Идентификация короткого замыкания электродов по тепловому излучению при электролитическом рафинировании меди

Цель – повышение эффективности контроля и автоматизированного управления технологическим состоянием электролитических ячеек при рафинировании меди путем распознавания и идентификации короткого замыкания между электродами. Для проведения экспериментальных работ использовался лабораторный стенд, состоящий из двух последовательно включенных в электрическую цепь ячеек. Метод обнаружения короткого замыкания основан на получении инфракрасного излучения с помощью сканирующего тепловизора (Оptris PI 400i / PI 450i) при определении участков с высокими значениями температур поверхности электрода и электролита. Алгоритм обнаружения короткого замыкания был разработан и протестирован с помощью программного обеспечения MATLAB при использовании функций Image Processing Toolbox MATLAB. Предложен способ распознавания и идентификации (при помощи сканирующего цифрового тепловизора) короткого замыкания между электродами электролизной ячейки. Способ позволяет комплексно оценить площадь контакта, определить время начала замыкания и степень нагрева электродов в зоне короткого замыкания, установить значения температур на всех участках, включая и температуру электролита во всем объеме ячейки. Предложен алгоритм поиска мест коротких замыканий в электролизере, заключающийся в сборе и сопоставлении полученных данных для регулирования межэлектродного расстояния (обеспечивающего устойчивый энергетический режим всей электролизной серии) и определении точного положения каждого катода в ячейке с помощью пороговой обработки инфракрасных изображений, полученных тепловизором. Показано, что быстрая идентификация мест коротких замыканий в электролизере (с начала контакта между электродами) и регистрация скорости роста площади дендритного срастания и температуры электролита позволяют своевременно устранять технологические нарушения во время работы электролизной ванны. Таким образом, разработанный способ идентификации короткого замыкания для комплексного определения и распознавания общего технологического состояния электролизной ячейки при электролитическом рафинировании меди позволяет достигать устойчивого энергетического режима с минимальными отклонениями по температуре процесса.

1. Булатов К. В., Жуков В. П. Технологические возможности металлургической переработки промпродуктов обогащения полиметаллических руд и обеднения шлаков медеплавильного производства в агрегате «Победа» // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 2. С. 421–433. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-2-421-433.

2. Davenport W. G., King M., Schlesinger M., Biswas A. K. Extractive metallurgy of copper. London: Oxford, Pergamon, 2002. 452 p. [Электронный ресурс]. URL: https://www.elsevier.com/books/extractive-metallurgy-ofcopper/davenport/978-0-08-044029-3 (12.01.2022).

3. Антонов М. А. Метод порошковой металлургии для спекания изделий из медных порошков // Металлообработка. 2001. № 5. С. 48−49.

4. Selivanov E. N., Popov A. I., Selmenskikh N. I., Lebed A. B. Oxide inclusions in copper during its fire refining // Non-ferrous Metals. 2013. No. 2. P. 19–22.

5. Вольхин А. И., Елисеев Е. И., Жуков В. П., Смирнов Б. Н. Анодная и катодная медь: физико-химические и технологические основы. Челябинск: Южно-Уральское книжное изд-во, 2001. 431 с.

6. Левин А. И., Номберг Н. И. Электролитическое рафинирование меди. М.: Изд-во «Металлургиздат», 1963. 213 с.

7. Скрида О. И., Ладин Н. А., Дылько Г. Н. Определение оптимального состава электролита для электролитического рафинирования меди // Записки Горного института. 2005. Т. 165. С. 170–182.

8. Бажин В. Ю., Горленков Д. В., Нгуен Х., Никитина Л. Н. Реализация опыта цифровых автоматизированных систем управления электролитического рафинирования меди на предприятиях Вьетнама // iPolytech Journal. 2021. Т. 25. № 5. Р. 611–622. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2021-5-611-622.

9. Пат. № 2455374, Российская Федерация, C25C 1/12. Способ получения высококачественной меди / В. Т. Дмитриев, Г. А. Боярских, С. В. Дмитриев, Э. В. Горшков. Заявл. 10.04.2008; опубл. 10.07.2012. Бюл. № 19.

10. Пат. № 2597445, Российская Федерация, С22В 15/00, С22В 7/00. Способ получения нанопорошка меди из отходов / Е. В. Агеев, Н. М. Хорьякова, А. Е. Гвоздев, Е. В. Агеева, В. С. Малюхов; Заявл. 02.09.2014; опубл. 10.09.2016. Бюл. № 25.

11. Zeng Qingyu, Li Chun, Meng Yi, Tie Jun, Zhao Rentao, Zhang Zhifang. Analysis of interelectrode short-circuit current in industrial copper electrorefining cells // Measurement. 2020. Vol. 164. Р. 108015. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2020.108015.

12. Гронь Д. Н., Горенский Б. М. Информационноуправляющая система процессом электролитического рафинирования меди // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. 2009. Т. 2. № 3. С. 301–310.

13. Гронь Д. Н., Гронь Е. А., Кирякова О. В., Лапина Л. А., Жаринова Н. Ю. О применении системы поддержки принятия решений в гидрометаллургии меди // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2-2. С. 129–134. [Электронный ресурс]. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=22721 (12.01.2022).

14. Rudko V. A., Derkunskii I. O., Gabdulkhakov R. R., Konoplin R. R., Pyagay I. N. Kinetics of various hydrocarbon groups formation in distillates obtained during the production of needle coke via the delayed coking of decantoil // Egyptian Journal of Petroleum. 2022. Vol. 31. Iss. 1. Р. 33–38. https://doi.org/10.1016/j.ejpe.2022.02.002.

15. Pyagay I. N., Shaidulina A. A., Konoplin R. R., Artyushevskiy D. I., Gorshneva E. A., Sutyaginsky M. Production of amorphous silicon dioxide derived from aluminum fluoride industrial waste and consideration of the possibility of its use as Al2O3- SiO2 catalyst supports // Catalysts. 2022. Vol. 12. Iss. 2. https://doi.org/10.3390/catal12020162.

16. Li Xin, Li Yonggang, Zhu Hongqiu, Wu Renchao, Zhou Can. Short circuit fault detection against high thermal background using a two-level scheme based on dog filter // Solving Engineering and Science Problems Using Complex Bio-inspired Computation Approaches. 2021. Vol. 2021. https://doi.org/10.1155/2021/8824768.

17. Jia R. M., Ma X. L., He W. Q. Infrared short-circuit detection for electrolytic copper refining // International Conference on Advanced Electronic Science and Technology. 2016. P. 844. https://doi.org/10.2991/aest-16.2016.113.

18. Кадыров Э. Д. Комплексная автоматизированная система управления пирометаллургическим производством меди // Записки Горного Института. 2011. Т. 192. С. 120–124.

19. Xie Fengchun, Li Haiying, Ma Yang, Li Chuncheng, Cai Tingting, Huang Zhiyuan, et al. The ultrasonically assisted metals recovery treatment of printed circuit board waste sludge by leaching separation // Journal of Hazardous Materials. 2009. Vol. 170. Iss. 1. P. 430–435. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.04.077.

20. Sun Rui, Qin Gang, Li Gaibian, Hu Jinbao, Xiong Jingqi, Xu Huanwei. Abnormal conductive state identification of the copper rod in a nickel electrolysis procedure based on infrared image features and position characteristics // Applied Sciences. 2022. Vol. 12. Iss. 7. Р. 3691. https://doi.org/10.3390/app12073691.

21. Родниченко Е. К., Трифонова М. Е., Данилова А. А. Методы определения короткого замыкания при электролитическом рафинировании меди // World Science: Problems and Innovations: сб. ст. XLIX Междунар. науч.-практ. конф. (г. Пенза, 25 декабря 2020 г.). Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение», 2020. С. 90–94.

22. Litvinenko V. Advancement of geomechanics and geodynamics at the mineral ore mining and underground space development // Geomechanics and Geodynamics of Rock Masses. Vol. 1. London: CRC Press, 2018. P. 3–16. https://doi.org/10.1201/9780429461774.

23. Litvinenko V. S., Leitchenkov G. L., Vasiliev N. I. Anticipated sub-bottom geology of Lake Vostok and technological approaches considered for sampling // Geochemistry. 2020. Vol. 80. Iss. 3. Р. 125556. https://doi.org/10.1016/j.chemer.2019.125556.

24. Goc K., Prendota W., Chlubny L., Strączek T., Tokarz W., Borowiak (Chachlowska) P., et al. Structure, morphology and electrical transport properties of the Ti3AlC2 materials // Ceramics International. 2018. Vol. 44. Iss. 15. P. 18322–18328. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.07.045.

25. Стреляев С. И. Фомичева О. А. Методы распознавания ИК-изображения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. № 11. С. 207–212.

26. Берг И. А., Поршнев С. В. Исследование методов анализа ИК-тепловизионных изображений горящего факела // Научная визуализация. 2020. Vol. 12. No. 2. Р. 37–52. https://doi.org/10.26583/sv.12.2.04.

27. Correa P., Cipriano A., Nuñez F., Salas J. C., Lobel H. Forecasting copper electrorefining cathode rejection by means of recurrent neural networks with attention mechanism // IEEE Access. 2021. No. 9. Р. 79080–79088. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3074780.

28. Салтыкова С. Н., Доливо-Добровольская Г. И., Максимова А. В. Анализ данных по кристаллохимической природе фаз медно-никелевого файнштейна и бинарной системе Со–S // Записки Горного института. 2013. Т. 202. С. 209.

29. Соэ К. M., Руан Р., Цзя Я., Тан Ц., Ван Ч., Ши Ц. [и др.]. Влияние осаждения ярозита на баланс железа при кучном биологическом выщелачивании на медном руднике Монива // Записки Горного института. 2021. Т. 247. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.1.11.

30. Bazhin V. Yu., Nguyen H. H. Vietnamese metallurgy on the way out of the crisis with the use of automated control systems // AIP Conference Proceedings. 2022. Vol. 2467. Р. 030018. https://doi.org/10.1063/5.0092750.