用于防止电解池中的铝热反应的系统和方法
【专利摘要】一种监控电解池的方法，包括检测指示铝热反应的信息、将指示铝热反应的信息与阈值进行比较、根据该比较生成铝热响应信号以及通过调整电解池的操作来对铝热响应信号作出反应。
【专利说明】用于防止电解池中的铝热反应的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年8月17日提交的美国临时申请N0.61/684，212和于2013年3月15日提交的美国临时申请N0.61/800，649的优先权。美国临时申请N0.61/684，212和61/800，649的全部内容通过引用被并入本文，用于所有目的。
[0003]版权申明
[0004]本申请包括受版权保护的素材。当由任何人对专利公开内容的拓制出现在专利和商标局的文件或记录中时，版权拥有者对其没有异议，但是除此之外在任何情况下都保留所有版权权利。
【技术领域】
[0005]本发明涉及电解池中的铝热反应。更具体而言，本发明涉及用于检测和/或防止电解池中的铝热反应的系统和方法。
【背景技术】
[0006]电解池中氧化铝的电解是用于铝金属的生产的主要工业过程。在铝电解池中，电流在浸在含有溶解的氧化铝的熔融冰晶石浴中的阳极和阴极之间经过。电流造成铝金属在阴极上的沉积。通常，阳极是由碳或石墨材料制成的。碳阳极在铝生产过程中被消耗，产生二氧化碳，而必须被频繁地替换。
[0007]在有些电解池中，基本上“非消耗性”或“惰性”阳极的使用提供了对碳阳极的成本有效和更环保的备选方案。但是，当惰性阳极包括金属氧化物时，在电解池中的金属氧化物和铝金属之间存在铝热反应的可能性，从而导致可能的池故障或池喷发。
[0008]铝热反应是在存在热的情况下在金属氧化物和另一种金属(诸如铝)之间发生的高度放热的氧化还原反应。
[0009]例如，可以在电解池中发生的典型铝热反应由以下的反应式I和2陈述。
[0010]MxOy (金属氧化物)+2Y/3A1 (金属)一XM+Y/3A1203+ 热(反应式 I)
[0011 ] Fe2O3 (氧化铁)+2A1 (铝金属)—2Fe+Al203+ 热(反应式 2)
[0012]如在反应式2中所示出的，因为与铁相比，铝与氧形成更强的键合，所以铝金属还原氧化铁，以产生氧化铝、铁和大量的热。
[0013]如在其它电解金属生产过程中，铝的电解生产涉及电解池中的高热量(例如，高达950°C的温度)和金属(铝)的存在以刺激铝热反应。因而，在某些操作条件下，使用具有金属氧化物的惰性阳极可能造成电解池中的铝热反应。
【发明内容】
[0014]本发明涉及电解池中的铝热反应。更具体而言，本发明涉及用于检测和/或防止电解池中的铝热反应的系统及方法。在有些实施例中，本发明提供了监控电解池中的铝热反应的指示器的方法。
[0015]本发明另外的目标和优点将在附图、本发明的具体描述和权利要求书的描述中变得更加清楚。
[0016]本发明的以上和/或其它方面和效用可以通过提供监控电解池的方法来实现，该方法包括检测指示铝热反应的信息、将指示铝热反应的信息与阈值进行比较、根据该比较生成铝热响应信号以及对铝热响应信号作出反应。
[0017]在另一种实施例中，检测指示铝热反应的信息包括从一个或多个阳极检测指示铝热反应的信息，并且其中这一个或多个阳极包括金属氧化物。
[0018]在另一种实施例中，指示铝热反应的信息包括与经过该一个或多个阳极的电流有关的信息。
[0019]在另一种实施例中，指示铝热反应的信息包括与该一个或多个阳极关联的磁场、与该一个或多个阳极关联的电场以及与该一个或多个阳极关联的电压中的至少一个。
[0020]在另一种实施例中，指示铝热反应的信息包括与该一个或多个阳极关联的电压降。
[0021]在另一种实施例中，电压降是在该一个或多个阳极的每一个中的已知点两端检测的。
[0022]在另一种实施例中，电压降是在支承一组该一个或多个阳极的阳极分配板中的已知点两端检测的。
[0023]在另一种实施例中，电压降是在支承该一个或多个阳极或者一个或多个阳极分配板的阳极组件中的已知点两端检测的。
[0024]在另一种实施例中，电压降是在该一个或多个阳极、支承一组该一个或多个阳极的阳极分配板以及支承该一个或多个阳极或者一个或多个阳极分配板的阳极组件中的至少每一个的已知点两端检测的。
[0025]在另一种实施例中，指示铝热反应的信息与阈值的比较包括将与该一个或多个阳极关联的电压降与阈值电压降进行比较。
[0026]在另一种实施例中，阈值电压降基于电解池过去的操作数据。
[0027]在另一种实施例中，阈值电压降是之前与铝热反应关联的电压降电平。
[0028]在另一种实施例中，阈值电压降是电压降增加的速率。
[0029]在另一种实施例中，阈值电压降是从电解池过去的操作数据和电解池的操作参数与成分之一得出的计算机得出的阈值。
[0030]在另一种实施例中，根据比较生成铝热响应信号包括:如果检测到的电压降匹配或超过阈值电压降则生成铝热响应信号。
[0031]在另一种实施例中，根据比较生成铝热响应信号包括:如果检测到的电压降指示一个或多个阳极两端的电压降的突然升高，则生成铝热响应信号。
[0032]在另一种实施例中，根据比较生成铝热响应信号包括:如果与阈值比较时，该检测到的电压降指示一个或多个阳极两端的电压降的突然升高，则生成铝热响应信号。
[0033]在另一种实施例中，根据比较生成铝热响应信号包括:如果检测到的电压降不匹配或不超过阈值电压降，则生成备用信号作为铝热响应信号。
[0034]在另一种实施例中，根据比较生成铝热响应信号包括:如果当与阈值比较时检测到的电压降不指示一个或多个阳极两端的电压降的突然升高，则生成备用信号作为铝热响应信号。
[0035]在另一种实施例中，对铝热响应信号作出反应包括当铝热响应信号是备用信号时继续检测指示销热反应的信息。
[0036]在另一种实施例中，对铝热响应信号作出反应包括向电解池的操作人员发送信号。
[0037]在另一种实施例中，对铝热响应信号作出反应包括调整电解池的操作参数。
[0038]在另一种实施例中，调整电解池的操作参数包括以下一个或多个:改变一个或多个阳极的ACD、移动一个或多个阳极、从电解浴中移除一个或多个阳极、改变提供给一个或多个阳极的电流、改变电解浴的温度、改变电解浴的化学组成、从电解浴移除电极组件、改变提供给电解池的电流。
[0039]在另一种实施例中，铝热响应信号的幅度与检测到的电压降的幅度对应，并且其中对铝热响应信号作出反应与铝热响应信号的幅度相应。
[0040]本发明的以上和/或其它方面和效用也可以通过提供惰性阳极电解池来实现，该电解池包括:两组或更多组惰性阳极，配置为向以液态与两个或更多个阳极接触的电解浴输送电流；电连接到第一组惰性阳极的第一阳极分配器板，配置为向第一组惰性阳极分配电流；第一电压探针，配置为检测与第一阳极分配器板关联的电压降并且发射对应的第一电压降信号；电连接到第二组惰性阳极的第二阳极分配器板，配置为向第二组惰性阳极分配电流；第二电压探针，配置为检测与第二阳极分配器板关联的电压降并发射对应的第二电压降信号；监控设备，配置为接收第一电压降信号和第二电压降信号，并配置为如果第一电压降信号和第二电压降信号之一满足或超过阈值电压降则生成铝热响应信号；以及罐控制系统，配置为接收铝热响应信号，并配置为根据铝热响应信号调整电解池的操作参数，其中，如果当与阈值电压降比较时，第一电压降信号和第二电压降信号电压降中的一个或多个指示第一阳极分配器板或第二阳极分配器板两端的电压降的突然升高，则监控设备生成铝热响应信号。
[0041]本发明的以上和/或其它方面和效用也可以通过提供一种装置来实现，该装置包括:熔融电解浴；与该电解浴以液态相通的至少一个阴极；包括金属氧化物材料的多个惰性阳极，其中惰性阳极与该电解浴以液态相通；以及(例如，通过配置为测量阳极电流源上的点与配电板或其它结构上的公共点之间的电压降的电压探针)与多个阳极中的每个阳极通信的监控设备，其中监控设备配置为接收与每个阳极(例如，每个阳极的电压探针)关联的电压降信号，其中监控设备将来自多个阳极的多个电压降信号与预定的阈值进行比较，其中监控设备还生成指示铝热反应的响应信号(例如，铝热反应是否存在)。
[0042]本发明的以上和/或其它方面和效用也可以通过提供一种装置来实现，该装置包括:具有第一组惰性阳极的电极组件，该阳极包括金属氧化物材料；至少一个分配器，其中第一组阳极中的每个阳极电连接到该分配器，使得分配器测量穿过公共电流源到第一组阳极的电压降，其中分配器适于生成指示经过第一组阳极的总电流的信号；以及与分配器通信的监控设备，其中监控设备适于接收来自分配器的信号并将其与(例如，电压降的)预定的阈值进行比较，并且生成指示阳极组件中的铝热反应的响应信号。
[0043]本发明的以上和/或其它方面和效用也可以通过提供一种装置来实现，该装置包括:包括至少两个分配器的电极组件，该至少两个分配器包括第一分配器和第二分配器；连接到第一分配器的第一组基于金属氧化物的阳极，其中第一组阳极中的每个阳极电连接到第一分配器，其中第一分配器测量穿过公共电流源到第一组阳极的电压降，其中第一分配器配置为生成指示经过第一组阳极的总电流的信号；连接到第二分配器的第二组基于金属氧化物的阳极，其中第二组阳极中的每个阳极电连接到第二分配器，其中第二分配器测量穿过公共电流源到第二组阳极的电压降，其中第二分配器适于生成指示经过第二组阳极的总电流的信号；与第一分配器和第二分配器通信的监控设备，其中监控设备适于从分配器接收信号并生成指示阳极组件中的铝热反应的响应信号。
[0044]本发明的以上和/或其它方面和效用也可以通过提供一种方法来实现，该方法包括:测量穿过公共电流源到多个基于金属氧化物的阳极的电压降；将该电压降与预定的阈值进行比较；以及确定铝热反应是否发生。
[0045]本发明的以上和/或其它方面和效用也可以通过提供一种方法来实现，该方法包括:测量穿过公共电流源到多个阳极的电压降，其中阳极包括金属氧化物；将指示电压降的信号从阳极导向监控设备；经由监控设备比较该信号与预定的阈值；根据比较结果生成响应信号(例如，以解决在池/阳极中是否存在铝热反应)；以及根据响应信号调整系统或池部件。
[0046]在有些实施例中，操作的一个或多个可以重复，例如，以持续地和/或间歇地监控阳极中的铝热反应。
[0047]本发明的以上和/或其它方面和效用也可以通过提供一种方法来实现，该方法包括:提供多个阳极组，其中每个阳极组都与分配器通信，其中每个阳极组适于与该分配器连接(例如，并且电通信)；将电压降信号从每个阳极组的每个阳极传送到用于该阳极组的每个分配器；将在每个分配器处收集到的最大电压降信号传送到监控设备；经由监控设备比较该最大电压降信号与预定的阈值；以及经由监控设备生成指示是否存在铝热反应的响应信号。
[0048]在有些实施例中，该方法包括调整系统或池部件(例如，以防止、减少和/或消除销热反应)。
[0049]在有些实施例中，一个或多个方法步骤可以重复。
[0050]在有些实施例中，短截线(stub)电压降(相对于正常情况)用来检测可能的电短路条件。
[0051]在有些实施例中，电解池电阻降(相对于正常情况)用来检测电短路条件。
[0052]在有些实施例中，板电阻降(相对于正常情况)用来检测电短路条件。
[0053]在有些实施例中，信号与任何分配器板中的电流成比例。
[0054]在有些实施例中，一个或多个即时系统和/或方法测量并防止阳极退化(例如，通过在阳极上发生的铝热反应)。在一种或多种实施例中，即时系统和/或方法控制电解池内的放热反应。在本发明的一种或多种实施例中，具有金属氧化物的惰性阳极被用来在确保惰性阳极和/或电解池不会由于铝热反应而发生故障的同时经由电解池产生原生金属。
【专利附图】
【附图说明】
[0055]通过结合附图考虑以下各种实施例的描述，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得清楚并更容易理解，其中:
[0056]图1A和IB示出了根据本发明实施例的电解池示意图。
[0057]图2和3示出了根据本发明实施例的阳极组件。
[0058]图4、5和6示出了根据本发明实施例的监控电解池的方法。
[0059]图7和8示出了根据本发明实施例的阳极组件。
[0060]图9示出了根据本发明的一种或多种实施例可以使用的各种反馈信号。
[0061]图10-27示出了模拟本发明实施例的计算机模型。
[0062]以上参考的附图不一定是按比例的，有重点地而不是一般性地说明本发明的原理。另外，有些特征可以被放大，以示出特定部件的细节。这些附图/图示旨在解释而不是限制本发明。
【具体实施方式】
[0063]现在将具体地参考本发明的各种实施例。以下描述实施例以提供对本发明的部件、过程和装置的更完全理解。给出的任何例子都是说明性的而不是限制性的。贯穿本说明书和权利要求书，除非上下文清楚地另外指出，否则以下术语采用与本文明确相关的含义。如在本文中所使用的短语“在有些实施例中”和“在实施例中”不一定指相同的实施例，但可以是相同的实施例。此外，如在本文中所使用的短语“在另一种实施例中”和“在一些其它实施例中”不一定指不同的实施例，但可以是不同的实施例。如下所述，在不背离本发明范围或精神的情况下，本发明的各种实施例可以很容易地组合。
[0064]如在本文中所使用的，除非上下文清楚地另外指出，否则术语“或者”是包含性功能词(operator)，并且等效于术语“和/或”。除非上下文清楚地另外指出，否则术语“基于”不是排他的并且允许基于未描述的附加因素。此外，贯穿本说明书，“一种”、“一个”和“该”的含义包括复数指代。“在…中”的含义包括“在…中”和“在…上”。
[0065]除非另外规定，否则下文中定义的所有物理属性都是在摄氏20°至25°测量的。
[0066]当在本文中提到各值的任何数值范围时，这种范围应当理解为包括所述范围的最小值和最大值之间的每个数字和/或分数。例如，大约0.5-6%的范围将明确地包括大约0.6%、0.7%和0.9%—直到并包括5.95%,5.97%和5.99%的中间值。除非上下文清楚地另外指出，否则这同样适用于本文所阐述的每个其它数值属性和/或基本范围。
[0067]如在本文中所使用的，“电极”可以指带正电荷的电极(例如阳极)和带负电荷的电极(例如阴极)。
[0068]如在本文中所使用的，“惰性阳极”指在电解过程期间基本上不被消耗或者基本上尺寸稳定的阳极。惰性阳极的一些非限制性例子包括:陶瓷、金属陶瓷、金属(金属性)阳极及其组合。
[0069]如在本文中所使用的，“电压降”指两个对象或者同一对象上的两个点之间的电压差。
[0070]在本发明的有些实施例中，金属氧化物指在电解期间被氧化的阳极的金属性部件。在其它实施例中，金属氧化物在电解期间形成为惰性阳极上的层或部分。
[0071]在有些实施例中，阳极由导电材料构成，该导电材料包括但不限于:金属、金属氧化物、陶瓷、金属陶瓷、碳及其组合。在一个非限制性例子中，如在美国专利N0.7，507, 322或美国专利N0.7，235，161中所描述的，阳极由包括氧化铁(例如，FeO, FeO2^P Fe 203及其组合)的混合的金属氧化物构成。
[0072]图1A-1B和图2-3示出了根据本发明实施例的电解池示意图。如在图1A-1B和图2-3中所示出的，电解池⑴可以包括阳极(2)、阴极(3)、电极组件(100)、电解浴(5)和监控设备(200) ο电解池(I)可以经由罐控制(pot control)系统(300)控制。
[0073]在本发明的一种实施例中，阳极⑵和阴极(3)浸在电解浴(5)中。在另一种实施例中，阳极(2)与监控设备(200)通信，而监控设备(200)又与罐控制系统(300)通信。在一种实施例中，阳极(2)经由阳极探针(500)(未图示)与监控设备(200)通信。在一种实施例中，阳极探针(500)体现为阳极电压探针(500)。
[0074]如在图1A中所示出的，在一种实施例中，阳极⑵位于电极组件(100)上。在另一种实施例中，如在图1B中所示出的，阳极(2)和阴极(3)都位于电极组件(100)上。
[0075]如在图2中所示出的，在本发明的实施例中，电解池⑴包括多个阳极⑵
An)。在一种实施例中，每个阳极⑵(ApA^An)配备有电压探针(500)，该电压探针测量并向监控设备(200)传送来自每个阳极(2) (ApA^An)的电压降信号。
[0076]如在图3中所示出的，在另一种实施例中，电解池⑴包括多个阳极⑵
An)和多个阳极分配板(110) (DpDfH在一种实施例中，阳极⑵(ApAfAn)的单独组由每个阳极分配板(110) (DpD^Dn)单独地支承。
[0077]在一种实施例中，每个阳极⑵配备有阳极电压探针(500)。在有些实施例中，阳极电压探针(500)配备有配置为向每个分配器板(110)和/或监控设备(200)只发射最高电压降信号的传感器或过滤器。在其它实施例中，所有电压降信号都从阳极电压探针(500)发射到每个阳极分配板(110)和/或监控设备(200)。
[0078]在另一种实施例中，每个阳极分配板(110)配备有配置为测量并向监控设备(200)传送来自每个阳极分配板(110)的电压降信号的阳极分配板电压探针(500)。
[0079]在有些实施例中，阳极分配板电压探针(500)配备有配置为向监控设备(200)只发射最高电压降信号的传感器或过滤器。在其它实施例中，所有电压降信号都从阳极分配板电压探针(500)发射到监控设备(200)。
[0080]在本发明的一种实施例中，电压探针(500)包括一个或多个测量点，电压探针(500)配置为测量所述点之间的电压降，并且电压探针(500)配置为发射与所测出的电压降对应的电压降信号。例如，在一种实施例中，电压探针(500)配置为测量阳极(2)上两个点之间的电压降。在有些实施例中，电压降信号包括与电压降的大小关联的幅度或值。
[0081]在一种实施例中，由于电解池(I)中的铝热反应或电短路造成的电流不平衡将影响一个或多个阳极(2)中的电压降。在有些实施例中，测出的电压降将指示问题的大致位置。在其它实施例中，测出的电压降将指示受影响的确切阳极(2)或阳极(2)的组。
[0082]在另一种实施例中，电压探针(500)被部署成测量每个阳极导体(299)的顶端到每个阳极⑵上的公共点(诸如阳极棒(2a))之间的电压降。虽然这种实施例可能需要更多信号和线附连位置，但是它可以提供对电流不平衡的更灵敏的检测以及准确定位电流不平衡的确切位置。
[0083]在另一种实施例中，电压探针(500)配置为测量阳极电流源上的点与配电板
(110)或其它电连接的结构上的公共点之间的电压降。
[0084]如在图7-8中所示出的，在其它实施例中，电解池⑴包括作为电极组件(100)的一个或多个阳极组件(101)。在一些实施例中，每个阳极组件(101)可以包括一组或多组阳极⑵(A1, Af An)。在其它实施例中，每组阳极⑵K)由阳极分配板(110)支承。
[0085]在有些实施例中，电压探针(500)在一个或多个位置附连到阳极组件(101)，以测量关联的电压降。例如。
[0086]在有些实施例中，电压探针(500)配置为测量阳极组件(101)的电压降。在其它实施例中，电压探针(500)配置为测量每个阳极分配板(110)的电压降。
[0087]在有些实施例中，因为一组阳极(2)可以通过阳极分配板(110)电连接，所以指示一个或多个阳极(2)中的铝热反应的电压降将造成阳极分配板(110)上的电流不平衡，从而影响阳极分配板(110)的电压降。例如，当铝热反应或电短路影响一个或多个阳极(2)中的电流时，测出的阳极分配板(110)两端的电压降将受影响。在有些实施例中，测出的阳极分配板(110)的电压降将指示问题的大致位置。即，哪个阳极分配板(110)可能具有潜在地受铝热反应或电短路影响的阳极(2)。
[0088]例如，并参考图7-8，在有些实施例中，电流沿着阳极电连接(280)向下行进，通过电流源(290)和电流源短截线(295)，进入阳极分配器板(110)。分配器板(110)将电流分配给经由每个阳极导体或阳极引脚附连点(299)电连接到该分配器板(110)的一组阳极
(2)ο在有些实施例中，电压探针(500)被沿着电流源(290)、电流源短截线(295)、阳极分配器板(110)、阳极导体或阳极引脚附连点(299)以及阳极(2)的一个或多个放置，以测量阳极组件(101)的特定区域两端的电压降。
[0089]在有些实施例中，在正常的操作条件下，当提供相同的电流时，每个阳极(2)传递相同的电流，或者在一个范围内的相似电流。从而，在阳极组件(101) (S卩，在电流源(290)、电流源短截线(295)、阳极分配器板(110)、阳极导体或阳极引脚附连点(299)以及阳极(2)处)的一个或多个区域中测出的电压降应当相似。如果铝热反应造成经过阳极⑵的电流的局部变化，则在阳极组件(101)的受影响区域测出的电压降也将改变，并且电压降的变化将充当那个区域中铝热反应的指示器。
[0090]设想了连接电压探针(500)的各种方法。例如，在有些实施例中，孔被钻到/机器加工到阳极组件(101)或阳极分配板(110)中，然后(例如，利用绝缘材料)孔被填充。在其它实施例中，探针机械连接到(即，直接连接到)阳极组件(101)、阳极分配器板(110)、阳极电连接(280)、阳极电源短截线(290)等的外部部分。
[0091]图9示出了根据本发明的一种或多种实施例可以使用的各种反馈信号。如在图9中所示出的，指示铝热反应的电压降测量可以在个别阳极(2)、阳极分配板(110)和/或电流源短截线(295)的水平进行测量。
[0092]在本发明的一种实施例中，监控设备(200)从阳极电压探针(500)和/或阳极分配板电压探针(500)接收电压降信号并将该电压降信号与电压降阈值进行比较。在有些实施例中，监控设备(200)根据电压降信号与电压降阈值的比较生成铝热响应信号，以指示铝热反应的可能性。
[0093]在本发明的有些实施例中，电解池⑴的操作参数由罐控制系统(300)控制。在一种实施例中，罐控制系统(300)配置为接收由监控设备(200)生成的铝热响应信号并对该铝热响应信号作出反应。例如，在有些实施例中，罐控制系统(300)将实现设计成避免或抑制铝热反应的电解池的操作中的变化，诸如从电解浴(5)移除阳极(2)、改变提供给阳极(2)或分配板(110)的电压等。在有些实施例中，当铝热响应信号没有生成或者当代替地生成备用信号时，罐控制系统(300)假设不需要为避免或抑制铝热反应的改变/调整。
[0094]图4、5和6示出了根据本发明实施例的监控电解池的方法。
[0095]如在图4中所示出的，监控电解池的方法可以包括:测量指示潜在铝热反应的信息(601);分析指示潜在铝热反应的信息￠02);以及调整电解池的操作参数￠03)。
[0096]在本发明的实施例中，在操作(601)中测量指示潜在铝热反应的信息包括测量电解池⑴的一个或多个阳极⑵两端的电压降。在一种实施例中，测量每个阳极⑵两端的电压降。在另一种实施例中，测量一组阳极两端的电压降。例如，在一种实施例中，电压降可以从支承一组阳极(A1M^An)的分配器板(110)测量。
[0097]虽然本发明的有些实施例依赖于一个或多个阳极两端的电压降的测量作为指示铝热反应的信息和/或以生成铝热响应信号，但是本发明不限于此。在其它实施例中，指示铝热反应的其它信息可以被测量并用来生成铝热响应信号。例如，就经过阳极(2)或分配器板(110)的电流的变化指示铝热反应的可能性而言，在有些实施例中，在操作(601)中测量指示潜在铝热反应的信息包括测量经过一个或多个阳极(2)或分配器板(110)的电流。在其它实施例中，在操作(601)中测量指示潜在铝热反应的信息包括测量与一个或多个阳极⑵或分配器板(110)关联的磁场。在还有其它实施例中，在操作(601)中测量指示潜在铝热反应的信息包括测量与一个或多个阳极(2)或分配器板(110)关联的电场。在有些实施例中，指示潜在铝热反应的信息对应于与一个或多个阳极(2)或分配器板(110)关联的电压、电压降、电流、电场和磁场中的至少一个。
[0098]在本发明的一种实施例中，分析指示潜在铝热反应的信息(602)包括:从电解池
(1)、阳极(2)接收电压降信号；以及比较该电压降信号与电压降阈值，以生成铝热响应信号。
[0099]在一种实施例中，每个阳极(2)具有与其关联的电压探针(500)，以测量两个已知点之间的电压降，并且每个电压探针(500)配置为向监控设备(200)发送与所测出的每个阳极⑵的电压降对应的电压降信号。在另一种实施例中，每个阳极分配板(110)具有与其关联的电压探针(500)，以测量两个已知点之间的电压降，并且每个电压探针(500)配置为向监控设备(200)发送与所测出的阳极分配板(110)的电压降对应的电压降信号。在另一种实施例中，每个阳极组件(101)具有与其关联的电压探针(500)，以测量两个已知点之间的电压降，并且每个电压探针(500)配置为向监控设备(200)发送与所测出的阳极组件(101)的电压降对应的电压降信号。
[0100]在本发明的实施例中，监控设备(200)接收电压降信号并将它与预定的电压降阈值进行比较。在一种实施例中，如果电压降信号匹配或超过电压降阈值，则监控设备(200)生成铝热响应信号。在另一种实施例中，如果电压降信号不匹配或没有超过电压降阈值，则监控设备(200)不生成铝热响应信号或者代替地生成备用信号。例如，在一种实施例中，监控设备(200)从阳极分配板(110)接收电压降信号并且如果该电压降信号匹配或超过电压降阈值则生成铝热响应信号。
[0101]在本发明的有些实施例中，铝热响应信号根据电压降信号的幅度或大小而变化。例如，指示电短路或铝热反应的更高可能性的更大电压降信号在监控设备(200)中生成更大的铝热响应信号。
[0102]在本发明的实施例中，电压降阈值指的是与电压探针(500)的位置和部署对应的指示铝热反应的预定电压降或电压降范围。作为非限制性例子，预定的电压降阈值可以包括可接受的电压降信号的范围；电压降信号的上界；平均电压降信号；电压降信号的变化率；电压降信号增加或减小的速率及其组合。
[0103]在一种实施例中，电压降阈值是根据电解池特性、电解浴化学组成、操作参数；反应物馈送率、阳极或阴极成分、提供给电解池或阳极的电压或电流、阳极到阴极的距离(“ACD”)或者其组合中的一个或多个计算的，并且是这些变量中的一个或多个的函数。在一种实施例中，预定的电压降阈值基于根据以上提到的一个或多个变量的计算机生成的阳极(2)经历铝热反应的概率。
[0104]在另一种实施例中，电压降阈值是由电解池之前的操作确定的。例如，在一种实施例中，针对每个电解池(I)保持从过去的电解运行收集到的电压降信号的日志，并且针对每次运行记录与铝热反应和/或电短路对应的电压降。
[0105]如在本文中所使用的，在有些实施例中，“监控设备”指用于观察、检测和/或记录部件或系统的操作的设备(或布置)。例如，在有些实施例中，监控设备包括配置为持续地监控、记录电压降信号并将电压降信号与电压降阈值进行比较的自动控制系统或计算机，并生成铝热响应信号。
[0106]在本发明的一种实施例中，在操作￠03)中调整电解池的操作参数包括从监控设备(200)接收信号并且如果必要的话则调整电解池(I)的操作参数。例如，在一种实施例中，由监控设备(200)接收的电压降信号不满足或不超过预先确立的电压降阈值。在那种实施例中，不生成铝热响应信号，并且没有铝热响应信号被发送到罐控制系统(300)。于是，罐控制系统(300)假设不需要为避免或抑制铝热反应的改变/调整，并且只是为了铝热响应信号而继续对监控设备(200)进行监控。在另一种实施例中，如果由监控设备(200)接收的电压降信号不满足或不超过预先确立的电压降阈值，则监控设备(200)生成备用信号。在那种实施例中，备用信号被发送到罐控制系统(300)并且罐控制系统(300)假设不需要为避免或抑制铝热反应的改变/调整，从而只是为了铝热响应信号而继续对监控设备(200)进行监控。
[0107]在其它例子中，如果由监控设备(200)接收的电压降信号满足或超过预先确立的电压降阈值，则监控设备(200)生成铝热响应信号并将它发送到罐控制系统(300)。
[0108]在其它实施例中，铝热响应信号使罐控制系统(300)产生电极组件(101)中的改变，诸如改变ACD，移动阳极(2)，从电解浴移除阳极(2)，改变提供给阳极(2)、阳极板(110)或阳极组件(101)的电流或电压，或者其组合。对电解池(I)的调整的非限制性例子包括:上下移动阳极(2)、改变电解浴温度(例如，经由移动电解池盖来增加或减小电解浴温度)；改变电解浴化学组成(例如，增加电解浴成分比、改变某些电解浴组成/成分的含量、或者改变电解浴中存在的Al2O3的量)；改变阳极到阴极的距离(“ACD”)(例如，增加该距离或减小该距离)；从电解浴移除电极组件(101)和/或阳极(2);改变提供给电解池(I)的电流(例如，增加或减小该电流)；及其组合。
[0109]在一种实施例中，罐控制系统(300)实现配置为防止或抑制与惰性阳极关联的铝热反应的变化。在其它实施例中，罐控制系统(300)实现配置为减少发生与惰性阳极关联的销热反应的变化。
[0110]在有些实施例中，由罐控制系统(300)实现的变化与电压降的幅度相应。例如，在一种实施例中，电压降增加的更大速率或者测出的电压降的更大幅度将使监控设备(200)生成对应的更大幅度的铝热响应信号。在那种实施例中，由罐控制系统(300)实现的改变可以包括对电解池(I)的操作参数的更多改变或更剧烈的改变，以解决、防止或抑制与惰性阳极关联的铝热反应。
[0111]图5示出了根据本发明另一种实施例的监控电解池的方法。
[0112]如在图5中所示出的，监控电解池的方法(700)可以包括:测量阳极的电压降(701);将测出的电压降信号导向监控设备(702);将测出的电压降信号与预定的电压降阈值进行比较(703);生成铝热响应信号(704);以及根据铝热响应信号调整电解池系统或其部件(705)。
[0113]在本发明的一种实施例中，监控电解池的方法(700)的一个或多个操作可以在必要时重复，以确保适当地监控电解池(I)中的阳极(2)中的铝热反应和/或以减少操作期间铝热反应在阳极中发生的可能性。作为非限制性例子，在操作(704)中生成阈值响应信号之后，方法(700)可以重复回到在操作(702)中将测出的电压降信号导向监控设备，以确定铝热反应的可能性是增加、减小还是保持相同(例如，铝热反应不存在或不可能发生)。
[0114]图6示出了根据本发明另一种实施例的监控电解池的方法。
[0115]如在图6中所示出的，监控电解池的方法(800)可以包括测量与一组阳极关联的阳极分配器板的电压降(801);将测出的电压降信号导向监控设备(802);将该测出的电压降信号与预定的电压降阈值进行比较(803);生成阈值响应信号(804);以及根据铝热响应信号调整电解池系统或其部件(805)。
[0116]在本发明的一种实施例中，监控电解池的方法(800)的一个或多个操作可以在必要时重复，以确保适当地监控电解池(I)的阳极分配板(110)中的铝热反应和/或以减少铝热反应在与每个阳极分配板(110)关联的阳极中发生的可能性。作为非限制性例子，在操作(804)中生成阈值响应信号之后，方法(800)可以重复回到在操作(802)中将测出的电压降信号导向监控设备，以确定铝热反应的可能性是增加、减小还是保持相同(例如，铝热反应不存在或不可能发生)。
[0117]实例I
[0118]在本发明的一个例子中，并参考图7-8，阳极组件(101)的每个个别阳极⑵经由电压传感器(电压探针(500))电连接到反馈设备(监控设备(200))。
[0119]每个电压探针(500)附连到阳极(2)的导体引脚(299)和另一部分，诸如阳极棒(2a)、阳极主体，或者附连到另一机械附连设备(例如，不包括导体引脚(299)的钳夹等)。
[0120]由每个电压探针(500)测出的电压降指示流到/流过每个阳极(2)的电流的量。如果特定的阳极(2)开始铝热反应，则那个阳极(2)的电压降信号将响应于经过那个阳极的电流的增加而快速升高。
[0121]监控设备(200)从阳极接收电压降信号，并且如果监控设备(200)确定测出的电压降信号匹配或超过预定的电压降阈值则生成铝热响应信号并向罐控制系统(300)转发该铝热响应信号，以调整电解池(I)或其部件的操作条件，从而解决铝热反应。例如通过向操作人员显示铝热警报信号、从电解浴移除阳极(2)、增加ACD、减小系统的电压等。
[0122]实例2
[0123]在本发明的另一个例子中，并参考图7-8，每个阳极分配器板(110)支承单独的一组阳极⑵。每个阳极分配器板(110)经由电压探针(500)电连接到监控设备(200)。在有些实施例中，每个阳极分配器板(110)彼此电隔离。例如，在有些实施例中，在阳极分配器板(110)之间存在电绝缘(例如，空气间隙、电绝缘)。作为非限制性例子，阳极分配器板
(110)可以位于电极组件(101)的热绝缘层之上(例如，没有涂层)或者电极组件(101)的热绝缘层之下(例如，带保护涂层)。
[0124]每个电压探针(500)测量与每个阳极分配器板(110)关联的电压降。由每个电压探针(500)测出的电压降指示流到/流过由每个阳极分配器板(110)支承的所有阳极(2)的电流的总量。
[0125]监控设备(200)从阳极分配器板(110)接收电压降信号，并且如果监控设备(200)确定测出的电压降信号匹配或超过预定的电压降阈值则生成铝热响应信号并向罐控制系统(300)转发该铝热响应信号，以调整电解池(I)或其部件的操作条件，从而解决铝热反应。
[0126]图10-26示出了模拟本发明实施例的计算机模型。特别地，这些图示出了在电解池电流保持恒定的稳定操作期间阳极短路的计算机模型。阳极(阳极X)被选择以在短时间段(在电解池温度被维持时)内牵引附加量的电流。计算机模型集中在对板电位、子(电流源)电压降、池电压和池电阻变化导致的影响。
[0127]参考图7-8，图10示出了经过电极组件(101)中的阳极(2)的电流的分配。如在图10中所示出的，在正常电解池操作条件下，通过阳极引脚附连点(299)的平均电流是203安培(A)。特别地，如在图10中所示出的，在正常操作条件下，阳极“X”具有213A的电流。
[0128]如在图7-8中所示出的，提供给阳极X的电流经过阳极电连接(280)、电流源(290)以及一个电流源短截线(295)进入对应的阳极分配器板(110)。根据本发明的实施例，与阳极X关联的电压降可以在这条电路径的各个点处检测。例如，图11示出了在每个电流源短截线(295)的已知点处测量的电压降。特别地，如在图11中所示出的，在正常操作条件下，在电流源短截线“Y”上测出的电压降是0.0195伏(V)。
[0129]图12-21通过模拟阳极X经受电短路的情况来说明本发明的实施例。在有些实施例中，在图12-21中模拟的电短路模拟在阳极X处的铝热反应的影响。
[0130]如在图12中所示出的，在一种模型中(情况2)，在阳极X处的电短路造成流过阳极X的电流增加至419A。对应地，如在图13中所示出的，当到阳极X的电流增加至419A时，在电流源短截线“Y”上测出的电压降增加至0.0214伏(V)。
[0131]如在图14中所示出的，在一种模型中(情况3)，在阳极X处的电短路造成流过阳极X的电流增加至868A。对应地，如在图15中所示出的，当到阳极X的电流增加至868A时，在电流源短截线“Y”上测出的电压降增加至0.0254伏(V)。
[0132]如在图16中所示出的，在一种模型中(情况4)，在阳极X处的电短路造成流过阳极X的电流增加至1162A。对应地，如在图17中所示出的，当到阳极X的电流增加至1162A时，在电流源短截线“Y”上测出的电压降增加至0.0281伏(V)。
[0133]如在图18中所示出的，在一种模型中(情况5)，在阳极X处的电短路造成流过阳极X的电流增加至1429A。对应地，如在图19中所示出的，当到阳极X的电流增加至1429A时，在电流源短截线“Y”上测出的电压降增加至0.0305伏(V)。
[0134]如在图20中所示出的，在一种模型中(情况I)，在阳极X处的电短路造成流过阳极X的电流增加至2909A。对应地，如在图21中所示出的，当到阳极X的电流增加至2909A时，在电流源短截线“Y”上测出的电压降增加至0.044伏(V)。
[0135]图22-27总结图10-21的数据。
[0136]如在图22-27中所示出的，在与阳极X对应的电流源短截线(295)(电流源短截线“Y”)处测出的电压降增加可以用来检测在阳极X处的电流的增加。
[0137]此外，因为恒定的电流源平衡，所以与阳极组件(101)关联的其它测量可以用来也确认与阳极X关联的测量。
[0138]例如，如在图22中所示出的，流过阳极X的电流的增加使在电流源短截线“Y”(短截线3)中检测到的电压降增加。类似地，与其它电流源短截线(295)(短截线1-2和4-6)关联的电压降的对应减小确认在电流源短截线“Y”中检测到的电压降不是错误读数。在其它实施例中，在电流源短截线“Y”中检测到的电压降的有效性可以通过测量全部电解池电阻(池电阻)的减小或者阳极分配板电位的增加来确认。
[0139]本发明的有些实施例可以写为计算机程序并且可以在利用计算机可读记录介质执行程序的通用数字计算机中实现。计算机可读记录介质的例子包括磁性存储介质(例如，ROM、软盘、硬盘等)、光学记录介质(例如，⑶-ROM或DVD)以及诸如载波的存储介质(例如，通过互联网的传输)。
[0140]虽然已经示出并描述了本发明的几个实施例，但是本领域技术人员将认识到，在不背离本发明原理和精神的情况下，可以在这些实施例中进行变化，本发明的范围在所附权利要求书及其等价物中限定。
【权利要求】
1.一种监控电解池的方法，包括: 检测指示销热反应的信息； 将指示铝热反应的信息与阈值进行比较； 根据该比较生成铝热响应信号；以及 对所述铝热响应信号作出反应。
2.如权利要求1所述的方法，其中检测指示铝热反应的信息包括从一个或多个阳极检测指示铝热反应的信息，并且其中所述一个或多个阳极包括金属氧化物。
3.如权利要求2所述的方法，其中指示铝热反应的信息包括与经过所述一个或多个阳极的电流有关的?目息。
4.如权利要求3所述的方法，其中指示铝热反应的信息包括与所述一个或多个阳极关联的磁场、与所述一个或多个阳极关联的电场以及与所述一个或多个阳极关联的电压中的至少一个。
5.如权利要求4所述的方法，其中指示铝热反应的信息包括与所述一个或多个阳极关联的电压降。
6.如权利要求4所述的方法，其中电压降是在所述一个或多个阳极的每一个中的已知点两端检测的。
7.如权利要求4所述的方法，其中电压降是在支承一组所述一个或多个阳极的阳极分配板中的已知点两端检测的。
8.如权利要求4所述的方法，其中电压降是在支承所述一个或多个阳极或者一个或多个阳极分配板的阳极组件中的已知点两端检测的。
9.如权利要求4所述的方法，其中电压降是在所述一个或多个阳极、支承一组所述一个或多个阳极的阳极分配板以及支承所述一个或多个阳极或者一个或多个阳极分配板的阳极组件中的至少每一个的已知点两端检测的。
10.如权利要求5所述的方法，其中指示铝热反应的信息与阈值的比较包括将与所述一个或多个阳极关联的电压降与阈值电压降进行比较。
11.如权利要求10所述的方法，其中阈值电压降基于电解池过去的操作数据。
12.如权利要求11所述的方法，其中阈值电压降是之前与铝热反应关联的电压降电平。
13.如权利要求12所述的方法，其中阈值电压降是电压降增加的速率。
14.如权利要求10所述的方法，其中阈值电压降是从电解池过去的操作数据和电解池的操作参数与成分之一得出的计算机得出的阈值。
15.如权利要求13所述的方法，其中根据比较生成铝热响应信号包括如果检测到的电压降匹配或超过阈值电压降则生成铝热响应信号。
16.如权利要求13所述的方法，其中根据比较生成铝热响应信号包括如果检测到的电压降指示所述一个或多个阳极两端的电压降的突然升高则生成铝热响应信号。
17.如权利要求13所述的方法，其中根据比较生成铝热响应信号包括:如果当与阈值比较时，所述检测到的电压降指示所述一个或多个阳极两端的电压降的突然升高，则生成铝热响应信号。
18.如权利要求13所述的方法，其中根据比较生成铝热响应信号包括如果检测到的电压降不匹配或不超过阈值电压降则生成备用信号作为铝热响应信号。
19.如权利要求18所述的方法，其中根据比较生成铝热响应信号包括:如果当与阈值比较时所述检测到的电压降不指示所述一个或多个阳极两端的电压降的突然升高，则生成备用信号作为铝热响应信号。
20.如权利要求19所述的方法，其中对铝热响应信号作出反应包括当铝热响应信号是备用信号时继续检测指示铝热反应的信息。
21.如权利要求17所述的方法，其中对铝热响应信号作出反应包括向电解池的操作人员发送信号。
22.如权利要求17所述的方法，其中对铝热响应信号作出反应包括调整电解池的操作参数。
23.如权利要求22所述的方法，其中调整电解池的操作参数包括以下一个或多个:改变所述一个或多个阳极的ACD、移动所述一个或多个阳极、从电解浴移除所述一个或多个阳极、改变提供给所述一个或多个阳极的电流、改变电解浴的温度、改变电解浴化学组成、从电解浴移除电极组件、改变提供给电解池的电流。
24.如权利要求23所述的方法，其中铝热响应信号的幅度与检测到的电压降的幅度对应，并且其中对铝热响应信号作出的反应与铝热响应信号的幅度相应。
25.—种惰性阳极电解池，包括: 两组或更多组惰性阳极，配置为向以液态与两个或更多个阳极接触的电解浴输送电流； 电连接到第一组惰性阳极的第一阳极分配器板，配置为向第一组惰性阳极分配电流；第一电压探针，配置为检测与第一阳极分配器板关联的电压降并发射对应的第一电压降信号； 电连接到第二组惰性阳极的第二阳极分配器板，配置为向第二组惰性阳极分配电流；第二电压探针，配置为检测与第二阳极分配器板关联的电压降并发射对应的第二电压降信号； 监控设备，配置为接收第一电压降信号和第二电压降信号，并配置为如果第一电压降信号和第二电压降信号之一满足或超过阈值电压降则生成铝热响应信号；以及 罐控制系统，配置为接收铝热响应信号，并配置为根据铝热响应信号调整电解池的操作参数， 其中，如果当与阈值电压降比较时，第一电压降信号和第二电压降信号电压降中的一个或多个指示第一阳极分配器板或第二阳极分配器板两端的电压降的突然升高，则监控设备生成铝热响应信号。
【文档编号】C25D3/44GK104471116SQ201380037291
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年8月19日 优先权日:2012年8月17日
【发明者】L·E·达斯托勒弗, W·J·斯特因尔, E·C·莫瑞兰德, R·L·考泽瑞克, 阮毅敏 申请人:美铝公司