Способ контроля производительности электролизных ванн
Владельцы патента RU 2299932:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Красноярский государственный технический университет (КГТУ) (RU)
Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано в цехах электролиза алюминия для определения производительности электролизных ванн. Технический результат - повышение точности определения производительности электролизных ванн. В электролизной ванне размещают керамические или угольные трубы таким образом, что в одной получают чистую поверхность расплава металла, а во второй - поверхность электролита. С помощью ультразвуковых датчиков измеряют уровни этих поверхностей и по результатам замеров находят действительные значения уровней металла и электролита, а по усредненным значениям вычисляют прирост металла и текущее значение производительности электролизной ванны. Выгодно применять данный способ контроля прироста расплава металла и производительности на мощных электролизных ваннах на силу тока более 200 кА, а также для отработки и оптимизации технологического процесса на любом типе электролизных ванн. 4 ил.
Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано в цехах электролиза алюминия для определения производительности электролизных ванн.
Наиболее близким к изобретению является способ контроля параметров алюминиевого электролизера, изложенный в SU №1675392 А1, 30.03.1989, согласно которому определяют производительность электролизера, для чего осуществляют измерение уровня электролита и уровня расплава алюминия с помощью ультразвуковых датчиков и вычисляют по результатам измерения объема алюминия.
Недостатком прототипа является высокая погрешность из-за размытости границ раздела, наличия на пути распространения ультразвука корки электролита и глинозема.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности определения производительности электролизных ванн.
Поставленная задача решается тем, что в способе контроля производительности электролизных ванн, включающем измерение уровня электролита и уровня расплава алюминия с помощью ультразвуковых датчиков и вычисление по результатам измерения объема алюминия и производительности электролизной ванны, согласно изобретению в электролизной ванне размещают трубы таким образом, что в одной получают чистую поверхность расплава алюминия, а во второй - поверхность электролита, измеряют уровни этих поверхностей и по результатам замеров из системы уравнений
где 
, 
- измеренные значения уровней расплава алюминия и электролита соответственно,
hAL, hе - действительные значения уровней расплава алюминия и электролита соответственно,
k=0,917 - коэффициент, эквивалентный разности удельного веса расплава алюминия и электролита,
определяют действительные значения уровней электролита he и расплава алюминия hAL, затем по их усредненным значениям вычисляют прирост расплава алюминия и текущее значение производительности электролизной ванны.
Существенным отличием данного технического решения является то, что в электролизной ванне размещают трубы из стойкого к агрессивной среде материала, например угольные или керамические, таким образом, что в одной получают чистую поверхность расплава алюминия, а во второй - поверхность электролита. Такое решение позволяет непосредственно измерять уровень расплава алюминия и электролита акустическим методом с высокой точностью. Это повышает точность определения производительности электролизных ванн.
Вторым существенным отличием является измерение с помощью ультразвуковых датчиков уровней поверхности расплава алюминия и электролита и вычисление действительных значений уровней расплава алюминия hAL и электролита he, затем по их усредненным значениям, для вычисления которых используют текущие синхронные замеры уровней расплава алюминия и электролита, при которых 
и 
вычисляют прирост расплава алюминия и текущее значение производительности электролизной ванны.
Для определения выхода по току за 24 часа работы электролизера с погрешностью 1,0% ошибка измерения высоты слоя алюминия на катоде не должна превышать 0,2 мм. Расчеты показывают, что при оптимальном выборе параметров ультразвукового акустического сигнала и статистических методов обработки результатов многократных измерений погрешность определения уровня расплава алюминия составит 0,01 мм, что позволяет с погрешностью 1,5% определить производительность электролизной ванны за час.
На фиг.1 представлена электролизная ванна в разрезе, на фиг.2 представлено устройство для разделения расплава алюминия от электролита, на фиг.3а представлено размещение устройства, поясняющее процесс заполнения расплавом алюминия и измерения уровня расплава алюминия, на фиг.3б представлено размещение устройства, поясняющее процесс заполнения электролитом и измерения уровня электролита, на фиг.4 - структурная электрическая схема устройства ультразвукового контроля производительности электролизной ванны.
Электролизная ванна 1, в которой размещены два устройства 2 для разделения расплава алюминия от электролита таким образом, что вертикальная труба 3, выполненная из стойкого к агрессивной среде материала, одного из устройств 2 заполнена расплавом алюминия 4, уровень которого чуть ниже уровня электролита 5, а труба 3 второго устройства 2 заполнена расплавом электролита 5. Под углом 90° к вертикальной трубе 3 прикреплена металлическая труба 6 с вентиляционными отверстиями, на свободном конце которой расположен приемопередающий ультразвуковой датчик 7. Вентиляционные отверстия перекрываются сверху защитной крышкой 8. В месте сочленения вертикальной трубы 3 и горизонтальной трубы 6, устанавливается металлическое зеркало 9 под углом в 45° к осям труб, для отражения ультразвука под углом 90°.
Приемопередающий ультразвуковой датчик 7 соединен с выходом ультразвукового генератора 10 и со входом усилителя 11 входного сигнала-отклика. Вход ультразвукового генератора 10 соединен с первым выходом задающего генератора 12. Выходы ультразвукового генератора 10 и усилителя 11 входного сигнала-отклика соединены с соответствующими входами формирователя 13 фронтов импульсов, а его выход соединен с одним из входов преобразователя 14 временного интервала в количество импульсов, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора 12. Выход преобразователя 14 соединен с входом счетчика 15 количества импульсов. Выход счетчика 15 соединен с входом ЭВМ 16.
Поясним работу устройства для реализации способа контроля производительности электролизных ванн.
Для измерения приращения уровня расплава алюминия и уровня электролита и последующего вычисления производительности электролизной ванны в расплав алюминия и электролита с торца электролизной ванны устанавливают устройство 2 для разделения поверхности расплава алюминия от электролита (фиг.1-3). При установке в электролизную ванну 1 нижнее отверстие вертикальной трубы 3, выполненной из стойкого к агрессивной среде и высокой температуре материала (керамика или графит), закрывают пластиной алюминия, которая при контакте с расплавом алюминия, нагретым выше 900°С, расплавится. Труба заполняется расплавом алюминия 4, уровень которого чуть ниже уровня электролита 5 (фиг.3а). При установке в электролизную ванну 1 второго устройства его вертикальная труба 3 располагается выше уровня расплава алюминия и заполняется электролитом 5 (фиг.3б).
Задающий генератор 12 подает сигнал на вход ультразвукового генератора 10 (фиг.4), который подает электрические импульсы ультразвуковой частоты на ультразвуковой датчик 7. Приемопередающий ультразвуковой датчик 7 преобразует последовательность электрических импульсов в последовательность ультразвуковых акустических импульсов, которые проходят путь «приемопередающий ультразвуковой акустический датчик 7 - металлическое зеркало 9 - расплав алюминия в трубе 3» и, отражаясь, поступают обратно на вход приемопередающего ультразвукового датчика 7, на выходе которого получают электрические сигналы низкой амплитуды. Эти сигналы усиливаются усилителем 11 входного сигнала-отклика и поступают на первый вход формирователя 13 фронтов импульсов. На второй вход формирователя 13 фронтов импульсов поступают импульсы со второго выхода ультразвукового генератора 10. С выхода формирователя 13 фронтов импульсов продифференцированные сигналы фронтов зондирующего импульса и отклика поступают на вход преобразователя 14 временного интервала в количество импульсов, с выхода которого последовательность импульсов поступает на счетчик 15 количества импульсов. Подсчитанное количество импульсов после каждого цикла измерения передается на вход ЭВМ 16. Таким образом получили измеренное значение уровня расплава алюминия. Аналогичную процедуру выполняют для получения измеренного значения уровня электролита.
Количество импульсов равно удвоенному времени распространения ультразвукового сигнала от приемопередающего датчика до поверхностей расплава алюминия и электролита и пропорционально их уровню. Соответствие количества импульсов уровню расплава определяется расчетами и уточняется в процессе выливки алюминия и перемещений анода. Далее ЭВМ, решая систему уравнений
где 
, 
- измеренные значения уровней расплава алюминия и электролита соответственно,
hAL, he - действительные значения уровней расплава алюминия и электролита соответственно,
k=0,917 - коэффициент, эквивалентный разности удельного веса расплава алюминия и электролита,
определяют действительные значения уровней электролита he и расплава алюминия hAL, затем по их усредненным значениям, для вычисления которых используют текущие синхронные замеры уровней расплава алюминия и электролита, при которых 
и 
и далее вычисляют прирост расплава алюминия и текущее значение производительности электролизной ванны.
Следует отметить, что изменения уровня электролита, магнитогидродинамические (МГД) волнения на поверхности алюминия, изменения медленных или стационарных перекосов алюминия не вызывают погрешность контроля уровня расплава алюминия, т.к. в этих случаях приращения уровня расплава алюминия и электролита происходят синхронно.
Для исключения погрешности, вызванной изменениями настыли, усредняют только те сигналы, которые фиксируют приращение уровня расплава алюминия и стабильный либо снижающийся уровень электролита.
Таким образом, при использовании устройства для разделения расплава алюминия от электролита и применении статистических методов обработки измерений решается поставленная задача повышения точности определения производительности электролизной ванны.
Экономически выгодно применять данный способ контроля прироста расплава алюминия и производительности на мощных электролизных ваннах на силу тока более 200 кА, а также для отработки и оптимизации технологического процесса на любом типе электролизных ванн.
Способ контроля производительности электролизных ванн, включающий измерение уровня электролита и уровня расплава алюминия с помощью ультразвуковых датчиков и вычисление по результатам измерения объема алюминия и производительности электролизной ванны, отличающийся тем, что в электролизной ванне размещают трубы таким образом, что в одной получают чистую поверхность расплава алюминия, а во второй - поверхность электролита, измеряют уровни этих поверхностей и по результатам замеров из системы уравнений
где 
, 
- измеренные значения уровней расплава алюминия и электролита в трубах;
k=0,917 - коэффициент, эквивалентный разности удельного веса расплава алюминия и электролита,
определяют действительные значения уровней электролита he и расплава алюминия hAL в ванне, затем по их усредненным значениям, для вычисления которых используют текущие синхронные замеры уровней расплава алюминия и электролита, вычисляют прирост объема алюминия и текущее значение производительности электролизной ванны.
