【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种监测铝生产池的热性能、电解熔池的化学组成和材料平衡的方法。池的这些属性随时间的推移决定了重要的生产指标，例如工艺生产率和能源效率。
技术介绍
0、专利技术背景
1、天然铝以氧化形式存在，通过还原溶解在电解熔池中的氧化物来获得原铝。该工业过程属于能源密集型，需要12-16kwh/kg al。因此，该工艺的能源效率和电力供应脱碳化对于原铝的可持续生产至关重要。工艺仪器创新是提高生产力和可持续性的一种途径。
2、根据hall-heroult工艺，还原池包含熔盐以溶解金属氧化物，即氧化铝(al2o3)。电解质主要由冰晶石(na3alf6)组成，并含有各种添加剂，包括萤石(caf2)、氟化铝(alf3)、氟化锂(lif)和氟化镁(mgf2)，以改变其电化学属性，例如降低熔池熔融温度和控制氧化铝溶解度。
3、在hall-heroult池中，一组浸入熔池中的碳质阳极允许施加通过熔池循环流向位于池最底部的阴极的直流电流。电解反应的主要产物是熔融铝，其密度较大，并在含有添加剂和氧化铝的熔融冰晶石下方形成。当液态铝覆盖阴极时，由于其电子导电性，它使阴极向上电延伸。因此，随着更多金属的产生，阳极和阴极之间的距离需要修正。池的正确管理涉及及时提取金属成分，称为出料过程(tapping process)。
4、hall-heroult工艺有许多潜在变量，工艺仪器必须应对腐蚀性和高温环境(通常为950℃)。由于工艺生产率和能源效率取决于在最佳参数下运行的池，因此适当的工艺仪器和控制在工厂关键
5、在铝生产过程中，熔池中还会产生有毒排放物，并且用于将铝离子转化为金属铝原子的大电流(通常为数十万安培)会产生强磁场，因此人们最好不要离得太近。
6、鉴于这种环境特点，其应用要求使得传统仪器技术的实施和维护成本高昂。现有仪器体积庞大，在工厂内操作起来非常耗费体力。测量的可靠性很大程度上取决于操作员的技术水平，即使熟练的操作员也可能会出现连续的测量失败。每个样品的仪器测量时间为4–7分钟不等。如果测量失败，则可能需要多次重复才能获得正确的池参数值。即使在拥有数百个运行池的小工厂中，监测过程也是一项艰巨的任务。现有仪器的价格在4,000至100,000欧元之间，即heraeus electro-nite international nv(比利时houthalen)的fiberlab和stas(加拿大魁北克省chicoutimi)的starprobe。后者使用差示量热法，并需要更复杂的探头。此外，还有仪器特定的运营成本，每次测量的下限为2.00–3.00欧元。目前的实践还涉及通过x射线衍射仪对冷冻熔池样品进行系统分析，需要收集池样品并将其运送到实验室。
7、现有的池控制器没有有关池状态的大量信息。对铝还原池使用的数字孪生的先进控制方法缺乏足够的操作数据基础。目前的最大努力包括从不同的地方收集数据，并将其存储在一个集中式平台中。通过这样的数据平台，可以设制定复杂的算法，试图理解从传感器和子系统获得的噪声数据，而这些传感器和子系统最初并不是为了满足控制所需的准确性和可靠性而设计的。
技术实现思路
1、考虑到上述现有技术，本专利技术的一个目的是避开传统工艺仪器的障碍，提供一种确定池的材料和化学平衡的廉价和可持续的解决方案。
2、该目的可以通过根据权利要求1的方法来实现。
3、基于所记录的一系列图像获得至少一个属性的步骤可以意指基于所记录的一系列图像来计算至少一个属性的步骤。
4、本专利技术包括基于计算机视觉的测量系统，用于监控铝生产池中的材料和化学平衡，同时使用一组视觉传感器，并借助物理和数据驱动的建模来提高测量精度和可靠性。
5、非接触式测量将样品环境和传感设备分离开来，从而限制了稳健且廉价的探头的磨损，并且使其具有较长的使用时间和相对较低的成本。
6、记录探头和/或样品的一系列图像的步骤可以通过图像记录单元来完成，例如照相机，优选是数码照相机，例如ccd照相机。
7、探头可以由机器人操作，机器人可以被指示将带有样品的探头放置在图像记录单元(例如照相机)前面，这样人类就不需要靠近铝生产池。
8、探头可以在铝生产熔池中保持足够长的时间以与熔池达到热平衡。记录探头的图像序列的步骤可以在浸入期间执行；并同时取出含有熔池样品的探头。记录带有样品的探头的图像序列可以涉及使用冷却气体，其中该气体可以是空气。
9、一旦离开池，熔池样品开始冷却并经历各种相变，直到样品完全凝固，然后达到环境温度。
10、该一系列图像可以是50张以上的后续图像，优选100张以上的后续图像，更优选200张以上的后续图像，甚至更优选500张以上的后续图像，并且最优选1000张以上的后续图像。
11、该一系列图像可以是40000张以下的后续图像，优选10000张以下的后续图像，更优选5000张以下的后续图像，甚至更优选1000张以下的后续图像，并且最优选500张以下的后续图像。
12、在一个实施方案中，该一系列图像可以由二维传感器阵列记录。
13、根据普朗克定律，所有温度高于0k的物体都会发出热辐射。合适的探测器必须对物体发射的波长范围敏感。物体发射的波长范围取决于物体的温度。用于研究铝熔池冷却样品的相关波长范围可以在可见光和近/中/远红外范围内。
14、二维传感器阵列可以是超过100×100像素、优选超过500×500像素、更优选超过1000×1000像素的阵列。
15、二维图像传感器阵列可以提供数以百万计的像素，对应于探头和样品表面的点观测，可以捕捉整个冷却过程。每个图像可提供或不提供数百万像素，但是一系列后续图像将一起提供数百万像素或数以百万计的像素。
16、在一个实施方案中，至少一种属性可以是熔池温度。
17、熔池温度是铝生产池稳定运行的一个重要属性。熔池温度过高会导致能源浪费-池侧凸缘厚度减小，池寿命缩短，热量散失，熔池蒸发增加，电流效率降低。熔池温度过低会限制铝的产量，甚至会损害池的运行稳定性，因为氧化铝溶解度降低，电解质和液态金属的密度变得相似(并且减弱了它们的分离)，并且电解质开始凝固。
18、在一个实施方案中，可以确定探头和/或样品的不同位置处的样品温度以确定至少一种属性，其中可以基于一系列图像来确定样品温度。
19、通过记录样品表面不同位置处和不同时间下的样品温度的时间变化，可以表征冷却过程的内部动态，并且可以更准确地计算至少一种属性。
20、优选地，可以确定样品的不同位置处的样品温度的时间依赖性，这将使得进一步实现熔池的至少一种属性。
21、在一个实施方案中，可以使用有限元分析(fea)来计算样品的不同位置处的样品温度，而不排除诸如有限差分法(fdm)、有限体积法(fvm)或类似数值技术等变化，或者甚至它们的组合。
2本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于确定铝生产池的电解熔池的至少一种属性的方法，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述一系列图像由二维传感器阵列记录。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述至少一种属性是熔池温度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定所述样品的不同位置处的样品温度以确定所述至少一种属性，其中基于所述一系列图像来确定所述样品温度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中使用有限元分析(FEA)来计算所述样品不同位置处的样品温度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述至少一种属性是熔池的液相线温度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述属性是所述熔池的至少一种成分的浓度，其中所述方法包括基于所述一系列图像来计算所述至少一种成分的浓度的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述铝生产池的至少一种成分是金属盐或金属氧化物。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中在计算所述至少一种成分的浓度时考虑至少所述至少一种成分的凝固而造成的焓。>
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述至少一种属性是所述熔池的熔池液位，和/或所述熔池的液态铝水与电解熔池之间的界面的电解质-金属液位，其中探头的至少一部分分别降低到熔池液位或电解质-金属液位以下。
11.根据前述权利要求8-10中任一项所述的方法，其中所述金属盐是氟化铝(AlF3)。
12.根据前述权利要求8-11中任一项所述的方法，其中所述金属盐是氧化铝(Al2O3)。
13.根据前述权利要求8-12中任一项所述的方法，其中所述金属盐是CaF2。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：对于所述一系列图像的至少一部分，确定自探头从所述池中取出后的温度分布演变。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中以每秒至少1个图像、优选每秒至少2个图像、更优选每秒至少3个图像、甚至更优选每秒至少5个图像、进一步更优选每秒至少10个图像，甚至进一步更优选每秒至少20个图像，并且最优选每秒至少50个图像的速率记录所述一系列图像。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述图像显示为所记录的来自从所述样品反射的辐射源的辐射。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述样品的一系列图像是由第一传感器阵列记录的第一系列图像，并且所述方法还包括由第二传感器阵列记录所述样品的第二系列图像的步骤。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述传感器阵列和/或所述第二传感器阵列记录波长在400nm至700nm之间的图像。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述传感器阵列和/或所述第二传感器阵列记录波长高于700nm的图像。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述传感器阵列和/或所述第二传感器阵列记录波长在1微米至14微米之间的图像。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过热像仪、微测辐射热计、照相机、数码照相机、锑化铟(InSb)传感器、砷化铟镓(InGaAs)传感器、CCD传感器和/或CMOS传感器来记录所述图像。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述一系列图像、所述第一系列图像和/或所述第二系列图像包括至少10个图像，优选至少20个图像，更优选至少50个图像，或者最优选至少100个图像。
23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法还包括通过热敏电阻或热电偶测量所述探头和/或所述样品的温度以提供温度读数的步骤。
24.根据权利要求23所述的方法，其中将来自所述热电偶的温度读数作为边界条件馈送到计算工具，所述计算工具配置为基于所述边界条件来解决传热问题。
25.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述样品的第一位置处执行记录带有样品的探头的一系列图像的步骤，其中所述方法包括在所述样品到达第一位置之前屏蔽所述样品的步骤。
26.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法还包括在记录所述一系列图像期间屏蔽所述样品的步骤。
27.根据权利要求25或26所述的方法，其中屏蔽所述样品的步骤通过将所述样品放置在容器中来实现，所述容器的内壁由高反射材料覆盖，例如优选具有多层镀膜溶液的金属镜。
28.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法还包括在记录所述一系列图像期间冷却所述样品的步骤。
29.根据权利要求...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于确定铝生产池的电解熔池的至少一种属性的方法，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述一系列图像由二维传感器阵列记录。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述至少一种属性是熔池温度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定所述样品的不同位置处的样品温度以确定所述至少一种属性，其中基于所述一系列图像来确定所述样品温度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中使用有限元分析(fea)来计算所述样品不同位置处的样品温度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述至少一种属性是熔池的液相线温度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述属性是所述熔池的至少一种成分的浓度，其中所述方法包括基于所述一系列图像来计算所述至少一种成分的浓度的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述铝生产池的至少一种成分是金属盐或金属氧化物。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中在计算所述至少一种成分的浓度时考虑至少所述至少一种成分的凝固而造成的焓。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述至少一种属性是所述熔池的熔池液位，和/或所述熔池的液态铝水与电解熔池之间的界面的电解质-金属液位，其中探头的至少一部分分别降低到熔池液位或电解质-金属液位以下。
11.根据前述权利要求8-10中任一项所述的方法，其中所述金属盐是氟化铝(alf3)。
12.根据前述权利要求8-11中任一项所述的方法，其中所述金属盐是氧化铝(al2o3)。
13.根据前述权利要求8-12中任一项所述的方法，其中所述金属盐是caf2。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：对于所述一系列图像的至少一部分，确定自探头从所述池中取出后的温度分布演变。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中以每秒至少1个图像、优选每秒至少2个图像、更优选每秒至少3个图像、甚至更优选每秒至少5个图像、进一步更优选每秒至少10个图像，甚至进一步更优选每秒至少20个图像，并且最优选每秒至少50个图像的速率记录所述一系列图像。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述图像显示为所记录的来自从所述样品反射的辐射源的辐射。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述样品的一系列图像是由第一传感器阵列记录的第一系列图像，并且所述方法还包括由第二传感器阵列记录所述样品的第二系列图像的步骤。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述传感器阵列和/或所述第二传感器阵列记录波长在400nm至700nm之间的图像。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述传感器阵列和/或所述第二传感器阵列记录波长高于700nm的图像。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述传感器阵列和/或所述第二传感器阵列记录波长在1微米至14微米之间的图像。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过热像仪、微测辐射热计、照相机、数码照相机、锑化铟(insb)传感器、砷化铟镓(ingaas)传感器、ccd传感器和/或cmos传感器来记录所述图像。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述一系列图像、所述第一系列图像和/或所述第二系列图像包括至少10个图像，优选至少20个图像，更优选至少50个图像，或者最优选至少...
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