一种用于测定氧化铝结壳量的摇篮架装置及其密度的方法与流程

本发明涉及一种用于测定氧化铝结壳量的摇篮架装置及其密度的方法，属于有色金属冶金领域。

背景技术

现代铝电解工业采用氧化铝为原料，熔融的冰晶石熔盐为氧化铝的溶剂，使用电解法生产金属原铝。为了降低吨铝的能量消耗和生产成本，一方面通过向熔盐中添加氟化铝、氟化钙、氟化锂等添加剂以降低电解温度，但副作用是同时也降低了熔盐对氧化铝的溶解性能；另一方面通过扩大电解槽的容积，但副作用是电解槽中的液态熔盐体积相对减少，即能够用来溶解氧化铝的溶剂相对减少。这两方面发展趋向都降低氧化铝在现代电解槽中的溶解速率，氧化铝在电解槽中的浓度越来越难以控制。

铝电解时，较低温度的颗粒状氧化铝以点式加料的方式被加入到高温熔盐中，加入到冰晶石熔盐中的氧化铝分两部分溶解，一部分氧化铝颗粒迅速溶解扩散进入熔盐内部；另一部分氧化铝与冷凝的熔盐混合形成固态结壳，这些结壳难以溶解，结壳的形成会使熔盐中的氧化铝浓度难以保持。工业上对于氧化铝加料时，产生的结壳量无法测量或估计，导致电解槽中往往产生大量槽底氧化铝沉淀，其以固态形式存在还会危害铝电解槽的正常生产，例如使电解槽发生阳极效应、滚铝、高水平电流、堵料等问题。目前铝工业中氧化铝加料问题已经演化为消耗人工最大的生产环节，解决该问题的关键环节之一是对氧化铝的加料过程进行多方位、有效的监测。而目前没有对氧化铝加料后的溶解过程进行有效监控的措施。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种用于测定氧化铝结壳量的摇篮架装置，可以用于在实验室和工业环境中测定每次加料后氧化铝所形成结壳量的摇篮架装置。通过测量氧化铝加料时形成的结壳量，可以更加准确地控制氧化铝的加料过程，以达到稳定铝电解生产、节能、降耗的目的。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种用于测定氧化铝结壳量的摇篮架装置，其包括可移动吊臂、称重装置、吊丝、托架、温度测试装置和微电脑，所述可移动吊臂设于氧化铝电解池的上方，所述可移动吊臂可在水平方向和竖直方向移动，所述可移动吊臂上安设所述称重装置，所述称重装置的下方连接所述吊丝的一端，所述吊丝的另一端连接托架，所述称重装置连接并传输测量数据给所述微电脑，所述温度测试装置伸入所述氧化铝电解池内，用于测量所述氧化铝电解池的温度，所述温度测试装置连接并传输测量数据给微电脑，所述温度测试装置靠近下料管设置，下料管设于氧化铝电解池的上方。

如上所述的摇篮架装置，优选地，所述吊丝为镍-铬丝、铂丝或碳化硅细棒制成。

如上所述的摇篮架装置，优选地，所述托架为金属铂或碳化硅材质制成，所述托架用于捕捉氧化铝加料后与冷凝电解质混合形成的硬质结壳。

如上所述的摇篮架装置，优选地，所述托架包括载片和多个连接杆，所述载片为圆形或方形，多个所述连接杆的一端均布分布固定连接在所述载片的边缘，多个所述连接杆的另一端均与所述吊丝连接。

如上所述的摇篮架装置，优选地，所述温度测试装置包括s型或k型热电偶和保护套，所述s型或k型热电偶置于保护套内，所述保护套为对冰晶石熔盐呈现惰性的材质。进一步地，所述对冰晶石熔盐呈现惰性的材质为碳化硅、ni-fe不锈钢、fe-cr-al不锈钢、钨合金等。

如上所述的摇篮架装置，优选地，所述称重装置为精密天平。

如上所述的摇篮架装置，优选地，所述氧化铝电解池的上面设有盖体，将氧化铝电解池盖住。

如上所述的摇篮架装置，优选地，所述下料管为上端未大开口的喇叭状，下端连接有竖直的管道。

一种用于测定氧化铝结壳密度的测量方法，其包括，采用如上所述的摇篮架装置，其包括如下步骤：

s1、在加料之前，调整可移动吊臂，使得托架在电解液液面之上，称重装置显示的数据记为m0；

s2、向下移动可移动吊臂，使得托架完全浸入电解液的熔盐液中，此时，称重装置显示的数据记为m2；

s3、将托架位置调整于电解液的液面附件，使得电解液液面穿过托架，使加入的颗粒状氧化铝及后续形成的氧化铝结壳附着在托架上；

s4、加料之后，称重装置和托架开始下降，托架和氧化铝结壳完全浸没在电解液之中并保持稳定，此时所述称重装置测量出氧化铝结壳浸没状态时的重量，记为m3；

s5、向上移动可移动吊臂，至所述托架和氧化铝结壳完全脱离电解液液面时，所述称重装置显示的数据记为m1；

则，所述氧化铝结壳的质量mcrust为mcrust＝m1-m0；

所述氧化铝结壳的密度为其实，所述ρbath为实验温度下的电解液密度。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明提供的用于测定氧化铝结壳量的摇篮架装置，是一种对氧化铝加料后的溶解过程进行有效监控的措施。该装置能够对加料过程形成结壳量的进行监测，可以对氧化铝加料过程进行有效监控。维持良好的氧化铝加料状态，可以保证电解槽的健康、高效运行，提高生产自动化程度，节能降耗，并减少阳极效应带来的温室气体排放。该装置通过测量氧化铝加料时形成的结壳量，可以更加准确地控制氧化铝的加料过程，以达到稳定铝电解生产、节能、降耗的目的。

附图说明

图1为本发明中托盘移动关键位置示意图；

图2为本发明装置使用时测量简图。

【附图标记说明】

1：可移动吊臂；

2：称重装置；

3：吊丝；

4：托架；

5：温度测试装置；

6：微电脑；

7：氧化铝电解池；

8：下料管；

9：电解液液面；

10：氧化铝结壳。

具体实施方式

工业铝电解中，需要不断地向电解质中添加氧化铝作为原料，以补充在阴阳极之间消耗掉的氧化铝。而加料后的氧化铝只有溶解进入冰晶石熔盐之后，才能够参与电解反应。加料后与冷凝冰晶石混合形成结壳的一部分氧化铝不但无法参与到溶解反应中，而且它们以固态形式存在还会危害铝电解槽的正常生产，而本发明提供的一种对加料过程形成结壳量的监测装置，可以对氧化铝加料过程进行有效监控。维持良好的氧化铝加料状态，可以保证电解槽的健康、高效运行，提高生产自动化程度，节能降耗，并减少阳极效应带来的温室气体排放。

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

一种用于测定氧化铝结壳量的摇篮架装置，其包括可移动吊臂1、称重装置2、吊丝3、托架4、温度测试装置5和微电脑6，可移动吊臂设于氧化铝电解池7的上方，可移动吊臂1可通过围杆设于氧化铝电解池7的上方中央，可移动吊臂1可在水平方向和竖直方向来回移动，可移动吊臂上设有一个平台，平台上安设有称重装置2，称重装置2的下方连接有吊丝3的一端，吊丝3的另一端连接托架，称重装置2用于称量托架4及其置于托架4上的重量，称重装置2连接微电脑6，并将实时测量的数据传输给微电脑6；氧化铝电解池7的上方还设有下料管8，便于给氧化铝电解池7添加反应原料，在靠近下料管8的地方，设有温度测试装置5，温度测试装置5伸入氧化铝电解池7内，用于测量氧化铝电解池7内电解液的温度，温度测试装置5连接微电脑6，并将温度测试装置5测量获得的实时温度数据传输给微电脑6。其中，可移动吊臂为三向移动吊臂，即可在水平方向和竖直方向进行自由活动，可采用现有的工业吊臂技术。

具体的，氧化铝电解池的上面设有盖体，将氧化铝电解池盖住，可克服氧化铝的高扬尘环境；氧化铝电解池进行工作时，池内是冰晶石熔盐的高温、强腐蚀环境；将托架采用一个由金属铂或碳化硅材质制成，托架上部由吊丝牵引，吊丝的材质为镍-铬丝、铂丝或碳化硅细棒，吊丝的上部安装在称重装置的下方，称重装置可采用精密天平进行。精密天平具有数据导出功能，连接于微电脑实时采集、记录下部托架的重量数据。可移动吊臂在移动过程中精密天平仍然可以测量并记录重量数据。托架的位置可位于加料点正下方附近。下料管可设为上端设有较大开口的喇叭状，下端连接有直通的竖直的管道。

温度测试装置可采用s型或k型热电偶对加料点附近的电解质温度进行同步监测。在s型或k型热电偶的外面套设有保护套，保护套采用对冰晶石熔盐呈现惰性的材质对k型或s型热电偶进行保护，关键还需要保证保护套与与热电偶内芯之间具有较高的热导率，以保证熔盐温度的变化能够迅速地从热电偶的温度信号中得以体现，可采用碳化硅、ni-fe不锈钢、fe-cr-al不锈钢、钨合金等，进行保护套的制备。

具体托架4的示意图可参见附图2，托架下部为一个圆形或方形的载片，用于在托架上升或下降过程中托载硬质氧化铝结壳。载片与上部吊丝之间通过若干(一般为3-5根)连接杆进行连接。连接杆起到捕捉氧化铝结壳的作用。若干的连接杆是均匀分布并连接在载片上，使载片水平。粉状的氧化铝加料时首先在电解液表面铺展开，然后在溶解过程中形成硬质结壳，结壳形成于电解液液面的位置。加料前托架位于电解液液面上，加料后硬质结壳形成过程中依附于托架上，由若干根连接杆捕捉，结壳随托盘上升、下降过程中，结壳的重量由托架上的载片承载。

本发明装置的使用过程是：一次测量中，当氧化铝加料后，首先利用托盘所在的位置捕捉氧化铝结壳，使结壳与托盘紧密结合。氧化铝加料时，托盘位于电解液液面上，粉状氧化铝与冷凝冰晶石在电解液液面处形成硬质结壳，而此时托盘正位于液面位置，氧化铝硬质结壳依附于托盘上，实现结壳的捕捉。然后，通过向下移动可移动吊臂，使托盘位置下降，托盘带动整个结壳完全浸没入电解质中。通过可移动吊臂的向上移动，使托盘位置上升至完全脱离液面。最后，下降托盘再次使结壳完全浸没入电解质中。整个过程在加料后的短时间内完成。通过天平记录的重量数据来推算结壳的质量。氧化铝加料、溶解过程中存在吸放热反应，反应会引起电解质温度的变化，利用热电偶的温度信号变化来确保加料过程的有效性，确保整个操作处于一个有效的加料周期内。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上，可在实验室中进行，氧化铝电解池7可采用石英坩埚替换，托架采用金属铂制成，称量装置采用天平。通过使用该装置，使托架和结壳反复穿过电解质液面，根据记录的重量数据，可推算所形成的氧化铝结壳的质量和密度。根据天平记录的重量数据推算结壳质量和密度的计算方法：如图2所示，(1)加料之前，调整可移动吊臂，及调整天平位置，使得托架完全提出电解液液面9，测得天平示数，记为m0；(2)下降可移动吊臂下，使托架4下沉，使托架4完全浸没在电解液的熔盐液中，测得天平示数，记为m2；(3)加料之前，将托架位置调整于电解液的液面附近，使电解液液面穿过托架，使加入的颗粒状氧化铝及后续形成的氧化铝结壳10附着在托架4上；(4)加料之后，天平和托架4开始下降，托架4和氧化铝结壳10完全浸没在电解液之中并保持稳定，此时测量出氧化铝结壳浸没状态时的重量，记为m3；(5)向上移动可移动吊臂，天平位置上升，至托架和氧化铝结壳完全脱离电解液液面时的重量，记为m1。

则结壳的质量可通过下式推算：

mcrust＝m1-m0

结壳的密度可通过下式推算：

其中，ρcrust为氧化铝结壳体积密度；mcrust为氧化铝结壳质量；vcrust为氧化铝结壳体积；ρbath为实验温度下的电解液密度；m0为托架提出电解液的熔盐时的天平示数；m1为托架和氧化铝结壳提出电解液的熔盐时的天平示数；m2为托架浸没在电解液的熔盐中时的天平示数；m3为托架和氧化铝结壳浸没在熔盐中时的天平示数。

通过采用对加料过程形成氧化铝结壳量的监测装置，可以对氧化铝加料过程进行有效监控。从冰晶石液态熔盐中分离氧化铝结壳并进行定量；并对氧化铝加料过程中的电解质温度进行同步温度监测。使能够维持良好的氧化铝加料状态，可以保证电解槽的健康、高效运行，提高生产自动化程度，节能降耗，并减少阳极效应带来的温室气体排放。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。