鋁電解巡檢機器人技術及裝備研發

施燕飛，伍祖槐，路 輝

(1.云南云鋁海鑫鋁業有限公司，云南 昭通 657699；2.貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

電解槽是鋁電解生產的核心設備，其中，鋁電解槽中的溫度和濃度及分子比是制定生產工藝技術的關鍵參數。而化驗數據是電解生產中排班排產的重要依據。目前我國鋁電解生產還處于較粗獷的水平，絕大多數測試操作還由人工完成。測量和記錄的工作量比較大，并且測量誤差大、錄入過程也容易產生錯誤及錄入滯后。存在連續性差及不能實時對數據進行比較分析等缺點，已不能適應大型鋁電解槽生產的需要。同時電解槽內鋁液、電解質熔體液位(“兩水平”)的測量也采用工測量，也存在著誤差大、效率低、精度低、錄入滯后等問題。

為克服現有電解化驗、測溫及測兩水平等日常操作的不足，項目團隊開發了1種鋁電解槽槽況巡檢機器人，將鋁電解濃度及分子比測量、溫度測量及兩水平測量等功能集成在1臺自動運行機器人上，以實現電解槽的日常巡檢及化驗自動化操作、高效管理和資源的高效使用，大幅度減少工作量和人工失誤，降低工作強度，縮短化驗時間極大的提高勞動效率。

1 鋁電解巡檢機器人系統構成

鋁電解巡檢機器人包括機器人本體系統、測量系統和數據存儲傳輸系統，見圖1。

圖1 智能巡檢機器人系統構成圖

其中機器人本體是整個巡檢機器人的基礎平臺，承擔測量系統的搭載和巡檢機器人在鋁電解車間的運行。

測量系統為巡檢機器人的核心系統，測量系統包括濃度檢測、兩水平測量、溫度測量3個子系統，分別進行鋁液及電解質成分在線監測、電解質水平及電解質鋁液溫度測量。

經過測量系統測量得到的數據傳輸到數據存儲傳輸系統進行存儲和上傳，從而實現電解槽參數的遠程監測。

2 測量系統原理

2.1 濃度檢測系統

濃度檢測采用激光誘導擊穿光譜技術(LIBS)，原理是利用聚焦的強激光束入射樣品表面產生激光等離子體，等離子體輻射光譜帶有被測物質的組分和組分濃度的信息，對等離子體中原子和離子發射譜線進行元素分析，從而達到測量的目的。根據電解鋁廠檢測鋁液中的元素成份和含量的需求，設計的一款激光誘導擊穿光譜系統，具有在線分析、可以縮短分析時間、對樣品損壞性小、結構緊湊、可靠性高等特點。整個濃度檢測系統包括探測頭、控制機柜、調整支架、探桿、隔熱套、波紋保護管、LIBS軟件等部分組成，見圖2。

圖2 激光誘導擊穿光譜系統設備圖

相比其它分析方法，LIBS最強大的優勢是不需或僅需簡單樣品制備過程，大大縮短了分析時間，便于實現生產過程物質成分的在線檢測與控制。除此之外，LIBS分析技術還有很多其他優點，例如：它對樣品需求量少、破壞性小，對樣品的尺寸、形狀及物理性質要求均不嚴格；不僅可以測定固態樣品，還可以測定液態、氣態樣品。

2.2 “兩水平”測量系統

“兩水平”測量系統是基于在電解質與鋁液兩種體系中阻抗差別較大，介質體系變化時阻抗數量級變化明顯，通過行程記憶與測算獲得電解質與鋁液的水平。其原理如圖3所示，該項技術在國內鋁行業領域屬于首次應用。

圖3 兩水平測量原理簡化圖

圖3中：

h1——參考平面到電解槽底部的高度；

h2——參考平面到探桿在初始狀態的高度；

a——機械臂與水平面的夾角；

l1——探桿接觸到電解質時所伸出的長度；

l2——探桿接觸到鋁液時所伸出長度的增量。

則可以計算出電解質到槽底的液面高度為：

H=h1+h2-l1×sina

(1)

鋁液面到槽底的界面高度為：

h=h1+h2-(l1+l2)×sina

(2)

在圖4所示的物質分層分布中，由陽極到陰極的反應電流為I，電解質電位為V0，鋁液電位為V1，反應界面電壓差為△V。由于電解質層、鋁液層不參與反應，電位相對穩定；在反應界面處，原料被電解析出鋁液，消耗絕大部分功率。因為P=U×I，所以反應界面處△V很大。

圖4 電解槽電位分析圖

利用電位的變化，可以找到兩個分界面：當探桿由空氣中進入電解質層時，電位上升；當探桿由電解質層通過反應界面進入鋁液層時，電位繼續下降。探桿拔出過程中的電位變化相反。

2.3 溫度測量系統

溫度測量系統是基于常規熱電偶消耗性較大而開發的一款帶碳化硅保護套管的熱電偶，是根據電解槽的生產情況量身定做的一款溫度測量系統，見圖5。其結構包括插頭、金屬保護軟管、外圍保護軟管、熱電偶、碳化硅保護管等。

圖5 溫度測量裝置

3 執行機構設計

該機構安裝于智能小車上通過導航系統，沿著電解槽邊緣行走，具有精確定位火孔位置，保證車體與槽體的平行，小車應具有自動啟停，精確定位，避讓障礙物的功能。

見圖6，將該機構安裝于定制的智能小車上，然后將鋁液成分測量儀和兩水平測量儀安裝于工作臺⑤上。移動平臺沿著槽邊緣移動，到達目標電解槽火孔位置停下。升降臺②上升一定距離后，啟動旋轉電機③帶動拉桿①，驅動搖桿④，使得工作臺⑤向電解槽側平移，平移到合適位置后，驅動鋁液成分測量儀插入電解槽的火孔進行鋁液成分測量，測量完畢后縮回，然后驅動兩水平測量儀插入電解槽的火孔進行兩水平面的距離測量，測量完畢后縮回。升降臺②復位，檢測工作完成，2個儀器將檢測結果進行匯總處理后上傳。檢測裝置等待下一個巡檢指令，如此周期循環。

注：1.拉桿；2.升降臺；3.旋轉電機；4.驅動搖桿；5.工作臺

4 結 語

該文結合鋁電解企業生產的需要，研發了一種集濃度及分子比測量、溫度測量及兩水平測量為一體的巡檢機器人，通過巡檢機器人能實現對鋁液、電解質成分、溫度和鋁液水平、電解質水平的自動化、實時化及標準化測量，同時將測量數據實時上傳至存儲系統內，以實現電解槽的遠程監測，提高管理效率，大幅度減少工作量和人工失誤，降低工作強度，縮短化驗時間極大的提高勞動效率。