铝电解槽控制系统样本.doc

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铝电解槽工艺控制系统

现代化铝厂的电流效率已超过94%, 电耗低于13.2kwh/kg-Al, 不断改进电解槽设计和
工艺过程控制以及增加电流强度是使工艺现代化的一部分。基于大型电解槽电磁设计的
不断提高, 现代铝厂的生产稳定性得到很大改进,进一步提高铝电解生产的技术经济指标
的未来挑战应是连续保持稳定的高指标的生产状态, 最有效的措施应是尽可能保持物料平
衡和能量平衡稳定, 它包括鉴别槽况是否正常。
电解槽经常因为错误的解读测量结果而被不适当的校正, 例如, 在一个点测出的单一
温度值往往不能代表全槽, 如换阳极等局部效应会严重影响温度读数, 另一方面是响应
氟化铝浓度的取样分析 而错误的添加氟化铝。这里的误解是假设其测量值是有代表性的,
电解槽生产条件是稳定的, 电解质的量是不变的。可是, 多数时间内, 这些假设是不完全
真实的。因此, 最重要的是了解其自然状态和引起变异的根源, 其次必须充分利用正确的
机理鉴定电解槽的真实槽况和活动。
为了保持生产稳定,要求对于电解槽工艺操作要进行更加严密的过程控制, 以保证正常
的工艺技术条件,了解工艺过程异常的原因并在初期阶段消除干扰, 要用控制系统协调能量
与物料平衡以减少其异常状态。
控制系统
当前铝厂的控制系统主要是氧化铝浓度控制, 控制策略是控制氧化铝浓度保
持在一定范围内,控制办法是按加料量分成3个加料期, 正常加料期,减量加料
期和增量加料期。
电解槽上部结构上带有定容加料器, 它是一个容积一定的容器, 在氧化铝堆积比重一定
的条件下重量一定, 加料量多少由定容器开放的间隔时间来决定.
正常加料期的定容加料时间根据额定电流和预定的电流效率计算的氧化铝消耗
量确定, 减量加料期延长定容加料的间隔时间, 意味着降低电解质中的氧化铝浓度, 增量
加料期缩短加料间隔时间, 意味着降低电解质中氧化铝浓度, 控制系统所根据的信号也是以
生产条件稳定为基础。
氧化铝在电解质中的溶解度是电解质总量, 电解质温度, 电解质化学成分, 氧化铝的物理性能等的函数, 在这些条件一定时, 氧化铝的溶解度就是它的饱和浓度, 任一条件的改变都会引起氧化铝溶解度的变化。电解工艺实践表明, 电解质中的氧化铝浓度对槽况的稳定性和电流效率都有相关影响, 电解槽技术条件一定时, 有一个最佳的氧化铝浓度, 能够保持稳定生产和较高的电流效率.
电解生产保持的氧化铝浓度要低于当时条件下的饱和浓度, 这样能够防止在条件改变时产生氧化铝沉淀, 但如保持的浓度过低, 她又可能发生阳极效应。在现时电解生产保持的电解质温度和低分子比的技术条件下, 为了防止产生沉淀和突发阳极效应, 经验数据的氧化铝最佳浓度在2.0％－3.0％之间。为了保持合适的氧化铝浓度, 就要控制符合当时技术条件下的氧化铝加入量。
加料间隔
按实际消耗计算, 以300KA槽为例, 如果电流效率为94％, 小时产量94.61kg, 纯氧化
铝消耗量为182.36kg, 氧化铝中的杂质约为2％, 工业氧化铝消耗量为186kg/h, 每分钟
耗料量为3.10kg。使用1.2kg定容器, 3点下料, 定容器动作间隔应为3.6/3.1×60＝70秒,
即每隔70秒必须加料一次, 数量是3.6kg (在加料器的准确的条件下).
如果估算的电解质量是9500KG,将原始的氧化铝浓度设定为2.5％作为正常加料期,以后开始
减量加料使其降到2％, 则在减量加料周期内需减少加料量47.5kg. 即减少定容器动作次数47.5/3.6=13.2次。小时加料量为186－47.5＝138.5kg.从设定浓度开始增量加料使其达到3%,
需增加加料量47.5kg,小时加料量233.5kg, 定容器动作次数增加13.2次.
加料间隔计算为;
正常加料周期小时加料次数为3600/70＝51.4次,
减量加料周期小时加料次数为51.4－13.2＝38.2次,加料间隔为3600/38.2＝94.2秒。
增量加料周期小时加料次数为51.4＋13.2=64.6次,加料间隔为3600/64.6=55.7秒.
电解质总量
假设电解质水平是20cm, 极距4.5cm, 炉帮厚度平均6cm, 计算的电解质总量约9,500kg
每次加入3.6kg氧化铝,其浓度变化是0.0378％,
生产实际中电解质总量是变化的, 假设电解质总高为18cm, 电解质总量约为9t ,设定的
氧化铝浓度仍为2.5％, 则槽内原始氧化铝量约为225kg, 每加料一次浓度变化为0.04％,
如果电解质总量增加, 一次加料量不变, 加料后浓度变化量将会减少, 加料间隔也将变化.
控制信号
在电解槽正常生产期间, 延长加料间隔, 氧化铝逐渐消耗, 浓度降低, 称为欠料槽, 象征着随浓度变化的电阻曲线的斜率增加, 达到控制上限时即应终结减量加料, 如继续延长最终将发生阳极效应。欠料到一定程度, 就要进入增量加料, 即缩短加料间隔, 连续执行增量加料, 氧化铝浓度升高, 称为剩料槽, 象征着随浓度变化的电阻曲线的斜率降低, 达到设定浓度的下限, 即应终结增量期。可见当前的控制系统重要的控制信号是随氧化铝浓度变化的电阻导出的电压变化.

找出一个合适的信号以确定电解槽内氧化铝欠量或是过量, 是调整加料量的依据, 但由于氧化铝浓度不能在线测定, 因而控制系统只能采用一个参考信号( 伪电阻) 值来确定氧化铝浓度, 信号的表示式为;

RP=｛(V－EX)/I｝×10ˆ6
式中 RP--------伪电阻 (μΩ)
V---------槽工作电压 (v)
EX---------分解电压 ( V)
I---------系列电流 (A)
由上式可见, 如果系列电流是稳定的, 伪电阻只与电解质电阻相关,即与氧化铝浓度相关. 事实上, 伪电阻在控制中没有实际意义, 它只是槽电压的函数, 槽电压成为伪电阻的实质上的信号。如果当其它技术条件一定时, 确定与氧化铝浓度为2.5％相应的正常电压为一个设定值, 计算其RP值, 然后再制定其上下线, 这就能够根据因浓度变化引起的电压变化改变其加料周期.。

非正常状态
如上所述,控制系统所根据的信号是以生产条件稳定为基础的,当电解槽生产技术条件变化时, 氧化铝浓度不完全根据加料量变化, 在一个正常生产系列, 随机取出一台槽的当日控制记录, 如下图;

上图07－12段的现象显示出经过较长时间的过量加料, 反应氧化铝浓度的电阻曲线斜率应该是下降的但它在上升, 控制系统的直接反应是欠量现象, 可能会继续发出增量加料的指令,产生这种现象的原因可能是槽温过低, 电解质收缩, 氧化铝溶解度下降, 因而产生沉淀, 也可能是槽温正常但分子比太低, 氧化铝溶解度下降, 因而产生沉淀, 无论那一种情况, 都可能认为能量平衡的问题,应该用提升电压消灭沉淀的处理步骤,但计算机的指令却是连续两次降低电压,能够看出控制系统的判断与工艺操作的判断不同,如果根据电阻上升的信号继续增量加料, 加入的氧化铝可能构成新的沉淀。
2) , 信号显示电阻下降达到设定值下限, 加料控制进入减量加料期,期望氧化铝浓
度降低电阻斜率上升,但有时电阻曲线斜率却反而下降,说明氧化铝浓度并未降低, 产生这种现象的原因可能是槽温升高, 炉帮熔化, 电解质总量增加,在这种条件下, 尽管加料减少但浓度并不下降, 如果继续执行减量加料, 就可能使炉帮越来越薄.也可能是由于某些过多的加料以及槽内存在的沉淀等的熔化,使氧化铝浓度增加的趋势较设定值滞后.因为这些氧化铝是不受控的.
非正常状态的处理
温度变化
上述非正常状态的发生就是能量平衡或物料平衡出现问题,如果因设定电压不当,使电解质温度变化,一般需人工干预, 较常见的处理措施是发现槽温过低时, 要么提高电压, 要么等一等阳极效应来消灭沉淀, 或者是加强保温来消灭冷行程现象。当发现槽温过高时, 较长见的办法是降低极距。所有这些干预措施都必须依靠工艺操作人员对控制系统状态的了解和分析, 因而, 控制系统应具备的能力是; 能及时判断非正常状态的出现并有能及时通知操作人员的人机接口,以便实时处理,如果等到正常加料时调整设定电压来调整温度,似乎不能说是实时处理.
不受控的氧化铝
所有浓度控制的设定都基于氧化铝的定量加料,但在实际生产中,有的氧化铝加入和存在是不受控的,例如因操作方法以及炉面保持状态不同,使换阳极工序的前后进入槽内的氧化铝的数量差别很大.
有的电解槽料面形式如下图(见桌面照片),在换阳极时有较多的氧化铝流入槽内,它们是不受控制的,尽管这时是脱机操作,可是由于进入的物料数量不同,块度大型不同,进入后沉淀状态不可能一致,因而恢复控制后不论增量或减量加料,氧化铝浓度变化都将发生滞后现象.
当前有一种操作方式值得借鉴;降低料面到槽的上缘,换阳极之前扒去浮料,换极后
加少量浮料,待形成壳面薄壳以后,再加保温氧化铝.这样能够避免换极时氧化铝过多进入.
另外一种情况是生产中的电解槽内,可能存在不同的结壳和沉淀,随电解质温度变化将有所增减,必然影响氧化铝浓度,因而使控制系统的响应发生超前或滞后现象.文献2绘出一台电解槽的结壳和沉淀状态,可供参考.

显然,这种条件下减量加料时,电解质温度升高,沉淀熔化,氧化铝浓度不致明显降低,电阻曲线变化较控制值滞后.文献2绘出一台槽的实测曲线;

物料平衡中的问题
以上较多的讨论了电解质温度变化对槽况和加料周期的影响,主要是能量平衡问题
实际上各个加料周期中,发生温度变化的同时电解质成分也在变化,因而必须与物料平衡同时考虑.
氟化铝加入量
正常生产中,为保持一定的电解质分子比,及时补充氟化铝的重要性已众所周知,补充的的量取决于过程中氟的消耗,现代电解槽由于内衬材料的改进,包括炭素材料石墨化程度加大,炭化硅材料以及防渗材料的应用,已经在很大长度上减少了内衬对氟化物的吸收,与加入的氧化铝中含有的氟化钠反应消耗的氟化铝是一项重要消耗,而且其消耗量随氧化铝成分变化,
生产过程中氟的消耗途径大致可作如下估算;
内衬吸收 2 0kg
中和反应 6.3kg
排放 1.0kg
复盖料损失 3.2kg(估计值)
合计 12.2kg
文献(2)提出的氟平衡中内衬吸收为2kg-F,氧化铝含氟化钠的量平均约为0.4 wt%,计算的反应氟量约为6.3kg-F,不同类型氧化铝的氧化钠含量如下表;

Source
Na2O
Fe2O3
LOI
SSA
Type A
0.37 wt%
250 ppm
0.57 wt%
65m2
Type B
0.43wt%
80ppm
0.88wt%
80m2
TypeC
0.33 wt%
210 ppm
0.69 wt%
72 m2
TypeD
0.33 wt%
180ppm
0.80 wt%
75 m2
电解铝工厂对市场供应的氟化铝质量要求含氟量为63-67%,( 见下表)
Chemical analysis
F (%) 63-67
AlF3 (%) 92-97
SiO2 (%) 0.1-0.3
Fe2O3 (%) 0.02-0.03
SO3 (%) ≤ 0.02
P2O5 (%) ≤ 0.02
LOI (%) ≤ 0.9

这里以氟化铝含量为92%计算,氟化铝的单位消耗为19.55kg,小时消耗1.85kg,平均每槽日消耗量45kg.
如果集中加入或定时定量加入,将影响电解质分子比波动,引起过热度的变化以致影响其热平衡的稳定.理想的办法是氟化铝加料的自适应控制.
上述氟化铝消耗中,内衬吸收气体排放以及机械损失都能够看作是连续的,只有中和反应部分随氧化铝加入量变化,变化趋势可参考下图

,

显然,在增量加料过程中,,随氧化铝浓度升高,电解质温度降低,冰晶石成分固化,液相线温度降低,证实氟化铝浓度在增加,在减量加料过程中,随氧化铝浓度降低电解质温度升高,边壳熔化,氟化铝浓度在降低.因而在氧化铝加料过程中应该有控制的调整氟化铝的加入量.合适的加入时间似乎是氧化铝欠量加料期,一方面能够调整因温度变化的影响,同时调整因加入的氧化铝中的氧化钠引起的氟化铝消耗,
按正常消耗计算,氟化铝的小时消耗量为1.9kg,如果槽上已安装的定容器为1.2kg,平均38分钟左右 当电阻信号达到控制上限开始减量加料的同时,开启氟化铝加料器加料一次,如果是3.8kg,则应该是57分钟左右.
小结
现代的自适应控制系统在控制电解槽相对稳定的氧化铝浓度下生产,提高电流效率,降低阳极效应系数等方面已取得相当大的成绩,现时的问题是当氧化铝浓度增加或减少的同时,电解槽的技术条件将相应改变,由于每台槽原始技术条件各不相同,实时发现控制条件的变异并作出符合工艺要求的处理是进一步提高技术经济指标的重要课题,应该注意到,加入氧化铝会使电解质温度降低,氟化铝浓度有增加趋势,同时氧化铝中含有的氟化钠又可使氟化铝浓度降低,因而所谓符合工艺要求的处理应是同时考虑增量或减量加料时的温度以及分子比的变化进行综合控制.