（有色金属冶金专业论文）中铝青海分公司大型铝电解槽效应情况分析与决策系统研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 本文从铝电解生产实际出发，结合智能模糊控制策略，对铝电解槽效 应发生情况进行统计分析，设计了基于控制系统参数调整的新型效应分析 报表，报表结构新颖，针对性强具有很好的可操作性，为数据挖掘提供 了结构合理的数据源。针对氧化铝浓度降低引起的效应，总结了控制系统 的效应预报机制；针对槽况不稳引起的温度效应，对基于人工神经网络的 热平衡诊断专家系统进行了优化。 改进的神经网络专家系统网络结构简洁实用，诊断速度和准确度均有 所提高，为效应分析系统的构造提供了辅助决策支持。同时为设定电压、 出铝量及氟盐添加量提供了简化的线性决策机制。 开发了基于灰关联度算法的数据挖掘型效应分析系统，运用数据挖掘 技术对效应数据进行加工，得到一定时期内效应发生的主要影响因素，并 首次将数据挖掘技术引入工业控制系统的决策及管理分析中，初步实验表 明这种数据分析技术对提高控制系统的决策水平及强化科学化管理具有很 强的实用性，值得做进一步的深入研究。 最后，基于数据挖掘和神经网络专家系统的输出结果，对控制系统的 控制参数进行调整，达到效应分析及决策的智能化处理。通过对效应受控 情况进行动态调整，为电解槽的平稳运行及生产技术指标的进一步提高提 供技术保障。 关键词：铝电解智能模糊控制效应分析神经网络数据挖掘灰关联度 a b s t r a c t b a s e do nt h ep r o d u c t i o np r a c t i c eo ft h ea l u m i n u me l e c t r 0 1 y s i sa n d c o m b i n e dt h ei n t e l l i g e n tf u z z yc o n t r o ls t r a t e g 、nt h eo c c u r r e n c eo ft h e e f 诧c ti na l u m i n u m e l e c t r o l y s i sc e l l sw e r ea n a l y z e di ns t a t i s t i c a lw a y a n dt h en e w l ye f i - e c ta n a l y s e sr e p o r tf 0 n n ，w h j c hh a sn o v e ls t n l c t u r e ， s t r o n gp e r t i n e c ea n dp e r f e c tm a n e u v e r a b i l i t y ，w a sd e s i g n e df o u n d e d o nt h ep a r a m e t e ra d j u s t m e n to fc o n t r o ls y s t e m t h i sp r o v i d et h ed a t a s o u r c ew i t hr e a s o n a b l es t r u c t u r ef o rd a t am i n i n g t or e s o l v et h e e f f e c tc a u s e db yt h ed r o po ft h ea l u m i n ac o n c e n t r a t i o n ，t h ee f f 色c t p f e d i c t i o nm e c h a n i s mo fc o n t r o ls y s t e mw a ss u m m a r i z e d ：t or e s o l v e t h et e m p e r a t u r ee f 艳c tc a u s e db yi n s t a b i l i t yo f c e nc o n d i t i o n ，t h eh e a t d i a g n o s ee x p e r ts y s t e mt h a tb a s e do nt h em a n u a ln e u r a ln e t w o r kw a s o p t i m i z e d t h ea m e l i o r a t e dn e u r a l n e t w o r k ， w h i c hi s c o m p a c t e d a n d p r a c t i c a b l ya n dh a sb e e ni m p r o v e di nt h es p e e da n dv e r a c i t yo ft h e d i a g n o s e ，g i v es u p p o r tt o 也ea s s i s t a n td e c i s i o no f t h ee f f e c ta n a l y s e s s y s t 黜c o n f b n n a t i o n i ta l s o p i d v i d e ss i n l p h f i e d1 i n e a r d e c i s i o n m e c h a n i s mf o rt h ev o l t a g es e t t i n g ，t h ea m o u n to fs i p h o na l u m i n u m a n dt h eq u a n t u mo ft h en u o r i d ea d l i t i v e t h ed a t am i n i n ge f f c c ta n a l y s e ss y s t e mw a sd e v e l o p e db a s e do n t h eg r a vs c a l ea s s o c i a t i o na r i t h m e t i c t h ee f 匏c td a t 8w e r ep r o c e s s e d b yt h ed a t am i n i n gt e c h n o l o g ya n d 也em a i na f f e c tf a c t o rw e r eg a i n e d f o rt h ea f s tt i m e ，t h ed 矗l am j n i n gt e e h n o l o g yw 嚣si n t r o d u c e di n t 0t h e d e c i s i o na n dm a n a g e m e n ta n a l y s e so fi n d u s t r i 8 1c o n t r o ls y s t e m ，a n d t h ee l e m e n t a r y e x p e r i m e n t ss h o w t h a ti tc a nb e o f 鲈e a tp r a e t i c a b i l i t y f o rt h ed e c i s i o nl e v e l i m p r o v e m e n t o fc o n t r o l s y s t e m a n dt h e s t r e n g t h e n o fs c i e n t i f i c m a n a g e m e n t _s o ， t h i si sd e s e i 。v e dt ot h e f - u r t h e rf e s e a r c h a tl a s t b a s e do nt h eo u t p u to ft h ed a t am i n i n ga n dn e u r a ln e t w o r k e x p e r ts y s t e m ，a d j u s tt h ec o n t r o lp a r a m e t e ro f t h ec o n t r o ls y s t e m ，s o a st oa c h i e v et h ee f 殆c t a n a l y s e s a n dt h e i n t e l l i g e n tp r o c e s s o f d e c i s i o n b yd y n a m i cr e 窖u l a t i o no f t h ec o n t r o lo ft h ee f 绝c t ，o f 托rt h e t e c h n o l o g i c a lg u a r a n t e ef o rt h es t a b ! eo p e r a t i o no ft h e a l u m i n u m e l e c t r o l y s i sc e l la n d t h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to ft h ep r o d u c t i o ni n d e x k e yw o r d ：a l u m i n u me l e c t r o l y s i s ，i n t e l l i g e n t 如z z yc o n t m l ，e f 俺c t a n a l y s e s ，n e u r a ln e t w o r k ，d a t am i n i n g ，g r a y s c a l ea s s o c i a t i o n 中南大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名殇茅锄日期： 年月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签每细师签名： 日期：年月日 中南大学颈士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1铝冶金发展概况 有关铝的文字记录最早出现于公元一世纪罗马作家盖斯普利纽斯 ( g a i usp 1 i n i u s ) 的论文集。但是，准确地说，铝的问世应是18 2 5 年。至 今虽然为时不长，但铝冶金发展较快，它的发展过程大概可分为三个阶段， 最初是化学法炼铝阶段，l8 2 5 年德国人韦勒( f w o h l e r ) 先用钾汞齐，后 来用钾还原氯化铝制得金属铝，l8 4 5 年法国人戴维尔( h s d e v i l l e ) 用钠 还原n b c i a 1 c l ，混合盐也得到金属铝，并在法国进行小规模生产，随后罗 硅和别凯托夫分别用钠和镁还原冰晶石炼铝成功，用此方法建厂炼铝，应 用化学法炼出的金属铝总共约2 0 0 吨。 18 8 6 年美国霍尔( h a l l ) 和法国埃鲁特( h e r o u l t ) 不约而同地提出了 利用冰晶石一氧化铝熔盐电解法炼铝的专利，开创了电解法炼铝的阶段， 最初是采用小型预焙电解槽，2 0 世纪初叶出现了小型侧部导电的自焙阳极 电解槽，电解槽的容量( 电流强度) 也逐渐由最初的2 k a 发展到5 0 k a 甚 至更高。 2 0 世纪5 0 年代以后，大型预焙阳极电解槽的出现，使电解炼铝技术 迈向了向大型化、现代化发展的新阶段，电解槽的容量也发展到2 8 0 k a 以 上，电解槽的设计、安装、操作控制都建立在现代技术的基础上。电解炼 铝的技术经济指标和环境保护水平全然改观、远非往昔可比，一百多年来， 电解炼铝虽然仍旧是建立在霍尔一一埃鲁特冰晶石一一氧化铝熔盐电解的 基础上，但是无论是理论上还是工艺上都取得了长足的进步，并且在继续 向前发展。 1 2现代铝电解工业简况 铝在自然界中分布极广，占地壳总量的8 ，是最丰富的金属元素。 铝的产景仅次于钢铁【”，1 9 9 8 年全球原铝产量为19 9 5 万吨【”，生产能力 达2 5 0 4 万吨。由于金属铝的一系列优良的物理化学性质，它的应用日益 广泛，已成为有色金属中产量最大、最重要的金属，在工业上享有“万能 金属”的美誉。铝冶金工业也因此而在国民经济中占有越来越重要的地位， 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 并具有广泛的发展前景。 尽管日本和美国等国家从2 0 世纪六十年代就在炭热还原炼铝和氯化 铝电解方面进行了大量科学研究，以期取代现行的霍尔一一埃鲁特电解炼 铝法，但是，由于经济上和工程上的的原因，这些新法炼铝的工业试验均 告失败。据估计，在未来数十年内1 4 。】，霍尔一一埃鲁特法仍将是工业上 唯一可行的生产金属铝的方法。 霍尔一一埃鲁特法( 即冰晶石一一氧化铝熔盐电解法) 的实质就是， 氧化铝溶于含多种氟化物添加剂的冰晶石熔体中，直流电从阳极炭块导入， 阴极炭块导出，在阴极和阳极上发生电化学反应，阳极上析出c 0 2 和c o 气体，阴极上沉积液体金属铝。该法诞生一百多年来，无论在生产工艺上， 还是在技术水平上都有了很大的发展。铝工业初期，槽容量仅为4 0 0 0 安培， 电流效率仅有8 0 ，直流电耗则高达3 2 k w h k g a l 。每昼夜铝产量只有 2 5 8 k g 。目前，最先进的大型槽容量达5 0 0 千安，电流效率大于9 5 ，直 流电耗低于l3 k w h k g a l ，每昼夜产铝2 3 0 0 多公斤1 。 现代铝电解工业的特点是，预焙槽逐渐取代自焙槽。目前，前者产铝 量己占世界铝产量的7 0 【”，它将继续朝高效能、大容量方向发展。国际 上先进的电解槽普遍采用电场、热场、磁场、流场乃至应力场数学模型进 行设计和优化，以求获得自然形成的槽帮结壳和伸腿，稳定的铝液电解质 界面和更长的槽寿命。电解生产工艺普迪采用低电解质分子比、低氧化铝 浓度、低电解温度、低阳极效应系数和高槽电压，即“四低一高”工艺制 度“”】。以求获得高电流效率和低直流电耗。为了保证电解槽在这样的工 艺技术条件下稳定可靠地高效运行，大型锯电解厂都采用了先进的计算机 自动控制系统，严格控制和管理电解槽的各项工艺技术参数和正常生产操 作工序。计算机自动控制系统的发展水平已成为现代铝电解技术发展水平 的重要标志之一f 1 ”。 1 3 工艺技术条件对铝电解生产的影响 随著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。自焙铝电解槽由于采用定期人工加料制度，每次下料量大( 以百公斤 计) ，电解质中氧化铝浓度高( 4 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l 5 2 0 的工艺技术条件下生产， 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 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88 9 0 ， 电耗1 4 l5 k w h k g a k 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( 1 3 分钟) ， 每次下料量小( 以几公斤计) ，氧化铝浓度低( 1 5 3 ，5 ) ，因此，电解 质分子比可控制在2 1 2 4 ，槽电压为4 1 4 2 v ，电解温度为9 4 0 9 6 0 ， 过热度为l o 15 ，其在国际上先进的技术经济指标为：电流效率 9 4 9 5 ，电耗12 9 13 2 k w h k g a 1 。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 6 ， 电解温度9 6 0 9 7 0 ，过热度为l5 2 0 。相应的技术经济指标为：电 流效率8 9 9 0 ，电耗1 3 7 l3 8 k w h k g a l 。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l6 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，而且各种配套设施的工作性能和原辅材料 性能较羞，供电的平稳性差，人工操作和管理水平差，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，它们之间的关系较为复杂，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16 0 k a 预备槽的“四低一高”新工艺技术条件如下副：电解质分子比为 2 3 2 4 ，电解温度为9 4 0 9 4 5 ，氧化铝浓度为1 5 一3 5 ，阳极效应 系数为o3 ，槽工作电压为4 1 0 4 15 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 3 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 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 于正常状态，从而维持良好的热平衡状态，获得更商的电流效率，进一步 降低能量消耗。因此，本论文将在前人工作的基础上，进一步分析铝电解 过程中备种工艺参数之间的关系，开展铝电解槽热平衡诊断专家系统的研 究，以期通过电解槽的热平衡监控达到使其维持在或者接近于悬佳工艺技 术条件运行，从而获得更高的电流效率和更低的直流电耗。 1 4电解槽的计算机控制 1 4 1 计算机控制技术对铝电解生产的重要影响 计算机在铝电解生产过程中的运用，是铝工业发展的一项显著成就。 它使电解槽的操作实现了自动化作业，保证生产在最优或接近最优的状态 下平稳进行从而使得生产指标大幅度地提高，如电流效率，在5 0 一6 0 年 代一直保持在8 7 9 0 之间，7 0 年代末突破了9 0 ，近年来提高到9 5 以 上。k 格洛泰姆认为f “】，在各项条件控制达到最佳状况时，电流效率有可 能达到9 8 。显然，这种最佳状况的实现，有赖于电子计算机的运用。 先进的铝电解槽控制技术的应用是铝电解工业今天能达到高效低耗的 最重要保证之一。在当今世界上铝电解工艺技术逐渐趋于成熟的情况下， 各发达铝电解集团和研究机构无一不把重点放在不断地大力研究、开发和 使用先进的铝电解工艺控制技术，以进一步提高和管理水平，取得更佳的 效益；丽控制水平低，正是造成我国许多大型预焙槽效益低的最重要原因 之一。因此，计算机控制技术在铝电解生产过程中就显得十分重要。 铝电解工艺技术的改进及计算机控制技术的发展。使电解生产过程保 持在最佳的工艺条件下运行，实现了商度自动化和智能化。9 0 年代以来， 铝生产的电流效率超过9 5 ，直流电流降至130ookwh t - ai 以下， 接近电解法炼铝的极限值。 大家都知道，电解铝是一种高耗能产品，仅电费一项就占其制造成本 的4 0 以上，且电耗又是电解生产中一项起主导性的经济技术指标，只 要电耗能降下来，其它经济技术指标也会相应地得到下降。因此，保持合 理的技术条件，是稳产高效的关键。 压、极距、铝液水平、电解质水平、 铝电解生产技术条件包括：电流、电 电解质温度、电解质成份、阳极电压 4 中南大学磺士学位论文第一章文献综述 降，效应系数等等。生产过程中，通过计算机有效地监督和控制这些技术 条件具有重要意义。 1 4 2 铝电解过程控制的研究 铝电解过程控制主要包括极距调节和下料控制两方面。极距调节，即 槽电阻控制，其做法是，采集槽电压( v ) 和系列电流( i ) ，由公式r = ( v e ) ，i 计算得到( 表观) 槽电阻( 式中，e 为表观反电动势的设定值) ， 在槽电阻无各类异常( 效应电阻、电压异常电阻、电流异常电阻、电阻滤 波均值异常和电阻波动异常等) ，而且没有进行阳极移动的限制条件时，计 算机用阳极移动的手段将槽电阻控制在咀设定目标电阻为中心的目标控制 区域内，从而达到维持正常极距和能量平衡的目的f ”】。而下料控制，即氧 化铝浓度控制，自2 0 世纪6 0 年代起随着铝电解技术或计算机控制技术的 发展经历了如下三个发展阶段：a 中部加工预焙槽的定时下料：b 中部加 工预焙槽的按需下料：c 点式下料预焙槽的按需下料。此外，还有利用专 家系统技术对电解过程控制进行研究的报道”】，但未见在生产上实际应用 的后续报道。 1 中部加工预焙槽的定时下料 由于电解质中的氧化铝浓度不能在线连续检测，而发生阳极效应时氧 化铝浓度可视为1 5 左右，因此，中部加工预焙槽的定时下料是指若干次 固定时间间隔的正常加料( 简称n b ) 后，停止加料，直到阳极效应( 简 称a e ) 发生【15 ”】。用停止加料到a e 来临这一段a e 等待时间和a e 的热 量，来消耗和清理由于电解槽氧化铝消耗速度和人为确定的n b 间隔不匹 配而导致的氧化铝积存。当电解槽进入a e 等待阶段后，计算机的a e 预 报程序作出了a e 预报，并通过槽况解析确认当前槽况正常无必要让a e 发生，便不等待a e 发生就进行加工( 即a e 预报加工) 。从a e 加工或a e 预报加工后。计算机又按固定问隔开始下轮下料周期。a e 发生和a e 预 报标志着积存的氧化铝已作清理，a 1 2 0 ，浓度被重新校正到1 5 左右。用 熄灭a e 和a e 预报加工投入的氧化铝量来控制重新开始加料后的氧化铝 浓度。 2 中部加工预焙槽的按需下料 中部加工预焙槽按需下料的基本原理是依据槽电阻与氧化铝浓度关系 5 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 曲线，当阳极效应来临之前，电解质中氧化铝浓度由于电解过程的消耗而 降低，使电解反应的极化电压中的可逆分解电压与阳极过电压以及气膜电 压增大，导致槽电压升高，当槽电阻上升到一定值或槽电阻斜率达到设定 值说，进行打壳下料操作。 美国凯撒铝业公司的w h g o o d n o w 提出一种按需下料【”j ，它利用每 次打壳下料后槽电阻相对于一个“电阻基值”上升歙来决定新一次打壳 下料操作。“电阻基值”为每次打壳下料操作后槽电阻由于氧化铝浓度增 加而f 降到的最小值。当每次下料量一致时，选择不同的出，可控制不 同的氧化铝浓度，触增大，平均氧化铝浓度下降。 w 口n f 仉 b u j 图l 槽电阻与氧化铝浓度关系 美国霄诺金属公司c l a u d ea w “s o n 和a l t o nt ，t a b e r e a 啪【提出了一种 改进的中部加工预焙铝电解槽的按需下料方法f ”2 ”，它利用槽电阻对时问 的斜率d r d t 来推断氧化铝浓度，改进的按需下料方法由下列步骤构成。 ( 1 ) 最小方差拟合n 个( 槽电阻值，时间) 数据对来计算槽电阻对 时间的斜率d r d t ： ( 2 ) 电阻一时间关系拟合的相关系数s 2 ； ( 3 ) 条件满足时，执行一次打壳，下科操作。 a ，斜率d r d t 高于下限、低于上限； b 相关系数s2 超过设定值； 6 ：一k，i苫j苎盎-op苫芷 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 c 打壳下料最小周期已超过。 电解质中的氧化铝浓度最低值，亦即每次按需下料的打壳下料操作前 的氧化铝浓度，取决于设定的斜率下限值，斜率。f 限值越高，氧化铝浓度 最低值将越小，斜率上限值和相关系数用于排除阳移、出铝、换极等操作 对槽电阻斜率计算的干扰，以免对氧化铝浓度产生误判断。 3 点式下料预焙槽的按需下料 由于目前氧化铝浓度仍不能在线检测，因此现代点式下料预焙槽的按 需f 料控制技术仍是以槽电阻作为主要控制参数。当前各种点式下预焙槽 的按需下料控制技术的共同理论依据是，在槽况正常稳定而且极距变化基 本不改变阳极底掌形状时，槽电阻、a 1 2 03 浓度、极距这三个参数之间存 在着如图1 所示曲线的定性关系2 ”。各种按需下料技术均将a l2 03 浓度工 作区设置在图l 所示曲线的极低点的左侧，即低a l2 03 浓度侧，极低点的 位置随电解质的组成与温度等工艺条件的不同而波动在3 一4 的范围 内。将a 1 2 03 浓度控制在低a 1 2 03 浓度侧，不仅满足了现代采用“低温、 低分子比”工艺技术条件的要求，而且由于在低a 1 2 0 ，浓度区，i 丢等 百值 很大，亦即槽电阻对a 12 0 3 浓度的变化很敏感，因此，当有意识地将下料 过程安排为“欠量下料”与“过量下料”周期交替进行时，a 1 2 03 浓度的 变化就会反映到槽电阻的变化中，而不至于使a 1 2 03 浓度变化信息被其它 影响槽电阻的因素所干扰。通过跟踪槽电阻及其变化速率( 对时间的斜率 d r d t ) 便可以推测a l2 0 ，浓度和进行欠量与过量两种下料状态的切换，最 终达到将a 1 2 0 3 浓度的波动限制在预定的工作区的目的。 保证a 1 2 03 的浓度跟踪成功的关键是维持电解槽的热平衡以保证炉膛 稳定，因为当电解槽走向热行程时，炉膛熔化，铝水平下降，相应极距增 加，熔体电解质量增加，氧化铝浓度下降，这将导致槽电阻一a 1 2 03 浓度 关系曲线发生飘移，使a l2 0 3 浓度的跟踪产生很大的误差。对于现代采用 小加工面的预焙槽，可以观察到，当热平衡良好、槽况稳定时，炭索阳极 的消耗率小于铝液高度的增长率，极距轻微或逐渐减小，但是只要欠量下 料和过量下料的“欠”与“过”的程度安排合适，极距的短时间微小的变 化就不足以掩盖槽电阻变化中所包含的a 1 2 0 ，浓度的信息。 当前国际上有代表性的点式下料按需控制技术可归为三类：( i ) 槽电 阻区域( r k r o ) 跟踪控制法【2 2 】；( i i ) 槽电阻对时间斜率( d r d t ) 跟踪 7 中南大学硕学位论文 第一章文献综述 控制法52 “4 】；( i i i ) 槽电阻对a 1 2 03 浓度斜率( d r d a l 2 03 ) 跟踪控制法 【1 7 】。 1 5电解槽热平衡和物料平衡分析 电解槽在生产过程中存在着热平衡和物料平衡，人们一直希望能够借 助于现代的计算机控制系统有效地维持这两个平衡，从而减少对电解槽的 人为干扰，同时也可减轻操作人员的劳动强度。 热平衡和物料平衡是铝电解槽计算机过程控制的核心内容。当电解槽 的热量收支和物料供需平衡时，电解槽能够高效、平稳、正常运行。但是， 当电解槽的热量平簿或和物料平衡遭到破坏时，电解槽将失常，出现病 横。为此，分析一下电解槽的热平衡或和物料平衡遭破坏时电解槽的症 状。 1 s 1 热平衡遭破坏 此时，q q 目q 一、q 自分别表示电解槽的热收入和热支出。 1 冷行程 电解槽处于冷行程状态时，qx q 女，q = q 一q 女 qm ，q = q 一一qm 0 ，称为热槽。 症状：电解质温度升高；电解质水平上涨；电解质颜色发亮，流动性 极好，阳极周围出现汹涌澎湃的沸腾现象；碳渣与电解质分离不好，在相 对静止的液体电解质表面有细粉状碳渣漂浮，用漏勺捞时碳渣不上勺，表 面上的静止结壳变薄，中间下料槽的下料口结不上壳，多处穿孔冒火，且 火苗黄而无力，炉膛变大，铝水平呈下降趋势，炉底温度升高，阳极效应 滞后发生，阳极电压过低等状况。 1 5 2 物料平衡遗破坏 总的症状是：电解槽发热。如果a 1 2 03 不足，则a e 频发，电解槽边 部伸腿熔化，炉膛瓦解，铝水平下降，出现热槽；如果a 1 2 03 过剩，则无 a e ，炉底生成沉淀，质碳分离不好，电解质电阻变大，炉底电阻增大，出 现冷槽。 1 6电解槽热平衡及热平衡控制研究 1 6 1 电解槽的热平衡 1 热平衡对铝电解的影响 自从电解法炼铝诞生以来，人们对降低铝电解能耗的研究就没有停止 过。探索降低铝电解能耗的途径，就不能不对铝电解槽的能量分配及能量 平衡关系进行探讨，否则这个探索就是盲目的。生产实践证明，不同状态 的能量平衡，所维持的铝电解槽的生产水平大不相同。目前，人们普遍认 识到，低温电解是提高电流效率，降低能耗的重要途径。但是，如何降低 电解槽的温度，温度降低以后如何保持适宜的能量平衡，则是一个不容易 掌握的问题。 铝电解稽在生产中的电热特性，特别是阴、阳极内部的温度分布、电 压分布和热平衡状况，对铝电解过程的良好运行及技术经济指标具有直接 影响。 在锅电解过程中，电流效率与热平衡之间通过热力学和流体动力学发 生相互影响2 “。 9 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 总的还原反应是吸热的，而且，由于再氧化反应过程中放出的热量比 较低，反应热随着电流效率的提高而增大。由于传质条件的变化而引起的 电流效率变化将会导致能量的不足或过剩。这主要发生在电解质空隙中， 因为在这些空隙中由于传质而引起了电流效率的降低。其他诸如法拉第电 流的损失等而引起的电流效率降低都将进一步减少对化学反应热的吸收作 用，从而导致局部能量过剩。 热平衡直接影响到电解质的温度和组成。也影响到电解槽中液体电解 质的体积以及电解槽边部凝固和结壳的形状和厚度，而电解槽边部凝固和 结壳决定着电解槽操作空间的形状。电解质组成和温度决定着电解质的物 理性质以及电解质流动空间的几何尺寸，从而影响到气体的流动，引起电 解质铝液界面的扰动。电解质的组成和温度都影响到电解质的传质过程， 进而影响至b 金属铝的再氧化率。 研究表明，热平衡的变化程度将会通过下面的非线性关系影响到平均 电流效率：即使在维持其他条件相同的情况下，平均电流效率也将随着热 平衡变化程度的增加而降低。严重的热平循变化必然会通过引起电解槽槽 壳、电解质水平和铝液水平的改变从箍引起电解槽内部空间的剧烈变化。 电解槽热平衡对电解槽高效运行是至关重要的，为了加强生产工艺管 理水平，了解电解槽的热平衡情况是很有必簧的。因为保证铝电解槽正常 运转的关键是保持其能量平衡，即输入能量与输出的能量相当。对于正常 运行的电解槽来说，一般情况下当各技术条件保持稳定，电织槽能量平衡 在一定范围内变化时，其本身可以通过炉帮、伸腿的变化自动调节而不至 于破坏电解槽的正常生产。吴连成对l o6ka 上插槽的热平衡及其对生产 过程的影响进行了研究【26 1 ，认为电解槽精确的热平衡设计及其在生产过程 中的保持是基于该槽的计算机控制技术，特别是其中的电解槽运行状态诊 断技术的。 2 影响电解槽热平衡的因素 影响电解槽热平衡的因素很多，主要包括槽电压、电流、铝液水平、 阳极效应等等。其中对电解槽热平衡的影响最为直接的是槽电压、电流强 度的变化。其他任何可能引起槽电压、电流强度变化的因素都将影响电解 槽的热平衡。张泉林等2 7 1 在铝电解生产工艺改进实践过程中发现，铝液水 平、槽电压、阳极效应等工艺参数都会对铝电解槽热平衡产生影响。 ( 1 ) 槽电压、电流强度变化对电解槽热平衡的影响 i o 中南大学碰士学位论文第一章文献综述 在铝电解槽的稳定生产中槽电压和电流保持不变时，有利于电解槽 处于热平衡状态，即供入电解槽体系的能量等于反应过程所消耗的能量加 上从该体系损失的能量。但当电解槽电压或电流发生变化时，电解槽体系 内产生的总热量发生变化，电解槽原来的热平衡状态就会遭到破坏。粱芳 慧等28 1 通过计算研究1 6 0 k a 大型预焙槽电压和电流的变化对电解槽热平 衡及其他状态的影响。 当其他条件不变时，槽电压的升高会使电解槽体系中总能量增加。如 果槽电压的升高幅度保持长时间不变，铝电解槽将通过对环境散热量的增 加对体系进行调节，最终达到新的热平衡。同理，电解槽系列电流的变化， 对铝电解槽也将产生类似的影响4 2 ”。 铝电解槽内的热量在侧部是通过槽帮结壳、侧部炭块、侧部耐火砖及 槽壳等结构传递到周围环境的。当电解槽的电压或电流增大时，电解槽内 的总热量会增加，增加的热量首先使电解槽内的电解质和铝液熔体的温度 升高。熔体温度的升高会引起槽帮结壳表面部分的温度升高，当超过电解 质的初晶温度时，结壳就熔化，槽帮结壳厚度减小。这样，热量经过侧部 向外界环境传递时时所遇到的热阻就减小，传递的热量增加。与此同时， 槽帮结壳的熔化，又会引起电解槽内电解质熔体的分子比升高，即电解质 熔体的初晶温度又升高，这种作用又减小槽帮结壳熔化的趋势。在这两方 面的作用下，电解槽最终将达到新的热平衡状态也就是说，当电解槽内 槽帮结壳熔化到一定厚度时，电解质熔体的初晶温度升高到一定值，此时， 电解槽表面向外散发的热量的增加值正好与相同时间内由于槽电压的升高 而引起的槽内热量的增加相等。 当电解槽处于理想的工作状态时，若随着槽电压或电流增大，则电解 槽的电流效率呈现降低趋势。槽电压每升高o 1 v ，电流效率降低约o 6 。 这是因为当槽电压升高时，会引起槽膛内电解质结壳的熔化，铝液镜匿增 大，铝的溶解损失就增加；电解温度的升高，使铝的溶解损失速度加快， 单位时间内铝的溶解损失增加，这两方面的作用使得电流效率降低。 糟电压升高，槽膛内产生的热量增加，达到新的热平衡时，分子比升 高，电解质熔体的初晶温度升高，电解温度也随之升高，槽电压每升高 o 1 v ，电解槽内单位时间就比电压升高以前多产生1 6 k w 的热量，电解质 初晶温度升高大约2 6 。这样，电解槽生产中的能耗就增加。同时，电 解质结壳的熔化，又增大了阴极铝液的镜面，使铝的溶解损失增加，电流 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 效率降低。结壳的熔化，还减小了热量线外传递的热阻，使电解槽整个结 构的温度都有所升高。如果槽电压升高幅度过大，持续时间又比较长，就 有可能造成电解槽的侧部烧穿事故，给电解槽的生产带来极为不利的影响。 同样，也可以分析电流的变化给电解槽的正常生产带来的影响。当电 流增大时，电解槽生产的电耗会增加，电流效率会降低。电流增大3 k a ， 电流下降0 2 ，电解质的初晶温度升高1 左右。 由此可见，槽电压和电流是影响铝电解槽热平衡状态的重要因素。为 了能够使电解槽维持在良好的热平衡状态条件下稳定运行，在操作工艺条 件确定的情况下，保持电解槽槽电压和电流的稳定就显得非常关键。 ( 2 ) 铝液水平对电解槽热平衡的影响 电解生产实践表明，铝液水平要和其它技术条件相适应。过高的铝液 水平容易使电解质冷缩，保持不住所要求的电解质水平，从而使电解质溶 解氧化铝的能力下降，沉淀增多，炉膛变小a 铝液水平过低时，电解槽有 明显的发热现象，使铝损失增大，降低电流效率。壬洪也认为，适当的铝 液高度有利于电解槽的热平衡”】。因为在工业电解槽上阳极下部总是有多 余热量产生，使此处温度较侧部高，影响电流效率。如果槽内有适宜的铝 液水平，因其导热性好，可较快的将多余热量导出，降低温度，提高电流 效率。 ( 3 ) 阳极效应对电解槽热平衡的影响 阳极效应的频繁发生，将会直接影响电解槽的正常生产。定量、均匀、 保持低氧化铝浓度的加料方法，维持较低的阳极效应系数，是取得电懈铝 生产稳定高产的可靠保证。 1 6 2 电解槽热平衡控悯研究 热平衡是在铝电解生产中需要进行控制的重要内容。传统的铝电解工 艺采用以高分子比为特征的工艺技术条件，热平衡可在较大的范围内变化， 因此对热平衡控制没有严格的要求。近2 0 年来国际铝业界的科学研究和现 代化生产系列的生产实践均表明，降低锅电解质分子比，维持电解槽良好 的热平衡状态是提高铝电解电流效率的有效途径，因此低分子比状态下稳 定的热平衡操作是现代高效节能铝电解槽的重要标志。然而随着分子比的 1 2 中南大学颈士学位论文 第一章文献综述 降低，铝电解过程容许的工艺参数的变化范围显著变小，对外界的干扰越 来越敏感，热平衡控制的稳定性对电解槽状态的稳定性起着决定性的作用， 嘲此传统的依赖人工凭经验调整分子比等参数维持电解槽热平衡状态的做 法很难保障电解槽在低分子比和稳定稳定运行。 为了实现电解槽热平衡稳定操作，人们一方面不断改进电解槽的设计 水平，另一方面不断提高电解槽的自动控制水平。对于一个已建成的生产 系列，提高自动控制水平更具有显示意义。由于常规控制方法难以满足以 低分子比为主要特征的新型工艺技术条件下对电解槽热平衡自动控制系统 性能的要求，因此8 0 年代以来国内外针对铝电解槽是一个多变量、非线性、 时变，具有模型不确定性的复杂被控对象这种特点而逐步引入了智能控制 技术，如法国的基于推理规则的下料控制方法f ”】；挪威的自适应控制技术 7 ；加拿大的铝电解专家系统3 2 33 】；我国的智能模糊控制技术3 4 3 ”。已 有的控制技术着重于解决低氧化铝浓度的稳定控制问题，因为这是低分子 比热平舞稳定运行的基本保障。虽然国内外也研究开发了以人工定期检测 的分子比和电解质温度等参数为输入变量的热平衡控制模型【”。”，但模型 较为粗糙，对熟平衡与其影响因素之闻的非线性关系考虑不足。这一问题 在设计水平先进且装备有氟化铝自动添加装置的电解槽上不太突出，但对 于目前我国众多的生产系列，因电解槽槽设计水平及自动化装备( 硬件) 条件落后，电解槽运行的稳定性和自平衡能力相对较差，因此维持电解槽 在低分子比下的热平衡稳定运行难度相对较大，因此要实现热平衡的自动 控制( 或对热平衡的调整提供决策支持) ，便对热平衡控制( 或决策) 模型 有着更高的要求。 热平衡控制，是指在电解槽生产过程中能量的输入和输出平衡的合理 控制。目前它主要是通过槽温的控制来实现的。近年来国内兴起了电解槽 温度场动态仿真的研究，它借鉴了电解槽设计过程中热场静态仿真的方法， 以电解槽的热场设计为基础，以电解槽生产过程中的工艺参数如电流、槽 电压电解质水平铝液水平覆盖料层厚度等为初始条件，对电解槽的温度分 布进行适时仿真，并以此结果为依据，对电解槽的状态进行判断，发出相 应的控制指令。 目前有一种观点认为，电解槽的热平衡不应该片面地控制温度，而应 该去控制电解质的过热度。应该说这更符合电解工艺理论，但难度也更大， 它除了需要仿真电解质的温度之外，还需要仿真电解质的成分或分子比。 中南大学硕士学位论文 箱一章文献综述 目前有一种做法是利用电解槽普遍存在的电解温度和分子比之问的相关关 系，利用已经仿真得出的槽温来求得分子比，这样就可以获得电解质的过 热度。总体上说这一部分的工作难度是相当大的，因而很难去具体实施。 黄永忠、王化章等的著作37 1 中有关于对电解槽的熟平衡估算进行研究 的报道。由于槽内电化学反应以及物料( a l2 0 ，、a 1 f3 等) 溶解所需的能 量可根据理论计算，且阳极更换的热耗也可针对特定的槽型和工艺制度按 试验统计得到，因此计算机定期用输入极间的能量减去以上几项可估算的 能耗( 热能) ，便得炉膛散热量的估算值。将估算值与标准值比较，可为目 标槽电阻设定值的调整提供一个参考依据。 王瑞奇在研究电解槽的在线动态仿真时对电解槽的熟平衡进行了研 究【”】。认为动态仿真实际上是根据电解槽能量收入和支出的不断变化，不 断对槽内体系能量平衡行模拟。电解擒能量收入是指输入电功率所给入的 能量而能量支出则包括电化学反应消耗能量，熔体、原料及槽结构本身 加热所需的能量以及各种能量损失。以某一时刻的能量平衡点为基准，对 任一扰动之后的能量平衡状态进行重新计算，得到一新的平衡点。新的平 衡点将会产生新的电解质结晶温度，对应新的电解温度和最后新的槽膛内 型。因此。根据能量收支的变化，可对电解温度和槽膛内型作出动态预报。 其中影响电解槽能量收支的因素分静态和动态两种。静态因素主要是指槽 体结构，周围环境( 环境温度，气体流速) 等对电解槽产生长期影响效果 的因素。动态影响因素是指那些变化频繁，随机性大，对电解槽操作立即 产生影响的因素。例如系列电流，槽电压、阳极效应、加料、出铝、换极、 边郝加工等。 众所周知，极距控制有两个目的，一是维持正常的极距，二是通过调 节极距改变铝电解槽的能嚣输入，实现对槽热平衡状态的控制。长期以来， 极距控制是通过将( 平均) 槽电阻控制在目标控制区域( 即非调节区) 内间接 实现的，此即所谓的目标电阻控制法。因为极距的轻微变化可导致槽电阻 的显著变化，所以若单纯从维持正常极距这一角度考虑，则无需对目标控 制区域的设定提出严格的要求。基于这一理由，掇距控制( 包括槽电阻目标 控制区域的设定) 主要是针对热平衡控制的需要进行的。然而，遗憾的是至 今国内外尚无好的方法解决热平衡状态的在线检测或估计问题，故无法实 现对热平衡的精确控制。众所周知，保持铝电解槽最佳的热平衡状态是获 得最佳技术和经济指标的关键之一，因此实现对热平衡的适时监控是长期 1 4 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 以来铝电解研究人员急待解决的问题。 由于电解槽内熔体里高温、高腐蚀性，因此，传统的接触式传感器不 能长期连续正常工作，故仅用于手工检测或短期试验中，非接触式传感器 又因电解槽表面覆盖着一层厚度可变的结壳而难以凑效。于是一些研究者 将侧部炉帮( 金属槽壳内壁或外壁) 温度或侧部热流量作为在线检测信号引 入计算机控制系统的热平衡监视模型中3 9 4 ”，但我们及其他人的研究均表 明【”) ，测部炉帮温度反映槽内熔体热平衡变化的滞后时间长达1 数小时， 且受到炉帮厚度变化的干扰，因此只能用于槽况的中长期变化趋势的定性 分析而不能用于热平衡的适时监控。为对热平衡进行适时监控，当前国际 上一些先进的控制系统中采用了基于能量收支估算的热平衡估算模型，将 估算的槽散热速率作为热平衡的控制变量，但因电解槽的综合散