鋁電解巡檢機(jī)器人技術(shù)及裝備研發(fā)

施燕飛，伍祖槐，路 輝

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

0 引 言

電解槽是鋁電解生產(chǎn)的核心設(shè)備，其中，鋁電解槽中的溫度和濃度及分子比是制定生產(chǎn)工藝技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。而化驗(yàn)數(shù)據(jù)是電解生產(chǎn)中排班排產(chǎn)的重要依據(jù)。目前我國鋁電解生產(chǎn)還處于較粗獷的水平，絕大多數(shù)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(chǎn)生錯(cuò)誤及錄入滯后。存在連續(xù)性差及不能實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析等缺點(diǎn)，已不能適應(yīng)大型鋁電解槽生產(chǎn)的需要。同時(shí)電解槽內(nèi)鋁液、電解質(zhì)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(xiàn)有電解化驗(yàn)、測溫及測兩水平等日常操作的不足，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)了1種鋁電解槽槽況巡檢機(jī)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(tái)自動(dòng)運(yùn)行機(jī)器人上，以實(shí)現(xiàn)電解槽的日常巡檢及化驗(yàn)自動(dòng)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(qiáng)度，縮短化驗(yàn)時(shí)間極大的提高勞動(dòng)效率。

1 鋁電解巡檢機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成

鋁電解巡檢機(jī)器人包括機(jī)器人本體系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸系統(tǒng)，見圖1。

圖1 智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成圖

其中機(jī)器人本體是整個(gè)巡檢機(jī)器人的基礎(chǔ)平臺(tái)，承擔(dān)測量系統(tǒng)的搭載和巡檢機(jī)器人在鋁電解車間的運(yùn)行。

測量系統(tǒng)為巡檢機(jī)器人的核心系統(tǒng)，測量系統(tǒng)包括濃度檢測、兩水平測量、溫度測量3個(gè)子系統(tǒng)，分別進(jìn)行鋁液及電解質(zhì)成分在線監(jiān)測、電解質(zhì)水平及電解質(zhì)鋁液溫度測量。

經(jīng)過測量系統(tǒng)測量得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)和上傳，從而實(shí)現(xiàn)電解槽參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

2 測量系統(tǒng)原理

2.1 濃度檢測系統(tǒng)

濃度檢測采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(LIBS)，原理是利用聚焦的強(qiáng)激光束入射樣品表面產(chǎn)生激光等離子體，等離子體輻射光譜帶有被測物質(zhì)的組分和組分濃度的信息，對(duì)等離子體中原子和離子發(fā)射譜線進(jìn)行元素分析，從而達(dá)到測量的目的。根據(jù)電解鋁廠檢測鋁液中的元素成份和含量的需求，設(shè)計(jì)的一款激光誘導(dǎo)擊穿光譜系統(tǒng)，具有在線分析、可以縮短分析時(shí)間、對(duì)樣品損壞性小、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等特點(diǎn)。整個(gè)濃度檢測系統(tǒng)包括探測頭、控制機(jī)柜、調(diào)整支架、探桿、隔熱套、波紋保護(hù)管、LIBS軟件等部分組成，見圖2。

圖2 激光誘導(dǎo)擊穿光譜系統(tǒng)設(shè)備圖

相比其它分析方法，LIBS最強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)是不需或僅需簡單樣品制備過程，大大縮短了分析時(shí)間，便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程物質(zhì)成分的在線檢測與控制。除此之外，LIBS分析技術(shù)還有很多其他優(yōu)點(diǎn)，例如：它對(duì)樣品需求量少、破壞性小，對(duì)樣品的尺寸、形狀及物理性質(zhì)要求均不嚴(yán)格；不僅可以測定固態(tài)樣品，還可以測定液態(tài)、氣態(tài)樣品。

2.2 “兩水平”測量系統(tǒng)

“兩水平”測量系統(tǒng)是基于在電解質(zhì)與鋁液兩種體系中阻抗差別較大，介質(zhì)體系變化時(shí)阻抗數(shù)量級(jí)變化明顯，通過行程記憶與測算獲得電解質(zhì)與鋁液的水平。其原理如圖3所示，該項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)鋁行業(yè)領(lǐng)域?qū)儆谑状螒?yīng)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(tài)的高度；

a——機(jī)械臂與水平面的夾角；

l1——探桿接觸到電解質(zhì)時(shí)所伸出的長度；

l2——探桿接觸到鋁液時(shí)所伸出長度的增量。

則可以計(jì)算出電解質(zhì)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(zhì)分層分布中，由陽極到陰極的反應(yīng)電流為I，電解質(zhì)電位為V0，鋁液電位為V1，反應(yīng)界面電壓差為△V。由于電解質(zhì)層、鋁液層不參與反應(yīng)，電位相對(duì)穩(wěn)定；在反應(yīng)界面處，原料被電解析出鋁液，消耗絕大部分功率。因?yàn)镻=U×I，所以反應(yīng)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(gè)分界面：當(dāng)探桿由空氣中進(jìn)入電解質(zhì)層時(shí)，電位上升；當(dāng)探桿由電解質(zhì)層通過反應(yīng)界面進(jìn)入鋁液層時(shí)，電位繼續(xù)下降。探桿拔出過程中的電位變化相反。

2.3 溫度測量系統(tǒng)

溫度測量系統(tǒng)是基于常規(guī)熱電偶消耗性較大而開發(fā)的一款帶碳化硅保護(hù)套管的熱電偶，是根據(jù)電解槽的生產(chǎn)情況量身定做的一款溫度測量系統(tǒng)，見圖5。其結(jié)構(gòu)包括插頭、金屬保護(hù)軟管、外圍保護(hù)軟管、熱電偶、碳化硅保護(hù)管等。

圖5 溫度測量裝置

3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該機(jī)構(gòu)安裝于智能小車上通過導(dǎo)航系統(tǒng)，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(yīng)具有自動(dòng)啟停，精確定位，避讓障礙物的功能。

見圖6，將該機(jī)構(gòu)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(tái)⑤上。移動(dòng)平臺(tái)沿著槽邊緣移動(dòng)，到達(dá)目標(biāo)電解槽火孔位置停下。升降臺(tái)②上升一定距離后，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)③帶動(dòng)拉桿①，驅(qū)動(dòng)搖桿④，使得工作臺(tái)⑤向電解槽側(cè)平移，平移到合適位置后，驅(qū)動(dòng)鋁液成分測量儀插入電解槽的火孔進(jìn)行鋁液成分測量，測量完畢后縮回，然后驅(qū)動(dòng)兩水平測量儀插入電解槽的火孔進(jìn)行兩水平面的距離測量，測量完畢后縮回。升降臺(tái)②復(fù)位，檢測工作完成，2個(gè)儀器將檢測結(jié)果進(jìn)行匯總處理后上傳。檢測裝置等待下一個(gè)巡檢指令，如此周期循環(huán)。

注：1.拉桿；2.升降臺(tái)；3.旋轉(zhuǎn)電機(jī)；4.驅(qū)動(dòng)搖桿；5.工作臺(tái)

4 結(jié) 語

該文結(jié)合鋁電解企業(yè)生產(chǎn)的需要，研發(fā)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(jī)器人，通過巡檢機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁液、電解質(zhì)成分、溫度和鋁液水平、電解質(zhì)水平的自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化及標(biāo)準(zhǔn)化測量，同時(shí)將測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)電解槽的遠(yuǎn)程監(jiān)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(qiáng)度，縮短化驗(yàn)時(shí)間極大的提高勞動(dòng)效率。