專利名稱：對電解槽電流的監(jiān)控的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電冶金系統(tǒng)的電解槽電流監(jiān)控，所述系統(tǒng)包括例如I)用于銅、鋅、鎳、鉛、鈷和其它金屬的電解精煉和電解沉積系統(tǒng)，II)電化學(xué)槽，例如氯-堿系統(tǒng)；以及III)熔鹽電解，例如鋁和鎂電解。
雖然本發(fā)明的這種設(shè)置能夠用于在生產(chǎn)銅的銅精煉階段期間進行電解槽監(jiān)控，以下以銅生產(chǎn)作為示例和代表進行描述，但是并不表示一種限制。
背景技術(shù)：
生產(chǎn)銅涉及如圖1的方框圖所示并在下面詳細(xì)描述的一系列步驟，涉及采礦、破碎、磨碎、選礦、熔煉、吹煉以及精煉程序，其中每個程序都是已知的。如圖所示，采礦10將礦石變松散并對其進行收集。破碎和磨碎12將礦石變?yōu)槠扑榈暮湍ニ榈牡V石，包括其中釋放了所需的礦石礦物的細(xì)小粉末。選礦14將所需的礦石礦物收集到含水的泥漿中，然后將其過濾和干燥，以制成適合于熔煉的液體濃縮物。熔煉16熔煉(也就是熔化和氧化)液體濃縮物中的鐵和硫，以生產(chǎn)出冰銅。吹煉18通過氧化來吹煉冰銅為粗銅。最后，精煉20將粗銅精煉為更加精制的銅。
參考圖1，將進行更詳細(xì)的說明，以作為示例和代表，但是并不表示一種限制。
A.采礦10
如我們所知，含有各種礦物的大量礦石存在于地球的表面上，包括銅的硫化物或者銅-鐵的硫化物礦物中的一種或者多種，例如輝銅礦、黃銅礦和斑銅礦。在這種礦石中鉆孔，從而可以引爆炸藥來使礦石變松散，使其可以被裝載和運輸至破碎和磨碎工廠。
B.破碎和磨碎12在破碎和磨碎設(shè)備中，通過各種破碎和磨碎機械來粉碎礦石，將其與水混合，并進行磨碎，然后將其泵送至選礦設(shè)備。破碎和磨碎后的礦石一般含有小于2wt％(重量百分?jǐn)?shù))的銅。
C.選礦14在選礦設(shè)備中，破碎和磨碎后的礦石被濃縮為泥漿液體濃縮物。更具體的說，破碎和磨碎后的礦石在浮選池內(nèi)與水、化學(xué)試劑、和空氣混合，浮選池確保破碎和磨碎后的礦石中的銅能粘在浮選池內(nèi)產(chǎn)生的氣泡上。當(dāng)氣泡浮到浮選池的表面頂部時，收集它們以形成液體濃縮物。
因此，選礦14將破碎和磨碎后的礦石濃縮為泥漿液體濃縮物，它們一般含有大概為25-35％的銅(以及20-30％的水)。利用各種過濾器將濃縮物脫水，以形成能由傳送帶、裝卸機、軌道車等處理的潮濕銅濃縮物。
D.熔煉16利用加熱和氧氣，將濃縮物熔煉成為礦渣和銅-鐵硫化物，稱之為冰銅。更具體地說，潮濕的濃縮物首先在大的旋轉(zhuǎn)鼓或者類似的干燥設(shè)備上干燥，然后將其送入熔煉過程，其中將剛干燥的濃縮物與富含氧的空氣混合，并被通過濃縮物燃燒器吹入熔煉爐。在熔煉爐中，剛干燥的濃縮物暴露在高于華氏2300度的溫度下，由此因為熔融的濃縮物中硫和鐵的氧化所產(chǎn)生的熱量而將它們部分氧化和熔融。
這一過程產(chǎn)生以下三種產(chǎn)物I)廢氣；II)礦渣；以及III)冰銅。包括二氧化硫(也就是SO2)的廢氣被通過熔煉爐中的支管豎管引導(dǎo)至廢氣處理系統(tǒng)。礦渣包括二氧化硅和鐵，或者更具體的說，包括脈石礦物、助熔劑、和鐵氧化物，它相對于冰銅具有低比重(也就是較低的密度)，因此允許起浮在冰銅的頂上。另一方面，冰銅包括銅硫化物和鐵硫化物，它相對于礦渣具有高比重(也就是較高的密度)，因此允許它形成、收集和下沉至位于熔煉爐底部處的爐缸或者沉淀池。
周期性地放出礦渣。更具體地說，按照慣例通過熔煉爐的側(cè)壁內(nèi)的各放出口從冰銅撇去礦渣而將礦渣和冰銅分開。這些放出口一般位于側(cè)壁上相對高的位置處，以允許從熔煉爐除去礦渣而不必除去冰銅。相反，用于冰銅的各放出口通常位于側(cè)壁上的相對低的位置，以允許冰銅從熔煉爐中除去而不必除去礦渣。
因此熔煉16將液體濃縮物熔煉為冰銅，它通常含有大致35-75wt％銅。
E.吹煉18在將礦渣與冰銅分開之后，冰銅可以I)直接轉(zhuǎn)移到吹煉爐內(nèi)，II)轉(zhuǎn)移到儲存爐，隨后送到熔煉爐內(nèi)，或者III)通過將冰銅在水中閃蒸冷卻以形成小粒來吹煉成固體形式，所述小顆粒堆料在一個大的封閉空間，以隨后送到熔煉爐內(nèi)。在吹煉爐內(nèi)，從冰銅除去各種剩余的雜質(zhì)，結(jié)果產(chǎn)生熔融的銅，稱之為粗銅。
有兩種基本類型的吹煉爐，也就是閃蒸吹煉爐和浴吹煉爐。每一個是用于將金屬硫化物氧化(也就是吹煉)成為金屬氧化物。代表性的閃蒸吹煉爐被稱之為懸浮爐，包括Kennecott Utah Copper Corp.在其Magna，Utah的工廠使用的閃蒸吹煉爐。代表性的浴吹煉爐包括I)Noranda，Inc在其Horne，Canada的工廠使用的；II)Inco Ltd.在其Sudbury，Canada工廠使用的；以及III)Mitsubishi Materials Corp.在其Naoshima，Japan工廠使用的。
不管吹煉爐是何種類型，通過冰銅和氧之間的反應(yīng)，在吹煉爐內(nèi)將冰銅吹煉為粗銅。更具體的說，在浴吹煉爐中，熔融的冰銅排至爐中，通過鼓風(fēng)口或者氣體注入器將空氣或者富含氧氣的空氣吹入到熔融的冰銅內(nèi)。向浴吹煉爐內(nèi)加入二氧化硅熔劑，以與被氧化的鐵相結(jié)合，并形成礦渣。
另一方面，閃蒸吹煉過程通過首先將冰銅磨碎為合適的尺寸(也就是粉末)并然后利用富含氧(大約70-90％的氧)的空氣將其吹入到閃蒸反應(yīng)爐內(nèi)來處理固體化的銅。也向該粉末狀冰銅加入熔劑，通常是氧化鈣，但是也可以是二氧化硅或者氧化鈣和二氧化硅的結(jié)合。粉末狀冰銅在氧氣氣氛中燃燒，并產(chǎn)生足夠的熱量來熔化材料和熔劑，產(chǎn)生熔融的粗銅和礦渣。
這些吹煉過程產(chǎn)生以下兩種產(chǎn)物I)礦渣和II)粗銅。礦渣包括脈石礦物，銅金屬(也就是Cu0)，銅氧化物(主要是Cu2O的形式)，熔劑和鐵氧化物，它相對于粗銅具有低比重(也就是較低的密度)，因此允許它浮在粗銅的頂上。另一方面，粗銅包括脈石礦物，銅金屬(也就是Cu0)，銅氧化物(主要是Cu2O的形式)，和銅硫化物(主要是Cu2S的形式)，它相對于礦渣具有高比重(也就是較高的密度)，因此允許它形成、收集和下沉至位于吹煉爐底部處的爐缸或者沉淀池。頂部礦渣層一般大約為30厘米厚，而底部粗銅層大致是50厘米厚。
如果吹煉爐是旋轉(zhuǎn)浴吹煉爐，那么礦渣和粗銅從間斷基底上的口或者噴管單獨倒出。另一方面，如果吹煉爐是靜止浴吹煉爐，那么設(shè)置出口用于除去礦渣和粗銅。這些出口一般包括位于吹煉爐的一個或者多個側(cè)壁上的各種高度處的各種放出口，按照與熔煉爐相類似的使用方式，從吹煉爐中單獨除去每一種。其它類型的吹煉爐一般采用一個或者兩個出口來連續(xù)溢出礦渣和粗銅，例如使用適當(dāng)?shù)难邅肀Ａ舻V渣。
在礦渣和粗銅之間進行的相分離是不完全的。因此，如所示的那樣，礦渣含有額外的銅，它通常是銅金屬(也就是Cu0)和銅氧化物(主要是Cu2O的形式)的形式，而粗銅含有各種廢物和未回收的礦物(例如硫磺)，它們通常是銅氧化物(主要是Cu2O的形式)和銅硫化物(主要是Cu2S的形式)以及鐵硅酸鹽的形式等。礦渣中的銅具有浪費的金屬價值，可以通過將礦渣再循環(huán)到熔煉爐中來進行回收，而粗銅中的廢物和未回收的礦物價值構(gòu)成了最后要在陽極爐或者通過電解精煉來除去的雜質(zhì)。
因此，吹煉18將冰銅吹煉為粗銅，它一般含有超過98％的銅。
F.精煉20最后，精煉粗銅，通常首先是熱冶法，然后是電解法。更具體的說，粗銅進行額外的純化步驟，以進一步升級銅含量，例如在反射爐或者旋轉(zhuǎn)陽極爐中火法精煉。然后將粗銅倒入稱之為陽極的大厚板上，所述陽極通常是從陽極澆鑄工廠通過卡車、火車等轉(zhuǎn)移到電解銅精煉廠。在電解銅精煉廠，將陽極下降至含有大致120-250gpl的游離硫酸和大致30-50gpl的溶解銅的酸性溶液中。然后將陽極與正直流電源電連接。為了在這種水性電解液中電解陽極，將它們用負(fù)性充電的稱之為啟動片或者陰極的不溶且薄層交替的不銹鋼坯料分開。然后在陽極和陰極之間按照預(yù)先確定的時間長度通電，使得銅離子從陽極遷移到陰極，以在陰極處形成板，它含有少于20份每百萬的雜質(zhì)(也就是硫加非銅金屬，但是不包括氧化物)。通常大致0.1-0.5伏的電壓足以溶解陽極，并將銅沉積在陰極上，相應(yīng)的電流密度大致是160-380amps/m2。每個陽極產(chǎn)生兩個沉積了精煉銅的陰極板，然后清洗陰極并等待最后的使用。
在典型的銅精煉廠中，每年產(chǎn)生300000噸銅陰極，可以有多至1440的電解槽，每個有46個陽極和45個陰極坯料，總共131000片懸浮在槽中。在這種傳統(tǒng)的銅精煉廠中，每個陰極和每個陽極電通過在陽極的支撐耳和在陰極的懸架耳上的兩個或者多個接觸點連接至精煉廠電流供應(yīng)系統(tǒng)。這意味著可以總共有超過260000的電連接(也就是每個陽極兩個，每個陰極兩個，并乘以陽極和陰極的數(shù)量)。精煉過程的有效操作的關(guān)鍵是在陽極和陰極坯料之間不能發(fā)生短路。如后詳細(xì)所述，如果陰極和陽極沒有對準(zhǔn)或者如果沉積在陰極上的銅以非均勻方式增長并接觸到陽極，就會發(fā)生短路。當(dāng)發(fā)生短路的時候，所需要的銅鍍覆過程就被中斷，降低了電的使用效率。因此，短路導(dǎo)致在陽極和陰極之間的電勢差的降低。
精煉過程的有效操作的關(guān)鍵是在陽極和陰極之間不發(fā)生斷路和短路。如后詳細(xì)所述，如果陰極和陽極沒有對準(zhǔn)或者如果沉積在陰極上的銅以非均勻方式增長并接觸到陽極，就會發(fā)生短路。當(dāng)發(fā)生短路的時候，所需要的銅鍍覆過程就被中斷。另一方面，如果在供應(yīng)電源和陽極或者陰極之間發(fā)生接觸不良，就會發(fā)生斷路。當(dāng)發(fā)生斷路時，降低了電的使用效率。
因此精煉20將粗銅精煉為精煉銅，它通常含有大致99.99wt％的銅(也就是有效的純銅)。
然后精煉20允許利用該領(lǐng)域已知的傳統(tǒng)方法和技術(shù)將精煉的陰極銅吹煉為任何數(shù)量的銅最終產(chǎn)品。
通過提高槽監(jiān)控效率可以提高銅精煉20的效率。更具體的說，至少需要密切監(jiān)視一個重要的槽參數(shù)，也就是，在電解槽中通過每個陰極的電流。如果不能準(zhǔn)確地監(jiān)控該槽參數(shù)等，就會降低金屬的回收，增加廢品率，導(dǎo)致低效的能量利用。無需說明，斷路和短路通常在銅的電解精煉過程中發(fā)生。它們的發(fā)生有很多原因，包括I)陽極和陰極的物理質(zhì)量不高，II)電源供應(yīng)和陽極或者陰極之間接觸不良，III)陽極和陰極之間對不準(zhǔn)，以及IV)電解液溫度、添加劑量或者化學(xué)試劑的局部變化。因此在銅的電解精煉過程中，有效的電解槽監(jiān)控是非常重要的，它使得系統(tǒng)的操作者能檢測在陽極和陰極之間的斷路和短路，如果這種狀態(tài)不正確，就會降低電流效率，并導(dǎo)致下游處理問題的產(chǎn)生，例如不良的陰極生長。如人們所熟知的，銅雜質(zhì)、銅含量、以及銅外觀最終也會受到斷路和短路的不良影響。
傳統(tǒng)的監(jiān)控僅僅集中在識別陽極和陰極之間的短路。這通常是利用手持的高斯表來檢測流經(jīng)陰極的異常磁場來手動完成的。這種程序一般需要在每個槽中的陽極和陰極上進行物理行走，并同時密切觀察手持的高斯表來檢測表指針的大的偏轉(zhuǎn)。通常，高斯表固定在長的棍或者棒的遠(yuǎn)端，由此可以被保持為靠近陰極懸掛桿。但是這項任務(wù)在人體工程學(xué)方面存在難題，并且容易發(fā)生事故。另外，在槽上行走通常會使陽極和陰極對不準(zhǔn)，可以導(dǎo)致污染，并通常引發(fā)進一步的問題。
由于短路產(chǎn)生熱量，新研發(fā)的技術(shù)涉及利用紅外攝像機和圖像處理技術(shù)。但是，與傳統(tǒng)的高斯表的技術(shù)類似，這些技術(shù)通常只檢測短路而不檢測斷路。
盡管斷路和短路的檢測涉及它們的效果而不是它們的起因，但是它被廣泛地認(rèn)為是用于改進電極質(zhì)量的技術(shù)。因此，在檢測到短路之后，通常用一個不銹鋼棒在陽極和陰極之間探測以確定發(fā)生故障的位置、然后物理分離(也就是斷開)在短路中心處生長的錯誤的銅節(jié)結(jié)來進行清除。這通常需要將陰極物理提升至槽的外面。但遺憾的是，許多斷路和短路通常沒有被檢測出來，直到已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的損害。

發(fā)明內(nèi)容
因此需要改進電解槽電流監(jiān)控設(shè)備和方法，它能不僅檢測到短路，而且也能檢測到斷路。這種設(shè)備和方法會提高在制造銅的銅精煉階段20的過程中的能量利用。因此，需要在制造銅的銅精煉階段20的過程中有效監(jiān)控電解槽電流。
一種設(shè)備，包括傳感器，用于測量在用于承載通向或者來自電解槽的電流的導(dǎo)體周圍所產(chǎn)生的磁場強度。該設(shè)備還包括一個處理器，能夠與所述傳感器進行電通信，通過因用于承載通向或者來自電解槽的電流的其它導(dǎo)體產(chǎn)生的其它磁場強度來補償磁場強度，用于確定關(guān)于導(dǎo)體所產(chǎn)生的補償磁場強度。在一個實施方案中，該設(shè)備還包括用于根據(jù)陰極電流識別在陽極和陰極之間的短路和斷路的部件。在另一個實施方案中，通過將陰極電流與預(yù)定值進行比較，可以識別短路和斷路。在一個實施方案中，傳感器是霍耳效應(yīng)傳感器。在另一個實施方案中，該設(shè)備包括用于電解槽的每個陰極的多個傳感器。在另一個實施方案中，該設(shè)備包括用于將補償磁場強度通信給中央控制單元的部件。在另一個實施方案中，該設(shè)備是手持的、電極、軌道車、自動機械手或者起重機。在另一個實施方案中，該設(shè)備還包括與該傳感器能夠電通信的近程傳感器，用來當(dāng)該設(shè)備與導(dǎo)體物理接近時驅(qū)動所述傳感器。
一種方法，包括提供一種傳感器，用于測量在導(dǎo)體周圍所產(chǎn)生的磁場強度，其中導(dǎo)體用于承載通向或者來自電解槽的電流。該方法還包括通過因用于承載通向或者來自電解槽的電流的其它導(dǎo)體產(chǎn)生的其它磁場強度來補償磁場強度，確定關(guān)于導(dǎo)體所產(chǎn)生的補償磁場強度。在一個實施方案中，該方法根據(jù)補償?shù)拇艌鰪姸却_定導(dǎo)體所承載的陰極電流。在另一個實施方案中，該方法還包括根據(jù)陰極電流識別在陽極和陰極之間的短路和斷路。在另一個實施方案中，該方法還包括根據(jù)陰極電流與預(yù)定閾值的比較識別短路和斷路。在另一個實施方案中，傳感器是霍耳效應(yīng)傳感器。在另一個實施方案中，該方法還包括為電解槽的每個陰極提供一個傳感器。在另一個實施方案中，該方法還包括將補償磁場強度通信給中央控制單元。在另一個實施方案中，該方法還包括通過手持的、電極、軌道車、自動機械手或者起重機來提供傳感器。


從以下形成本說明書的整體部分的示例性、代表性和非限制性的說明，可以清楚構(gòu)成本發(fā)明設(shè)置的優(yōu)點和特點、以及其中提供的典型機理的各種構(gòu)成和操作方法，在附圖中，類似的附圖標(biāo)記通常表示相同的元件。
圖1為電冶金銅生產(chǎn)的流程圖；圖2為電解槽的頂視圖；圖3為來自圖2的單塊陰極板的前視圖；圖4為發(fā)生斷路和短路的電解槽的陰極的電流的連續(xù)曲線圖；圖5為在其中某些陰極發(fā)生斷路或短路的電解槽中的每個單獨陰極的電流的詳細(xì)曲線圖；圖6為在其中每個陰極處于良好工作情況中的電解槽中的每個單獨陰極的電流的詳細(xì)曲線圖；圖7為實施本發(fā)明布置的局部構(gòu)架的功能概述；圖8為具有相對較大L/d比的兩個(2)相鄰陰極的局部側(cè)視圖；圖9為具有相對較小L/d比的三個(3)相鄰陰極的局部側(cè)視圖；圖10為具有磁場補償?shù)膬蓚€(2)相鄰陰極的局部側(cè)視圖；圖11為根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的手持式裝置的局部剖視圖；
圖12為根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的電極裝置的局部透視圖；圖13為在圖2的電解槽上操作的圖12的電極裝置的局部透視圖；并且圖14為根據(jù)本發(fā)明第三實施方案的軌道車的透視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照圖2，顯示出一電解槽22，其中陽極板(即，“陽極”)A和陰極板(即，“陰極”)C彼此相鄰地交替布置并且浸入在水的電解液(未示出)中。在銅生產(chǎn)期間，陽極A和陰極C與沿著電解槽22的縱向方向延伸的正極和負(fù)極電流導(dǎo)軌24緊密接觸(ear-contact)。在陽極A與正極(+)電流導(dǎo)軌24連接并且陰極C與負(fù)極(-)電流導(dǎo)軌24連接時，電流導(dǎo)軌24將電流運送給電解槽22以幫助使銅離子從陽極A遷移至陰極C。更具體地說，電力在充正電的陽極A和充負(fù)電的陰極C之間傳送預(yù)定長的時間，這使得銅離子根據(jù)下面的等式從陽極A遷移至陰極C以在陰極C處形成板Cu+++2e-＝Cu0現(xiàn)在參照圖3，隨著銅離子從陰極C向陽極A遷移，在陰極C中形成電流(i)。如所示一樣，這些單獨電流(i)沿著陰極C向上流動以形成在陰極C懸掛在其上的銅棒26處。這些電流(i)沿著銅棒26朝著負(fù)電流導(dǎo)軌24流動。在物理上靠近負(fù)電流導(dǎo)軌24的點P處所有這些電流(i)的總和大致為由特定陰極C收集的陰極電流(I)。
如果在陽極A和陰極C之間不存在任何斷路或短路，則如由下面等式中任一個所表示的一樣鍍覆在陰極C上的銅的速率將與陰極電流(I)直接成正比dCu/dt＝I/840(kg/小時)或者dCu/dt＝0.0026I(Ib/小時)現(xiàn)在參照圖4，如果在陽極A和陰極C之間發(fā)生短路(稱為“短路”)，則產(chǎn)生出相對較大的陰極電流(I)。這被反映為電流尖峰。短路情況降低了銅生產(chǎn)，因為銅離子不能成功地從陽極A遷移至陰極C。因此，在陰極C處鍍覆的銅不夠。
同樣，如果在陽極A和陰極C之間發(fā)生了斷路(也被稱為“斷路”)，則產(chǎn)生出相對較小的陰極電流(I)。這被反映為電流下降。代替幫助銅離子從陽極A遷移至陰極C，斷路降低了電流效率，因為電流轉(zhuǎn)變成在電流導(dǎo)軌24處的廢熱。
通過測量出在靠近電解槽22的每個陰極C的負(fù)電流導(dǎo)軌24的位置P處的電流(I)，從而檢測出電流尖峰和電流下降。例如，通過在圖4中沿著x軸線繪制每個單獨陰極并且沿著y軸線繪制以安培為單位測量出的陰極電流(I)，在陰極6和15處很容易識別出斷路，而在陰極21處很容易識別出斷路。更具體地說，電流在陰極6和15處明顯增強(例如，大約為750amps或更大)高于基準(zhǔn)線(例如，大約為525amps)，從而表明在相應(yīng)的陽極A和陰極C之間存在短路。同樣，電流在陰極21處明顯下降(例如，大約為300amps或更小)低于基準(zhǔn)線(例如，大約為525apms)，從而表面在相應(yīng)的陽極A和陰極C之間存在斷路。在該實施例中，例如大約為525amps的陰極電流(I)表示從電解槽22的陽極A到陰極C的有效銅離子遷移。平均電流(I)典型陰極C從流經(jīng)電解槽22的總電流理想地均分出的電流。因此，與該525amp基準(zhǔn)線的相對偏差的幅度也可以用來表示在特定陽極A和陰極C之間的斷路或短路的嚴(yán)重性。
現(xiàn)在參照圖5，該圖也繪制出沿著x軸線的每個陰極和沿著y軸線的以安培為單位測量出的陰極電流(I)。如圖5所示，繪制出相同的525amp基準(zhǔn)線來表示有效銅離子遷移。但是，與之相對較大的偏差現(xiàn)在表示效率低的銅離子遷移。例如，在陰極1、3、12和15處的陰極電流(I)明顯高于基準(zhǔn)線，從而表示存在短路。同樣，在陰極25、31和32出的陰極電流(I)明顯低于基準(zhǔn)線，從而表示存在斷路。如在圖4中一樣，與基準(zhǔn)線的這些偏差表示從陽極到陰極的效率低的銅離子遷移。也能夠識別出在陽極A和陰極C之間的斷路或短路的嚴(yán)重性。在任意情況中，該電解槽22不再認(rèn)為處于可接受或良好的工作狀況，并且需要采取行動來校正整個狀況，例如通過分離(即打碎)在短路的中心處生長的錯誤銅結(jié)塊來清除故障，這會需要從電解槽22中將陰極C物理拆除，或者在電流導(dǎo)軌24和陽極A或陰極C之間重新建立良好接觸。
現(xiàn)在參照圖6，該圖也繪制出沿著x軸線的每個陰極C和沿著y軸線的以安培為單位測量出的陰極電流(I)。如圖6所示，同樣繪制出相同的525amp基準(zhǔn)線來表示有效銅離子遷移。但是與之相對較小的偏差仍然能夠表示有效銅離子遷移。例如，雖然在陰極4、5、22、23、44和45(以及其它)處的陰極電流(I)高于基準(zhǔn)線，但是該增大沒有嚴(yán)重的足以識別出存在短路。同樣，雖然在陰極3、39、43和46處的陰極電流(I)低于基準(zhǔn)線，但是該下降沒有嚴(yán)重的足以識別出存在斷路。在與該基準(zhǔn)線偏離保持在可容忍的范圍期間，電解槽22仍然能夠認(rèn)為處于可接受或良好的工作狀況。在正常情況中，陰極電流(I)圍繞著基準(zhǔn)線隨機地波動。只要隨機波動處于所期望的邊界或閾值范圍內(nèi)，則可以認(rèn)為它處于正常操作情況中。
如由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所選擇并且公知的以及由在圖6中的包圍著525amp基準(zhǔn)線的虛線水平線所示意性所示的一樣，可以根據(jù)統(tǒng)計采樣來設(shè)定可接受閾值參數(shù)和與基準(zhǔn)線的可容忍的偏差。這些可以按照具體電解車間的偏好來選擇。在任何情況中，它們有效地描繪了用來觸發(fā)在電解槽22的陽極A和陰極C之間的斷路和短路識別的參數(shù)或條件。在其內(nèi)的微小偏差被容許作為從陽極A到陰極C的可接受并且無約束的有效離子遷移，由此不需要任何用戶干預(yù)。
如前面所述一樣，在銅離子從陽極A向陰極C遷移時形成電流(i)，從而在銅棒26附近的位置P處產(chǎn)生出陰極電流(I)。如公知的一樣，陰極電流(I)根據(jù)以下等式產(chǎn)生出磁場BB=μ0I2πd]]>其中μ0為磁導(dǎo)率常數(shù)，I為在位置P處在銅棒26處的陰極電流(I)，d為從銅棒26到磁場B的測量點P的距離，并且B為由陰極電流(I)在位置P處感應(yīng)出的磁場?？梢钥闯?，陰極電流(I)越強，則產(chǎn)生的磁場B越強，并且可以通過重新整理上面的等式并且測量出該磁場B的強度來確定陰極電流(I)I=2πdBμ0]]>
現(xiàn)在參照圖7，霍耳效應(yīng)傳感器28測量出該磁場B的強度。更具體地說，典型的霍耳效應(yīng)傳感器28采用了由半導(dǎo)體材料制成的小片晶。在三維空間內(nèi)，如果電流(I)與外部磁場B的方向垂直地經(jīng)過該片晶，則它產(chǎn)生出模擬輸出電壓(即霍耳電壓)，這與陰極電流(I)和磁場B垂直地產(chǎn)生出。該現(xiàn)象也被稱為霍耳效應(yīng)，并且霍耳電壓取決于陰極電流(I)與由片晶的磁通量密度測量出的磁場B大小的乘積。在任何情況中，線性霍耳效應(yīng)傳感器28測量出與垂直于霍耳效應(yīng)傳感器28的片晶的磁通量成正比的霍耳電壓。在任何情況中，可以為在電解槽26中的每個陰極C設(shè)置一霍耳效應(yīng)傳感器28。
再次參照圖3，可以將每個陰極C的陰極電流(I)加在一起以表示整個電解槽22的總剖面電流(I)。假設(shè)已知在電解槽22中的該剖面電流(IS)和陰極C數(shù)量，可以根據(jù)下面的等式使來自圖7的霍耳效應(yīng)傳感器28的讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，以設(shè)定電解槽的基線Ii=Bi-B0Σk=1N(Bk-B0)IS]]>其中N為電解槽中的陰極C的數(shù)量，Is為整個電解槽22的整個剖面電流，Ii為流經(jīng)陰極(i)的陰極電流(I)，Bi為用于陰極(i)的霍耳效應(yīng)傳感器28的讀數(shù)，并且B0為在B＝0時霍耳效應(yīng)傳感器28的Quiescent霍耳效應(yīng)傳感器讀數(shù)。
現(xiàn)在參照圖8，該圖顯示出在電解槽22中的兩個(2)相鄰陰極C的簡化局部側(cè)視圖。如前面所述一樣，陰極電流(I)沿著每個陰極C懸掛在其上的銅棒26流動。該陰極電流(I)產(chǎn)生出圍繞著陰極C的銅棒26按照圓形的方式形成的磁場B。如果在P足夠靠近銅棒26時在位置P處獲取該磁場B的測量值，則由流經(jīng)該銅棒26的陰極電流(I)產(chǎn)生出的磁場B水平并與由流經(jīng)與所涉及的銅棒26平行地延伸的其它銅棒26′的其它電流(I’)產(chǎn)生出的其它磁場B’垂直。換句話說，在L為在陰極C之間的距離(例如，大約為10cm)并且d為從陰極C到由霍耳效應(yīng)傳感器28獲取測量值的位置P的距離(例如，大約為0.5cm)，則L/d明顯較大。因此，銅棒26周圍的磁場B在該點P處與其它銅棒26′周圍的其它磁場B′去耦。更大的L/d比例使得這些相互作用的磁場B和B′進一步去耦。但是，在典型的電解槽26內(nèi)，L是固定的常數(shù)，從而保持L/d足夠大的傳統(tǒng)方式是在非常接近感興趣的銅棒26的點P處進行霍耳效應(yīng)傳感器28的測量。這樣確保在陰極C(n)處產(chǎn)生的磁場B(n)僅僅歸因于在陰極C(n)處的陰極電流(I)。
現(xiàn)在參考圖9，L/d相對不大。因此在點P(n)處的磁場B(n)是陰極C(n)所產(chǎn)生的磁場B(n)加上其它附近的陰極C(m)(m≠n)所產(chǎn)生的磁場B(m)的水平分量之和的結(jié)果。換句話說，在點P(n)處的磁場B(n)的水平分量不再僅是由在陰極C(n)處產(chǎn)生的陰極電流(I)所產(chǎn)生的。取而代之的是，它包括來自在霍耳效應(yīng)傳感器28所測量的陰極C(n)兩側(cè)上的其它陰極C(m)的水平分量的貢獻。結(jié)果，在點P(n)處霍耳效應(yīng)傳感器28所測量的磁場B(n)的強度被偏置(bias)。并且這種偏置對于所有的陰極來說是不相同的。例如，在電解槽22兩端處的陰極C接收來自相鄰陰極C(m)的較少貢獻，因為它們的相鄰陰極C(m)較少。類似地，靠近發(fā)生短路或者斷路的相鄰電極C(m)的電極C從這些相鄰電極C(m)接收了或多或少的貢獻，因為它們的電流不穩(wěn)定。因此，需要補償處理來準(zhǔn)確地測量在電解槽22的每個單獨電極C(n)處的磁場B(n)，以確保準(zhǔn)確地測量在那里的陰極電流(I)。
現(xiàn)在參考圖10，顯示了兩個(2)相鄰的陰極C(i)和C(j)。兩個電極C(i)和C(j)相距一個電極距離L。為了計算在相鄰電極C(j)頂部測量點P(i)處由陰極C(i)所產(chǎn)生的磁場B(i)的水平分量，讓B(i)成為僅由在陰極C(i)中的陰極電流(I)所產(chǎn)生磁場強度，并在陰極C(i)之上的點Q(i)進行測量。因為磁場強度B與在陰極C和觀察點之間的距離d成反比例，因此通過以下的公式由磁場B(i)計算在陰極C(j)之上在點P(i)處由陰極C(i)產(chǎn)生的磁場B(i)。
Bij=dL2+d2Bi]]>根據(jù)以下公式計算Bij的水平分量。
B(h)ij=Bijsin(β)=dL2+d2Bij]]>
因此B(h)ij=d2L2+d2Bi]]>因為d2L2+d2>>1]]>作為第一級估計(first order estimation)，因此B(i)可以由霍耳效應(yīng)傳感器28在點Q處的測量值來代替，后者包括C(i)之外的其它陰極產(chǎn)生的水平磁場分量。
上述公式是相距一個陰極距離L的陰極C所產(chǎn)生的磁場的水平分量。假設(shè)在任何兩個相鄰的陰極C之間的距離相同，均為L，那么陰極C(i)在陰極C(k)處產(chǎn)生的磁場的水平分量由以下公式計算得到Bhik=d2[(k-i)L]2+d2Bi]]>設(shè)λik=d2[(k-i)L]2+d2.]]>這是陰極C(i)在陰極C(k)處貢獻的水平分量的磁場系數(shù)。
利用該符號，Bhik=λikBi.]]>現(xiàn)在對于以下原始數(shù)據(jù)，B＝[B1，B2，B3，......BN，]，B(i)是在陰極C(i)處從霍耳效應(yīng)傳感器28讀出的磁場強度。
關(guān)于以下補償數(shù)據(jù)，BC＝[BC1，BC2，BC3，......BCN，]，其中BCi是B(i)的補償磁場強度。它表示陰極電流(I)通過C(i)產(chǎn)生的真實或者真正的磁場強度。
設(shè)λik成為第i個陰極對第k個陰極的磁場貢獻系數(shù)。那么系數(shù)λik＜＜1是一個小的數(shù)值。因此，第一級估計由以下公式給出Bci=Bi-[Σk=1i-1λkiBk+Σk=i+1NλkiBk]=Bi-Σk=1,k≠iNλkiBk]]>則，Bc=[B1-Σk=2NλkiBk,B2-λ12B1-Σk=3Nλk2Bk,......BN-Σk=1N-1λkNBk],]]>其中λik=d2[(k-i)L]2+d2]]>并且λik具有如下性質(zhì)λik=d2[(k-i)L]2+d2=f(|k-i|)]]>λik＝λkiλik＝λ(m)，m＝|i-k|＝1，2，...，N-1
λik=d2(mL)2+d2]]>這些關(guān)系極大地簡化了磁場補償?shù)挠嬎恪Ｒ驗棣?m)隨著m的增加而非?？斓亟档?，因此當(dāng)計算補償值時少量的項就足夠了。
現(xiàn)在可以根據(jù)如下公式利用補償數(shù)據(jù)計算陰極電流。
Ii=Bci-B0Σk=1N(Bck-B0)IS]]>其中N是槽中陰極C的數(shù)量，Is是整個電解槽22的全部截面電流，Ii是經(jīng)過電極C(i)的陰極電流(I)，BCi是電極(i)所產(chǎn)生的補償磁場強度，B0是當(dāng)B＝0時霍耳效應(yīng)傳感器28的靜止霍耳效應(yīng)傳感器讀數(shù)。
另外，磁場是具有如下三個分量的矢量B(x)、B(y)和B(z)。已經(jīng)描述了一個分量水平分量。分別利用彼此垂直安裝的多個(也就是兩個或者三個)霍耳效應(yīng)傳感器28也可以測量兩維和三維場矢量。這種場矢量可以提供更多的測量值和補償，如該領(lǐng)域技術(shù)人員所能理解的那樣。例如彼此相對按照90°安裝的兩個霍耳效應(yīng)傳感器28可以測量磁場強度矢量。磁場B的方向會提供關(guān)于在陰極C的哪一側(cè)上發(fā)生斷路或者短路的信息，這是有問題的陽極A的指示(也就是在陰極C的北側(cè)或者南側(cè))。另外，彼此相對按照90°安裝的兩組那些霍耳效應(yīng)傳感器28通過應(yīng)用基本的三角法則可以提供具體在陰極C上哪里可能已經(jīng)發(fā)生了斷路或者短路的信息。
參考圖7，也可以設(shè)置近程傳感器30與霍耳效應(yīng)傳感器28電通信，以檢測霍耳效應(yīng)傳感器28何時與陰極C的銅棒26成近距離的物理接近。電容近程傳感器30在其接近陰極C的銅棒26時打開，并在其移動離開后者時關(guān)閉。因此，近程傳感器30用于同步霍耳效應(yīng)傳感器28，從而可以僅在其非常接近陰極C的時候監(jiān)控其輸出。
在優(yōu)選實施方案中，近程傳感器30也與霍耳效應(yīng)傳感器28對準(zhǔn)，從而在采用這些傳感器的設(shè)備測量電解槽22的陰極電流的時候，它們都與陰極C的銅棒26對準(zhǔn)。
通常，霍耳效應(yīng)傳感器28盡可能靠近銅棒26來操作，盡管本發(fā)明的磁場B補償技術(shù)已經(jīng)消除了這種要求。
在優(yōu)選實施方案中，近程傳感器30也作為計數(shù)器，從而在所采用的設(shè)備在電解槽22的陰極C上移動時，該設(shè)備知道它正測量哪個陰極C，并且它何時完成給定電解槽22的測量?？梢允翘娲模蛘呖梢允桥c之結(jié)合的，無線頻率識別(“RFID”)讀取器32也可以用于讀取附于電解槽22的RFID標(biāo)志(未顯示)等。在這種實施方案中，操作者可以避免手動輸入關(guān)于特定電解槽22的其它識別信息，盡管鍵盤34和LCD顯示器36等也可以用于這種目的。
在優(yōu)選的實施方案中，收集到的有關(guān)電解槽22的數(shù)據(jù)也可以通過收發(fā)機傳遞給中央計算機和數(shù)據(jù)庫(未顯示)，用于對其進行進一步的處理，這些元件中的一個或者多個之間的通信可以通過一個適當(dāng)?shù)奶幚砥?0來協(xié)調(diào)。
參考圖11，手持設(shè)備42實現(xiàn)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施方案，其中操作者手柄44連接至軸46，后者連接至測量頭48，測量頭48包括霍耳效應(yīng)傳感器28、近程傳感器30或者RFID讀取器32中的一個或者多個。手持設(shè)備42可以由軸46內(nèi)的可充電電池組50或者由通過手柄44連接的AC電源(未顯示)供電，或者采用其它方式。另外，手持設(shè)備42的測量頭48的底部可以包括一個或者多個引導(dǎo)滑板(sled)51或者支撐物等，從而可以獲得霍耳效應(yīng)傳感器28和電解槽22的陰極棒26之間的一致距離，以進一步提高測量的準(zhǔn)確性。
按照類似的方式，圖12-14顯示了本發(fā)明的替換實施方案，其中自治的(例如無人操縱的)設(shè)備采用了本發(fā)明的一個或者多個發(fā)明特征。
更具體地說，圖12-13顯示了根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的桿設(shè)備52，其中霍耳效應(yīng)傳感器陣列54采用了一個或者多個霍耳效應(yīng)傳感器28，優(yōu)選是為每個電解槽22的每個陰極C用一個霍耳效應(yīng)傳感器28，由此可以同時測量多個陰極C，包括例如電解槽22的所有陰極C。
在這個實施方案中，霍耳效應(yīng)傳感器陣列54連接至用于處理來自那里的數(shù)據(jù)的處理頭56，處理頭56包括鍵盤34、LCD顯示器36等、收發(fā)機38或者處理器40(未顯示)中的一個或者多個。
另外，霍耳效應(yīng)傳感器陣列54也可以包括與霍耳效應(yīng)傳感器28相關(guān)聯(lián)的一個或者多個LED58，用于可視地指示被監(jiān)控的電解槽22的狀態(tài)。例如，第一(例如紅色)LED可以指示短路的存在，而第二(例如綠色)LED可以只是斷路的存在。類似地也可以設(shè)置音頻指示器和報警器，例如可以是自動標(biāo)記的機構(gòu)(例如粉筆、帶、噴墨機等)，用于根據(jù)預(yù)先設(shè)定的極限自動識別問題陰極C。在這種實施方案中，短路和斷路的清除員工可以響應(yīng)于電解槽22數(shù)據(jù)的可視或者可聽報警通信裝置，可以是自動的裝置用于響應(yīng)它們。在這種實施方案中，提供輸出以交流電解槽22的數(shù)據(jù)。這些類型的指示器允許操作者不用關(guān)注大量的電解槽22，而是關(guān)注需要更即刻注意的這種電解槽22。
類似的，圖14顯示了本發(fā)明第三實施方案的軌道車設(shè)備58，其中霍耳效應(yīng)傳感器陣列54采用一個或者多個霍耳效應(yīng)傳感器28，優(yōu)選是為每個電解槽22的每個陰極C用一個霍耳效應(yīng)傳感器28，由此可以同時測量多個陰極C，霍耳效應(yīng)傳感器陣列54由軌道車設(shè)備58沿著一對軌道60等承載，并連接至用于處理來自那里的數(shù)據(jù)的處理頭56。
根據(jù)本發(fā)明的第四實施方案(未顯示)，頭部上的吊架、機器人或者其它設(shè)備也可以實現(xiàn)本發(fā)明的設(shè)置，其中霍耳效應(yīng)傳感器陣列54采用一個或者多個霍耳效應(yīng)傳感器28，優(yōu)選是為每個電解槽22的每個陰極C用一個霍耳效應(yīng)傳感器28，由此可以同時測量多個陰極C，霍耳效應(yīng)傳感器陣列54由頭部上的吊架、機器人或者其它設(shè)備承載，并類似地連接至用于處理來自那里的數(shù)據(jù)的處理頭56。
如上所述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會認(rèn)識到，許多本發(fā)明的設(shè)置可以用硬件、軟件或者它們的各種結(jié)合來實現(xiàn)。另外，用于實現(xiàn)本發(fā)明的所述設(shè)置的任何類型的處理器40或者其它設(shè)備也是適用的。硬件和軟件的典型結(jié)合，例如可以是具有計算機程序的通用的微處理器芯片(例如MPU)，所述計算機程序在加載和執(zhí)行時，能夠控制處理器40，從而實現(xiàn)本發(fā)明的所述設(shè)置。因此，處理器40可以是與霍耳效應(yīng)傳感器28集成在一起的元件，或者與其物理上遠(yuǎn)離。
另外，可以理解，本發(fā)明的說明書是對本發(fā)明的設(shè)置的示例性、代表性和非限制性的描述。因此，本發(fā)明的范圍不限于任何這些實施方案。相反，這些實施方案的細(xì)節(jié)和特征是根據(jù)需要來公開的。因此本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)作出許多改變和改進，而不會脫離其范圍，本發(fā)明的設(shè)置必然包括它們。因此，為了告知公眾本發(fā)明的精神和范圍，特限定如下權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，包括一個或多個傳感器，用來測量在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生的磁場強度，所述導(dǎo)體用來從/向電解槽輸送電流；以及一處理器，它與所述傳感器中的一個或多個電通信，用來通過因由其它用來從/向所述電解槽輸送電流的導(dǎo)體產(chǎn)生出的其它磁場而補償所述磁場強度，來確定出圍繞著所述導(dǎo)體產(chǎn)生的被補償磁場強度。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述處理器使用所述被補償磁場強度來確定由所述導(dǎo)體運送的陰極電流。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，還包括用于根據(jù)所述陰極電流識別在所述電解槽的陽極或陰極之間的短路的裝置。
4.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，還包括用于根據(jù)所述陰極電流識別在所述電解槽的陽極或陰極之間的斷路的裝置。
5.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，還包括用于在所述陰極電流高于特定值的情況下識別在所述電解槽的陽極或陰極之間的短路的裝置。
6.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，還包括用于在所述陰極電流低于特定值的情況下識別在所述電解槽的陽極或陰極之間的斷路的裝置。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述傳感器的一個或多個為霍耳效應(yīng)傳感器。
8.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包括一個或多個用于所述電解槽的每個陰極的傳感器。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括用于將所述補償磁場強度通信給中央控制單元的裝置。
10.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備選自由手持式、電極、軌道車、機器人和起重機構(gòu)成的組。
11.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括一近程傳感器，它與所述傳感器中的一個或多個電通信，用來在所述設(shè)備與所述導(dǎo)體的一個或多個緊密物理相鄰時驅(qū)動所述傳感器。
12.一種方法，該方法包括提供一個或多個傳感器，所述傳感器用來測量在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生的磁場強度，所述導(dǎo)體用來從/向電解槽輸送電流；并且通過因由其它用來從/向所述電解槽輸送電流的導(dǎo)體產(chǎn)生的其它磁場而補償所述磁場強度，來確定圍繞著所述導(dǎo)體產(chǎn)生出的被補償磁場強度。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括根據(jù)所述補償磁場強度確定由所述導(dǎo)體運送的陰極電流。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括根據(jù)所述陰極電流識別出在所述電解槽的陽極和陰極之間的短路。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括根據(jù)所述陰極電流識別出在所述電解槽的陽極和陰極之間的斷路。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括在所述陰極電流高于特定值的情況下識別出在所述電解槽的陽極和陰極之間存在短路。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括在所述陰極電流低于特定值的情況下識別出在所述電解槽的陽極和陰極之間存在斷路。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述傳感器的一個或多個為霍耳效應(yīng)傳感器。
19.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括為所述電解槽的每個陰極配備一傳感器。
20.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括將所述補償磁場強度傳送給中央控制單元。
21.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括通過選自手持式、電極、軌道車、機器人和起重機的設(shè)備來提供所述傳感器的一個或多個。
全文摘要
這里描述了用于電解槽的設(shè)備和方法，它們使用一個或多個傳感器來測量圍繞著運送電流的導(dǎo)體的磁場強度。處理器與傳感器電連接并且根據(jù)還相對于電解槽運送電流的其它導(dǎo)體的磁場確定出補償磁場強度。處理器使用該補償磁場強度來確定由導(dǎo)體運送的陰極電流并且識別出在電解槽的陽極和陰極之間的斷路和短路。上述設(shè)備和方法用來進行在相鄰陰極的磁場之間的相互作用。
文檔編號C25B15/02GK1954098SQ200580008338
公開日2007年4月25日 申請日期2005年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月17日
發(fā)明者尤金·Y.·尤, 安東尼奧·博格斯-德萊弗斯, 大衛(wèi)·B.·喬治, 丹尼爾·金, 周克明 申請人:肯尼科特猶他州銅冶公司