（有色金属冶金专业论文）160ka预焙铝电解槽工艺与控制技术综合优化的研究.pdf

摘要中南大学硕士学位论文 摘要 本文在论述了青海铝1 6 0 l ( a 预焙铝电解槽工艺与控制技术的综合优化基 础上，重点研究了采用智能模糊控制技术后电解相应配套设施的改造以及电 解技术条件的改善，研究结果表明： 1 ) 智能模糊控制技术能成功地应用在青海铝1 6 0 k a 铝电解槽上； 2 ) 智能模糊控制技术优势的充分发挥需要结合工艺技术条件的综合优 化，以此为前提确立了与现行智能模糊控制技术铝电解槽相适应的工艺技术 条件，即：即低分子比、低电解温度、低氧化铝浓度、低阳极效应系数、高 电压( 高极距) 。 3 ) 结合作者多年均铝电解研究经验和青海铝生产现场的实际情况，通 过对智能模糊控制技术的具体实施，总结出一套有青海铝特色的1 6 0 k a 中间 下料预焙槽的工艺技术条件。 4 ) 配合工艺技术条件的优化，作者同时也强调了强化职工的培训、提 高操作工作质量和规范操作程序也是保证智能模糊控制技术工艺技术顺利实 施的关键。 通过以上改进，青海铝1 6 0 k a 电解槽智能模糊控制技术获得了显著的增 产节能效果，生产统计表明，采用智能模糊控制技术及配合上述其它方面的 改进后，电流效率可达到9 3 以上，吨铝直流电耗1 3 5 0 0 k 1 】i h ，与未采用智能 模糊控制技术槽相比，电流效率提高了4 个百分点，直流电耗降低了 3 0 0 k w h t a l ，在国内同类型电解槽中各项主要经济技术指标处于领先地位。 关键词：铝电解槽工艺技术条件智能模糊控制 些! ! ! ! ! ! 史壶盔堂亟主堂垡途塞 a b s t r a c t t h i sp a p e ri nh a v ed i s c u s s e dq i n 曲a ia l u n l i n u m1 6 0k ai na d v a l l c eb e it h e c o m p r e h e n s i v eo p t i m i z a t i o nf b u n d a t i o no fa l u m i n u me l e c t r o l y s i sg m o v 。t e c h n o l o g y a i l dc o n t r o lt e c h n o l o g yo n ，a n e rf o c a lp o i n ti sg n l d i e d 州t l li n t e l l i g e n tv a g u ec o n t r o l t e c h n o l o g y ，e l e c 仃o l y s i st l l ei r n p r o v e i n e n to fe l e c t r o l y s i st e c l l i l i c a lc o n d i t i o na sw e l l 船 t h e 打a n s f o 珊o f c o r r e s p o n d i n gs u p p l e m e n t a lf 砬i l i 毋，r e s e a r c hr e s u l ts h o w s ： 1 ) i m e l l i g e n tv a g u ec o n 乜o lt e c l l n 0 1 0 9 y c a nb e 印p l i e ds u c c e s s f u l l yo nm e q i n 曲a ia l u l t l i n 岫a l 啪i n u me l e c t r o l y s i sg r o o v eo f l 6 0 k a 2 ) i n t e l l i g e n tv a g u e c o n t r o lt e c h n i c a la d v a l l t a g ed e v e l o p f u l l yt l ec o m p r e h e n s i v e 0 p t i m i z a t i o nm a tn e e d t oc o m b i n et h ec o n d i t i o no f e n 酉n e e 血gt e c h n o l o g y ，i st 描n g m i sa s p r e r e q u i s i t c a n dh a v ee s t a _ b l i s h e dw i t l lc u r r e n t i m e l l i g e n tv a g u ec o n 廿o l t e c h n i c a la l 啪i n 眦 e l e c t r o l y s i sg m o v e 廿l e a d a p t i v e c o n d i t i o no fe n g i n e e r i n g t e c h n o l o g yo f 印p e a r a j l c e ，：l o wm e m b e rt l l a n ，l o we l e c t m l y s i st e m p e r a t u r e ，l o w a l u m i n ad c n s i t y ，t h e1 0 we 圩e c tc o e m c i e mo fp o s i m ep o l ea n dh i 曲v 0 1 t a 唔e ( h i 曲 p o l a rd i s t a n c e ) ， 3 ) t 1 1 ea c t u a lc o n d i t i o no ft h ea l 啪i n u me l e c t r o l y s i sr c s e a r c he x p e r i e n c ea n d q i n 曲a ia l m i n 啪p r o d u c t i o ns c e n e o fc o m b i n a t i o na u m o rm a i l y y e a r sp a s s e s t h f o u g hm es p e c i n ce n f o r c e m e n tf o ri n t e l l i g e n tv a g u ec o n 打o lt e c t l i l o l o g y ，s u m m a r i z e as e to f16 0 k a 也a th a sq i n 曲a ia l 啪i n 啪c h a r a c t e r i s t i ci m e m e d i a t en e x tm a t e r i a li n a d v a n c eb e im ec o n d i t i o no f e n g i n e e r i n gt e c l l n o l o g yo f g r o o v e 4 ) s u i tt h eo p t i m i z a t i o n o fm ec o n d i t i o no fe n g i n e e r i f 培t e c h n o l o g y ，i ti st o g u a r a n t e et l l a ti n t e l l i g e n c e i s v a g u et o c o n t r 0 1t l l e k e y 廿l a tt e c h n i c a le n g i n e e r i n g t e c h n 0 1 0 9 yi m p l e m e n t ss m o o t h l yt h a ta u t h o rh a sa t 也es 锄e _ 【i m ea l s oe m p h a s i z e d m a ts t r e n g m e nr a i s i n ga n dm et r a i n i n go fs t a 行t oo p c r a 佃w o r k i n gq u a l i t ya 1 1 d n o r m a l i z e so p e r a t i n gs e q u e n c e 。 t h r o u g h a b o v e i r r l p r o v e m e n t ， t h e q i n g l l a i a l u m i n u m e l c c 缸d l y s i sg r o o v e i n t e l l i g e n c e o f16 0k ai s v a g u et o c o n t i d l t c c h n o i o g y t o g e t n o t a b l ei n c r e a s e p m d u c t i o n t oh a v e e n e r g y - s a v i n g 如n c t i o ne 仃e c t ，p r o “c t i o ns 协t i s t i c ss h o w s 恤t 谢t 1 1 i m e l l i g e mv a g u ec o n t r 0 1t e c m o l o g y a n dc o o r d i n a t i o n ，t 1 1 e i m p r o v e m e mo fo t h e r a b o v e - m e n t i o n e d a s p e c t i s r e a r ，c u r r e me m c i e n c yc a nr e a c h9 3 m o r e ，t o n a l u m i n 啪d i r e c tc u r r e n tc o n s u m e13 ，5 0 0k w h ，w 耽d on o tc o m p a r e 、v i m 抽t e l l i g e n t v a g u ec o n t m lt e c m c a lg m o v e ，c u r r e n te m c i e n c y h a sr a i s e d4 p e r c e n t s ，d i r e c tc u r r e n t c o n s 呦et or e d u c e3 0 0k w h ，t a l ，i nd o m e s t i cs 啪et y p ee l e c 缸o l y s i sg r o o v ee v e r y m a j o r e c o n o m i ct e c h n i c a li n d e xi si nt ob ei nt 1 1 e1 e a d p o s i t i o n k e y w o r d ：a i u m i n u m e l e c t r o l y s i s g r o o v e t h ec o n d i t i o no f e n g i n e e r i n g t e c h n o l o 科i n t e u i g e n c e i sv a g u et oc o n t r o l 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 铝工业近几年来最重大的技术进步是电子计算机控制技术在铝电解生产中的应用。这 一技术使得大容量、封闭式和自动点式中间下料铝电解槽实现生产过程自动化成为可能。 计算机控制系统的应用不仅把操作人员从繁重的体力劳动中解放出来，而且由于实现了生 产过程的精确控制，推动了铝电解这一传统产业迅速迈向大规模、低污染和高度自动化的 现代化工业的行列。纵观世界铝工业，能耗和电流效率等电解生产的技术经济指标近三十 年来都有了很大的进步。目前美国、加拿大、德国、法国和挪威等西方国家铝电解槽的电 流效率突破了9 5 接近极限值，吨铝直流电耗已突破了1 3 0 0 0 k w h 这一大关“。其主要 原因就是计算机控制技术的应用和控制水平的提高，使得现代大型预焙铝电解槽生产过程 控制和管理自动化，大大促进了大型预焙铝电解槽的技术水平，因此可以说计算机控制技 术的采用和实现是当代铝工业技术发展水平的重要标志。 1 1 铝电解控制技术的发展概况 早在5 0 年代，国外就开始研究对铝电解的某些参数进行控制。6 0 年代在美国及原苏 联等国开始用计算机控制铝电解生产。进入7 0 年代以来国外铝电解工艺越来越广泛地运 用计算机实现自动控制“1 。 二十世纪八十年代后，国际上铝电解控制系统的已普遍采用了分布式结构。系统采用 “集中操作一分散控制”方式从而加强了系统的安全可靠、硬件配置的灵活性，并能更好 地满足应用软件同益扩充的需要。在应用软件控制模型方面，最重大的进展是采用以槽电 阻辨别a 1 。o ，浓度的相关参数为控制基础的连续或准连续按需下料( 点式下料) 自适应控 制控制技术，取代了传统的定时下料控制技术”3 。法国的p e c h i n e y 铝业公司”1 、美国的 k a i s e r 和雷诺铝业公司以及挪威的h y d r o 铝业公司“1 采用了( 准) 连续点式下料自适应控 制技术，配合低温、低分子比、低a l 。o 。浓度的技术条件及其改进措施，在大型预焙槽上 取得了当今世界最先进的技术指标。 1 9 7 2 年以前，我国铝电解工业生产基本上处于手工操作状态，工人们长时间在高温、 强磁场、多粉尘及污浊空气中含有害气体的恶劣环境下劳动。生产效率低，电耗高。为了 改变这种落后的生产状态，1 9 7 2 年冶金工业部组织有关单位赴罗马尼亚考察，对铝电解 槽采用自动控制技术进行详细的考察后，迅速开展铝电解生产过程的自动控制研究和试 验。我国在7 0 年代开始对如何控制铝电解的重要参数一槽电压进行了研究，成功地实 1 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 现了槽电压的巡回检测和自动控制脚。这就为在铝电解生产中运用计算机控制奠定了基 层。1 9 7 4 年以后，全国铝行业中首次成功的研究出了以槽电阻为控制参数的3 2 台铝电解 控制装置，并完整测试出在铝电解阳极不动，一次加料后一直等效应的槽电阻曲线( 每隔 2 0 分钟采一个电解槽样) ，即氧化铝浓度一一槽电阻r 非线性曲线。在国内第一次提出槽 电阻可以直接反映氧化铝浓度，槽电阻是铝电解控制的最佳参数。 1 9 7 4 年抚顺铝厂与沈阳铝镁设计院合作制成一台6 4 k a 中间下料的预焙槽模拟式控制 装置，用于1 8 台电解槽的控制，完成自动打壳下料、效应报警和电压调整功能。 1 9 7 5 年l o 月，由东北工学院研制成一台工业控制用计算机l s k 一7 4 系统，用于抚顺 铝厂1 3 5 k a 预焙阳极电解槽，主要进行自动调整极距和效应预报的初步试验，取得了较好 的效果，并为以后计算机按照横电阻进行极距调整和阳极效应预报，对电解槽进行过程控 制打下了理论和实践基础。沈阳铝镁设计院在6 0 k a 侧插槽上进行的槽电阻和氧化铝浓度、 槽电阻和阳极效应之间的关系试验，对计算机应用于铝电解生产过程控制起到了促进作 用。 1 9 8 3 年，贵州铝厂引进日本轻金属株式会社1 6 0 k a 中间下料预焙槽系列新技术全面投 产。它采用小型计算机p d p i l ，下设电解槽槽控机的集中式控制系统。开辟了计算机控制 铝电解生产系列的先例”1 。此后，计算机控制系统在铝电解生产过程中得到了广泛的应用。 1 1 1 计算机的控制方式的发展 在铝电解计算机控制过程中，控制方式上经历了集中式控制系统、分布式控制系统、 分布式智能控制系统等。 1 、集中式计算机控制系统 1 9 8 3 年，贵州铝厂引进日本轻金属株式会社1 6 0 k a 中间下料预焙槽系列新技术，它 采用小型计算机p d p i l ，下设电解槽槽控机的集中式控制系统。青海铝厂一期工程2 6 0 台 1 6 0 k a 电解预焙槽也应用了集中式控制方式。该系统由二级计算机构成，其中主机为 p d p 1 1 8 4 小型机两台，实现双机热备用。下位机槽控机采用基于s t d 总线技术的单板机 z 8 0 ，并且为插板式结构。其软件为贵州铝厂7 0 年代引进日轻技术的翻版。在由主计算机、 接口机、槽控机、电解槽组成的控制回路中，主计算机完成整个系列全部电解槽的电压采 集、过程解析、命令发布等控制任务，并完成累计数据、编制报表等管理任务a 而槽控机 只按主机发布的命令完成对应的一系列执行动作。系统实现的功能有：定时下料、效应报 警、报表管理。它的缺点在于：由于是对整个系列所有电解槽进行采用、并对采样所得的 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 数据进行集中解析处理，处理时间长，速度慢，实时性差，槽控机集成度低，信号通路转 接环节问题多，整机的稳定性和可靠性很低。另外，一旦主机或通讯出现故障，将会造成 整个系列失控。 针对集中式的缺点，人们沿两条途径去探索解决。一条是维持集中式不变，从硬件 性能和软件编制入手，选用速度更高的计算机，扩大内存，将原常驻外存的数据常驻内存， 节省数据读取时间，并缩短程序运行时间。另外一条途径，就是采用分布式计算机控制系 统。 2 分布式计算机控制系统 为了克服了集中式控制系统的缺点，便有了分布式计算机控制系统。分布式控制系统 将整个系列划分为若干段，每一段由一台上位计算机通过若干台槽控机对电解槽进行控 制。系统实现的功能有：定时下料、电压调整、效应报警、报表管理等。青海铝厂实施分 布式计算机控制时将6 6 台槽划分为一个段，上位机为4 8 6 工业控制机，下位机采用大板 结构小体积、以8 3 4 4 双c p u 为核心的槽控机，并采用s t d 总线，大大降低了通讯故障率， 实现了分散控制，集中管理的目的。由于一台计算机所控制的槽数减少了，因此，采样、 解析和处理的时间也大大缩短了，控制的实时性有了很大的提高。缺点为：当系列情况变 化时，每一段均要做相同的操作，麻烦费时，易出现人为的错误。 3 分布式智能计算机控制系统 为了克服分布式计算机控制系统的缺点，解决其问题，出现了分布式智能计算机控制 系统。该系统将集中式和分布式系统的优点兼收并蓄。系统中下位枫即槽控机采用基于 c a n 总线的全分布式( 网络式) 智能槽控机，其内各电路板均具有相对独立的功能，并且 槽控机内部也设计为多c p u 智能分布式网络结构。采用c a n 总线通讯协议构成网络体系， 克服了位总线通信方式落后，数据交换速率低，并且稳定性差的缺点。该系统具有独立进 行槽电压和系列电流采样的能力，并对铝电解槽的物料平衡和热平衡的快速变化进行实时 控制，使过程监控机通过c a n 总线通讯网络与槽控机相联，对槽控机的运行过程进行监视 并完成生产管理功能。在将来的企业发展中，可建立管理信息系统，上位机体系可通过网 卡实现与m i s 局域网的联网功能，达到信息共享，实现槽控机一一监控机一生产管理机 三级分布式系统，真正实现测、管、控一体化a 1 12 铝电解生产的计算机控制模式的发展 1 1 2 1 常规控制 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 以设定槽电阻这样传统控制方式运转了十几年，提高了产量，节约了电能，但也存在 很多问题，实践证明：1 ) 从槽电阻的曲线可以看出槽内氧化铝浓度在2 左右时，槽电阻 以较快的速度上升，这时以设定槽电阻控制方式必然不断下调极距，当极距变小到一定程 度就会发生槽电压的摆动，由此可以看出虽然下调可以节约能量，保持热平衡，但它会产 生因槽电压的摆动而引起电流的波动。2 ) 从热平衡的角度分析，在电解槽刚加料时的一段 时间，槽电阻处在自然升高阶段，本应抬高极距，以保证氧化铝的溶化，而设定极距控制 方式反而要下调极距，这对电解槽反而不利。3 ) 槽电阻控制方式还有一个最大的缺点就是 没有考虑系列电流变化的干扰因素，这样长时间电流处于不平稳状态，必然会影响电解槽 的热平衡。为了消除这种影响，采取系列电流偏低一定时间时，采取抬高设定槽电阻的办 法来补充热量。这种办法因系列槽电阻的拾高，必然会导致系列电流进一步波动，将会造 成恶性循环。 1 1 2 2 氧化铝浓度自适应控制 氧化铝浓度自适应控制是建立在槽电阻与氧化铝浓度关系曲线基础之上的，利用槽 电阻的变化规律来辨识槽内氧化铝浓度，并通过控制氧化铝加料速率来实现低氧化铝浓度 的稳定控制”，。 氧化铝浓度自适应控制的关键之一，就是利用在较低的氧化铝浓度范围1 5 3 5 时，槽电阻变化较明显这个特征来进行控制。其原理为根据氧化铝与槽电阻的对应关系， 改变下料速度( 即正常加料、欠量加料、过量加料三个周期) ，从而达到氧化铝浓度控制 的目的。根据相关资料报道，氧化铝浓度在1 5 3 5 范围内，每降低1 ，电流效率可 提高2 ，并且槽电阻随浓度变化也较为灵敏。实际生产当中，低氧化铝浓度控制有利有 弊。有利之处为：可以增加氧化铝的溶解性，减少沉淀，降低炉低压降，增强底部导电， 减少水平电流等。弊端之处是提高了电解质的初晶温度。 1 1 2 3 智能模糊控制技术 近几年来“智能模糊控制技术”在铝电解槽的开发应用得到了很好的发展。“”、1 8 “”。 智能控制是控制理论与控制工程的最新发展阶段。特别是作为智能控制一大分支的模糊控 制，它正与智能控制的其他分支逐步融合构成多种智能模糊控制方法。由于它具有人工智 能的特点，能够模拟专家的操作经验和人们的思维过程，因此这种控制方法已广泛地应用 于经营决策、过程控制、医疗诊断以及家用电器等多个领域，并取得了良好的效果“”。 预焙铝电解槽的工艺控制系统是一个复杂的非线性时交系统，具有模型的不确定性。浓度、 极距和温度等参数在线检测目前仍然困难。因此对于这种预焙铝电解槽，采用智能控制方 4 ! 堕查兰塑主堂垡堡壅 箜二主壅墼堡垄 法比采用常规的控制方法更容易达到预期的控制效果。 1 2 大型预焙铝电解槽工艺技术的发展概况 西方发达国家的原铝生产主要集中于美铝、加铝、法铝、俄铝、海德鲁、科马尔科等 大型企业集团，主要槽型为a p l 8 、a p 2 1 、a p 3 0 、h y d r 0 2 3 和c d 2 0 0 等，单系列产量为1 0 0 2 5 0 k t a a 在2 0 世纪9 0 年代，建成的电解铝系列( 除中国外) 8 0 采用了法国彼施涅公司 的电解铝技术。表卜l 为国外各种电解槽的主要技术经济指标。我国现代大型预料电解 槽的发展起步较晚。国外在二十世纪六十年代较快发展了大型预焙槽生产，而我国于1 9 7 3 年才开始于抚顺铝厂进行大型预焙槽的开发研究工作，经两年的筹建，1 9 7 5 年4 月1 0 日 我国第一台1 3 5 k a 预焙槽投入工业试验。经过二十年的努力，至1 9 9 5 年，通过引进和消 化引进技术，我国已形成大型预焙槽各具特色的生产系列，拥有1 3 5 k a 、1 4 0 k a 、1 5 5 k a 、 1 6 0 k a 、1 8 0 k a 、2 8 0 k a 大型预焙槽，总槽数达近1 6 0 0 台，产能为6 0 万吨。至2 0 0 2 年底， 我国电解铝企业已达1 3 6 家，生产能力达到5 3 0 0 k t a ，居世界首位；其中年产1 0 0 k t a 生产规模的企业已达1 7 家，产能2 6 5 0 k t a ，占总产能的5 0 ；电解槽容量在1 6 0 k a 以上 的企业有3 5 家，能力达2 8 0 0 k t a ，占总产能的5 3 。在大型预焙槽中，按进电方式上分 为：两点进电、四点进电和五点进电三种：从电解槽槽壳结构上分为：摇篮式和臂撑式两 种，其中摇篮式约占9 4 ：从下料方式上分为：现我国大多数电解槽都采用中间下料方式， 它包括点式下料、插板式下料和闸刀式下料三种方式，后两种方式正在逐步地进行改造成 先进的点式下料方式；从电解稽容量上分为：1 3 5 k a 、1 4 0 k a 、1 5 5 k a 、1 6 0 k a 、】8 0 k a 、2 8 0 k a 、 3 0 0 k a 、3 6 0 k a 等级别的槽型。各种电解槽的主要技术参数、技术条件、技术经济指标见 表卜2 、表卜3 、表卜4 。 表卜l ：国外各种电解槽的主要技术经济指标“7 ”刹 铝业生产电解质组成糟电电流 直流电 公司电流压效率耗 电解分子比c 8 r 含量其它音量地。 含量 k vh h ，t a l 温度 加拿大铝业 3 0 09 404 634 4 39 31 4 2 0 0 美国霍利山 l g o 22 ，4 2 09 21 3 6 0 0 波特兰铝厂275 2 2534 2 49 313 6 0 0 法国彼施涅 1 8 0 2 252 34 1 3 9 2 5l33 0 0 法国彼魏涅 2 8 0 2 252 343 09 513 5 0 0 法国彼施涅 2 8 5 22jl i f l x2 34 ”9 46 l3 4 d o 法国彼施涅 3 0 0 2 25l j p l -2 342 59 4 51 3 4 0 0 凯撒铝业 1 9 5 2 3340 s9 5 12 8 0 0 青海铝 1 6 0 5m g f l2 5 *1 5 6 n4 2 s87 9 01 4 1 0 0 5 中南大学硕士学位论文 第一章文献缘述 青海铝1 6 0 k a 中间下料预焙槽是二十世纪8 0 年代中期我国在消化吸收贵州铝厂引进“月 轻”二十世纪7 0 年代中期大型预焙槽技术的基础上自行设计制造的两端进电预焙槽，随 着铝工业技术的不断发展，原消化引进技术与现代技术水平有着定的差距。目前，高效 能大型预焙铝电解槽的发展十分迅速，九十年代，国际上大型预焙铝电解槽电流效率达 9 3 9 5 ，电耗达1 3 2 0 0 一1 3 4 0 0 k w h t a l ”的电解系列愈来愈多，技术指标越来越先进。 在槽型确定的情况下，铝电解的工艺技术条件就成为电解技术经济指标的决定性因素，随 着电解工艺技术条件的不断优化和电解槽自动控制技术的不断发展，电流效率不断提高， 吨铝电耗不断下降。自八十年代以来，国际上最先进的经济技术指标都是在低分子比、低 氧化铝浓度、低电解质温度、低阳极效应系数、高极距或称高工作电压的工艺技术条件 下实现的，近几年来，我国大型预焙铝电解厂都试图采用此技术条件，但由于原槽型设计 的固有缺陷，电解槽的自平衡能力较弱，对外界干扰的敏感，对物料平衡与热平衡的控制 精度要求较高，因此已有的控制系统无法维持电解槽在这种工艺技术条件下长期正常运行 ”。青海铝1 6 0 k a 中间下料预焙槽铝电解过程采用点式连续下料和智能模糊控制技术以 后，原有的铝电解工艺技术条件是不适应的，如果没有与之相适应的工艺技术条件，就不 能体现点式下料和智能模糊控制技术的优越性，也不会取得好的技术经济指标。为此，我 们结合点式下料和智能模糊控制技术对铝电解工艺技术条件进行了综合优化研究，得出了 一套与之相适应的新的工艺制度。 表卜2 ：2 0 0 0 年前我国各种电解槽的主要技术参数 技术条件按电流强度分 1 3 5 k a1 4 0 k a1 5 5 k a1 6 0 l c a ( 1 )1 6 0 k a ( 2 )1 8 0 k a2 8 0 k a 电流强度( k a ) 1 3 51 4 01 5 51 6 01 6 01 8 02 8 0 7 4 2 4 1 4 5 6 6 1 5 2 5 8 51 4 0 6 6 1 4 5 6 6 1 4 5 6 6 1 4 5 6 6 阳极k 寸( c m ) 4 35 45 55 45 45 45 4 阳极电流密度 0 7 60 7 3 1 50 6 7o 7 2 1 50 70 6 9 50 7 3 1 5 ( a c ) 阳极组数( 块)2 02 0 2 62 42 42 84 0 槽壳内型尺寸 9 5 0 4 4 l8 l l 4 2 09 3 1 4 5 69 8 0 4 1 0 9 8 0 4 3 51 0 8 1 4 0 31 5 l l 4 1 5 ( c 曲1 4 2 51 5 31 3 7 1 4 01 3 51 3 51 4 3 9 0 1 3 9 27 8 6 3 9 59 0 6 4 3 l9 5 5 x 3 9 5 9 5 0 4 1 01 0 5 6 3 7 81 4 8 6 3 9 0 槽膛尺寸( c m ) 5 15 55 6 95 05 55 55 5 人面加工距离 6 1 44 0 05 0 75 2 54 7 53 5 03 7 5 ( c m ) 小面加工距离 ( c m ) 5 8 04 5 04 9 l _ 55 9 55 9 54 0 04 5 0 阳极中缝( c m ) 2 3 32 5 02 5 62 5 02 0 01 8 02 5 0 阴极炭块组数 4 01 33 0 1 61 61 82 6 ( 块) 阴极钢棒电流 1 89 32 3 0 l1 9 6 2 1 3 72 1 3 72 1 3 72 3 o l 密度( a c ) 6 ! 堕盔堂堡主堂焦堡壅 苎二主壅墼堡望 按电流强度分 技术条件 1 3 5 k a1 4 0 k a 1 5 5 k a1 6 0 k a1 8 0 k a 2 8 0 k a 电流强度( k a )1 3 31 3 8 1 4 21 5 2 1 5 81 8 22 7 8 2 8 2 工作电压( v ) 3 9 23 9 84 0 5 4 0 63 9 8 4 0 34 0 5 3 9 0 4 0 0 平均电压( v )4 1 8 64 2 24 3 54 1 44 1 7 41 5 a e 系数( 个槽f 1 ) 1 0 一1 50 5 一l11 8 0 5 一1 1o 7 一1 5o 3 0 8 a e 电压( v )2 52 0 3 01 8 2 8z 5 3 0 2 5 3 0 a e 时间( 分)34 6l 1 05 8 4 6 铝水平( c m ) 2 0 2 41 8 2 21 9 2 8 2 0 2 21 8 2 01 9 2 2 电解质水平( c m ) 1 5 1 81 8 2 21 4 2 61 8 2 2 1 9 2 41 9 2 2 分子比 27 0 28 02 5 0 2 7 027 5 2 8 52 5 0 27 5 2 4 0 一25 02 2 0 2 5 0 a l 抑，( w t )l _ 5 3 01 85 ，61 8 1 一1 1 52 0 4 01 4 7 3 0 52 0 3 0 c a r 3 0 5030 5 d4 0 4 53 o 一503 0 50 m g r 3 0 5 03 o - 5 01 9 2 6 52 0 5 03 0 5 0 槽温( )9 5 59 5 0 9 7 0 9 7 89 5 0 一9 6 09 5 0 9 4 5 9 5 5 极距( c m )4 44 6 5 24 8 6 o4 5 4 84 4 4 8 槽底压降( m v )4 8 5 3 9 44 2 53 9 2 4 1 83 8 2 表卜42 0 0 0 年前我国各类型电解槽的主要经济指标 按电流强度分 技术条件 1 3 5 k a1 4 0 k a1 5 5 k a1 6 0 k a1 8 0 k a2 8 0 k a 电解槽数( 台) 2 2 22 61 4 01 1 9 444 年产量( 万吨) 7 90 9 45 44 10 2o 2 8 90 3 2 电流效率( ) 8 9 2 29 0 4 48 6 9 88 9 9 19 3 4 4 9 l ，5 2 1 3 9 4 0 原铝直流电耗( k w h t )1 3 8 9 l1 3 9 0 0 1 4 8 2 81 3 7 1 0 一1 3 9 0 01 3 1 4 2 1 3 5 9 4 炭阳极毛耗( k g t ) 6 3 55 8 06 2 96 2 55 9 0 65 6 0 5 8 0 氟化盐单耗( k g t ) 4 47 56 05 l3 7 3 64 0 6 0 1 3 工艺技术条件对铝电解生产的影响 随着电解槽槽型和容量的不断变化，相应的生产工艺制度也在同步改进。自焙铝电解 7 中南大学硕士学位论文 筮= 童壅整鳖垄 每次下料量大( 以百公斤计) ，电解质中氧化铝浓度高 槽由于采用定期人工加料制度， ( 4 一6 ) ，因此，在电解质分子比为2 7 2 9 ，电解质温度为9 6 0 一9 8 0 ，过热度为1 5 2 0 的工艺技术条件下生产，用以溶解较多的氧化铝，维持正常电解生产；再者，槽电压由 于受阳极结构的影响而较高( 4 3 4 4 v ) 。它的技术经济指标一般为：电流效率8 8 9 0 ， 电耗1 4 1 5 k w h k g a l 。随着铝工业朝大规模、高效能、低污染和高度自动化方向发展， 预焙铝电解槽，特别是中部点式下料预焙铝电解槽已成为铝电解生产槽的主流。由于采用 点式下料技术，加料间隔短( 9 0 秒一1 8 0 秒) ，每次下料量小( 以几公斤计) ，氧化铝浓度 低( 1 5 一3 5 ) ，因此，电解质分子比可控制在2 2 2 4 ，槽电压为4 卜4 2 v ，电解温度 为9 4 0 一9 6 0 ，过热度为1 0 1 5 ，其在国际上先进的经济技术指标为：电流效率 9 4 一9 5 ，电耗1 2 9 1 3 2 k w h k g a l 。而我国1 6 0 k a 预焙铝电解槽多年来的生产工艺技 术条件为：电解质分子比2 6 2 8 ，氧化铝浓度4 一6 ，电解温度9 6 0 一9 7 0 ，过热度 为1 5 2 0 。相应的技术经济指标为：电流效率8 9 一9 0 ，电耗1 3 7 0 0 1 3 8 0 0 k w h t a 1 。 可见，同为预焙槽，由于实行的工艺技术条件不同，取得的技术经济指标相差很大。因此， 采用合适的工艺技术条件是我国1 6 0 k a 预焙铝电解槽取得更好的技术经济指标的前提条 件。然而，与国际先进预焙槽相比，我国1 6 0 k a 预焙槽由于在槽结构、物理场设计方面差 距很大，而且各种配套设旋的工作性能和原辅材料性能较差，供电的平稳性差，人工操作 和管理水平低，因此不能照抄照搬国外现成的“四低一高”工艺技术条件，而要通过理论 分析和工艺试验，选择“高”“低”适宜的工艺技术条件。然而，工艺技术条件之间是相 互联系和相互耦合的，它们之间的关系是非常复杂的非线性关系，因此，我国从1 9 7 9 年 引进日轻1 6 0 k a 预焙铝电解槽后，工艺技术条件基本维持原设计值，改变不大，技术经济 指标一直不佳。因此，如何确定和维持相互适应的最佳工艺技术条件是我国1 6 0 k a 预焙铝 电解槽技术经济指标达到国际先进水平的关键。刘业翔院士、李劫教授及他们的博士生李 民军已对预焙铝电解槽的新工艺技术条件和计算机控制模型进行了研究，在进行各种工艺 参数对铝电解过程的影响及各工艺参数间相互关系的理论分析的基础上，结合试验，设定 了1 6 0 k a 预备槽的“四低一高”新工艺技术条件如下。：电解质分子比为2 3 2 4 ，电解 温度为9 4 0 一9 4 5 ，氧化铝浓度为1 5 一3 5 ，阳极效应系数为0 3 ，商极距使槽工作 电压为4 1 0 4 1 5 v 。相应的技术经济指标与采用新工艺技术条件之前相比，电流效率提 高2 以上，吨铝电耗降低1 0 0 度左右。”。如果能够借助于现代计算机控制系统，通过铝 电解生产过程中的各种动态工艺参数判定电解槽是否运行于正常状态并在电解槽运行异 常时根据需要及时地对生产操作作出必要的调整，则电解槽将能够比较理想地长期运行于 8 主堕盔堂堡圭望堡垒壅 箜二主壅堕鳖鲨 正常状态，从而维持良好的热平衡状态，获得更高的电流效率，进一步降低电解铝的能量 消耗。 1 4 新型工艺技术条件对控制系统的新要求 铝电解过程中的主要技术条件目前尚不能在线检测，也难以建立起槽电阻与被控参数 间的确定性的数学模型，常规的控制理论( 包括经典的控制理论和现代控制理论) 的控制技 术难于对电解过程的技术参数进行控制，铝电解生产新工艺要求电解过程在低分子比、低 氧化铝浓度、低电解质温度、低阳极效应系数、高极距或称高工作电压的工艺技术条件 下进行，而铝电解槽是一个复杂的非线性时变系统，必须采用先进的智能模糊控制技术进 行控制，运用模糊集成控制的思想，结台模糊控制技术与专家系统技术开发出能安装于槽 控机中的实时控制子系统，2 0 世纪7 0 年代以来逐步发展和建立了智能控制理论和技术。 智能控制技术利用人工智能( 即模拟人的大脑) 的知识和逻辑推理方式来解决难以建立精 确数学模型的控制问题，智能控制技术的发展已产生了多种分支，其中主要有专家系统、模 糊控制和神经网络等，目前的发展趋势是，综合应用以上智能控制技术的集成型智能控制 。2 6 、2 7 、2 8 】 现代铝电解工艺对智能模糊控制系统提出以下新要求”、： 1 极好的控制铝电解槽的物料平衡氧化铝的添加是引起物料平衡交化的主要因素，因此 最重要的是控制好氧化铝的添加速率( 即下料速率) ，使氧化铝浓度的变化能维持在预定的 一个很窄的范围内。 2 控制好铝电解槽的热平衡和极距主要目的是，以移动阳极作为调整极距和改变输入功 率的手段，即使得阳极极距合适又保持最佳的热平衡。 3 槽况的综合分析与辅助决策。至今铝电解槽上仍存在不能由计算机直接操作工艺和工艺 参数，而且存在一些检测不到位的干扰因素和变化因素。由于控制误差的积累，铝电解槽的 物料平衡、热平衡以及互有关联的物理场会发生缓慢的变化这些变化累积到一定程度后 会导致电解槽正常的动态平衡的崩溃，使其成为病槽因此计算机应具有利用各种可获取 的信息综合解析电解槽的变化趋势，并及时诊断病槽或尽早发现病槽形成趋势的能力，以 便及时调整有关控制参数或提出人工进行维护的建议 9 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 5 本论文的研究目的和意义 青海铝1 6 0 k a 预焙铝电解槽为两端迸电，由于槽型结构和物理场( 三场) 设计属于 7 0 年代的水平，与国际上设计优良的高效能电解槽相比，存在稳定性差、自平衡能力差 等很多难以弥补的先天不足，且在供电稳定性、原料理化性能、配套设施的性能以及人工 操作水平等方面存在一时难于解决的问题。因此只有采用比国内外铝电解厂现行的常规控 制方法更先进的智能模糊控制方法，并进行配套设施技术改造，才有可能技术经济指标有 显著突破。因此，本论文将在前人工作的基础上，进一步分析铝电解过程中各种工艺参数 之间的关系，研究2 0 0 k a 大型预焙电解槽智能控制系统的研究，以期通过电解槽的热量平 衡、能量平衡监控达到使其维持在或者接近于最佳工艺技术条件运行，从而获得更高的电 流效率和更低的直流电耗。 l o 中南大学硕士学位论文第二章相关配套装置的改进 第二章相关配套装置的改进 电解槽要取得好的技术经济指标，无非是创造条件使其在最佳的工艺技术条件下稳定 持久地运行当前国际上最好的经济技术指标都是在低分子比、低氧化铝浓度、低电解 质温度、低阳极效应系数、高极距或称高工作电压的工艺技术条件下取得的。国内曾对在 这种条件中的高电压是否有利于获得低能耗指标表示怀疑，但事实表明，尽管我国预焙槽 多年来采用的槽工作电压与国外相近容量的预焙槽相比，要低1 5 0 2 0 0 m v ，但吨铝矗流电耗 却高出1 0 0 0 多k w h ，这显然是电流效率低的多的缘故由此可见，以低电压求高效率的传 统做法是失败的，近几年我国预焙槽铝电解厂都力图向的低分子比、低氧化铝浓度、低电 解质温度、低阳极效应系数、高极距或称高工作电压的工艺技术条件靠拢，但能靠拢的程 度取决于电解槽“三场”设计的好坏、氧化铝的溶解性、控制系统和相关机械设备的准确 性和可靠性，以及人工操作维护与管理的科学性与精细程度。为了达到预期的目的，在开 发采用智能模糊控制技术的同时，进行了设备配套改造工作。 2 1 改进的目的和意义 相关配套设施的改造包括用1 8 k g 筒式下料器代替原插板式下料装置、应用磁控技术 解决气路泄气问题、a l f 3 添加装置的改进、完善铝电解槽供、配料控制系统的配置。通过 改造，氧化铝供料系统更加稳定，而且下料量得到很好的控制，电解槽的分子比变化范围大 大缩小，合格率大大提高，所有这些都为在铝电解槽上实旖智能模糊控制技术提供了很好 的硬件设施的保证。 2 2 下料器的改进 下料器的改进之一是：对电解槽上的下料装置进行技术改造，原下料系统中的下料器为 插板式，插板式机械下料装置结构如图2 1 所示。每台电解槽有三套，每套有两个下料点( 两 个定容室) ，由下料气缸带动六个插板动作，6 点下料，每点下料量2 5 k g ，每次下料量为 1 5 k g 。该下料装置的特点是对氧化铝的粒度要求不严但由于插板与定容室的间隙大，密封 性差，易泄漏物料，从而导致下料量不准确，同时插板动作不灵活及磨损较大，故障率高， 检修更换时较困难。 1 l ! 堕盔堂塑兰麴笙墨 箜三童塑羞堡奎堑垦塑堕鲞 筒式下料器是在气缸的带动下工作，压缩空气的压力为0 4 一o 7 m p a ，下料器垂直放置 在在料箱中，粉状物料靠自重从筒体下部的进料窗口流入定容室中，当气缸向下移动时， 推动透气活塞将进料窗口关闭，同时将启闭锥体打开，定容室中的物料即可流入电解槽内， 气缸的再次上、下运动，将重复上述装卸过程。筒式下料器下料装置结构如图2 2 所示， 它具有加料、充料环节时间短，定量准确，不受环境变化影响的特点。更重要的是它在下 料量小的同时能保证下料量准确、稳定。 我们对电解槽上原有的下料器进行了改造，即用1 8 k g 筒式下料器代替原插板式下料 器，并取消了中间3 、4 点下料，将四个下料点布置在易于氧化铝溶解扩散的l 、2 与5 、6 点位置。我们对3 7 6 # 槽每一点的下科量进行称重，见表