鋁電解槽控制系統(tǒng)

鋁電解槽工藝控制系統(tǒng)現(xiàn)代化鋁廠的電流效率已超過(guò)94%,電耗低于kg-Al,不斷改進(jìn)電解槽設(shè)計(jì)和工藝過(guò)程控制以及增加電流強(qiáng)度是使工藝現(xiàn)代化的一部分。基于大型電解槽電磁設(shè)計(jì)的不斷提高，現(xiàn)代鋁廠的生產(chǎn)穩(wěn)定性得到很大改善,進(jìn)一步提高鋁電解生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的未來(lái)挑戰(zhàn)應(yīng)是連續(xù)保持穩(wěn)定的高指標(biāo)的生產(chǎn)狀態(tài)，最有效的措施應(yīng)是盡可能保持物料平衡和能量平衡穩(wěn)定，它包括鑒別槽況是否正常。電解槽經(jīng)常因?yàn)殄e(cuò)誤的解讀測(cè)量結(jié)果而被不適當(dāng)?shù)男Ｕ?，例如，在一個(gè)點(diǎn)測(cè)出的單一溫度值往往不能代表全槽，如換陽(yáng)極等局部效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響溫度讀數(shù)，另一方面是響應(yīng)氟化鋁濃度的取樣分析而錯(cuò)誤的添加氟化鋁。這里的誤解是假設(shè)其測(cè)量值是有代表性的，電解槽生產(chǎn)條件是穩(wěn)定的，電解質(zhì)的量是不變的。但是，多數(shù)時(shí)間內(nèi)，這些假設(shè)是不完全真實(shí)的。因此，最重要的是了解其自然狀態(tài)和引起變異的根源，其次必須充分利用正確的機(jī)理鑒定電解槽的真實(shí)槽況和活動(dòng)。為了保持生產(chǎn)穩(wěn)定,要求對(duì)于電解槽工藝操作要進(jìn)行更加嚴(yán)密的過(guò)程控制，以保證正常的工藝技術(shù)條件,了解工藝過(guò)程異常的原因并在初期階段消除干擾，要用控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)能量與物料平衡以減少其異常狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)當(dāng)前鋁廠的控制系統(tǒng)主要是氧化鋁濃度控制，控制策略是控制氧化鋁濃度保持在一定范圍內(nèi),控制辦法是按加料量分成3個(gè)加料期，正常加料期,減量加料期和增量加料期。電解槽上部結(jié)構(gòu)上帶有定容加料器，它是一個(gè)容積一定的容器，在氧化鋁堆積比重一定的條件下重量一定，加料量多少由定容器開(kāi)放的間隔時(shí)間來(lái)決定.正常加料期的定容加料時(shí)間根據(jù)額定電流和預(yù)定的電流效率計(jì)算的氧化鋁消耗量確定，減量加料期延長(zhǎng)定容加料的間隔時(shí)間，意味著降低電解質(zhì)中的氧化鋁濃度，增量加料期縮短加料間隔時(shí)間，意味著降低電解質(zhì)中氧化鋁濃度，控制系統(tǒng)所根據(jù)的信號(hào)也是以生產(chǎn)條件穩(wěn)定為基礎(chǔ)。氧化鋁在電解質(zhì)中的溶解度是電解質(zhì)總量，電解質(zhì)溫度，電解質(zhì)化學(xué)成分，氧化鋁的物理性能等的函數(shù)，在這些條件一定時(shí)，氧化鋁的溶解度就是它的飽和濃度，任一條件的改變都會(huì)引起氧化鋁溶解度的變化。電解工藝實(shí)踐表明，電解質(zhì)中的氧化鋁濃度對(duì)槽況的穩(wěn)定性和電流效率都有相關(guān)影響，電解槽技術(shù)條件一定時(shí)，有一個(gè)最佳的氧化鋁濃度，可以保持穩(wěn)定生產(chǎn)和較高的電流效率.電解生產(chǎn)保持的氧化鋁濃度要低于當(dāng)時(shí)條件下的飽和濃度，這樣可以防止在條件改變時(shí)產(chǎn)生氧化鋁沉淀，但如保持的濃度過(guò)低，他又可能發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)。在現(xiàn)時(shí)電解生產(chǎn)保持的電解質(zhì)溫度和低分子比的技術(shù)條件下，為了防止產(chǎn)生沉淀和突發(fā)陽(yáng)極效應(yīng)，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的氧化鋁最佳濃度在％－％之間。為了保持合適的氧化鋁濃度，就要控制符合當(dāng)時(shí)技術(shù)條件下的氧化鋁加入量。加料間隔按實(shí)際消耗計(jì)算，以300KA槽為例，如果電流效率為94%,小時(shí)產(chǎn)量94.61kg,純氧化鋁消耗量為182.36kg,氧化鋁中的雜質(zhì)約為2%,工業(yè)氧化鋁消耗量為186kg/h，每分鐘耗料量為3.10kg。使用1.2kg定容器，3點(diǎn)下料，定容器動(dòng)作間隔應(yīng)為X60=70秒，即每隔70秒必須加料一次，數(shù)量是3.6kg（在加料器的準(zhǔn)確的條件下）.如果估算的電解質(zhì)量是9500KG,將原始的氧化鋁濃度設(shè)定為％作為正常加料期，以后開(kāi)始減量加料使其降到2%，則在減量加料周期內(nèi)需減少加料量47.5kg.即減少定容器動(dòng)作次數(shù)=次。小時(shí)加料量為186—=138.5kg.從設(shè)定濃度開(kāi)始增量加料使其達(dá)到3%,需增加加料量47.5kg,小時(shí)加料量233.5kg,定容器動(dòng)作次數(shù)增加次.加料間隔計(jì)算為；正常加料周期小時(shí)加料次數(shù)為3600/70=次，減量加料周期小時(shí)加料次數(shù)為－=次,加料間隔為3600/=秒。增量加料周期小時(shí)加料次數(shù)為＋=次,加料間隔為3600/=秒.電解質(zhì)總量假設(shè)電解質(zhì)水平是20cm，極距4.5cm,爐幫厚度平均6cm，計(jì)算的電解質(zhì)總量約9,500kg每次加入3.6kg氧化鋁，其濃度變化是％,生產(chǎn)實(shí)際中電解質(zhì)總量是變化的，假設(shè)電解質(zhì)總高為18cm,電解質(zhì)總量約為9t，設(shè)定的氧化鋁濃度仍為％，則槽內(nèi)原始氧化鋁量約為225kg，每加料一次濃度變化為％,如果電解質(zhì)總量增加，一次加料量不變，加料后濃度變化量將會(huì)減少，加料間隔也將變化.控制信號(hào)在電解槽正常生產(chǎn)期間,延長(zhǎng)加料間隔,氧化鋁逐漸消耗,濃度降低,稱為欠料槽象征著隨濃度變化的電阻曲線的斜率增加,達(dá)到控制上限時(shí)即應(yīng)終結(jié)減量加料,如繼續(xù)延長(zhǎng)最終將發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)。欠料到一定程度,就要進(jìn)入增量加料,即縮短加料間隔,連續(xù)執(zhí)行增量加料,氧化鋁濃度升高,稱為剩料槽,象征著隨濃度變化的電阻曲線的斜率降低,達(dá)到設(shè)定濃度的下限,即應(yīng)終結(jié)增量期?？梢?jiàn)當(dāng)前的控制系統(tǒng)重要的控制信號(hào)是隨氧化鋁濃度變化的電阻導(dǎo)出的電壓變化.找出一個(gè)合適的信號(hào)以確定電解槽內(nèi)氧化鋁欠量或是過(guò)量,是調(diào)整加料量的依據(jù),但由于氧化鋁濃度不能在線測(cè)定,因而控制系統(tǒng)只能采用一個(gè)參考信號(hào)（偽電阻）值來(lái)確定氧化鋁濃度,信號(hào)的表達(dá)式為；R={（V-E）/I}X1O6PX式中RP P 偽電阻(uQ)V 槽工作電壓(v)E X 分解電壓（V）I 系列電流(A)由上式可見(jiàn),如果系列電流是穩(wěn)定的,偽電阻只與電解質(zhì)電阻相關(guān),即與氧化鋁濃度相關(guān).事實(shí)上,偽電阻在控制中沒(méi)有實(shí)際意義,它只是槽電壓的函數(shù),槽電壓成為偽電阻的實(shí)質(zhì)上的信號(hào)。如果當(dāng)其他技術(shù)條件一定時(shí),確定與氧化鋁濃度為％相應(yīng)的正常電壓為一個(gè)設(shè)定值，計(jì)算其Rp值，然后再制定其上下線，這就可以根據(jù)因濃度變化引起的電壓變化改變其加料周期.。非正常狀態(tài)如上所述,控制系統(tǒng)所根據(jù)的信號(hào)是以生產(chǎn)條件穩(wěn)定為基礎(chǔ)的,當(dāng)電解槽生產(chǎn)技術(shù)條件變化時(shí)，氧化鋁濃度不完全根據(jù)加料量變化，在一個(gè)正常生產(chǎn)系列，隨機(jī)取出一臺(tái)槽的當(dāng)日控制記錄，如下圖；上圖07－12段的現(xiàn)象顯示出經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)量加料，反應(yīng)氧化鋁濃度的電阻曲線斜率應(yīng)該是下降的但它在上升，控制系統(tǒng)的直接反應(yīng)是欠量現(xiàn)象，可能會(huì)繼續(xù)發(fā)出增量加料的指令,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是槽溫過(guò)低，電解質(zhì)收縮，氧化鋁溶解度下降，因而產(chǎn)生沉淀，也可能是槽溫正常但分子比太低，氧化鋁溶解度下降，因而產(chǎn)生沉淀，無(wú)論那一種情況，都可能認(rèn)為能量平衡的問(wèn)題,應(yīng)該用提升電壓消滅沉淀的處理步驟,但計(jì)算機(jī)的指令卻是連續(xù)兩次降低電壓,可以看出控制系統(tǒng)的判斷與工藝操作的判斷不同,如果根據(jù)電阻上升的信號(hào)繼續(xù)增量加料，加入的氧化鋁可能構(gòu)成新的沉淀。2），信號(hào)顯示電阻下降達(dá)到設(shè)定值下限，加料控制進(jìn)入減量加料期,期望氧化鋁濃度降低電阻斜率上升,但有時(shí)電阻曲線斜率卻反而下降,說(shuō)明氧化鋁濃度并未降低，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是槽溫升高，爐幫熔化，電解質(zhì)總量增加,在這種條件下，盡管加料減少但濃度并不下降，如果繼續(xù)執(zhí)行減量加料，就可能使?fàn)t幫越來(lái)越薄.也可能是由于某些過(guò)多的加料以及槽內(nèi)存在的沉淀等的熔化,使氧化鋁濃度增加的趨勢(shì)較設(shè)定值滯后.因?yàn)檫@些氧化鋁是不受控的.非正常狀態(tài)的處理溫度變化上述非正常狀態(tài)的發(fā)生就是能量平衡或物料平衡出現(xiàn)問(wèn)題,如果因設(shè)定電壓不當(dāng),使電解質(zhì)溫度變化,一般需人工干預(yù)，較常見(jiàn)的處理措施是發(fā)現(xiàn)槽溫過(guò)低時(shí)，要么提高電壓，要么等一等陽(yáng)極效應(yīng)來(lái)消滅沉淀，或者是加強(qiáng)保溫來(lái)消滅冷行程現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)現(xiàn)槽溫過(guò)高時(shí)，較長(zhǎng)見(jiàn)的辦法是降低極距。所有這些干預(yù)措施都必須依靠工藝操作人員對(duì)控制系統(tǒng)狀態(tài)的了解和分析，因而，控制系統(tǒng)應(yīng)具備的能力是；能及時(shí)判斷非正常狀態(tài)的出現(xiàn)并有能及時(shí)通知操作人員的人機(jī)接口,以便實(shí)時(shí)處理,如果等到正常加料時(shí)調(diào)整設(shè)定電壓來(lái)調(diào)整溫度,似乎不能說(shuō)是實(shí)時(shí)處理.不受控的氧化鋁所有濃度控制的設(shè)定都基于氧化鋁的定量加料,但在實(shí)際生產(chǎn)中,有的氧化鋁加入和存在是不受控的,例如因操作方法以及爐面保持狀態(tài)不同,使換陽(yáng)極工序的前后進(jìn)入槽內(nèi)的氧化鋁的數(shù)量差別很大.有的電解槽料面形式如下圖（見(jiàn)桌面照片）,在換陽(yáng)極時(shí)有較多的氧化鋁流入槽內(nèi),它們是不受控制的,盡管這時(shí)是脫機(jī)操作,但是由于進(jìn)入的物料數(shù)量不同,塊度大型不同,進(jìn)入后沉淀狀態(tài)不可能一致,因而恢復(fù)控制后不論增量或減量加料,氧化鋁濃度變化都將發(fā)生滯后現(xiàn)象.當(dāng)前有一種操作方式值得借鑒;降低料面到槽的上緣,換陽(yáng)極之前扒去浮料,換極后加少量浮料,待形成殼面薄殼以后,再加保溫氧化鋁.這樣可以避免換極時(shí)氧化鋁過(guò)多進(jìn)入.另外一種情況是生產(chǎn)中的電解槽內(nèi),可能存在不同的結(jié)殼和沉淀,隨電解質(zhì)溫度變化將有所增減,必然影響氧化鋁濃度,因而使控制系統(tǒng)的響應(yīng)發(fā)生超前或滯后現(xiàn)象.文獻(xiàn)2繪出一臺(tái)電解槽的結(jié)殼和沉淀狀態(tài),可供參考.阿嘶込甌J%:曲曙幽"■阿嘶込甌J%:曲曙幽"■ — 片C■' ■fc*J1|?MtUIB.-HIl'lHVIlfciitfjiJniifcM1*伽施和田腫代.ihir&ce前th同由TurbuferiSfrgcnrirafcisilrunBBcaping\$1如II顯然,這種條件下減量加料時(shí),電解質(zhì)溫度升高,沉淀熔化,氧化鋁濃度不致明顯降低,電阻曲線變化較控制值滯后.文獻(xiàn)2繪出一臺(tái)槽的實(shí)測(cè)曲線;物料平衡中的問(wèn)題以上較多的討論了電解質(zhì)溫度變化對(duì)槽況和加料周期的影響,主要是能量平衡問(wèn)題實(shí)際上各個(gè)加料周期中,發(fā)生溫度變化的同時(shí)電解質(zhì)成分也在變化,因而必須與物料平衡同時(shí)考慮.氟化鋁加入量正常生產(chǎn)中,為保持一定的電解質(zhì)分子比,及時(shí)補(bǔ)充氟化鋁的重要性已眾所周知,補(bǔ)充的的量取決于過(guò)程中氟的消耗,現(xiàn)代電解槽由于內(nèi)襯材料的改善,包括炭素材料石墨化程度加大,炭化硅材料以及防滲材料的應(yīng)用,已經(jīng)在很大長(zhǎng)度上減少了內(nèi)襯對(duì)氟化物的吸收,與加入的氧化鋁中含有的氟化鈉反應(yīng)消耗的氟化鋁是一項(xiàng)重要消耗,而且其消耗量隨氧化鋁成分變化,生產(chǎn)過(guò)程中氟的消耗途徑大致可作如下估算;內(nèi)襯吸收 20kg中和反應(yīng) 6.3kg排放 1.0kg復(fù)蓋料損失 3.2kg（估計(jì)值）合計(jì) 12.2kg文獻(xiàn)⑵提出的氟平衡中內(nèi)襯吸收為2kg-F,氧化鋁含氟化鈉的量平均約為wt%,計(jì)算的反應(yīng)氟量約為6.3kg-F,不同類型氧化鋁的氧化鈉含量如下表；63-67AlF3(%)92-97SiO2(%)(%)(%)PO(%)25LOI(%)這里以氟化鋁含量為92%計(jì)算,氟化鋁的單位消耗為19.55kg,小時(shí)消耗，平均每槽日消耗量45kg.如果集中加入或定時(shí)定量加入,將影響電解質(zhì)分子比波動(dòng),引起過(guò)熱度的變化以致影響其熱平衡的穩(wěn)定.理想的辦法是氟化鋁加料的自適應(yīng)控制.上述氟化鋁消耗中,內(nèi)襯吸收氣體排放以及機(jī)械損失都可以看作是連續(xù)的,只有中和反應(yīng)部分隨氧化鋁加入量變化,變化趨勢(shì)可參考下圖

bJ中JWHbJ中JWHS.IKI--工np-^n占警顯然,在增量加料過(guò)程中,,隨氧化鋁濃度升高,電解質(zhì)溫度降低,冰晶石成分固化,液相線溫度降低,證實(shí)氟化鋁濃度在增加,在減量加料過(guò)程中,隨氧化鋁濃度降低電解質(zhì)溫度升高,邊殼熔化,氟化鋁濃度在降低.因而在氧化鋁加料過(guò)程中應(yīng)該有控制的調(diào)整氟化鋁的加入量.合適的加入時(shí)間似乎是氧化鋁欠量加料期,一方面可以調(diào)整因溫度變化的影響,同時(shí)調(diào)整因加入的氧化鋁中的氧化鈉引起的氟化鋁消耗,按正常消耗計(jì)算，氟化鋁的小時(shí)消耗量為1.9kg,如果槽上已安裝的定容器為1.2kg,平均38分鐘左右當(dāng)電阻信號(hào)達(dá)到控制上限開(kāi)始減量加料的同時(shí),開(kāi)啟氟化鋁加料器加料一次,如果是3.8kg,則應(yīng)該是57分鐘左右.小結(jié)現(xiàn)代的自適應(yīng)控制系