（热能工程专业论文）基于plc与专家控制器的电解槽预焙烧燃烧控制系统.pdf

中文摘要 摘要 当前电解铝行业，电解铝的生产流程一般有三个阶段：焙烧、开动和正常生产。 在这三个阶段中，焙烧阶段时问最短， 接影响到电解槽的寿命，进而影响到铝 般只有3 4 天左右，f e i 是焙烧的好坏直 的经济效益。目前国内一般采用铝液焙 烧法、焦粉焙烧法和石墨焙烧法对电解槽进行焙烧。这些方法从本质上来讲均属 于电阻加热法，由于加热不均等原因，对铝电解槽的寿命都有致命的影响。 本文首先分析了这三种预焙烧方法的缺点，然后结合国内外相关领域的研究现 状，提出燃料直接焙烧法及其控制系统。整套系统应用于山西解州关铝股份公司 电解铝一分厂，取得较好的应用效果。全文的主要工作和成果总结如下： ( 1 ) 根据实际科研项目的需要，对现有的预焙电解槽焙烧启动方法铝液焙烧 法、焦粉焙烧法和石墨焙烧法进行分析，指出其缺点。 ( 2 ) 从电解铝厂的实际情况提出了燃料直接焙烧法，并分析其原理以及优 点。 ( 3 ) 按照燃料直接焙烧启动法的思路和现场参数采集干扰大，环境恶劣，影 响因素多的特点，设计出具有高可靠性，高抗干扰能力的控制系统整体 方案。 ( 4 ) 根据燃料直接焙烧启动法控制系统的整体方案确定其硬件组成。本文着 重讲解了p l c 的硬件配置、存储器组织、工作原理以及风机、油泵变 频器的接线端子，文章的最后还讲解了控制系统的接线图， ( 5 ) 由于传统的p i d 算法的局限，本文采用专家p i d 控制。首先介绍了专 家系统的原理，然后着重阐述了专家p i d 控制器的实现。 ( 6 ) 详细讲解了燃料直接焙烧启动法控制系统的软件实现。讲述了o m r o n p l c 指令系统，以及用该指令系统实现的程序编制。 关键词：电解槽，燃料直接焙烧法，专家控制器，算法，可编程控制器 英文摘要 a b s t r a c t g e n e r a l l y ，t h ep r o d u c t i o np r o c e s so fe l e c t r o l y t i ca l u m i n i u mi sd i v i d e di n t ot h r e e s t a g e s ：b a k i n ge l e c t r o l y z e r , s e t t i n gu pa n dr e g u l a rp r o d u c t i o n i np r e s e n te l e c t r o l y t i c a l u m i n i u mi n d u s t r y i nt h e s et h r e es t a g e s ，t h ef i r s ts t a g e ，w h i c hl a s t sa b o u t3 4d a y s ，i s s h o r t e rt h a nt h eo t h e rt w os t a g e s ，b u ti ti n f l u e n c e st h el i f e - s p a no f e l e c t r o l y z e rd i r e c t l y , a n da c c o r d i n g l yi n f l u n c e st h ee c o n o m i cb e n e f i t so fe l e c t r o l y t i ca l u m i n i u mf a c t o r y a t p r e s e n t ，t h r e em a i nw a y s a r ee m p l o y e dt ob a k e e l e c t r o l y z e ri no u rc o u n t r y ：b a k i n gw i t h m e l t e da l u m i n i u m ，b a k i n g 、i t l lc o k e a s ha n db a k i n gw i t hg r a p h i t e a sam a t t e ro ff a c t ， t h ep r e v i o u sw a y sb e l o n gt or e s i s t a n c e h e a t e dm e t h o d b e c a u s eo fu n e v e n h e a t i n ga n d s o m eo t h e rc a u s e s ，t h e s em e t h o d sh a v eag r e a th a r mt ot h el i f e - s p a no f e l e c t r o l y z e r i nt h i sp a p e r ，t h es h o r t c o m i n g so ft h e s et h r e em e t h o d sw e r ea n a l y z e da tf i r s t ，a n d t h e nan e wm e t h o d ，w h i c hw a sc a l l e df u e l - d i r e c t - b a k i n gm e t h o d ，a n di t sc o n t r o ls y s t e m w a sp u tf o r w a r d i nc o m b i n a t i o nw i t ht h er e s e a r c hs i t u a t i o ni nt h i sf i e l dh o m ea n d a b r o a d t h ew h o l es y s t e mh a sb e e n a p p l i e di nt h en o 1b r a n c he l e c t r o l y t i ca l u m i n i t t m f a c t o r yo fs h a n x ix i e z h o ug u a n l uc o l t da n dg o o dr e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e d t h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r es h o w na sf o l l o w s ： ( 1 ) i no r d e rt om e e tt h ea c t u r a ln e e do ft h i sr e s e a r c hp r o j e c t t h eg e n e r a lw a y st o b a k ee l e c t r o l y z e r , w h i c hi n c l u d ea l u m i n i u m - l i q u o r - b a k i n gm e t h o d ，c o k e - a s h b a k i n g m e t h o d a n d g r a p h i t e p o w d e r - b a k i n gm e t h o d ，a r e i n t r o d u c e di nd e t a i l s t h e i r s h o r t c o m i n g s a n de f f e c t so nt h el i f e s p a no f e l e c t r o l y z e ra r ea l s oa n a l y z e d ( 2 ) o nt h eb a s i so ft h ea c t u r a lc o n d i t i o no ft h e e l e c t r o l y t i cf a c t o r y f u e l d i r e c t - b a k i n g m e t h o di s p u tf o r w a r d ，a n d i t sm e c h a n i s ma n da d v a n t a g e sa r e a n a l y z e da sw e l l ( 3 ) a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sg r e a td i f f i c u l t i e si nd a t aa c q u i s i t i o no n s p o t ，s e v e r ee n v i r o n m e n t ，a n dm a n yi n t e r f e r i n gf a c t o r s ，an e w c o n t r o ls y s t e mw i t hh i g h r e l i a b i l i t ya n dh i g ha n t i - j a m m i n gc a p a c i t y h a sb e e n d e s i g n e d ( 4 ) h a r d w a r ec o m p o s i t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mi s p r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h e w h o l ep r o j e c t t h cf o l l o w i n ga s p e c t ss u c ha st h ec o n f i g u r a t i o no fp l c sh a r d w a r e m e m o r yo r g a n i z a t i o n ，p l c sr u n n i n gp r i n c i p l e ，a n dw i r i n g t e r m i n a l so ff r e q u e n c y c o n v e n e ro ff a n - m a c h i n ea n do i lp u m pa r ee m p h a s i z e d i na d d i t i o n ，t h ew h o l es y s t e m s w i r i n g c h a r ti se x p l a i n e da tt h el a s tp a r to f t h i s p a p e r ( 5 ) d u et ot h el i m i t a t i o no ft r a d i t i o n a lp i d a l g o r i t h m e x p e r tp i d c o n t r o la l g o r i t h m i i l 重庆大学硕士学位论文 i s e m p l o y e d t h ep r i n c i p l e o fe x p e r t s y s t e m i si n t r o d u c e da t f i r s t ，a n d t h e nt h e r e a l i z a t i o no f e x p e r tc o n t r o l l e ri sp r e s e n t e d ( 6 ) t h ef u l f i l l m e n to fs o f t w a r eo ff u e l d i r e c t b a k i n gm e t h o di si n t r o d u c e di n d e t a i l s t h eo m r o np l c si n s t r u c t i o ns y s t e ma n dt h ep r o g r a m sr e a l i z e dw i t ht h i s i n s t r u c t i o ns y s t e ma r ea l s os e tf o r t h k e y w o r d s ：e l e c t r o l y z e r , f u e l - d i r e c t ，b a k i n gm e t h o d ，e x p e r tc o n t r o l l e r , a l g o r i t h m ， p l c 1 绪论 1绪论 1 1 炼铝发展概况 炼铝的历史可划分为两个阶段：化学法炼铝阶段和电解法炼铝阶段。 1 1 1 化学法炼铝阶段 1 8 2 5 年丹麦厄尔施泰用钾汞还原无水氯化铝，得到一种灰色的金属粉末，在 研磨时呈现银色光泽，但当时未能加以鉴定。1 8 2 7 年，德国韦勒用钾代替甲汞还 原无水氯化铝，也得到铝灰色粉末。1 8 4 5 年，他把氯化铝蒸气通过熔融钾表面， 结果得到金属铝珠，每个重1 0 - 5 毫克。后来法国的维特尔用钠代替钾还原 n a c l a 1 c 1 3 络合盐，制取出金属铝。1 8 5 4 年在法国巴黎附近建立了钠还原法炼铝 小r 厂。1 8 6 5 年俄国别克托夫提议用镁还原冰晶石来生产铝，这种方案后来在德 国盖墨林根铝厂得到采用。后来在1 8 8 7 1 8 8 8 年间，电解法炼铝工厂开始投入生 产，化学法便逐渐停止了。 1 1 2 电解法炼铝阶段1 2 j 1 8 0 7 年英国的戴维曾试验电解法炼铝，但未成功。1 8 5 4 年德国的本生和法国 的维特尔分别研究了n a c l a 1 c 1 3 的电解，制得金属铝。维特尔还试验了各种以冰 晶石为基础的混合熔盐电解，曾提出要用氯化铝来补充冰晶石电解质里的铝。但 是，在那时侯用蓄电池作电源太贵了，而且不能获得较大的电流，因而不能用电 解法进行工业实验。后来1 8 6 7 年发明了发电机，并在1 8 8 0 年加以改进，才使之 可以用于工业生产。1 8 8 3 年美国的布雷德利提出了利用氧化铝熔于熔融冰晶石的 特性来电解冰晶石氧化铝熔盐的方案。三年之后美国的霍尔和法国的埃鲁不约而 同地申请了冰晶石氧化铝熔盐电解法的专利并得到了批准，这就是历来称呼的霍 尔埃鲁法。1 8 8 8 年在美国匹兹堡电解厂内建造了两台预焙阳极铝电解槽，1 8 8 7 1 8 8 8 年问瑞士冶炼公司利用莱茵河上水力发电站的电力，采用冰晶石一氧化铝电 解法炼铝。以后其它各国相继采用该法炼铝。法国开始于1 8 8 9 年，德国开始于1 8 9 8 年，挪威开始于1 9 0 6 年，意大利开始于1 9 0 7 年，西班牙开始于1 9 2 7 年，苏联开 始于1 9 3 1 年。 1 2 电解铝工业发展概况0 4 l 近年来，世界铝工业发展很快，铝产量从1 9 9 0 年的1 9 3 5 万吨增加到1 9 9 5 年 的1 9 7 1 ) 7 - 吨，铝钢比达到2 7 。世界五大洲有4 2 个国家约1 2 4 1 5 0 个铝厂生产 原铝，总设计产能近2 2 6 0 万吨。据预测，到2 0 0 0 年，世界铝消费量将达2 9 8 0 万 吨，其中原铝产量为2 0 0 0 万吨，其余3 0 为再生铝。按1 9 9 5 年铝产量排名，居 重庆大学硕士学何论文 前4 位的依次是美国3 3 7 5 万吨，俄罗斯2 7 2 2 万吨，加拿大2 1 7 2 万吨，中国1 8 6 9 万吨。 1 9 9 5 年世界原铝消费量约1 9 6 0 万吨。1 9 9 3 年铝消费量，美国为4 8 8 万吨，h 奉为2 1 8 万吨，各占世界消费总量的2 7 和1 2 。在生产和消费上美国均属首位。 虽然日本是铝的消费大国，但铝产量却从1 9 8 0 年的l1 0 万吨急剧下降到1 9 8 2 年 的3 5 万吨，变成产铝小国，1 9 8 9 年仅存一家蒲源铝厂。日本现主要靠在海外投 资来获取金属铝，仍保持人均年耗铝2 8 k g 的高水平。而世界人均消费水平为4 8 k g 。 1 9 9 6 年中国钢产量超过日本，名列世界前茅，但我国的铝钢比和人均占有铝量不 足2 和1 5 k g 。由此可见，我国在铝的产消上尚有很大发展潜力。 日本铝工业的衰落，除资源贫乏之外，最主要的是能源短缺，铝用石油电价高 达7 5 美分k w h ，超过国际铝业平均用电价格2 0 - 2 1 美分k w h 数倍。日本铝工 业的兴衰发人深思，电价渐渐变成左右铝工业发展的制约因素。当今世界铝工业 被迫向电力充裕廉价的地区转移，向铝土矿资源丰富区域和发展中国家转移。例 如加拿大、挪威、巴西、委内瑞拉、澳大利亚、中国、巴林、南非等国家铝工业 迅猛发展，使世界铝工业分布形成新的格局。 铝的产消大国美国同样因存在电价不低的缘故而没有再建新厂，有些铝厂盈利 不大而处于关停边缘。因此美国铝产量呈低落趋势。美国西部铝用水电价为2 3 美 分k w h ，沿海铝用煤电价为3 0 美分k w h ，它采用铝电价格挂钩的办法解决铝的 用电问题。 目前，世界原铝生产成本中电费占据相当大的比重，因此，如何降低发电成本 和电价，降低原铝生产电耗，是铝工业生存和发展的重要研究课题。据安东尼伯 德联合公司报告指出，1 9 9 4 年西方国家原铝生产成本平均约为1 1 2 9 美元吨。如 果考虑劳务费用和正常利润，则平均成本为1 2 7 9 美元吨。瑞士、希德罗、凯撒、 德国联合、彼施涅、澳大利亚、雷诺、阿鲁马克斯、印度斯坦等1 0 家著名铝业公 司原铝生产平均成本为1 1 1 3 美元吨，成本最高的是瑞士铝业公司为1 2 7 9 美元吨， 最低的是印度斯坦铝业公司为9 5 9 美元吨。进入9 0 年代，铝的生产成本在下降， 同时铝价也在下降，生产铝的利润不大。 据伦敦经济情报所( f i u ) 预测，1 9 9 7 年国际铝市场价格将在1 4 7 7 美元邝屯水平 线上浮动。国内有关方面认为，1 9 9 7 年国内铝市价格将主要跟随英国l m e 铝价走 势，估计铝平均价为1 5 5 0 0 1 6 0 0 0 元吨左右。令人忧虑的是，目前国内铝用电价 平均高达0 3 5 元k w h ，并仍有上涨趋向。因此，铝工业形势不容太乐观。 中国电解铝工业现状1 4 1 1 9 9 6 年，全国原铝产量1 7 6 万吨，1 1 家重点铝j 一产量9 1 万吨，其中7 家采用 预焙槽型的产量约占全国总产量的3 1 。国内现有预焙槽容量为7 5 、1 3 5 、1 4 0 、 l 绪论 1 5 5 、1 6 0 、1 8 0 和2 8 0 k a 7 种级别，约1 6 0 0 台槽。这些预焙槽的技术经济平均指 标：电流效率9 0 3 3 ，原铝直流电耗1 3 8 0 0 k w m a l ，铝锭综合交流电耗 1 5 2 0 0 k w h t a 1 。7 0 家采用1 0 0 k a 以下容量自焙槽的产量占全国产量的6 9 ，其中 绝大多数铝厂为6 0 k a 旁插自焙槽。采用自焙槽的4 家重点铝厂的平均技术经济指 标：电流效率9 0 ，原铝直流电耗1 4 3 0 0 k w m a l ，铝锭综合交流电耗 1 6 1 2 0 k w h t a 1 。非重点厂家的指标参差不齐，与重点厂家的指标有不同程度的差 距，环境污染程度相似。从1 1 家重点铝厂生产统计数据中4 i 难发现，1 9 9 6 年铝用 供电负荷普遍不足，存在开槽率低的问题，也许与电价猛涨有关。由于电解槽电 流强度达不到设计容量，长时间处于低负荷状态运行，使操作技术条件和热平衡 制度的稳定性受到不利影响。这不仅使电耗增加，产量降低，同时对槽寿命有相 当坏的影响。铝产量下降，指标不稳定，成本上升是造成铝厂效益不佳的原因之 一。国内铝工业效益大幅度向能源部门转移，铝价跌落尤如雪上加霜，难免会出 现亏损。对于那些规模小、指标落后和经营管理不善的铝企业来说，更是难以维 持，己经出现个别铝厂停产。抽样分析结果表明，采用自焙槽的非重点铝厂，其 电流效率低于8 8 ，铝的直流电耗和综合交流电耗分别高于1 4 5 0 0 k w w t a l 和 1 6 5 0 0 k w v t a l 。这些厂的产量均不超过5 万吨，规模小，且很分散。目前除西藏 和海南省没建铝厂外，7 6 家铝厂遍及全国各省、自治区。我国铝厂数目已达到全 世界铝厂数目的一半，而且重复建设6 0 k a 自焙槽的势头有增无减，其后果令人担 忧。对这种急功近利的短期行为应当引起有关领导和部门的高度重视。对于建设 铝厂条件不优越的地方，要从严控制，避免盲目地建设那些技术落后，环境污染 严重的自焙电解槽，应当把有限的资金和资源集中使用，建设技术先进的现代大 型预焙槽大厂，形成规模效益，增强综合实力，使我国铝工业尽快地赶上国际先 进水平。 1 3 电解法炼铝工艺流程1 7 】 铝电解的全部生产过程分为三个阶段，即焙烧、开动和正常生产阶段。其中， 焙烧和开始阶段大约是几天或十几天，其余绝大部分时间属于正常生产阶段，占 4 5 年。焙烧和开始阶段虽然时间很短，但是焙烧和开动的好坏对于以后的正常生 产以及电解槽的寿命有很大的影响。 1 3 1 焙烧 焙烧分为预焙和自焙两种方式。预焙阳极已经在高温下焙烧过，所以焙烧的日 的主要是烘干炉体，烧结炭糊( 底部炭糊) 并提高炉膛和内衬的温度，以有利于 下一步开动。这是跟自焙槽不同的地方，因为在自焙槽的情形下还要把阳极焙烧 好。 重庆大学硕士学位论文 1 3 2 开动 焙烧终了时，进行开动，即熔化电解质。在丌动时，往槽内灌注电解液和铝液， 初始时提升电压至8 伏，以后逐渐降低，大约十天之内可降至丁f 常工作电压。 1 3 3 正常生产 在经过焙烧和开动阶段之后，便进入正常生产阶段。此时，电解槽的常规作业 包括加料、出铝、阳极作业等几项： 加料 预焙槽有两种加料方式：间断加料和半连续加料。前者通常在电解槽的边部用 天车或地面半龙门式联合机组进行加料，后者是在电解槽的纵向中央部位上采用 装在槽上的自动打壳机加料。 出铝 按照预定的程序出铝，大型电解槽通常每天出一次铝，中型槽每天或每隔l 2 天出铝。每次出铝差不多等于该周期内产出的铝量。出铝后，槽内保留一定数量 的铝液，这部分铝称为“在产铝”。一般用真空抬包出铝。出铝的部位或者在电解 槽的边部，或者在其端部。出铝后铝液倒入开口抬包中，然后运往铸造部，铸成 各种不同形状和规格的铝锭。 换阳极 阳极是电解槽的一d 脏，故阳极的操作十分重要。预焙槽的阳极操作有下列特点： 1 ) 阳极炭块组不能连续使用，需要定期更换。 2 ) 为了保证电解槽生产的稳定性起见，为数众多的炭块组必须按照定的顺 序陆续进行更换。 3 ) 通常用氧化铝覆盖在阳极炭块上，有三个作用：第一、防l e i t h 极炭块在空 气中氧化；第二、有效的减少电解槽的热量损失；第三、提高炭块本身和钢一炭接 触点的温度，从而减小炭块和钢一炭接触点的电压降。 4 ) 阳极母线大梁既用来导电又用来承重，它和阳极炭块组用导杆连接在一起， 当阳极下降时，它随之下降，而与母线大梁连接在一起的立柱软母线也随之下降。 当降低到某一位置时就需要把阳极母线梁提升上去，这一作业称为“抬母线”。但 有些电解槽的母线是固定的，设在母线上下方的升降式钢架用来支撑阳极炭块组 的重量，此时不必“抬母线”，只需要“抬钢架”。 在预焙槽上，阳极消耗的速度大约是每日1 5 1 8 毫米，这是理论值，考虑到 阳极掉粒和氧化损失，则阳极的平均消耗速度约为1 5 1 6 厘米f 1 。因此，高度 为5 5 0 毫米的炭块大约可用2 5 天，到期就要取出阳极残极并换上新阳极。如增加 阳极炭块高度，则阳极的使用期延长，可以把更换阳极的时间隔得更开些，而且 残极分摊量少些，这对生产有利。但阳极炭块高度增加，阳极电阻会增大，这要 4 1 绪论 多消耗电能。所以选择阳极炭块高度也存在一个经济问题。现在有不少大型预焙 槽选用的阳极高度是5 0 0 5 5 0 毫米。 1 。4 铝电解槽发展概况【4 j 冰晶石一氧化铝融盐电解法自从十九世纪末发明以来，已经有九十多年的历史 了，铝电解的生产技术有了重大的进展，这主要表现在持续地增加电解槽的生产 能力方面。铝电解槽是炼铝的主要设备。在铝工业初期，曾采用4 0 0 0 8 0 0 0 安培 小型阳极电解槽萁每昼夜的铝产量约为2 0 一4 0 公斤。而目前大型电解槽的电流强 度达到1 7 0 0 0 0 - 2 2 0 0 0 0 安培f 成系列生产) ，每昼夜的铝产量增加到1 2 0 0 1 5 0 0 公斤。 电解槽的尺寸加大是增大其电流强度的主要因素。每公斤铝的电能消耗量也已明 显减少，在铝工业初期，高达4 2 千瓦时，现代大型预焙槽已降低到1 3 5 千瓦时左 右。铝电解的电流效率，在铝工业初期只有7 0 左右，现在已提高到8 8 一9 0 ， 有的超过9 0 。炭素电极生产技术的发展促进了电解槽阳极型式的演变，从而大 力推进了铝电解工业的发展。在铝工业初期采用小型预焙阳极，这跟炭素工业的 生产水平相适应。后来为了扩大阳极尺寸借以提高电流强度，在本世纪二十年代， 按照当时铁合金电炉上的连续自焙电极型式，在铝电解槽上装设了连续自焙阳极， 采取了旁插棒式。这种型式的电解槽不久便在世界范围内推广采用。在四十年代 里，为了简化阳极操作提高机械化程度，又发展了上插棒式白焙阳极电解槽。连 续自焙阳极的采用，标志着铝电解槽结构式发展的第二阶段。但是自焙阳极有其 缺点，首先是它本身所带的粘结剂沥青在槽上焙烧时进行分解，散发出有害的烟 气，使劳动条件恶化，此外它本身的电压降大些。这些缺点唯有在后束炭素工业 能够制造出高质量的大型预焙炭块之时才得到克服。于是在五十年代中叶，改造 了原来的小型预焙槽，使之大型化和现代化，成为新式预焙槽。因此预焙阳极的 现代化是铝电解槽发展的第三阶段。在最近数十年内自焙阳极电解槽的容量也 在不断扩大。旁插棒自焙阳极电解槽系列的电流强度最大的达到1 3 0 0 0 0 1 4 0 0 0 0 安培，而上插棒槽达到1 5 0 0 0 0 安培。铝电解槽的现代化与电解槽废气的净化和综 合利用密切相关。历来成为严重灾害的环境污染问题，现在已基本解决。现代铝 工业有四种形式的电解槽：旁插棒式自焙阳极电解槽，上插棒式自焙阳极电解槽， 不连续式预焙阳极电解槽，连续式预焙阳极电解槽。这几种形式的电解槽各有优 缺点。在电解过程中，阳极大约以每小时0 8 1 0 毫米的速度消耗着。自焙阳极定 期补充阳极糊，因而阳极可以连续使用，而预焙阳极消耗到一定高度就要更换， 不能连续使用( 连续预焙阳极例外) 。所以自焙阳极的连续性正好适应了电解生产 过程的连续性。但是，自焙阳极在电解槽上焙烧之时，会散发出有害的沥青烟气， 污染厂房内外的环境，这是一个很大的缺点。所以需要采用密闭装置和排烟净化 重庆丈学硕士学位论文 设施。反之，预焙阳极已经在专用的焙烧炉中焙烧过，它的沥青烟气正好当作燃 料使用，不再在铝电解槽上散发出来。因此，采用预焙槽的电解厂房，烟害小些， 当然预焙槽也需要密闭和气体净化装置，以排除h f 气体。以机械化和自动化而言， 目前预焙槽为最好，特别是中部下料型预焙槽，上插槽次之。从投资来看，预焙 槽的上部结构和阳极装置比较简单，因而造价较低，但是采用预焙槽的： = 厂需要 阳极成型、阳极焙烧和阳极组装等一整套设备，即需要一笔额外的投资，所以， 在大型工厂内兴建预焙槽是适宜的。 2 电解槽的焙烧方法 2 电解槽的焙烧方法 2 1 传统的预焙槽焙烧方法及其主要缺点 传统的预焙槽焙烧方法主要有铝液焙烧法、焦粒焙烧法和石墨焙烧法。这三种 方法的原理都是电阻加热法，现分别介绍如卜- ： 2 1 1 铝液焙烧法i 剐 铝液焙烧法是在铝电解槽修筑完毕之后，液态金属直接交入冷的铝电解槽，并 在短路铝电解槽上连通电源，再将阳极提高到阳极和液态金属之间部分接触，从 而增加接触电阻以产生高发热量对电解槽进行焙烧。 2 1 2 焦粒焙烧法例 焦粒焙烧法原理如图2 1 所示。 2 图2 1 焦粒焙烧示意图 f i g 2 1c o k e a s hb a k ec h a r t l 一螺旋 具2 一刚极横母线3 一连接软母线4 一隔热盖 5 一补强焊缝 冰晶i i 7 一钢板 卜焦粒层 9 一阳极导杆l o 一中缝 在阳极和阴极之间铺蛰一层厚度约为1 0 毫米的锻后焦粒，依靠焦粒层电阻产 生的焦耳热来加热电解槽，这层焦粒层还能保护阴极炭表面减少空气氧化。在阳 极导杆和阳极横母线之间设置一种软带连接母线，这种软式连接可以使阳极炭块 组有一定的活动自由度，其目的在于使阳极底部表面与焦粒层之间始终保持良好 重庆人学硕士学位论文 的接触，焦粒电阻发热稳定，以获得均匀稳定的阴阳极电流分布。采用特殊制作 的加k 焙烧阳极，在阳极上面覆盖隔热板和在阳极周边立缝处插钢挡板的主要作 用是降低热量损失，提高焙烧期的能量效率。在短路口处安放由钢片组成的分流 器，用来调节焙烧时期输入电解槽的电流量，控制好在达到全电流焙烧之前的升 温速度，避免电流和温度猛增的冲击，平稳过度到全电流焙烧阶段。 焦粒焙烧所选择的焦粒性质、粒度和粒层厚度是至关重要的，一般选用抗氧化 性强、体积密度变化小和粒度适当的锻后焦粒，以利于焦粒层和阳极底掌之间的 电接触好和发热电阻稳定，应防止过细的焦粉末混入。将焦粒均匀地覆盖在整个 炭阴极表面上，保护整个阴极表面不致氧化，为稳定焦粒层电阻，在吊挂阳极时 如发现阳极底掌与焦粒层表面有脱离之处，应用焦粒塞满填实，这样能更好的保 护阴极表面不致氧化，并得到一个稳定的焦粒电阻层。 现代大型预焙槽的电流强度已发展到2 8 0 3 5 0 k a ，通电焙烧时采用逐级分流 措施是必要的，否则巨大电流产生的热震冲击会给电解槽造成早期破损和对槽寿 命造成伤害。例如，对全电流为i + 的电解槽采用半电流0 5 l 通电焙烧，若设计五 级分流，每级分流量是0 1 l ，实际上就是以相等的时间间隔t ，每次增加相等的 电流强度，在5 t 时间内阶梯式递增电流，按五级六次将槽电流加满，使电解槽电 力参数i 、v 、r 和p 和缓变化，保证槽温平稳升高，使电解槽的热震冲击产生的 应力变化影响小。在通电至达到额定电流这段时间，槽电压控制在3 v 以下，再经 过2 4 小时的全电流焙烧，即将达到启动温度。通电t 小时后拆除第一级分流片， 即每组阳极上切掉一片分流片，按时间间隔分五批拆完全部分流片，可凭经验据 实调整拆片时间以及间隔，但拆减程序不应紊乱，以免发生电流异变或槽电压突 然升高，出现局部过热，破坏预热焙烧阶段的热稳定性。在达到全电流焙烧前的 时间区域罩，阳极电流分布变化敏感，均衡稳定脆弱，因此，拆除分流器阶段要 特别精心操作，要随时跟踪监测电流的变化，不均衡阶段运作时间不能太长。 2 1 3 石墨焙烧法1 5 j 石墨焙烧法是采用不同粒度配比的的石墨粉作为焙烧发热电阻体，用专门制作 的格筛将其很均匀的铺满炉底，然后将阳极直接坐在铺好的石墨层上，装好炉料 后即可通电焙烧。原理图如图2 2 所示。 石墨层的铺设要求要铺平、铺匀、高度要一至，如果石墨层铺设不好，将导致 焙烧时导电不均匀，影响焙烧效果，所以必须先制作铺设石墨层专用的隔筛，隔 筛大小根据炉膛的内型尺寸和阳极的外型尺寸确定，隔筛可选用木条或空心铝合 会管加工制作。石墨层的高度一般在1 5 毫米或2 0 毫米，所以相应制作隔筛的木 条或铝合金管的规格可以选择在1 5 m m x l 5 m m 或2 0 m m x 2 0 m m 。隔筛的长和宽应 比阳极炭块的投影略大些。铺设石墨层之前要将电解槽阳极炭块的表面清扫干净， 2 电解槽的焙烧方法 由于国产石墨粉是生产石墨电极的附属产品，罩面含有其它杂质，所以在铺设石 墨层以前最好能将石墨粉清筛一次，以消除杂质。根据炉膛内型尺寸和阳极外型 尺寸，事先标好铺设石墨层的地方，然后用专用隔筛从边部第一块阳极开始铺设， 铺设时必须很精，“并用刮板将石墨层刮平，隔筛的提起要轻，不能破坏已经铺 好的石墨层，第二块阳极的石墨层铺设时，隔筛必须紧挨着第一块阳极石墨层的 图2 2 石墨焙烧法示意图 f i g 2 2g r a p h i t e - p o w d e rb a k ec h a r t 1 一阳极大母线2 一阳极导杆3 一软连接用夹具4 一附极5 一冰晶自 6 一电解质块 7 石墨层 8 保温盖板9 一阴极 边部，这样逐一的铺设下去。每铺设一块筛的石墨层大约需要1 5 2 0 公斤的石墨 粉，在铺设石墨层时不能脚踩着已经铺设好的石墨层，如果被破坏就必须返工， 这样可保证石墨层与阳极底掌之间的充分接触，保证导电的均匀性。石墨层铺设 好之后就要挂极和装炉。采用石墨粉焙烧预热，在挂极时要对阳极进行严格的挑 选。阳极导杆和阳极炭块的浇铸必须垂直，阳极底掌平面必须平整，以确保阳极 阳极与石墨层充分接触。为保证阳极炭块能最好的坐在石墨层上，在焙烧过程中 随着温度的升高，保证阳极炭块和石墨层的接触始终很好，在阳极导杆和阳极母 线之间应采用软母线连接。挑选好阳极炭块在挂极时要求准、稳、轻放，整个操 作要求次到位。阳极挂好后即安装好软连接母线，装炉按常规进行。通电前的 工作完成之后，开始通电焙烧。 2 1 4 传统焙烧方法的主要缺点6 i 铝液焙烧法的弊端是9 0 0 。c 以上的高温铝液直接接触常温的阴极炭块及扎糊 重庆大学硕士学位论文 热冲击所引发的热应力会使炭块内衬产生裂纹或层状剥离，以及液体金属可以通 过炭块内衬的任何一个小裂缝进入阴极底部，并与耐火材料和保温材料发生反应， 形成腐蚀空腔，并进一步发展为泄漏。另外，由于高温液体金属的直接加入，使 阴极表面和捣固糊的温度迅速升至与液体金属相近的温度。铝电解槽在启动初期 的断面温度梯度很高( 甚至高达8 0 0 m ) ，在热应力作用下，很容易使阴极炭块 产生裂纹，降低铝电解槽的寿命。而且该种方法不容易控制电解槽升温的速度。 焦粒焙烧法与石墨焙烧法其原理大致相同，都属于电阻加热法。这两种方法虽 然不会导致高温液体铝渗入阴极，焙烧初期断面温度梯度也不是很大，但铺设焦 粒或石墨的操作复杂，要求的精度高。如果焦粒或石墨的铺设不均匀，在通电焙 烧时会导致电流不均而使温差过大。虽然焙烧初期的断面温度梯度不是很大，但 随着焙烧的进行，炭块表面温度梯度逐渐加大，产生热应力不均匀，可导致变形 和炭块破裂。焦粉焙烧还会使局部过热，焙烧终了时测的阴极表面过热和温度分 布不均，局部温度高达1 6 0 0 ，温差高达11 0 0 。这两种方法与铝液焙烧法一样 也不太能控制电解槽的温升速度。 基于传统焙烧方法所存在的诸多缺点【6 】，本文将提出一种新的电解槽焙烧启动 法燃料直接焙烧启动法。 2 2 燃料直接焙烧启动法1 2 】 燃料焙烧法的主要优点是加热的速度容易控制，可以做到使阴极内衬的温度缓 慢均匀的上升，阴极表面温度均匀：对扎缝和边部扎固糊的焙烧充分，能够达到 其它焙烧方法无法达到的效果；启动时，灌入的电解液能填充阴极内衬以及人造 伸腿因焙烧而出现的裂纹，有利于延长槽寿命。其原理如图2 3 所示。 燃烧装置由两部分组成：燃烧器和分配室。分配室带有多根喷管。焙烧对燃烧 装置的主要要求是： 燃料在燃烧器内完全燃烧，高温烟气由喷管喷向电解槽，利用高温烟气对 阴阳两极进行加热； 各个喷管喷出的高温烟气的流量和温度应基本一致，以保证整个电解槽 加热温度均匀的要求； 控制烟气含氧量，以免高温烟气对阴极和捣固糊表面的氧化烧损： 加热系统在加热终了时要及时拆走，因此系统要求拆装方便。 燃烧器与分配室相连，长约三到四米。为使分配室带的多根喷管温度分布均匀， 燃烧器设计为矩形高速燃烧器，其性能要求如下： 点火容易，燃烧稳定，能自动点火； 容积热强度为5 8 1 0 7 r d m 3 h ，燃烧器出1 ：3 处燃烧完全度大于9 0 ； 2 电解槽的焙烧方法 额定负荷时噪音在8 0 d b 以下 燃烧器出口速度1 2 0 m s ： 结构简单，合理。 图2 _ 3 燃料直接焙烧法原理图 f i g 2 3f u e l - d i r e c t b a c ks c h e m a t i cc h a r t 抟却 风帆 在这些性能指标中，容积热强度、出1 ；3 速度、噪音和阻力损失等几项指标有时 是相互矛盾的，如容积热强度大，燃烧器的体积就小，但噪音就会增大，同时燃 烧器的寿命会变短。燃烧器出口速度增加，有利于分配室温度分布均匀，但阻力 损失和噪音也会随之增大，因此在设计中要处理好这蝼矛盾。 燃烧室中，燃料完全燃烧后所产生的高温烟气，通过喷管以一定的速度直接喷 入铝电解槽阴极与阳极所形成的空间，将铝电解槽加热至投产必需的温度( 9 0 0 1 。整个焙烧启动过程中，保证铝电解槽表面的热流强度( 流场、温度场) 分布均 匀，各阶段的加热强度和温升速度能够有效地调节控制，从而使铝电解槽阴极内 部的温度分布均匀，且铝电解槽阴极表面无明显氧化烧损。通过调节进入燃烧室 的风量和油量能够比较好的控制温升速度，使阴极内衬的温度缓慢均匀的上升， 阴极表面温度均匀，有利于延长槽寿命。 由于整个焙烧过程将持续7 2 小时，为了能够很好的使电解槽的温度按给定曲 重庆大学硕士学位论文 线上升、状态监视以及故障报警，有必要采用自动控制。该自动控制系统硬件以 p l c 为核心，算法采用基于专家控制器的p i d 控制算法【2 0 1 ，将详细介绍于后面的 章肯之中。 3 燃烧控制系统主要硬件介绍 3 燃烧控制系统主要硬件介绍 控制系统以p l c 为核心，p l c 输出的信号通过手操器去控制两个变频器，通 过变频器去改变风机和油泵的转速，进而达到控制的目的。现将采用的主要硬件 介绍如下。 3 1 系统控制器特点及其工作原理 3 1 1 系统控制器的特点4 1 1 j 同本立石( o m r o n ) 株式会社是日本生产可编程摔制器的主要厂商之一。在 我国引进及市场上销售的进口p l c 产品中，o m r o n 公司的p l c 目前属于性能价 格比较好的产品，国内应用也比较多。 o m r o n 的c 系列p l c 产品具有以下主要特点： 功能强大的指令系统 o m r o nc 系列p l c 有统一的指令系统，不同档次的p l c 指令是兼容的随 着档次的提高，指令数也增多。大部分c 系列p l c 都提供四则运算、数据管理指 令和程序控制功能指令，如j u m p 、s t e p 、w a i t 等。高性能指令有调用子程序、 顺序控制指令和i o 立即刷耨指令等。 灵活的联网和通信 o m r o nc 系列p l c 与计算机联网可以通过主机联接单元上r s 一2 3 2 c 、r s - 4 2 2 标准接口或光纤电缆进行通信。o m r o n 的另一种通信是主从远程通信，实现远 距离的i o 扩展功能。 优异的抗干扰能力 o m r o n 系列p l c 内装信号调节和滤波电路，抗干扰能力强，不需配备隔离 变压器。它具有1 0 0 0 v 峰一峰值的抗干扰抑制能力。 扫描时叫检测 o m r o n 系列p l c 提供有扫描时间检测的功能。只要按次键，编程器就会 显示出扫描时间。利用该扫描时间，可以确定一个比实际扫描时间略长的固定扫 描时间与其他设备同步。 用于个人计算机的软件 o m r o n 提供用于个人计算机的编程软件、若c 系列p l c 与i b mp c x t 、 p c a t 及其兼容机联机后，应用所提供的软件进行编程、编辑和提供文件，实现 离线编程。 综上所述，c 系列p l c 具有功能强、体积小、应用范围广等特点。 重庆大学硕士学位论文 3 1 2p l c 型号命名 o m r o nc 系列p l c 有微型、小型、中型和大型四大类十几种型号。 微型p l c 微型p l c 以c 一2 0 p 和c 2 0 为代表，是整体结构，i o 容量为几十点，最多可护 至1 2 0 点。c 系列p 型机还有c 2 8 p 、c 4 0 p 、c 6 0 p 微型机 小型p l c 小型p l c 分为c 1 2 0 和c 2 0 0 h 两种。c 1 2 0 型p l c 最多可控制2 5 6 点i o ，是 紧凑型整体结构。而c 2 0 0 hp l c 是紧凑型模块式结构，最多可以控制3 8 4 点i o ， 同时还可以配置智能i o 模块，是一种小型高性能p l c 。 中型p l c 中型p l c 有c 5 0 0 和c 1 0 0 0 h 两种，i o 容量分别为5 1 2 点和1 0 2 4 点。c 1 0 0 0 h p l c 采用多处理器结构，功能齐全，处理速度快。 大型p l c 大型p l c 目前有c 2 0 0 0 h 一种，i o 点数可达2 0 4 8 点，同时采用多处理器和 双冗余结构使得c 2 0 0 0 h 不仅功能全、容量大，而且速度快。 3 1 3 系统构成1 1 2 l c 2 0 0 hp l c 系统为模块式结构，具有灵活的扩展功能，可以根据控制系统的 需要组合成最佳的配置。其结构框图如图3 1 所示。 用户存储单元 一 s y s b u s 图3 1c 2 0 0 h 结构框图 f i g 3 1c 2 0 0 hs t r u c t u r ec h a r t c 2 0 0 hp l c 系统的基本构成为：一个母板( 安装机架) 提供系统总线和模块 插槽，一个c p u 单元，一个存储器单元，一个编程器及若干个基本i o 单元。基 本i o 单元的个数视系统i o 点数及母板上的槽数而定。 1 4 _ _ l 一 ：；l 一 3 燃烧控制系统主要硬件介绍 c 2 0 0 h p l c 系统有两种扩展方式。一种是在c p u 单元所在母板上用电缆连接 i o 扩展母板，最多可连两个扩展母板，且为串联方式。扩展母板可根据需要配置 i o 接口单元，不需再配置c p u ，但需配置扩展电源单元。另一种方式是建立远程 i o 子系统，即在c p u 母板或扩展母板上配置远程i o 主单元，而在另外的扩