鋁電解槽控制系統樣本

鋁電解槽工藝控制系統

現代化鋁廠的電流效率已超過94%,電耗低于13.2kwh/kg-Al,不斷

改進電解槽設計和

工藝過程控制以及增加電流強度是使工藝現代化的一部分?；诖笮?/p>

電解槽電磁設計的

不斷提高，現代鋁廠的生產穩定性得到很大改進,進一步提高鋁電解

生產的技術經濟指標

的未來挑戰應是連續保持穩定的高指標的生產狀態，最有效的措施應

是盡可能保持物料平

衡和能量平衡穩定，它包括鑒別槽況是否正常。

電解槽經常因為錯誤的解讀測量結果而被不適當的校正，例如，在

一個點測出的單一

溫度值往往不能代表全槽，如換陽極等局部效應會嚴重影響溫度讀數,

另一方面是響應

氟化鋁濃度的取樣分析而錯誤的添加氟化鋁。這里的誤解是假設其測

量值是有代表性的,

電解槽生產條件是穩定的，電解質的量是不變的。可是，多數時間內,

這些假設是不完全

真實的。因此，最重要的是了解其自然狀態和引起變異的根源，其次

必須充分利用正確的

機理鑒定電解槽的真實槽況和活動。

為了保持生產穩定,要求對于電解槽工藝操作要進行更加嚴密的過

程控制，以保證正常

的工藝技術條件，了解工藝過程異常的原因并在初期階段消除干擾，

要用控制系統協調能量

與物料平衡以減少其異常狀態。

控制系統

當前鋁廠的控制系統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,控制辦法是按加料量分成3個加料期，正常加料期，

減量加料

期和增量加料期。

電解槽上部結構上帶有定容加料器，它是一個容積一定的容器，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放的間隔時間來決定.

正常加料期的定容加料時間根據額定電流和預定的電流效率計算的

氧化鋁消耗

量確定，減量加料期延長定容加料的間隔時間，意味著降低電解質中

的氧化鋁濃度，增量

加料期縮短加料間隔時間，意味著降低電解質中氧化鋁濃度，控制系

統所根據的信號也是以

生產條件穩定為基礎。

氧化鋁在電解質中的溶解度是電解質總量，電解質溫度，電

解質化學成分，氧化鋁的物理性能等的函數，在這些條件一定

時，氧化鋁的溶解度就是它的飽和濃度，任一條件的改變都會

引起氧化鋁溶解度的變化。電解工藝實踐表明，電解質中的氧

化鋁濃度對槽況的穩定性和電流效率都有相關影響，電解槽技

術條件一定時，有一個最佳的氧化鋁濃度，能夠保持穩定生產

和較高的電流效率.

電解生產保持的氧化鋁濃度要低于當時條件下的飽和濃度，

這樣能夠防止在條件改變時產生氧化鋁沉淀，但如保持的濃度

過低，她又可能發生陽極效應。在現時電解生產保持的電解質

溫度和低分子比的技術條件下，為了防止產生沉淀和突發陽極

效應，經驗數據的氧化鋁最佳濃度在2?0%—3.0%之間。為了

保持合適的氧化鋁濃度，就要控制符合當時技術條件下的氧化

鋁加入量。

加料間隔

按實際消耗計算，以300KA槽為例，如果電流效率為94%,小時產

量94.61kg,純氧化

鋁消耗量為182.36kg,氧化鋁中的雜質約為2%,工業氧化鋁消耗量

為186kg/h,每分鐘

耗料量為3.10kg。使用1.2kg定容器，3點下料，定容器動作間隔應

為3?6/3.1X60=70秒,

即每隔70秒必須加料一次，數量是3.6kg（在加料器的準確的條件

下）.

如果估算的電解質量是9500KG,將原始的氧化鋁濃度設定為2.5%作

為正常加料期,以后開始

減量加料使其降到2%,則在減量加料周期內需減少加料量47.5kg.

即減少定容器動作次數47.5/3.6=13.2次。小時加料量為186-47.5

=138.5kg.從設定濃度開始增量加料使其達到3%,

需增加加料量47.5kg,小時加料量233.5kg,定容器動作次數增加

13.2次.

加料間隔計算為；

正常加料周期小時加料次數為3600/70=51.4次,

減量加料周期小時加料次數為51.4-13.2=38.2次,加料間隔為

3600/38.2=94,2秒。

增量加料周期小時加料次數為51.4+13.2=64.6次,加料間隔為

3600/64.6=55.7秒.

電解質總量

假設電解質水平是20cm,極距4.5cm,爐幫厚度平均6cm,計算的電解質

9,500kg

每次加入3.6kg氧化鋁,其濃度變化是0.0378%,

生產實際中電解質總量是變化的，假設電解質總高為18cm,電解質總量約二

設定的

氧化鋁濃度仍為2.5%,則槽內原始氧化鋁量約為225kg,每加料一次濃度變

0.04%,

如果電解質總量增加，一次加料量不變，加料后濃度變化量將會減少，加料］

將變化.

控制信號

在電解槽正常生產期間，延長加料間隔，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，達到控

制上限時即應終結減量加料，如繼續延長最終將發生陽極效應。欠料

到一定程度，就要進入增量加料，即縮短加料間隔，連續執行增量加

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，達到設定濃度的下限，即應終結增量期?？梢姰斍暗目刂?/p>

系統重要的控制信號是隨氧化鋁濃度變化的電阻導出的電壓變化.

找出一個合適的信號以確定電解槽內氧化鋁欠量或是過量，是調整加

料量的依據，但由于氧化鋁濃度不能在線測定，因而控制系統只能采

用一個參考信號（偽電阻）值來確定氧化鋁濃度，信號的表示式為；

RP=｛（V-Ex）/DXI。"

式中RP--------偽電阻（11。）

V--------槽工作電壓（v）

Ex--------分解電壓（V）

I---------系列電流（A）

由上式可見，如果系列電流是穩定的，偽電阻只與電解質電阻相關，即

與氧化鋁濃度相關.事實上，偽電阻在控制中沒有實際意義，它只是

槽電壓的函數，槽電壓成為偽電阻的實質上的信號。如果當其它技術條

件一定時，確定與氧化鋁濃度為2.5%相應的正常電壓為一個設定值，

計算其RP值，然后再制定其上下線，這就能夠根據因濃度變化引起的

電壓變化改變其加料周期.。

非正常狀態

如上所述,控制系統所根據的信號是以生產條件穩定為基礎的,當

電解槽生產技術條件變化時，氧化鋁濃度不完全根據加料量變化，在

一個正常生產系列，隨機取出一臺槽的當日控制記錄，如下圖；

上圖07-12段的現象顯示出經過較長時間的過量加料，反應氧化鋁

濃度的電阻曲線斜率應該是下降的但它在上升，控制系統的直接反應

是欠量現象，可能會繼續發出增量加料的指令,產生這種現象的原因可

能是槽溫過低，電解質收縮，氧化鋁溶解度下降，因而產生沉淀，也可

能是槽溫正常但分子比太低，氧化鋁溶解度下降，因而產生沉淀，無論

那一種情況，都可能認為能量平衡的問題,應該用提升電壓消滅沉淀的

處理步驟,但計算機的指令卻是連續兩次降低電壓,能夠看出控制系統的

判斷與工藝操作的判斷不同，如果根據電阻上升的信號繼續增量加料，

加入的氧化鋁可能構成新的沉淀。

2),信號顯示電阻下降達到設定值下限，加料控制進入減量加料期,

期望氧化鋁濃

度降低電阻斜率上升,但有時電阻曲線斜率卻反而下降,說明氧化鋁濃度

并未降低，產生這種現象的原因可能是槽溫升高，爐幫熔化，電解質總

量增加，在這種條件下，盡管加料減少但濃度并不下降，如果繼續執行

減量加料，就可能使爐幫越來越薄.也可能是由于某些過多的加料以及

槽內存在的沉淀等的熔化,使氧化鋁濃度增加的趨勢較設定值滯后.因為

這些氧化鋁是不受控的.

非正常狀態的處理

溫度變化

上述非正常狀態的發生就是能量平衡或物料平衡出現問題,如果因設

定電壓不當，使電解質溫度變化，一般需人工干預，較常見的處理措施

是發現槽溫過低時，要么提高電壓，要么等一等陽極效應來消滅沉淀，

或者是加強保溫來消滅冷行程現象。當發現槽溫過高時，較長見的辦法

是降低極距。所有這些干預措施都必須依靠工藝操作人員對控制系統狀

態的了解和分析，因而，控制系統應具備的能力是；能及時判斷非正

常狀態的出現并有能及時通知操作人員的人機接口，以便實時處理,如

果等到正常加料時調整設定電壓來調整溫度，似乎不能說是實時處理.

不受控的氧化鋁

所有濃度控制的設定都基于氧化鋁的定量加料,但在實際生產中,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不

同,使換陽極工序的前后進入槽內的氧化鋁的數量差別很大.

有的電解槽料面形式如下圖（見桌面照片），在換陽極時有較多的氧化

鋁流入槽內，它們是不受控制的,盡管這時是脫機操作,可是由于進入的

物料數量不同,塊度大型不同,進入后沉淀狀態不可能一致,因而恢復控

制后不論增量或減量加料,氧化鋁濃度變化都將發生滯后現象.

當前有一種操作方式值得借鑒;降低料面到槽的上緣,換陽極之前扒

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.這樣能夠避免換極

時氧化鋁過多進入.

另外一種情況是生產中的電解槽內,可能存在不同的結殼和沉淀,隨

電解質溫度變化將有所增減,必然影響氧化鋁濃度,因而使控制系統的

響應發生超前或滯后現象.文獻2繪出一臺電解槽的結殼和沉淀狀態，

可供參考.

顯然,這種條件下減量加料時，電解質溫度升高,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2繪出一臺槽的實測

曲線；

物料平衡中的問題

以上較多的討論了電解質溫度變化對槽況和加料周期的影響,主要是能

量平衡問題

實際上各個加料周期中,發生溫度變化的同時電解質成分也在變化,因

而必須與物料平衡同時考慮.

氟化鋁加入量

正常生產中,為保持一定的電解質分子比,及時補充氟化鋁的重要性

己眾所周知,補充的的量取決于過程中氟的消耗,現代電解槽由于內襯

材料的改進,包括炭素材料石墨化程度加大,炭化硅材料以及防滲材料

的應用，已經在很大長度上減少了內襯對氟化物的吸收,與加入的氧化

鋁中含有的氟化鈉反應消耗的氟化鋁是一項重要消耗,而且其消耗量隨

氧化鋁成分變化，

生產過程中氟的消耗途徑大致可作如下估算;

內襯吸收20kg

中和反應6.3kg

排放1.0kg

復蓋料損失3.2kg(估計值)

合日12.2kg

文獻(2)提出的氟平衡中內襯吸收為2kg-F,氧化鋁含氟化鈉的量平

均約為0.4wt%,計算的反應氟量約為6.3kg-F,不同類型氧化鋁的氧化

鈉含量如下表;

SourceFezOsLOISSA電解鋁工廠對市

￡iO

02500.57

TypeA場供應的氟化鋁質量要

.37wt%ppmwt%5m2

080

TypeB求含氟量為

.43wt%Oppm,88wt%0m2

020

TypeC63-67%,(見下表)

.33wt%10ppm.69wt%2m2

010

TypeDChemical

.33wt%80ppm.80wt%5m2

analysis

F63-67

A1F3(%)92-97

Si02(%)0.l-o.3

(%)

Fe2O30.02-0.03

S03(%)W0.02

P2O5(%)<0.02

LOI(%)W0.9

這里以氟化鋁含量為92%計算,氟化鋁的單位消耗為19.55kg,小時消

耗1.85kg,平均每槽日消耗量45kg.

如果集中加入或定時定量加入,將影響電解質分子比波動，引起過熱度

的變化以致影響其熱平衡的穩定.理想的辦法是氟化鋁加料的自適應

控制.

上述氟化鋁消耗中，內襯吸收氣體排放以及機械損失都能夠看作是

連續的