Способ мониторинга и измерения толщины стенки ванны алюминиевого электролизера Российский патент 2018 года по МПК G01B7/06 G01K13/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к производству в алюминиевом электролизере, в частности, к расчету и анализу стенки ванны электролизера.

Предпосылки изобретения

В ходе производства и функционирования электролизера, когда нам нужно иметь сравнительно исчерпывающие знания о рабочем состоянии электролизера, а также выполнять анализ на состояние теплового равновесия электролизера, или когда нам нужно оптимизировать условия электролизера и процесса, а также технологии, как правило, можно провести измерения толщины стенки ванны электролизера.

При измерениях стенки ванны электролизера обычно используются ручные средства. Такие инструменты, как стержень для измерения толщины стенки ванны, стержень для измерения высоты средней секции настыли, стержень для измерения конца настыли и т.п., необходимо подготавливать перед испытанием; в ходе испытания необходимо осуществлять последовательность задач, таких как выбор места, удаление материалов, покрывающих место испытания, вскрытие измерительного отверстия путем опускания головки мостового крана и т.п.; и, наконец, может быть выполнено само испытание. Если для стенки ванны требуется относительно большое количество данных, вышеупомянутые задачи необходимо выполнять повторно. Этот вид способа требует большого количества людских ресурсов, тогда как период измерения достаточно велик. С другой стороны, этапы испытания, такие как удаление материалов, вскрытие отверстия и т.п., как таковые могут нарушить тепловой баланс в электролизере, тем самым оказывая влияние на нормальное производство в электролизере.

Способ, задействованный в настоящем изобретении, представляет собой способ косвенного измерения, который позволяет рассчитывать форму стенки ванны путем измерения температуры внешней стенки. Данный способ также применим к практическим процессам производства в электролизере, позволяя администраторам производства знать об изменении температуры электролизера и стенки ванны во времени с тем, чтобы улучшить настройки регулирования операций в ходе производства и отправлять команды для осуществления операций.

Краткая сущность изобретения

Технические проблемы, решаемые в настоящем изобретении, состоят в использовании способа мониторинга (контроля) и измерения в режиме реального времени температуры кожуха алюминиевого электролизера и в выполнении отбора проб и анализа электролита для получения температуры ликвидуса электролита и, наконец, проведении анализа и расчетов путем обобщения данных о температуре кожуха, данных о температуре ликвидуса электролита и конструктивных размеров электролизера, а также физических параметров футеровки электролизера так, чтобы получить толщину стенки ванны электролизера, по которой можно дополнительно управлять производством и операциями на месте.

При анализе стенки ванны в настоящем изобретении могут быть использованы расчеты теплопереноса в области расплава электролизера следующим образом.

Вид теплопереноса в области расплава электролизера может быть упрощен до схематичного изображения, показанного на фиг. 4.

Теплоперенос в области расплава электролизера может быть выражен следующими формулами:

$$\begin{array}{l}{Q}_1={\alpha }_1(t_{f1}-t_{w1})A\begin{array}{cccc}& & & \end{array}�1�\\ Q_2=\frac{\lambda }{\delta }(t_{w1}-t_{w2})A\begin{array}{cccc}& & & \end{array}�2�\\ Q_3={\alpha }_2(t_{w2}-t_{f2})A\begin{array}{cccc}& & & \end{array}�3�\\ Q_t=\frac{t_{f1}-t_{f2}}{\frac{1}{{\alpha }_{1}A}+\frac{\delta }{\lambda A}+\frac{1}{{\alpha }_{2}A}}\begin{array}{ccc}& & \end{array}�4�\end{array}$$

в которых:

Q₁, Q_2, Q₃, Q_t соответственно представляют собой количество теплоты, обмененное и переданное от области расплава к футеровке за счет конвекции, количество теплоты, переданное от внутренней стенки футеровки к кожуху за счет теплопроводности, количество теплоты, переданное от кожуха к области внешнего воздуха за счет конвекции и теплообмена, и общее количество теплоты, рассеиваемой наружу из области расплава электролизера.

Что касается теплопереноса через несколько слоев области расплава (кожух, углеродные блоки, шлаки и пасты, корки и т.д.) электролизера, то уравнение (4) также может быть дополнительно выражено как:

$$Q_t=\frac{t_{f1}-t_{f2}}{\frac{1}{{\alpha }_{1}A}+{\displaystyle \sum _{i=1}^n\frac{{\delta }_i}{{\lambda }_{i}A}}+\frac{1}{{\alpha }_{2}A}}\begin{array}{cccc}& & & \end{array}�5�$$

Как можно узнать из теорий теплопереноса, из-за баланса количества тепла величина рассеивания тепла из области расплава электролизера составляет:

Q_t=Q₁=Q₂=Q₃,

где α1, α2 - соответственно коэффициенты внутренней и внешней конвекции и теплообмена;

t_w1, t_w2 - температуры поверхности стенки и соответственно температура стенки ванны (т.е. температура ликвидуса) и температура боковой части кожуха;

t_f1, t_f2 - соответственно температура расплава и температура внешнего воздуха;

λ - коэффициент теплопереноса;

δ - конструктивный размер футеровки и т.п., такой как ширина материалов для теплоизоляции;

A - площадь.

Поэтому, если мы измерили температуру расплава внутри электролизера, температуру поверхности стенки кожуха и температуру ликвидуса электролита и т.п. в ходе производства, и по известному конструктивному размеру электролизера и физическим характеристикам используемых материалов из вышеуказанных формул может быть выведена толщина стенки ванны. Как только исследовано множество данных, можно рассчитать требуемую толщину стенки ванны.

Техническое решение, предложенное настоящим изобретением, состоит в следующем: сбор информации о температуре кожуха электролизера (1) за счет размещения зондов (3) для измерения температуры на кожухе; выполнение отбора проб и анализа электролита (9) для получения температуры ликвидуса электролита (9). Данные о температурах передаются непосредственно на главный промышленный персональный компьютер (ППК) (6) с помощью линии (4) передачи данных, или же передаются на накопитель (5) данных с помощью линии (4) передачи данных, а затем на главный промышленный персональный компьютер (6); или, в качестве альтернативы, данные о температуре также могут быть переданы по беспроводной связи с помощью передатчика (7) данных, а затем приняты приемником (8) данных и далее переданы на главный промышленный персональный компьютер (6). Наконец, анализ и расчеты выполняются промышленным персональным компьютером (6) для получения толщины стенки (2) ванны электролизера.

Описание чертежей

Фигура 1 представляет собой первое схематичное изображение, иллюстрирующее способ мониторинга и измерения толщины стенки ванны алюминиевого электролизера;

Фигура 2 представляет собой второе схематичное изображение, иллюстрирующее способ мониторинга и измерения толщины стенки ванны алюминиевого электролизера;

Фигура 3 представляет собой схематичное изображение, иллюстрирующее беспроводную передачу в способе мониторинга и измерения стенки ванны алюминиевого электролизера.

Фигура 4 представляет собой схему модели теплопереноса для области расплава электролизера.

Подробное описание вариантов воплощения

Вариант 1

Зонды (3) для мониторинга и измерения устанавливают в группе на кожухе алюминиевого электролизера (1) для того, чтобы получать информацию о температуре кожуха электролизера; выполняют отбор проб и анализ электролита (9) для того, чтобы получить температуру ликвидуса электролита (9). После того как информация о температуре передана на накопитель (5) данных с помощью линии (4) передачи данных, данные объединяют, а затем передают на главный промышленный персональный компьютер (6) с помощью линии (4) передачи данных для того, чтобы продолжить анализ и расчеты, а также в итоге отобразить толщину стенки (2) ванны.

Вариант 2

Зонды (3) для мониторинга и измерения устанавливают в группе на кожухе алюминиевого электролизера (1) для того, чтобы получать информацию о температуре кожуха электролизера; выполняют отбор проб и анализ электролита (9) для того, чтобы получить температуру ликвидуса электролита (9). Полученные от мониторинга и измерения данные передают по беспроводной связи с помощью передатчика (7) данных, а затем принимают приемником (8) данных и передают на главный промышленный персональный компьютер (6) для того, чтобы продолжить анализ и расчеты, а также в итоге отобразить толщину стенки (2) ванны.

В изобретении раскрыт способ мониторинга и измерения толщины стенки ванны алюминиевого электролизера, который позволяет постоянно и непрерывно отслеживать температуру кожуха электролизера, выполняя при этом отбор проб и анализ электролита для получения температуры ликвидуса электролита. Путем анализа и обсчета данных испытания на месте, данных о конструкции электролизера и физических характеристик материалов можно затем смоделировать толщину стенки ванны электролизера. Смоделированные результаты отображаются на терминале компьютера для управления производством и эксплуатацией на месте. Технический результат – повышение точности и информативности получаемых данных при одновременном упрощении технологии инструментальных измерений. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ мониторинга и измерения толщины стенки ванны алюминиевого электролизера, содержащий следующие этапы:

установка зондов (3) для измерения температуры на кожухе (1) электролизера для сбора информации о температуре кожуха;

выполнение отбора проб и анализа электролита (9) для получения температуры ликвидуса электролита (9);

передача данных о температуре кожуха, которая измерена зондами для измерения температуры, и данных о температуре ликвидуса электролита на промышленный персональный компьютер;

получение с помощью промышленного персонального компьютера толщины стенки ванны электролизера путем анализа и расчетов по данным испытания, конструктивным размерам электролизера и физическим параметрам футеровки электролизера.

2. Способ мониторинга и измерения толщины стенки ванны алюминиевого электролизера по п. 1, характеризующийся тем, что зонды (3) для мониторинга и измерения могут быть установлены на боковой части кожуха, донной части или верхней части электролизера.

3. Способ мониторинга и измерения толщины стенки ванны алюминиевого электролизера по п. 1 или 2, характеризующийся тем, что зонды (3) для мониторинга и измерения, предусмотренные в каждом алюминиевом электролизере (1), могут быть комплектом зондов или множественными комплектами зондов.

4. Способ мониторинга и измерения толщины стенки ванны алюминиевого электролизера по п. 1 или 2, характеризующийся тем, что зондами (3) для мониторинга и измерения могут использоваться детектор инфракрасного излучения, тепловизор инфракрасного излучения, измеритель теплового потока, термопара и т.п.

5. Способ мониторинга и измерения толщины стенки ванны алюминиевого электролизера по п. 1, характеризующийся тем, что измеренные данные о температуре кожуха и данные о температуре ликвидуса электролита передают на главный промышленный персональный компьютер (6) непосредственно по линии (4) передачи данных.

6. Способ мониторинга и измерения толщины стенки ванны алюминиевого электролизера по п. 1, характеризующийся тем, что измеренные данные о температуре кожуха и данные о температуре ликвидуса электролита передают на накопитель (5) данных по линии (4) передачи данных, а затем на главный промышленный персональный компьютер (6).

7. Способ мониторинга и измерения толщины стенки ванны алюминиевого электролизера по п. 1, характеризующийся тем, что измеренные данные о температуре кожуха и данные о температуре ликвидуса электролита могут быть переданы по беспроводной связи с помощью передатчика (7) данных, а затем приняты приемником (8) данных и переданы на главный промышленный персональный компьютер (6).