающееся тем, что критическая частота фильтра нижней частоты находится в пределах от 0,001 до 1 Гц.

35. Устройство по п.32, отличающееся тем, что частотный фильтр является полосовым фильтром.

36. Устройство по п.35, отличающееся тем, что нижняя и верхняя критические частоты полосового фильтра соответственно находятся в пределах от 0,001 до 1 Гц и от 1 до 10 Гц.

37. Устройство по п.30 или 31, отличающееся тем, что средство предварительной обработки содержит по меньшей мере одно средство для первичной калибровки сигналов U1, U2, ....

38. Устройство по п.30 или 31, отличающееся тем, что средство предварительной обработки содержит по меньшей мере одно средство для расчета среднего значения по меньшей мере одного сигнала Ui или нескольких сигналов Ui.

39. Устройство по п.30 или 31, отличающееся тем, что средство предварительной обработки содержит по меньшей мере одно средство для расчета разности между каждым сигналом U1, U2, ... или предварительно обработанным сигналом TU1, TU2, ... и контрольным значением Uo.

40. Устройство по п.39, отличающееся тем, что содержит средство для определения среднего значения Um сигналов U1, U2, ... или предварительно обработанных сигналов TU1, TU2, ....

41. Устройство по любому из пп.29-31, отличающееся тем, что оно содержит средство для определения отклонения Е между по меньшей мере двумя сигналами напряжения U1, U2, ... или между по меньшей мере двумя предварительно обработанными сигналами TU1, TU2, ....

42. Устройство по любому из пп.29-31, отличающееся тем, что оно содержит средство для определения временного изменения по меньшей мере одной функции F (U1, U2, ...) или F' (TU1, TU2, ...) сравнения сигналов.

43. Электролизер для производства алюминия электролизом в солевом расплаве, отличающийся тем, что он содержит устройство для заблаговременного обнаружения анодного эффекта по любому из пп.29-42.

44. Система регулирования электролизера для производства алюминия электролизом в солевом расплаве, отличающаяся тем, что она содержит устройство для заблаговременного обнаружения анодного эффекта по любому из пп.29-42.

45. Система регулирования по п.44, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит средство измерения по меньшей мере одного сигнала напряжения UA на по меньшей мере одном электролизере, расположенном на входе и/или на выходе; средство сравнения сигнала или сигналов UA с сигналами U1, U2, ... или предварительно обработанными сигналами TU1, TU2, ... для отсеивания из сигналов U1, U2, ... или предварительно обработанных сигналов TU1, TU2, ... случайных колебаний от соседних электролизеров и, возможно, от всей электролизной серии.

46. Система регулирования по п.44 или 45, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит средство измерения по меньшей мере одного сигнала силы I тока электролиза; средство сравнения сигнала или сигналов I с сигналами U1, U2, ... или предварительно обработанными сигналами TU1, TU2, ... для отсеивания из сигналов U1, U2, ... или предварительно обработанных сигналов TU1, TU2, ... случайных колебаний, общих для всей электролизной серии.