鋁電解槽打殼氣缸行程檢測方法

王洋 智雷勇

摘? ?要： 鋁電解低電壓生產過程中易出現鋁電解槽下料口不暢通的情況，影響生產品質。提出一種鋁電解槽打殼氣缸行程檢測方法，以改進行程質量。通過檢測打殼錘頭浸入電解質后的電壓變化，判斷下料口是否暢通;針對氣缸體與氣缸導桿之間、氣缸導桿與打殼錘頭之間信號導通不良的問題，提出了檢測措施，實施針對性改造。檢測方法：一是采集每次打殼獲取的電壓采樣數據，當打殼錘頭浸入電解質后的電壓值接近于槽壓時，表明下料口暢通;二是當電壓值接近于0 V時，表明下料口堵塞。通過監控采樣數據的波動段，判斷打殼錘頭浸入電解質的狀態，通過適當縮短無效打殼時間，減少錘頭粘包情況的發生，延長錘頭使用壽命。

關鍵詞： 鋁電解槽;打殼氣缸;氣缸行程;槽壓;錘頭粘包

中圖分類號：TH138.51? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 05-051-06

工業技術創新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.010

引言

在節能減排需求日益提高的大環境下，鋁電解生產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展[1]。同時，由于國內氧化鋁礦品質較低，富鋰氧化鋁在鋁電解生產中受到廣泛應用。在富鋰電解質體系中實施鋁電解低電壓生產的過程中，電解溫度進一步降低[2]，電解質粘度增加，造成氧化鋁溶解性能下降，導致鋁電解槽下料口不暢通、發生陽極效應的情況時有發生。鋁電解生產單位目前主要使用打殼氣缸，打殼過程未受到監測，無法確定打殼的有效性。

國外普遍使用智能化打殼氣錘，以節氣為主要目的，但成本昂貴，無法滿足經濟性要求。在國內，針對打殼氣缸的節氣問題，文獻[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[4]采用先進氣控閥技術，在打殼時根據阻力的增大來增加供氣壓力，但這些方法都無法檢測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是槽電阻[5]，較大的錘頭粘包會阻止氧化鋁進入電解槽，導致打殼氣缸不能滿行程工作。縮短錘頭浸入電解質的時間和深度，可有效減少錘頭粘包情況的發生，還可延長錘頭使用壽命[6]。文獻[7]利用電解質溫度實現下料狀態檢測，但電解質溫度高時腐蝕性強，使得檢測設備可靠性降低。此外還有使用行程開關或磁性開關來檢測打殼氣缸行程的實驗，但鋁電解槽內高溫、強磁、高腐蝕等惡劣環境和氣缸高頻運動等的影響，也使得檢測設備故障率較高，無法投入實際應用。

本文采用自行研發的實用新型專利《一種電解槽內電解質的電信號采集的輔助裝置》[8]，通過檢測打殼錘頭浸入電解質后的電壓變化，判斷下料口是否暢通。同時，針對氣缸體與氣缸導桿之間、氣缸導桿與打殼錘頭之間信號導通不良的問題，實施針對性改造。形成了一種鋁電解槽打殼氣缸行程檢測方法，具有很強的實用性。

1? 打殼氣缸行程檢測原理

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、鋁制陽極等，氣缸、陽極與電解槽上部相互絕緣。電解槽下部由電解質、鋁液、陽極炭塊、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，實現保溫、防漏。電解槽使用的絕緣安裝板通常為機械性能較好的電木板。

電解質是由氧化鋁和冰晶石組成的熔融液體，溫度通常在950℃左右，具備一定的導電能力，且電阻與氧化鋁濃度有關。陽極碳塊浸入其中，與鋁液形成有效極距。電解槽由鋁制陽極、陽極炭塊、電解質、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，故槽壓會有一些差別，但通常在4 V±0.5 V范圍內。如發生陽極效應，槽壓會快速上升到10 V甚至20 V以上，在電流恒定的情況下，電壓急劇增大會造成能耗的巨大浪費。

如前所述，打殼氣缸安裝在電解槽的上部，并與電解槽上部結構絕緣，打殼氣缸導桿與鋼制打殼錘頭通過銷釘結構連接，打殼錘頭長度余量較大，能浸入電解質中。開始打殼時，打殼氣缸導桿帶動打殼錘頭上下運動，打開結殼層，浸入電解質中。未打殼時，打殼氣缸、打殼錘頭與電解槽其他結構保持絕緣，處于懸空狀態，此時打殼氣缸與電解槽陰極間的壓差約為0 V。在打殼過程中，打殼錘頭浸入電解質中，打殼錘頭、打殼氣缸導桿、氣缸皆為金屬，因此氣缸與電解槽陰極間的電壓值會向槽壓值靠近。理想狀態下，打殼錘頭接觸到電解質后的電壓值與槽壓值接近，打殼錘頭離開電解質后的電壓值接近于0 V。

因此，在打殼過程中檢測打殼氣缸與電解槽陰極間的壓差，通過電壓值的相關性判斷出打殼錘頭是否接觸到電解質，即可對下料口狀態進行定性判斷。打殼錘頭接觸到電解質，即說明下料口是暢通的。一旦檢測到打殼錘頭與電解質接觸，即停止打殼、收回打殼錘頭，還可縮短打殼錘頭深入電解質的時間，延長打殼錘頭使用壽命，減少錘頭沾包情況。

2? 實驗方案設計

選取1臺260 kA電解槽的1個打殼氣缸進行實驗方案設計，包含實驗控制系統設計、現場采樣信號線鋪設和實驗結果分析3個部分。

2.1? 實驗控制系統設計

實驗控制系統應具有數字量輸入2路（按鍵）、模擬量輸入1路（采集電壓）、數字量輸出1路（打殼繼電器），且應具備顯示和數據存儲功能。操作按鍵可實現打殼控制、打殼時間調整等功能。從存儲卡可讀取打殼時采集的電壓值。

實驗控制系統如圖2所示。系統采用STM32F103單片機，集成A/D模塊。氣缸的檢測電壓通過電阻分壓和放大器放大后輸入到單片機A/D接口引腳。顯示模塊采用數碼管，顯示打殼時間。存儲模塊采用Micro SD卡，存儲打殼時采集的電壓值。

打殼開始時間與打殼結束時間是根據打殼繼電器得電時間來判斷的。繼電器線圈得電，繼電器負載端閉合，打殼電磁閥得電，打殼氣缸上腔充氣、下腔排氣，氣缸導桿帶動打殼錘頭向下運動;繼電器線圈失電，繼電器負載端斷開，打殼電磁閥失電，打殼氣缸上腔排氣、下腔充氣，氣缸帶動打殼錘頭向上運動。

實驗控制系統工作過程為：首先通過按鍵1調整好打殼時間，通常為2～4 s，保證打殼氣缸滿行程;然后通過按鍵2發出打殼指令，控制打殼繼電器閉合，同時A/D接口開始以1 ms/次的頻率進行采樣;最后打殼結束，打殼繼電器斷開，同時A/D接口采樣結束，并將該次打殼采樣數據存入存儲卡中。

2.2? 現場采樣信號線鋪設

由于檢測方法較為簡單，因此只需采集氣缸體電壓信號即可。1個打殼氣缸僅需1根信號線，安裝在氣缸頂部容易操作的地方并壓緊，如圖3所示。

2.3? 實驗結果初步分析

按照章節2.1和2.2的要求進行實驗。電解槽槽壓為3.84 V，壓縮空氣壓力為0.45 MPa，實驗的打殼時間設定為3 s，1次打殼可采集3 000個數據。

初步采樣結果如圖4所示。對下料口暢通時1次打殼獲取的3 000個數據進行分析。橫向為3 000個數據點，縱向為各數據點對應的電壓值。從圖4中可以看到，采樣末段數據跳變劇烈，嚴重影響到數據的下一步分析。而且采樣中發現，非常多的采樣結果與圖4類似，說明采樣通道受到了干擾。

3? 采樣通道改進

當打殼氣缸不運動時，測量發現氣缸體與打殼錘頭之間的導通性能是良好的，但分析實驗數據發現：氣缸在運動過程中導通性能受到了影響。氣缸體與法蘭盤采用螺栓連接，信號導通較好，但氣缸體內使用的潤滑劑有一定的絕緣作用，導致法蘭盤與氣缸導桿之間、氣缸體與氣缸導桿之間信號導通不良。而且，氣缸導桿與打殼錘頭的連接采用銷釘結構，也會導致信號導通不良。因此，進行針對性的改造，保證電信號從打殼錘頭到氣缸體的采樣通道暢通。

3.1? 氣缸體與氣缸導桿之間導通改造

設計如圖5所示的采樣輔助裝置。由兩個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之間的固定螺釘進行固定，中部可以調整長度，底端安裝1個帶銅管的扭簧。扭簧形成的壓力將銅管緊緊壓到氣缸導桿上。電信號的傳遞過程為：氣缸導桿→銅管→扭簧→采樣輔助裝置主體→氣缸體[8]。壓在氣缸導桿上的套管采用銅材質，大大減少了對氣缸導桿鍍鉻材料的磨損。

3.2? 氣缸導桿與打殼錘頭之間導通改造

如圖6所示，連接氣缸導桿和打殼錘頭的銷釘結構會影響電信號的傳遞，尤其是在打殼運動過程中更是如此，且對隨機性影響較大。首先，打磨打殼錘頭和氣缸導桿端頭，除掉生銹層。然后，用鋼纜連接導桿端頭和打殼錘頭，并用喉箍將鋼纜兩端分別與氣缸導桿和打殼錘頭進行緊固，鋼纜中部留一些活動余量。

4? 改進后實驗

采樣通道改進后，再次進行實驗，電解槽槽壓為3.82 V，壓縮空氣壓力為0.45 MPa，打殼時間設定為3 s，1次打殼可采集3 000個數據。分別對下料口暢通和下料口堵塞兩種狀態進行打殼過程采樣。

4.1? 下料口暢通

對下料口暢通時1次打殼獲取的數據進行分析。從圖7a所示采樣數據中可以看出，采樣的前段電壓數據處在0 V附近，中間波動段表明打殼錘頭剛接觸到電解質，因錘頭溫度較低，在接觸的瞬間，電解質在錘頭表面結殼，影響電信號傳遞，但很快又被電解質所融化，電信號傳遞恢復正常，因此后段電壓比較平穩，且接近于槽壓。現場實物圖如圖7b所示。

4.2? 下料口堵塞

對下料口堵塞時1次打殼獲取的數據進行分析。從圖8a所示采樣數據可以看出，采樣的前段電壓數據平穩地處在0 V附近，中間波動段表明打殼錘頭剛進入氧化鋁堆料中或沖擊到電解質結塊，打殼錘頭穩定在最低處后，后段電壓比較平穩地接近于0 V。現場實物圖如圖8b所示。

4.3? 實驗結果分析

由章節4.1和4.2的實驗結果可知：當下料口暢通時，打殼錘頭順利浸入電解質中，控制系統可檢測到穩定的、接近于槽壓的電壓值;當下料口堵塞或發生其他情況時，打殼錘頭無法浸入電解質中，打殼錘頭和電解質被氧化鋁或電解質硬塊隔離開，因此電解質中的電壓無法通過打殼錘頭傳遞到控制系統，即控制系統檢測電壓值接近于0 V。

控制系統通過采集每次打殼的電壓曲線，并分析浸入電解質之后的電壓值是接近于槽壓還是接近于0 V，即可判斷出當前下料口是否暢通。而且采樣數據的波動段可作為打殼錘頭浸入電解質的標志，可適當縮短無效打殼時間，以期減少錘頭粘包、延長錘頭使用壽命。

5? 結論與展望

本文采用自行研發的實用新型專利《一種電解槽內電解質的電信號采集的輔助裝置》，通過檢測打殼錘頭浸入電解質后的電壓變化，判斷下料口是否暢通。同時，針對信號導通不良的問題，實施了針對性改造。主要結論有：

（1）下料口是暢通還是堵塞，與采樣數據后段具有非常明顯的相關性。當下料口暢通時，采集的電壓穩定地接近于槽壓;當下料口堵塞時，采集的電壓比較穩定地接近于0 V。

（2）對采樣數據波動段的判斷，可作為打殼錘頭是否浸入電解質的標志。在波動段后，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中的停留時間和深度，減少錘頭粘包，延長錘頭使用壽命。

因各種條件限制，本文沒有對電解槽周圍磁場對檢測方法的影響進行研究，也沒有對該方法檢測下料口堵塞的準確性進行深入研究，后續應繼續深化。

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作者簡介：

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

E-mail： 562828007@qq.com

（收稿日期：2020-07-22）