一种模拟铝电解槽炉帮生长过程的检测装置及方法与流程

本发明属于铝电解槽技术领域，特别涉及一种铝电解槽炉帮生长过程的检测装置及方法。

背景技术：

我国铝电解工业起步于20世纪50年代，发展迅猛，至今中国的大型预焙阳极电解槽设计水平已达世界先进水平，原铝产量自2001年起连续十几年位居世界第一。我国自主设计建造的世界首条600ka特大型铝电解系列已投产运行。电解槽内衬侧部构成为：钢壁，保温砖；在该保温层与底部炭块之间浇注高强浇注料；在浇注料上方上一层耐火砖和侧部炭块(或氮化硅粘结的碳化硅砖)；底部炭块与侧部砌体之间是人造坡形伸腿。槽帮就是电解质沿槽膛四周内衬凝固生长出的固态结壳。槽帮对于铝电解槽的长寿命、低能耗及稳定运行影响重大。在传统的中小型槽(<400ka)铝电解生产工艺条件下，槽帮较为厚实规整，通过其本身的生长-消融作用，具有较强的自我调节能力。然而，随着铝电解槽的大型化，铝电解工艺操作临界化，导致槽帮自调节能力被极大削弱，对电解槽的设计优化提出了更高的要求。

尽管目前计算机仿真模拟应用广泛，对于大型电解槽新结构的设计优化可以通过计算机仿真的手段得以预测和评估，但是计算机仿真模拟仍需要实验验证，而对于高温高腐蚀的电解操作环境，槽帮的生长状况和炉膛形状难以直接检测。专利申请“铝电解槽炉帮形状在线检测系统”(申请号：201110439642.8)公开了一种炉帮在线检测系统，从电解槽热工况的角度间接检测炉帮状况，但遗憾的是该专利并不能直接获取炉帮实际状况，其精度更是受到限制，且无法给出炉帮生长过程的动态过程、炉帮的微观形态等。因此，为了全面掌握炉帮的生产、融化机制及其内部微观变化，需要重新设计模拟铝电解槽炉帮生长过程的检测装置及方法。

技术实现要素：

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种能够较为直接地检测炉帮生长状况的铝电解槽炉帮生长过程的检测装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种模拟铝电解槽炉帮生长过程的检测装置，包括：

炉帮生长装置，包括侧部炭块模型以及侧部人造伸腿模型；

所述侧部炭块模型为采用与实际铝电解槽侧部炭块相同材质制作且带中心沉孔的实心圆柱体，其侧壁厚度为实际铝电解槽侧部炭块厚度的k倍；

所述侧部人造伸腿模型为采用与实际铝电解槽侧部人造伸腿相同材质制作且带中心通孔的实心回转体，其侧壁的纵截面形状与实际铝电解槽侧部人造伸腿的横截面形状相似且相似比为k；

冷却系统，对所述侧部炭块模型的内侧壁进行冷却；

温控系统，包括预埋在所述侧部炭块模型内的热电偶以及与所述热电偶电性连接的温度显示单元；

所述侧部人造伸腿模型套设在所述侧部炭块模型上。

进一步的，所述冷却系统包括与所述侧部炭块模型顶部开口对接的外管、套设在所述外管内且延伸至所述中心沉孔底端处的内管以及向所述内管内通入冷却介质的供冷装置，所述内管与所述外管之间存在空隙。

进一步的，所述外管与所述中心沉孔螺纹紧固连接。

进一步的，所述侧部炭块模型与所述中心通孔螺纹紧固连接且底端延伸至所述中心通孔底部位置处。

进一步的，所述供冷装置为通过送风管与所述内管连接的鼓风机，所述送风管上设有流量计。

进一步的，所述k值的大小为0.1～0.4。

一种铝电解槽炉帮生长过程的检测方法，使用上述模拟铝电解槽炉帮生长过程的检测装置，先通过鼓风机向内管中通入持续稳定的冷却气流，再将炉帮生长装置垂直插入电解槽的火眼中，并将侧部人造伸腿模型全部浸入电解质层中，调节冷却气流的流量，使得侧部炭块模型与冷却气流的换热系数与实际铝电解槽侧部炭块与外界的换热系数一致，通过监控热电偶测试的温度判断是否达到热平衡状态，当温度在30-60min内保持不变时表示体系达到热平衡，在保持通气的状态下取出炉帮生长装置，静置冷却得到模拟炉帮，通过模拟炉帮实现炉帮实际生长状况的直接检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明采用相似原理与模型试验方法，构建侧部炭块模型以及侧部人造伸腿模型，实现铝电解槽炉帮生长的相似模拟，解决了直接地检测炉帮生长状况这一铝电解槽难题，因此可以在保证试验槽稳定生产、不用停槽、不破坏槽体的前提下，实现槽炉帮生长的检测，具有检测实验成本低的优点。

2.本发明其实现方式简单且操作方便，具有小型、移动式、可拆卸等特点，既可以进行检测已运行的电解槽的炉帮生长情况，也可以检测新侧部内衬设计结构是否合理，此外，炉帮生长装置主要通过螺纹连接，安装拆卸方便，可以直接替换碳化硅和石墨套管。

3.本发明检测装置不与电解槽发生密切接触，因而对与电解槽主体结构不产生任何负面影响，其对其生产运行的影响几乎可以忽略。

4.本发明还可以模拟电解质在电解槽内衬表面生长成炉帮的过程，从而检测一定散热条件和内衬结构条件下炉帮的生长状态，为铝电解槽内衬结构及侧部散热设计优化提供手段，从而保证炉膛规整，实现电解槽长寿命高效运行。

附图说明

图1为模拟铝电解槽炉帮生长过程的检测装置示意图；

图2为模拟铝电解槽炉帮生长过程的检测方法示意图；

图3为实施例1中在工业现场检测得到的炉帮；

图4为实施例1中对应的铝电解内衬结构；

图5为炉帮的微观放大图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1,

参见图1-图5，一种模拟铝电解槽炉帮生长过程的检测装置，包括炉帮生长装置1、冷却系统2以及温控系统3。炉帮生长装置1包括侧部炭块模型6以及侧部人造伸腿模型7。侧部炭块模型6为采用与实际铝电解槽侧部炭块相同材质制作且带中心沉孔的实心圆柱体，其侧壁厚度为实际铝电解槽侧部炭块厚度的k倍。侧部人造伸腿模型7为采用与实际铝电解槽侧部人造伸腿相同材质制作且带中心通孔的实心回转体，其侧壁的纵截面形状与实际铝电解槽侧部人造伸腿的横截面形状相似且相似比为k，侧部人造伸腿模型通过中心通孔套装固定在侧部炭块模型外。也就是说，侧部人造伸腿模型的材质及倾斜角度α与实际检测电解槽中一致，材质均为炭素材料，厚度与高度为实际设计值的k倍，α取值为45°～90°。具体到本实施例中，结构参数k值取0.15，倾斜角度α取值为60°。冷却系统2用于对侧部炭块模型6的内侧壁进行冷却。温控系统3包括预埋在侧部炭块模型6内的热电偶以及与热电偶电性连接的温度显示单元。具体的，温度显示单元为温度显示器。

可以想到的是，在实际设计中，冷却系统2包括与侧部炭块模型6顶部开口对接的外管4、套设在外管4内且延伸至中心沉孔底端处的内管5以及向内管5内通入冷却介质的鼓风机，内管5与外管4之间存在空隙。鼓风机通过送风管与内管5连接，送风管上设有流量计。通过鼓风机鼓入的冷却风经送风管输送至内管5内并从内管5底部喷出对侧部炭块模型6进行冷却换热后从内管5和外管4之间导出。当然，冷却介质也可以采用液态介质，如冷却水等，相应的，需要将鼓风机替换为流体泵，在此不再赘述。

需要说明的是，为方便各零部件的拆装，外管4的底端外壁上设有连接外螺纹，中心沉孔顶部侧壁上设有连接内螺纹，外管4底端螺旋旋入中心沉孔内并通过连接外螺纹与连接内螺纹实现紧固连接。相应的，在侧部炭块模型6底端的外壁上设有连接外螺纹，在侧部人造伸腿模型7的中心通孔侧壁上设有连接内螺纹紧，侧部炭块模型6从中心通孔顶部一直螺旋旋入至中心通孔底部位置处。

本发明采用相似原理与模型试验方法，构建侧部炭块模型以及侧部人造伸腿模型，实现铝电解槽炉帮生长的相似模拟，通过对炉帮生长装置上生长的炉帮进行观察，即可间接反映实际炉帮的生长状况，实现炉帮生长的直接检测。此外，本发明炉帮生长装置中侧部炭块模型以及侧部人造伸腿模型在满足模型试验方法相似条件的前提下，还具有结构简单、模拟真实可靠、拆装方便等优点。

一种铝电解槽炉帮生长过程的检测方法，使用上述模拟铝电解槽炉帮生长过程的检测装置，先通过鼓风机向内管4中通入持续稳定的冷却气流，再将炉帮生长装置1垂直插入电解槽的火眼中，并将侧部人造伸腿模型7全部浸入电解质层中，调节冷却气流的流量，使得侧部炭块模型6与冷却气流的换热系数与实际铝电解槽侧部炭块与外界的换热系数一致，通过监控热电偶测试的温度判断是否达到热平衡状态，当温度在30-60min内保持不变时表示体系达到热平衡，在保持通气的状态下取出炉帮生长装置1，静置冷却得到模拟炉帮，通过模拟炉帮实现炉帮实际生长状况的直接检测。本实施例中，侧部炭块模型6与冷却气流的换热系数以及实际铝电解槽侧部炭块与外界的换热系数通过计算模拟可以得到，具体的计算过程均为现有常规技术手段，在此不再赘述。

此外，本发明还可以模拟电解质在电解槽内衬表面生长成炉帮的过程，从而检测一定散热条件和内衬结构条件下炉帮的生长状态，为铝电解槽内衬结构及侧部散热设计优化提供手段，从而保证炉膛规整，实现电解槽长寿命高效运行，如通过对鼓入20l/min的持续稳定的室温空气的调节下得到的模拟炉帮状况进行观察，可以得到该冷却条件下炉帮对应的生长情况，进而指导铝电解槽内衬结构及侧部散热设计。试验所得炉帮如图3所示，通过20l/min的室温空气冷却所得的模拟炉帮生长情况良好，表面较为平整，装置侧部炉帮生长结构紧密，没有明显的凸起、孔洞等缺陷(上部突出的炉帮主要为电解质和炭渣，是非检测部分)，结构较为合理。但所得的模拟炉帮厚度为1cm，说明该槽过热度较大，该冷却条件下不利于炉帮的生长。炉帮结构组成及其它物理化学表现可通过相关检测手段获得。在所得的模拟炉帮上界面下3-6cm取少量合适的样品，将样品表面打磨抛光，通过扫描电镜检测该试验条件下所得的模拟炉帮的微观结构如图5所示。炉帮的组成成分主要为冰晶石、氧化铝、钙冰晶石和少量钾盐、镁盐。靠近炉帮生长装置一侧凝固的电解质较致密，靠近熔盐一侧形状不规则，有明显气孔。通过20l/min的室温空气冷却所得的模拟炉帮微观结构较为致密，但有明显的缺陷。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。