王洋 智雷勇

摘? ?要： 鋁電解低電壓生產(chǎn)過(guò)程中易出現(xiàn)鋁電解槽下料口不暢通的情況，影響生產(chǎn)品質(zhì)。提出一種鋁電解槽打殼氣缸行程檢測(cè)方法，以改進(jìn)行程質(zhì)量。通過(guò)檢測(cè)打殼錘頭浸入電解質(zhì)后的電壓變化，判斷下料口是否暢通;針對(duì)氣缸體與氣缸導(dǎo)桿之間、氣缸導(dǎo)桿與打殼錘頭之間信號(hào)導(dǎo)通不良的問(wèn)題，提出了檢測(cè)措施，實(shí)施針對(duì)性改造。檢測(cè)方法：一是采集每次打殼獲取的電壓采樣數(shù)據(jù)，當(dāng)打殼錘頭浸入電解質(zhì)后的電壓值接近于槽壓時(shí)，表明下料口暢通;二是當(dāng)電壓值接近于0 V時(shí)，表明下料口堵塞。通過(guò)監(jiān)控采樣數(shù)據(jù)的波動(dòng)段，判斷打殼錘頭浸入電解質(zhì)的狀態(tài)，通過(guò)適當(dāng)縮短無(wú)效打殼時(shí)間，減少錘頭粘包情況的發(fā)生，延長(zhǎng)錘頭使用壽命。

關(guān)鍵詞： 鋁電解槽;打殼氣缸;氣缸行程;槽壓;錘頭粘包

中圖分類號(hào)：TH138.51? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2095-8412 （2020） 05-051-06

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.010

引言

在節(jié)能減排需求日益提高的大環(huán)境下，鋁電解生產(chǎn)正朝著降低工作電壓、提高電流效率、縮短有效極距的方向發(fā)展[1]。同時(shí)，由于國(guó)內(nèi)氧化鋁礦品質(zhì)較低，富鋰氧化鋁在鋁電解生產(chǎn)中受到廣泛應(yīng)用。在富鋰電解質(zhì)體系中實(shí)施鋁電解低電壓生產(chǎn)的過(guò)程中，電解溫度進(jìn)一步降低[2]，電解質(zhì)粘度增加，造成氧化鋁溶解性能下降，導(dǎo)致鋁電解槽下料口不暢通、發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)的情況時(shí)有發(fā)生。鋁電解生產(chǎn)單位目前主要使用打殼氣缸，打殼過(guò)程未受到監(jiān)測(cè)，無(wú)法確定打殼的有效性。

國(guó)外普遍使用智能化打殼氣錘，以節(jié)氣為主要目的，但成本昂貴，無(wú)法滿足經(jīng)濟(jì)性要求。在國(guó)內(nèi)，針對(duì)打殼氣缸的節(jié)氣問(wèn)題，文獻(xiàn)[3]采用減壓模塊，降低待工期間的供氣壓力，以減少壓縮空氣泄漏量，文獻(xiàn)[4]采用先進(jìn)氣控閥技術(shù)，在打殼時(shí)根據(jù)阻力的增大來(lái)增加供氣壓力，但這些方法都無(wú)法檢測(cè)打殼氣缸是否滿行程工作、下料口是否暢通等。影響電解槽下料的因素較多，下料控制的主要的依據(jù)是槽電阻[5]，較大的錘頭粘包會(huì)阻止氧化鋁進(jìn)入電解槽，導(dǎo)致打殼氣缸不能滿行程工作?？s短錘頭浸入電解質(zhì)的時(shí)間和深度，可有效減少錘頭粘包情況的發(fā)生，還可延長(zhǎng)錘頭使用壽命[6]。文獻(xiàn)[7]利用電解質(zhì)溫度實(shí)現(xiàn)下料狀態(tài)檢測(cè)，但電解質(zhì)溫度高時(shí)腐蝕性強(qiáng)，使得檢測(cè)設(shè)備可靠性降低。此外還有使用行程開(kāi)關(guān)或磁性開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)打殼氣缸行程的實(shí)驗(yàn)，但鋁電解槽內(nèi)高溫、強(qiáng)磁、高腐蝕等惡劣環(huán)境和氣缸高頻運(yùn)動(dòng)等的影響，也使得檢測(cè)設(shè)備故障率較高，無(wú)法投入實(shí)際應(yīng)用。

本文采用自行研發(fā)的實(shí)用新型專利《一種電解槽內(nèi)電解質(zhì)的電信號(hào)采集的輔助裝置》[8]，通過(guò)檢測(cè)打殼錘頭浸入電解質(zhì)后的電壓變化，判斷下料口是否暢通。同時(shí)，針對(duì)氣缸體與氣缸導(dǎo)桿之間、氣缸導(dǎo)桿與打殼錘頭之間信號(hào)導(dǎo)通不良的問(wèn)題，實(shí)施針對(duì)性改造。形成了一種鋁電解槽打殼氣缸行程檢測(cè)方法，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

1? 打殼氣缸行程檢測(cè)原理

如圖1所示，鋁電解槽分為上、下兩部分，兩部分相互絕緣。上部安裝有打殼氣缸、鋁制陽(yáng)極等，氣缸、陽(yáng)極與電解槽上部相互絕緣。電解槽下部由電解質(zhì)、鋁液、陽(yáng)極炭塊、陰極炭塊、陰極鋼棒和鋼殼等組成，炭塊與鋼殼之間填充耐火材料和防滲材料，實(shí)現(xiàn)保溫、防漏。電解槽使用的絕緣安裝板通常為機(jī)械性能較好的電木板。

電解質(zhì)是由氧化鋁和冰晶石組成的熔融液體，溫度通常在950℃左右，具備一定的導(dǎo)電能力，且電阻與氧化鋁濃度有關(guān)。陽(yáng)極碳?jí)K浸入其中，與鋁液形成有效極距。電解槽由鋁制陽(yáng)極、陽(yáng)極炭塊、電解質(zhì)、鋁液、陰極炭塊、陰極依次形成電流回路，相鄰電解槽采用串聯(lián)供電的方式，因此各槽電流相同、電壓略有不同。電解槽通常按照電流，如260 kA、400 kA、600 kA等分類，且不同電解廠采用不同的工藝參數(shù)，故槽壓會(huì)有一些差別，但通常在4 V±0.5 V范圍內(nèi)。如發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)，槽壓會(huì)快速上升到10 V甚至20 V以上，在電流恒定的情況下，電壓急劇增大會(huì)造成能耗的巨大浪費(fèi)。

如前所述，打殼氣缸安裝在電解槽的上部，并與電解槽上部結(jié)構(gòu)絕緣，打殼氣缸導(dǎo)桿與鋼制打殼錘頭通過(guò)銷釘結(jié)構(gòu)連接，打殼錘頭長(zhǎng)度余量較大，能浸入電解質(zhì)中。開(kāi)始打殼時(shí)，打殼氣缸導(dǎo)桿帶動(dòng)打殼錘頭上下運(yùn)動(dòng)，打開(kāi)結(jié)殼層，浸入電解質(zhì)中。未打殼時(shí)，打殼氣缸、打殼錘頭與電解槽其他結(jié)構(gòu)保持絕緣，處于懸空狀態(tài)，此時(shí)打殼氣缸與電解槽陰極間的壓差約為0 V。在打殼過(guò)程中，打殼錘頭浸入電解質(zhì)中，打殼錘頭、打殼氣缸導(dǎo)桿、氣缸皆為金屬，因此氣缸與電解槽陰極間的電壓值會(huì)向槽壓值靠近。理想狀態(tài)下，打殼錘頭接觸到電解質(zhì)后的電壓值與槽壓值接近，打殼錘頭離開(kāi)電解質(zhì)后的電壓值接近于0 V。

因此，在打殼過(guò)程中檢測(cè)打殼氣缸與電解槽陰極間的壓差，通過(guò)電壓值的相關(guān)性判斷出打殼錘頭是否接觸到電解質(zhì)，即可對(duì)下料口狀態(tài)進(jìn)行定性判斷。打殼錘頭接觸到電解質(zhì)，即說(shuō)明下料口是暢通的。一旦檢測(cè)到打殼錘頭與電解質(zhì)接觸，即停止打殼、收回打殼錘頭，還可縮短打殼錘頭深入電解質(zhì)的時(shí)間，延長(zhǎng)打殼錘頭使用壽命，減少錘頭沾包情況。

2? 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

選取1臺(tái)260 kA電解槽的1個(gè)打殼氣缸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，包含實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)采樣信號(hào)線鋪設(shè)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析3個(gè)部分。

2.1? 實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)應(yīng)具有數(shù)字量輸入2路（按鍵）、模擬量輸入1路（采集電壓）、數(shù)字量輸出1路（打殼繼電器），且應(yīng)具備顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。操作按鍵可實(shí)現(xiàn)打殼控制、打殼時(shí)間調(diào)整等功能。從存儲(chǔ)卡可讀取打殼時(shí)采集的電壓值。

實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)采用STM32F103單片機(jī)，集成A/D模塊。氣缸的檢測(cè)電壓通過(guò)電阻分壓和放大器放大后輸入到單片機(jī)A/D接口引腳。顯示模塊采用數(shù)碼管，顯示打殼時(shí)間。存儲(chǔ)模塊采用Micro SD卡，存儲(chǔ)打殼時(shí)采集的電壓值。

打殼開(kāi)始時(shí)間與打殼結(jié)束時(shí)間是根據(jù)打殼繼電器得電時(shí)間來(lái)判斷的。繼電器線圈得電，繼電器負(fù)載端閉合，打殼電磁閥得電，打殼氣缸上腔充氣、下腔排氣，氣缸導(dǎo)桿帶動(dòng)打殼錘頭向下運(yùn)動(dòng);繼電器線圈失電，繼電器負(fù)載端斷開(kāi)，打殼電磁閥失電，打殼氣缸上腔排氣、下腔充氣，氣缸帶動(dòng)打殼錘頭向上運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)工作過(guò)程為：首先通過(guò)按鍵1調(diào)整好打殼時(shí)間，通常為2～4 s，保證打殼氣缸滿行程;然后通過(guò)按鍵2發(fā)出打殼指令，控制打殼繼電器閉合，同時(shí)A/D接口開(kāi)始以1 ms/次的頻率進(jìn)行采樣;最后打殼結(jié)束，打殼繼電器斷開(kāi)，同時(shí)A/D接口采樣結(jié)束，并將該次打殼采樣數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)卡中。

2.2? 現(xiàn)場(chǎng)采樣信號(hào)線鋪設(shè)

由于檢測(cè)方法較為簡(jiǎn)單，因此只需采集氣缸體電壓信號(hào)即可。1個(gè)打殼氣缸僅需1根信號(hào)線，安裝在氣缸頂部容易操作的地方并壓緊，如圖3所示。

2.3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步分析

按照章節(jié)2.1和2.2的要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。電解槽槽壓為3.84 V，壓縮空氣壓力為0.45 MPa，實(shí)驗(yàn)的打殼時(shí)間設(shè)定為3 s，1次打殼可采集3 000個(gè)數(shù)據(jù)。

初步采樣結(jié)果如圖4所示。對(duì)下料口暢通時(shí)1次打殼獲取的3 000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。橫向?yàn)? 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，縱向?yàn)楦鲾?shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓值。從圖4中可以看到，采樣末段數(shù)據(jù)跳變劇烈，嚴(yán)重影響到數(shù)據(jù)的下一步分析。而且采樣中發(fā)現(xiàn)，非常多的采樣結(jié)果與圖4類似，說(shuō)明采樣通道受到了干擾。

3? 采樣通道改進(jìn)

當(dāng)打殼氣缸不運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)量發(fā)現(xiàn)氣缸體與打殼錘頭之間的導(dǎo)通性能是良好的，但分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：氣缸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)通性能受到了影響。氣缸體與法蘭盤(pán)采用螺栓連接，信號(hào)導(dǎo)通較好，但氣缸體內(nèi)使用的潤(rùn)滑劑有一定的絕緣作用，導(dǎo)致法蘭盤(pán)與氣缸導(dǎo)桿之間、氣缸體與氣缸導(dǎo)桿之間信號(hào)導(dǎo)通不良。而且，氣缸導(dǎo)桿與打殼錘頭的連接采用銷釘結(jié)構(gòu)，也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)導(dǎo)通不良。因此，進(jìn)行針對(duì)性的改造，保證電信號(hào)從打殼錘頭到氣缸體的采樣通道暢通。

3.1? 氣缸體與氣缸導(dǎo)桿之間導(dǎo)通改造

設(shè)計(jì)如圖5所示的采樣輔助裝置。由兩個(gè)L型角鋼組成采樣輔助裝置主體，裝置頂端利用氣缸體與法蘭盤(pán)之間的固定螺釘進(jìn)行固定，中部可以調(diào)整長(zhǎng)度，底端安裝1個(gè)帶銅管的扭簧。扭簧形成的壓力將銅管緊緊壓到氣缸導(dǎo)桿上。電信號(hào)的傳遞過(guò)程為：氣缸導(dǎo)桿→銅管→扭簧→采樣輔助裝置主體→氣缸體[8]。壓在氣缸導(dǎo)桿上的套管采用銅材質(zhì)，大大減少了對(duì)氣缸導(dǎo)桿鍍鉻材料的磨損。

3.2? 氣缸導(dǎo)桿與打殼錘頭之間導(dǎo)通改造

如圖6所示，連接氣缸導(dǎo)桿和打殼錘頭的銷釘結(jié)構(gòu)會(huì)影響電信號(hào)的傳遞，尤其是在打殼運(yùn)動(dòng)過(guò)程中更是如此，且對(duì)隨機(jī)性影響較大。首先，打磨打殼錘頭和氣缸導(dǎo)桿端頭，除掉生銹層。然后，用鋼纜連接導(dǎo)桿端頭和打殼錘頭，并用喉箍將鋼纜兩端分別與氣缸導(dǎo)桿和打殼錘頭進(jìn)行緊固，鋼纜中部留一些活動(dòng)余量。

4? 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)

采樣通道改進(jìn)后，再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電解槽槽壓為3.82 V，壓縮空氣壓力為0.45 MPa，打殼時(shí)間設(shè)定為3 s，1次打殼可采集3 000個(gè)數(shù)據(jù)。分別對(duì)下料口暢通和下料口堵塞兩種狀態(tài)進(jìn)行打殼過(guò)程采樣。

4.1? 下料口暢通

對(duì)下料口暢通時(shí)1次打殼獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從圖7a所示采樣數(shù)據(jù)中可以看出，采樣的前段電壓數(shù)據(jù)處在0 V附近，中間波動(dòng)段表明打殼錘頭剛接觸到電解質(zhì)，因錘頭溫度較低，在接觸的瞬間，電解質(zhì)在錘頭表面結(jié)殼，影響電信號(hào)傳遞，但很快又被電解質(zhì)所融化，電信號(hào)傳遞恢復(fù)正常，因此后段電壓比較平穩(wěn)，且接近于槽壓?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖如圖7b所示。

4.2? 下料口堵塞

對(duì)下料口堵塞時(shí)1次打殼獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從圖8a所示采樣數(shù)據(jù)可以看出，采樣的前段電壓數(shù)據(jù)平穩(wěn)地處在0 V附近，中間波動(dòng)段表明打殼錘頭剛進(jìn)入氧化鋁堆料中或沖擊到電解質(zhì)結(jié)塊，打殼錘頭穩(wěn)定在最低處后，后段電壓比較平穩(wěn)地接近于0 V?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖如圖8b所示。

4.3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由章節(jié)4.1和4.2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)下料口暢通時(shí)，打殼錘頭順利浸入電解質(zhì)中，控制系統(tǒng)可檢測(cè)到穩(wěn)定的、接近于槽壓的電壓值;當(dāng)下料口堵塞或發(fā)生其他情況時(shí)，打殼錘頭無(wú)法浸入電解質(zhì)中，打殼錘頭和電解質(zhì)被氧化鋁或電解質(zhì)硬塊隔離開(kāi)，因此電解質(zhì)中的電壓無(wú)法通過(guò)打殼錘頭傳遞到控制系統(tǒng)，即控制系統(tǒng)檢測(cè)電壓值接近于0 V。

控制系統(tǒng)通過(guò)采集每次打殼的電壓曲線，并分析浸入電解質(zhì)之后的電壓值是接近于槽壓還是接近于0 V，即可判斷出當(dāng)前下料口是否暢通。而且采樣數(shù)據(jù)的波動(dòng)段可作為打殼錘頭浸入電解質(zhì)的標(biāo)志，可適當(dāng)縮短無(wú)效打殼時(shí)間，以期減少錘頭粘包、延長(zhǎng)錘頭使用壽命。

5? 結(jié)論與展望

本文采用自行研發(fā)的實(shí)用新型專利《一種電解槽內(nèi)電解質(zhì)的電信號(hào)采集的輔助裝置》，通過(guò)檢測(cè)打殼錘頭浸入電解質(zhì)后的電壓變化，判斷下料口是否暢通。同時(shí)，針對(duì)信號(hào)導(dǎo)通不良的問(wèn)題，實(shí)施了針對(duì)性改造。主要結(jié)論有：

（1）下料口是暢通還是堵塞，與采樣數(shù)據(jù)后段具有非常明顯的相關(guān)性。當(dāng)下料口暢通時(shí)，采集的電壓穩(wěn)定地接近于槽壓;當(dāng)下料口堵塞時(shí)，采集的電壓比較穩(wěn)定地接近于0 V。

（2）對(duì)采樣數(shù)據(jù)波動(dòng)段的判斷，可作為打殼錘頭是否浸入電解質(zhì)的標(biāo)志。在波動(dòng)段后，盡快判斷出氣缸是否滿行程，并盡快收回打殼錘頭，可減少打殼錘頭在電解質(zhì)中的停留時(shí)間和深度，減少錘頭粘包，延長(zhǎng)錘頭使用壽命。

因各種條件限制，本文沒(méi)有對(duì)電解槽周圍磁場(chǎng)對(duì)檢測(cè)方法的影響進(jìn)行研究，也沒(méi)有對(duì)該方法檢測(cè)下料口堵塞的準(zhǔn)確性進(jìn)行深入研究，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)深化。

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作者簡(jiǎn)介：

王洋（1986—），通信作者，男，漢族，河南鄭州人，東北大學(xué)碩士，工程師。從事鋁電解智能設(shè)備和列車智能運(yùn)維研究。

E-mail： 562828007@qq.com

（收稿日期：2020-07-22）