铝电解槽打壳气缸行程检测方法

王洋 智雷勇

摘   要： 铝电解低电压生产过程中易出现铝电解槽下料口不畅通的情况，影响生产品质。提出一种铝电解槽打壳气缸行程检测方法，以改进行程质量。通过检测打壳锤头浸入电解质后的电压变化，判断下料口是否畅通;针对气缸体与气缸导杆之间、气缸导杆与打壳锤头之间信号导通不良的问题，提出了检测措施，实施针对性改造。检测方法：一是采集每次打壳获取的电压采样数据，当打壳锤头浸入电解质后的电压值接近于槽压时，表明下料口畅通;二是当电压值接近于0 V时，表明下料口堵塞。通过监控采样数据的波动段，判断打壳锤头浸入电解质的状态，通过适当缩短无效打壳时间，减少锤头粘包情况的发生，延长锤头使用寿命。

关键词： 铝电解槽;打壳气缸;气缸行程;槽压;锤头粘包

中图分类号：TH138.51    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 05-051-06

工业技术创新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.010

引言

在节能减排需求日益提高的大环境下，铝电解生产正朝着降低工作电压、提高电流效率、缩短有效极距的方向发展[1]。同时，由于国内氧化铝矿品质较低，富锂氧化铝在铝电解生产中受到广泛应用。在富锂电解质体系中实施铝电解低电压生产的过程中，电解温度进一步降低[2]，电解质粘度增加，造成氧化铝溶解性能下降，导致铝电解槽下料口不畅通、发生阳极效应的情况时有发生。铝电解生产单位目前主要使用打壳气缸，打壳过程未受到监测，无法确定打壳的有效性。

国外普遍使用智能化打壳气锤，以节气为主要目的，但成本昂贵，无法满足经济性要求。在国内，针对打壳气缸的节气问题，文献[3]采用减压模块，降低待工期间的供气压力，以减少压缩空气泄漏量，文献[4]采用先进气控阀技术，在打壳时根据阻力的增大来增加供气压力，但这些方法都无法检测打壳气缸是否满行程工作、下料口是否畅通等。影响电解槽下料的因素较多，下料控制的主要的依据是槽电阻[5]，较大的锤头粘包会阻止氧化铝进入电解槽，导致打壳气缸不能满行程工作。缩短锤头浸入电解质的时间和深度，可有效减少锤头粘包情况的发生，还可延长锤头使用寿命[6]。文献[7]利用电解质温度实现下料状态检测，但电解质温度高时腐蚀性强，使得检测设备可靠性降低。此外还有使用行程开关或磁性开关来检测打壳气缸行程的实验，但铝电解槽内高温、强磁、高腐蚀等恶劣环境和气缸高频运动等的影响，也使得检测设备故障率较高，无法投入实际应用。

本文采用自行研发的实用新型专利《一种电解槽内电解质的电信号采集的辅助装置》[8]，通过检测打壳锤头浸入电解质后的电压变化，判断下料口是否畅通。同时，针对气缸体与气缸导杆之间、气缸导杆与打壳锤头之间信号导通不良的问题，实施针对性改造。形成了一种铝电解槽打壳气缸行程检测方法，具有很强的实用性。

1  打壳气缸行程检测原理

如图1所示，铝电解槽分为上、下两部分，两部分相互绝缘。上部安装有打壳气缸、铝制阳极等，气缸、阳极与电解槽上部相互绝缘。电解槽下部由电解质、铝液、阳极炭块、阴极炭块、阴极钢棒和钢壳等组成，炭块与钢壳之间填充耐火材料和防渗材料，实现保温、防漏。电解槽使用的绝缘安装板通常为机械性能较好的电木板。

电解质是由氧化铝和冰晶石组成的熔融液体，温度通常在950℃左右，具备一定的导电能力，且电阻与氧化铝浓度有关。阳极碳块浸入其中，与铝液形成有效极距。电解槽由铝制阳极、阳极炭块、电解质、铝液、阴极炭块、阴极依次形成电流回路，相邻电解槽采用串联供电的方式，因此各槽电流相同、电压略有不同。电解槽通常按照电流，如260 kA、400 kA、600 kA等分类，且不同电解厂采用不同的工艺参数，故槽压会有一些差别，但通常在4 V±0.5 V范围内。如发生阳极效应，槽压会快速上升到10 V甚至20 V以上，在电流恒定的情况下，电压急剧增大会造成能耗的巨大浪费。

如前所述，打壳气缸安装在电解槽的上部，并与电解槽上部结构绝缘，打壳气缸导杆与钢制打壳锤头通过销钉结构连接，打壳锤头长度余量较大，能浸入电解质中。开始打壳时，打壳气缸导杆带动打壳锤头上下运动，打开结壳层，浸入电解质中。未打壳时，打壳气缸、打壳锤头与电解槽其他结构保持绝缘，处于悬空状态，此时打壳气缸与电解槽阴极间的压差约为0 V。在打壳过程中，打壳锤头浸入电解质中，打壳锤头、打壳气缸导杆、气缸皆为金属，因此气缸与电解槽阴极间的电压值会向槽压值靠近。理想状态下，打壳锤头接触到电解质后的电压值与槽压值接近，打壳锤头离开电解质后的电压值接近于0 V。

因此，在打壳过程中检测打壳气缸与电解槽阴极间的压差，通过电压值的相关性判断出打壳锤头是否接触到电解质，即可对下料口状态进行定性判断。打壳锤头接触到电解质，即说明下料口是畅通的。一旦检测到打壳锤头与电解质接触，即停止打壳、收回打壳锤头，还可缩短打壳锤头深入电解质的时间，延长打壳锤头使用寿命，减少锤头沾包情况。

2  实验方案设计

选取1台260 kA电解槽的1个打壳气缸进行实验方案设计，包含实验控制系统设计、现场采样信号线铺设和实验结果分析3个部分。

2.1  实验控制系统设计

实验控制系统应具有数字量输入2路（按键）、模拟量输入1路（采集电压）、数字量输出1路（打壳继电器），且应具备显示和数据存储功能。操作按键可实现打壳控制、打壳时间调整等功能。从存储卡可读取打壳时采集的电压值。

实验控制系统如图2所示。系統采用STM32F103单片机，集成A/D模块。气缸的检测电压通过电阻分压和放大器放大后输入到单片机A/D接口引脚。显示模块采用数码管，显示打壳时间。存储模块采用Micro SD卡，存储打壳时采集的电压值。

打壳开始时间与打壳结束时间是根据打壳继电器得电时间来判断的。继电器线圈得电，继电器负载端闭合，打壳电磁阀得电，打壳气缸上腔充气、下腔排气，气缸导杆带动打壳锤头向下运动;继电器线圈失电，继电器负载端断开，打壳电磁阀失电，打壳气缸上腔排气、下腔充气，气缸带动打壳锤头向上运动。

实验控制系统工作过程为：首先通过按键1调整好打壳时间，通常为2～4 s，保证打壳气缸满行程;然后通过按键2发出打壳指令，控制打壳继电器闭合，同时A/D接口开始以1 ms/次的频率进行采样;最后打壳结束，打壳继电器断开，同时A/D接口采样结束，并将该次打壳采样数据存入存储卡中。

2.2  现场采样信号线铺设

由于检测方法较为简单，因此只需采集气缸体电压信号即可。1个打壳气缸仅需1根信号线，安装在气缸顶部容易操作的地方并压紧，如图3所示。

2.3  实验结果初步分析

按照章节2.1和2.2的要求进行实验。电解槽槽压为3.84 V，压缩空气压力为0.45 MPa，实验的打壳时间设定為3 s，1次打壳可采集3 000个数据。

初步采样结果如图4所示。对下料口畅通时1次打壳获取的3 000个数据进行分析。横向为3 000个数据点，纵向为各数据点对应的电压值。从图4中可以看到，采样末段数据跳变剧烈，严重影响到数据的下一步分析。而且采样中发现，非常多的采样结果与图4类似，说明采样通道受到了干扰。

3  采样通道改进

当打壳气缸不运动时，测量发现气缸体与打壳锤头之间的导通性能是良好的，但分析实验数据发现：气缸在运动过程中导通性能受到了影响。气缸体与法兰盘采用螺栓连接，信号导通较好，但气缸体内使用的润滑剂有一定的绝缘作用，导致法兰盘与气缸导杆之间、气缸体与气缸导杆之间信号导通不良。而且，气缸导杆与打壳锤头的连接采用销钉结构，也会导致信号导通不良。因此，进行针对性的改造，保证电信号从打壳锤头到气缸体的采样通道畅通。

3.1  气缸体与气缸导杆之间导通改造

设计如图5所示的采样辅助装置。由两个L型角钢组成采样辅助装置主体，装置顶端利用气缸体与法兰盘之间的固定螺钉进行固定，中部可以调整长度，底端安装1个带铜管的扭簧。扭簧形成的压力将铜管紧紧压到气缸导杆上。电信号的传递过程为：气缸导杆→铜管→扭簧→采样辅助装置主体→气缸体[8]。压在气缸导杆上的套管采用铜材质，大大减少了对气缸导杆镀铬材料的磨损。

3.2  气缸导杆与打壳锤头之间导通改造

如图6所示，连接气缸导杆和打壳锤头的销钉结构会影响电信号的传递，尤其是在打壳运动过程中更是如此，且对随机性影响较大。首先，打磨打壳锤头和气缸导杆端头，除掉生锈层。然后，用钢缆连接导杆端头和打壳锤头，并用喉箍将钢缆两端分别与气缸导杆和打壳锤头进行紧固，钢缆中部留一些活动余量。

4  改进后实验

采样通道改进后，再次进行实验，电解槽槽压为3.82 V，压缩空气压力为0.45 MPa，打壳时间设定为3 s，1次打壳可采集3 000个数据。分别对下料口畅通和下料口堵塞两种状态进行打壳过程采样。

4.1  下料口畅通

对下料口畅通时1次打壳获取的数据进行分析。从图7a所示采样数据中可以看出，采样的前段电压数据处在0 V附近，中间波动段表明打壳锤头刚接触到电解质，因锤头温度较低，在接触的瞬间，电解质在锤头表面结壳，影响电信号传递，但很快又被电解质所融化，电信号传递恢复正常，因此后段电压比较平稳，且接近于槽压。现场实物图如图7b所示。

4.2  下料口堵塞

对下料口堵塞时1次打壳获取的数据进行分析。从图8a所示采样数据可以看出，采样的前段电压数据平稳地处在0 V附近，中间波动段表明打壳锤头刚进入氧化铝堆料中或冲击到电解质结块，打壳锤头稳定在最低处后，后段电压比较平稳地接近于0 V。现场实物图如图8b所示。

4.3  实验结果分析

由章节4.1和4.2的实验结果可知：当下料口畅通时，打壳锤头顺利浸入电解质中，控制系统可检测到稳定的、接近于槽压的电压值;当下料口堵塞或发生其他情况时，打壳锤头无法浸入电解质中，打壳锤头和电解质被氧化铝或电解质硬块隔离开，因此电解质中的电压无法通过打壳锤头传递到控制系统，即控制系统检测电压值接近于0 V。

控制系统通过采集每次打壳的电压曲线，并分析浸入电解质之后的电压值是接近于槽压还是接近于0 V，即可判断出当前下料口是否畅通。而且采样数据的波动段可作为打壳锤头浸入电解质的标志，可适当缩短无效打壳时间，以期减少锤头粘包、延长锤头使用寿命。

5  结论与展望

本文采用自行研发的实用新型专利《一种电解槽内电解质的电信号采集的辅助装置》，通过检测打壳锤头浸入电解质后的电压变化，判断下料口是否畅通。同时，针对信号导通不良的问题，实施了针对性改造。主要结论有：

（1）下料口是畅通还是堵塞，与采样数据后段具有非常明显的相关性。当下料口畅通时，采集的电压稳定地接近于槽压;当下料口堵塞时，采集的电压比较稳定地接近于0 V。

（2）对采样数据波动段的判断，可作为打壳锤头是否浸入电解质的标志。在波动段后，尽快判断出气缸是否满行程，并尽快收回打壳锤头，可减少打壳锤头在电解质中的停留时间和深度，减少锤头粘包，延长锤头使用寿命。

因各种条件限制，本文没有对电解槽周围磁场对检测方法的影响进行研究，也没有对该方法检测下料口堵塞的准确性进行深入研究，后续应继续深化。

参考文献

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[7] 高鸿光， 吴军， 王鑫健， 等. 一种铝电解槽下料口防卡堵实时检测装置： CN201220366223.6[P]. 2013-02-13.

[8] 王洋， 魏青， 张烁， 等. 一种电解槽内电解质的电信号采集的辅助装置： CN201720364319.1[P]. 2018-03-02.

作者简介：

王洋（1986—），通信作者，男，汉族，河南郑州人，东北大学硕士，工程师。从事铝电解智能设备和列车智能运维研究。

E-mail： 562828007@qq.com

（收稿日期：2020-07-22）