一种防探头粘附的湿法冶炼氧化还原电位计保护装置

1.本技术涉及探头保护套技术领域，具体公开了一种防探头粘附的湿法冶炼氧化还原电位计保护装置。


背景技术：

2.湿法炼锌工艺是一种常见的炼锌工艺，其主要原理是通过氧化还原反应将含锌精矿中的锌转化为水溶性的硫酸锌，然后通过电解沉积的方法将硫酸锌转化为纯净的锌金属。锌精矿随着品味的高低，其矿石中锌的含量也有所不同，但总的来说，锌精矿中会含有众多除锌之外的杂质金属，这些元素也会和金属锌一同进入到溶液中。杂质金属的存在会导致电解工序产出的锌锭纯度不足，同时，像镉、钴、锗等杂质离子还可能导致烧板现象，威胁生产安全。因此，在电解工序之前设置有一道净化工序，其主要作用是通过向硫酸锌溶液中添加锌粉和催化剂，利用置换反应使溶液中的杂质离子析出沉淀，将杂质离子浓度控制在一个可接受的范围内。
3.净化工序是锌湿法冶炼生产过程中重要的环节之一，其主要目标是除杂，关注的生产指标也就是溶液中的杂质离子浓度。但是，以目前的检测技术，想要准确高效的检测出溶液中不同离子的浓度是一件十分困难的事情。现有的大部分设备只能够检测一种离子的浓度，还需要经过长时间的处理。净化过程需要关注的杂质离子远不止一种，而为每一种杂质离子在每一段工序安装设备是一件难以接受的事情，无论是从成本上还是可行性上。基于以上原因，生产现场通常选择人工化验为主，机器检测为辅的检测方式。同时，为了降低化验强度，也只会在净化工序的入口和出口处进行多种离子浓度的化验。人工化验方式存在滞后性，从采样到出化验结果需要一个半小时到两个半小时不等的时间。同时，净化过程又存在较为频繁的入口离子浓度波动。以上几种因素共同作用，导致操作人员拿到离子浓度化验数据时，实际情况早已发生改变，拿到的数据没办法很好地起到指导生产的作用。
4.净化工序在一定程度上处于无检测状态，操作人员不知道入口情况，不知道除杂反应进行的程度如何，也不知道出口杂质离子浓度的高低。但是，净化工序又是如此重要，会对电解工序的生产产生直接影响。为了保证出口的杂质离子浓度合格，现场只能通过添加过量锌粉的方式来保证生产安全，造成了一定程度上的资源浪费。
5.氧化还原电位(oxidation reduction potential,orp)是一种反应环境宏观氧化还原性的指标，常被用于判断水质和土壤的污染情况。和传统的杂质离子浓度检验装置相比，orp计具有设备体积小、成本低、检测频率高等一系列优点。孙备等人研究了orp与净化除钴过程除钴效率之间的关系，发现orp数值的大小与钴离子的反应速率存在负相关关系。也就是说，orp越负，钴离子的活化能越小，反应沉淀的速率也就越快。基于以上现象，孙备等人建立了orp数值大小与反应器出口钴离子浓度之间的机理模型，取得了良好的趋势跟踪效果。为了进一步提升预测精度，孙备等人将支持向量机(svm)模型与机理模型相结合，利用svm强大的数据挖掘和非线性拟合能力，将更多的检测变量引入到了预测模型中。通过svm模型来弥补机理模型的预测偏差，取得了令人满意的钴离子浓度预测能力。
6.进一步的，孙备等人提出了基于orp的除钴过程智能优化控制方法。作者认为，对于特定过程，控制目标的实现依赖于在了解其性质和特点的基础上设计控制策略和选择控制方法。具体来说，钴的去除过程是钴离子浓度逐渐下降的过程。锌粉的投加量取决于其对杂质去除效率的估计。根据质量平衡，反应效率随反应速率的变化而变化。因此，锌粉效率随时间变化，且反应器之间存在差异。如果给反应器分配不同的除钴任务计划，则总锌粉消耗会有所不同。存在最经济的除钴任务分配，即存在最优的钴离子浓度下降曲线。因此，孙备等人基于zduf(锌粉利用率)和crr(钴去除率)两个概念构建了最优控制框架。其中，crr是通过控制不同反应器的orp范围来实现的。作者通过集成过程模型，将各反应器的最优crr转化为最佳的orp值范围，再通过调整锌粉的添加来使orp值稳定在相应的区间，达到保证出口钴离子浓度达标的同时减少锌粉添加的目的。
7.整个控制策略由过程监测单元、锌粉利用因子(zduf)估算单元、钴去除率(crr)优化设定单元、氧化还原电位(orp)设定单元和基于案例推理(cbr)控制器组成。过程监控单元判断当前过程的状态。当工艺处于稳态时，根据反应器的zduf分配合适的crr进行经济优化。为了实现自动控制，通过集成模型将crr转化为orp的设定值，该模型还能估算出出口钴离子浓度。当过程处于异常状态时，基于实例的推理控制器通过提供控制变量的合理解来处理不希望出现的情况。工业试验表明，采用该控制策略可降低锌粉消耗，同时又能达到要求的除钴性能。通过将每个反应器的crr限制在预定范围内，也可以提高钴去除的稳定性；
8.为了方便理解，本案引用了两篇文件：
9.[1]sun b,gui w h,wu t b,et al.an integrated prediction model of cobalt ion concentration based on oxidation
–
reduction potential[j].hydrometallurgy,2013,140:102-110.
[0010]
[2]sun b,gui w h,wang y l,et al.intelligent optimal setting control of a cobalt removal process[j].journal of process control,2014,24(5):586-599.
[0011]
对于第一个背景方案，针对反应器出口钴离子浓度预测问题，作者深入分析了除钴过程的反应机理，利用电极反应动力学原理，在动力学模型中引入可在线检测的氧化还原电位(orp)。作者分析了orp与混合电势、反应速率之间的关系，发现orp越负，钴离子置换沉淀过程的反应速率就越快，确定orp与反应速率之间存在负相关。进一步的，作者将orp与反应速率之间的负相关关系转化为了orp与混合电势之间的线性关系，成功将orp引入了除钴反应动力学的机理模型中。利用粒子群算法(pso)对动力学模型参数进行了辨识。所识别的动力学模型具有较好的跟踪性能，但精度有限。为此，采用基于支持向量机(svm)的数据驱动补偿方法，并与动力学模型相结合，提高了模型的适应性。通过工业规模试验，验证了集成模型的有效性。
[0012]
对于第二个背景方案，针对除钴过程的工艺指标优化问题，作者采用zduf(锌粉利用率)和crr(钴去除率)两个概念构建了最优控制框架。控制框架由过程监控单元、zduf估计单元、crr最优设置单元、氧化还原电位(orp)设置单元和基于案例推理(cbr)控制器组成。过程监控单元用于判断当前过程的状态。当工艺处于稳态时，根据每个优化步骤各反应器的zduf，得到最优crr。通过将每个反应器的crr限制在预定范围内，也实现了钴去除过程的稳定性。通过集成过程模型，将各反应器的最优crr转化为控制变量orp值。通过这种方法，实现了稳态优化。该综合模型还能估计出每个反应器的出口钴离子浓度。当除钴工艺处
于异常状态时，工艺状态调节比经济优化更为显著。因此触发了cbr控制器，为控制变量提供合理的设定值。在某湿法炼锌厂进行的工业试验表明，应用该优化控制框架可提高锌粉的消耗和工艺稳定性；
[0013]
以上背景技术利用实时检测的orp实现了对反应器出口钴离子浓度的精确预测和净化除钴过程的智能优化控制，均取得了令人满意的效果。然而，以上技术均建立在精确的orp检测上，只有保证了orp计的精确稳定运行才能够进行后续的精细操作。当orp计运行出现问题，检测精度下降时，基于精确orp值的精细操作就可能会对生产过程造成难以预估的危害。而事实上，净化过程的生产环境较为恶劣，orp计在运行过程中常常会出现堵塞现象。这里的堵塞现象指的是锌粉固体和氧化还原反应析出的固体产物在orp计的探头处堆积，使得探头无法和溶液充分接触，无法检测到精确的orp值。这一现象还会随着时间推移变得愈发严重，在orp计探头出现堵塞现象后，其堵塞速度就会变得越来越快，一定时间后orp计就会无法感知溶液氧化还原环境的变化，失去检测作用。一旦orp计无法工作，建立在其基础上的一切智能预测和控制方法也就无从谈起。orp计的稳定精确运行成为了整个智能控制框架的薄弱环节，为此，发明人鉴于此，提出一种防探头粘附的湿法冶炼氧化还原电位计保护装置。


技术实现要素：

[0014]
本发明提供的针对湿法炼锌净化除钴过程氧化还原电位检测装置堵塞问题的探头保护套本体设计方案，解决了现有的orp计在净化工序的生产环境下无法稳定精确运行的问题，有效延长了orp计的稳定运行时间，降低了orp计的维护频率。
[0015]
为了达到上述目的，本发明提供以下基础方案：
[0016]
一种防探头粘附的湿法冶炼氧化还原电位计保护装置，包括对称设置在净化工序的溜槽中的探头保护套本体，探头保护套本体之间留有间隙，探头保护套本体水平方向的截面为曲面，所述曲面的上顶点到下底点之间的距离为长直径，所述曲面最外侧的端点到长直径中心点为短半径，探头置于间隙中心点上；
[0017]
其中长直径的长度范围：3cm-4cm；短半径的长度范围：1.5cm-2.2cm，间隙的长度范围：0.9cm-1.1cm。
[0018]
探头保护套本体使用方法，包括以下步骤：
[0019]
s01：选用直径小于溜槽的探头保护套本体，将探头保护套本体安装在溜槽溶液流动方向上；
[0020]
s02：安装探头保护套本体和探头，探头置于间隙中心点上；
[0021]
本基础方案的原理及效果在于：
[0022]
1.与现有技术相比，由于生产环境恶劣，溶液中的固态锌以及反应生成的沉积物会造成氧化还原电位计等检测装置的探头堵塞，影响其准确读数，进而导致建立在检测装置准确运行基础上的智能控制方法无法运行。本发明提出的探头保护套本体方案使用简单而巧妙的结构能够将探头处的溶液流速加速到理论最大值，有效抑制了探头的堵塞速度。
[0023]
2.与现有技术相比，同自动清洗设备相比，本发明提出的保护套方案虽然没有在根本上解决探头堵塞问题，但能够有效抑制其堵塞速度。同时，与自动清洗设备高昂的开销相比，本发明提出的保护套方案具有结构简单，成本低廉，部署容易，适应性强等一系列优
点。在没有足够预算的情况下，本发明提出的保护套方案会是处理探头堵塞问题的极佳选择。
[0024]
进一步，长半径的长度选用3.25cm，短半径长度选用2cm，间隙长度选用1cm。
[0025]
进一步，所述探头保护套本体为椭圆圆柱体，椭圆圆柱体的截面为两个椭圆，椭圆长半径的长度选用3.25cm，椭圆短半径长度选用2cm，椭圆间隙长度选用1cm。
[0026]
进一步，所述探头保护套本体的两侧最高点均高于探头的两侧最高点。
[0027]
进一步，所述探头保护套本体采用防腐蚀材质。
[0028]
进一步，所述探头保护套本体两侧均固接有支架，所述支架固接在溜槽内壁上。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1示出了本技术实施例提出的一种防探头粘附的湿法冶炼氧化还原电位计保护装置的结构示意图；
[0031]
图2示出了本技术实施例提出的一种防探头粘附的湿法冶炼氧化还原电位计保护装置中垂直于溜槽流场的流速仿真图；
[0032]
图3示出了本技术实施例提出的一种防探头粘附的湿法冶炼氧化还原电位计保护装置中平行于流场的探头保护套本体的溶液流向细节图；
[0033]
图4示出了本技术实施例提出的一种防探头粘附的湿法冶炼氧化还原电位计保护装置中相同结构保护套垂直于流场和平行于流场的流速仿真对比图；
[0034]
图5示出了本技术实施例提出的一种防探头粘附的湿法冶炼氧化还原电位计保护装置中平行于流场摆放时的仿真效果图；
[0035]
图6示出了本技术实施例提出的一种防探头粘附的湿法冶炼氧化还原电位计保护装置中试验时混合溶液的物性参数数据图；
[0036]
图7示出了本技术实施例提出的一种防探头粘附的湿法冶炼氧化还原电位计保护装置中最佳尺寸数据图；
[0037]
图8示出了本技术实施例提出的一种防探头粘附的湿法冶炼氧化还原电位计保护装置中在图7的设计下的改善对比。
具体实施方式
[0038]
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
[0039]
说明书附图中的附图标记包括：
[0040]
实施例如图1-图8所示：
[0041]
一种防探头粘附的湿法冶炼氧化还原电位计保护装置，包括对称设置在净化工序的溜槽中的探头保护套本体，探头保护套本体之间留有间隙，探头保护套本体水平方向的截面为曲面，所述曲面的上顶点到下底点之间的距离为长直径，所述曲面最外侧的端点到
长直径中心点为短半径，探头置于间隙中心点上；
[0042]
其中长直径的长度范围：3cm-4cm；短半径的长度范围：1.5cm-2.2cm，间隙的长度范围：0.9cm-1.1cm。
[0043]
以某锌冶炼厂的净化工序为例，净化过程主要通过向硫酸锌溶液中添加锌粉和催化剂来去除溶液中铜、钴、镉、锗等杂质离子。溶液中存在的固体主要以锌粉为主，夹杂有部分被锌粉颗粒置换出来的固体杂质。
[0044]
由于不同混合溶液的流动特性不同，我们首先确定了净化工序硫酸锌混合溶液的物性参数，如下图6所示：
[0045]
我们使用专业的仿真软件对净化工序的溜槽和保护套结构进行仿真。溜槽的参数、保护套于溜槽中的位置都和现场保持一致，几何模型示意图如图1所示：
[0046]
通过图2到图5可知，可以看出，在不同的保护套结构中，溶液流速的最大值都是在保护套最窄处实现。这种局部加速现象被称为venturi效应，是一种液体或气体在流经收缩截面管道时产生的特殊现象。venturi效应的基本原理是，当流体通过一个收缩截面时，由于连续性方程的保持，其流速必然增加，根据伯努利定律，流速增加会伴随着静压降低，也就是压力减小。换言之，随着管道截面积的减小，溶液会在收缩截面处会形成负压区域，使得流体向收缩截面中心靠拢，并在收缩截面之后产生加速现象。
[0047]
连续性方程可以表示为：
[0048][0049]
其中，q是流量，a是截面积，v是流速。这个方程表明，在不可压缩流体中，流体通过不同截面的流量必须相等，因为连续性要求流体质量在整个过程中保持不变。根据质量守恒方程，有公式：
[0050]a1v1
＝a
2v2
＝q
[0051]
其中，a1和a2代表不同的截面面积，v1和v2代表不同的溶液流速，q代表流量。根据连续性方程，流经保护套宽截面处的流量与流经窄截面处的流量相同。根据质量守恒定律，当流量相同时，窄截面处的流速会比宽截面要大。宽截面处的流速和溜槽整体流速相同，这样一来流经窄截面的流速就超过了溜槽整体流速，达到了加速效果。
[0052]
保护套的加速能力和部件间距和曲率有关，其核心是要引导尽可能多的溶液从保护套中流过，保证其流量。同时使宽截面和窄截面的比值尽可能大，达到最佳的加速效果。但是，保护套的加速效果存在一定的极限，不合理的结构会导致漩涡产生的概率增大，导致溶液流经保护套的流动阻力增大。由于保护套的直径远小于溜槽直径，保护着四周存在大量空间。当保护套内部的流动阻力因为漩涡变大时，溶液会绕过保护套，从两侧流过，这种现象被称为绕流现象。绕流现象会导致从保护套流通的流量变小，进而导致流速变慢，极端情况下不但起不到加速作用反而还会降低溶液流速。保护套结构参数的设计对其实际应用效果至关重要；
[0053]
通过图2到图5，我们确定截面的尺寸范围：长半径的范围：3cm-4cm；短半径的范围：1.5cm-2.2cm，间隙的范围：0.9cm-1.1cm，为最佳有利范围：
[0054]
经过进一步仿真，落实了最佳尺寸数据，如下图7，将做好的保护套结构应用于净化生产现场。我们首先观测了一段时间内不使用保护套时电位计探头的堵塞情况，记录完数据后。在相同位置，使用相同型号电位计，安装上我们制造的保护套装置，观察并记录使
用保护套之后的效果；
[0055]
如图8，可以看出，在应用我们设计的保护套装置后，电位计探头的平均堵塞时间有效延长至了8天，最块堵塞时间延长至了7天。也就是说，应用保护套之后，维护人员从最初的2天一维护变成了7天一维护，虽然没有从根本上解决堵塞问题但极大降低了维护强度，极大增强了电位计检测装置的应用价值。
[0056]
如说明书附图图7的最佳尺寸数据对于相同的探头而言，为最佳的尺寸数据，还公开了探头保护套本体使用方法，包括以下步骤：s01：选用直径小于溜槽的探头保护套本体，将探头保护套本体安装在溜槽溶液流动方向上；
[0057]
s02：安装探头保护套本体和探头，探头置于间隙中心点上；探头保护套本体的两侧最高点均高于探头的两侧最高点。探头保护套本体采用防腐蚀材质。探头保护套本体两侧均固接有支架，支架固接在溜槽内壁上。
[0058]
本发明提供的针对湿法炼锌净化除钴过程氧化还原电位检测装置堵塞问题的探头保护套本体设计方案，解决了现有的orp计在净化工序的生产环境下无法稳定精确运行的问题，有效延长了orp计的稳定运行时间，降低了orp计的维护频率。
[0059]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但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介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种防探头粘附的湿法冶炼氧化还原电位计保护装置，其特征在于：包括对称设置在净化工序的溜槽中的探头保护套本体，探头保护套本体之间留有间隙，探头保护套本体垂直方向的截面为曲面，所述曲面的上顶点到下底点之间的距离为长直径，长半径为长直径的二分之一，所述曲面最外侧的端点到长直径中心点为短半径，探头置于间隙中心点上；其中长直径的长度范围：6cm-8cm；短半径的长度范围：1.5cm-2.2cm，间隙的长度范围：0.9cm-1.1cm。2.根据权利要求1所述的一种防探头粘附的湿法冶炼氧化还原电位计保护装置，其特征在于，长半径的长度选用3.25cm，短半径长度选用2cm，间隙长度选用1cm。3.根据权利要求2所述的一种防探头粘附的湿法冶炼氧化还原电位计保护装置，其特征在于，所述探头保护套本体为椭圆圆柱体，椭圆圆柱体的截面为两个椭圆，椭圆长半径的长度选用3.25cm，椭圆短半径长度选用2cm，椭圆间隙长度选用1cm。4.根据权利要求3所述的探头保护套本体使用方法，其特征在于，包括以下步骤：s01：选用直径小于溜槽的探头保护套本体，将探头保护套本体安装在溜槽溶液流动方向上；s02：安装探头保护套本体和探头，探头置于间隙中心点上。5.根据权利要求4所述的探头保护套本体使用方法，其特征在于，所述探头保护套本体的两侧最高点均高于探头的两侧最高点。6.根据权利要求5所述的探头保护套本体使用方法，其特征在于，所述探头保护套本体采用防腐蚀材质。7.根据权利要求4所述的探头保护套本体使用方法，其特征在于，所述探头保护套本体两侧均固接有支架，所述支架固接在溜槽内壁上。

技术总结
本发明涉及探头保护套技术领域，具体公开了一种防探头粘附的湿法冶炼氧化还原电位计保护装置，包括对称设置在净化工序的溜槽中的探头保护套本体，所述探头保护套本体之间留有间隙，探头保护套本体水平方向的截面为曲面，所述曲面的上顶点到下底点之间的距离为长直径，曲面最外侧的端点到长直径中心点为短半径，探头置于间隙中心点上。探头置于间隙中心点上。探头置于间隙中心点上。


技术研发人员：孙备 孔鹏 阳春华 李勇刚 黄科科 刘国欣 张旭隆 刘盛宇 李懋鹏
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/14