（机械工程专业论文）铝电解槽槽壳温度在线检测研究.pdf

ad i s s e r t a t i o no fm a s t e ri nm e c h a n i c a r e s e a r c ho ns h e l lt e m p e r a t u r e m o n i t o r i n go f a l u m i n i u mp o t b y l i uz a i y u n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gl e i v i c es u p e r v i s o r ：s e n i o re n g i n e e r w a n gx i a n g q i a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 7 巅砖k ： 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：纠职 e l 期：娜年7 l 月，o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 一， ， 一 导师签名： 签宰日期， j n ， 伽 茸 二 j i 东北大学硕士学位论文 铝电解槽槽壳温度在线检测研究 摘要 预焙阳极铝电解槽是我厂主要的生产设备，因此它的各种技术条件的匹配情况是否 处于最佳状态，对于提高电解电流效率和产品质量以及企业的经济效益具有十分重要的 作用。准确及时地掌握各种技术参数的变化情况，一直是铝电解人梦昧以求的目标，传 统的办法是通过仪器、仪表等测量工具进行人工检测，这样，不但有人为的测量或分析 误差，而且在很大程度上增加了工人的劳动强度，对于提高企业劳动生产率很不利，特 别是在测量电解槽散热孔、阴极钢棒以及炉底钢板温度时，因为测量点多、测量时间间 隔短，这种现象就表现得更为明显。 铝电解槽的热平衡和炉膛内形对电解槽内电流分布、熔体流动、电流效率、吨铝能 耗和槽寿命等均有显著影响，反过来，工艺参数和操作质量又影响着电解温度和炉膛内 形。实时监测电解槽外壳温度变化情况，定期了解电解温度和电解质初晶温度，把握炉 膛内形变化的实质，确保大容量电解槽具有良好的电、热、磁、流等特性，对于铝电解 槽结构与工艺参数的优化及生产过程的控制具有十分重要的意义。 本论文旨在通过槽壳温度的在线检测，同时利用所获得的电解温度、电解质初晶温 度和过热度，建立可靠的电解槽温度测量模型和炉膛内形计算机仿真模型，利用软测量 原理与技术，开发炉膛内形的仿真软件，实现炉膛内形的在线检测，对大型铝电解槽内 衬温度和炉膛内形进行优化研究，最终实现多槽的槽内温度和炉膛内形的实时在线检测 与显示，为工艺管理人员提供操作决策依据和指导，最终达到保证电解槽平稳高效运行、 提高电流效率、降低能耗和延长槽寿命的目的。 r 关键词：铝电解槽；槽壳；在线检测；炉膛内形；仿真计算 i i - l ， 东北大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ns h e l lt e m p p r e b a k e d a n o d ea l u m i n i u mc e l l v a r i o u st e c h n i c a lc o n d i t i o n si nam a t c hs i t u a t i o ni st h eb e s ts t a t ef o rr a i s i n gt h ee l e c t r o l y t i c c u r r e n te f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l t i t y , a sw e l la st h ee c o n o m i ce f f i c i e n c yo f e n t e r p r i s e sav e r y i m p o r t a n tr o l e a c c u r a t ea n dt i m e l yg r a s po ft h ev a r i o u st e c h n i c a lp a r a m e t e r sc h a n g e ，w h i c h h a sa l w a y sb e e nad r e a mo fi g n o r a n tp e o p l et oe l e c t r o l y t i cg o a l ，t h et r a d i t i o n a la p p r o a c hi s t h r o u g ht h ei n s t r u m e n t s ，m e t e r sa n dm a n u a lm e a s u r e m e n tt o o l st om o n i t o r , s ot h a tn o to n l yt h e p e o p l eo fe r r o ro fm e a s u r e m e n to ra n a l y s i sb u tt oal a r g ee x t e n ta ni n c r e a s ei nt h el a b o r i n t e n s i t yo ft h ew o r k e r s ，a n di m p r o v i n gt h el a b o rp r o d u c t i v i t yi sv e r yn e g a t i v e ，e s p e c i a l l yi n t h eh e a t m e a s u r i n gc e l l ，t h ec a t h o d es t e e lb a ra n db o t t o mp l a t et e m p e r a t u r e ，a sm e a s u r e dw i t h m a n yp o i n t s ，m e a s u r e m e n tas h o r tt i m ei n t e r v a l ，t h i sp h e n o m e n o ni se v e nm o r ea p p a r e n to nt h e p e r f o r m a n c e t h ee l e c t r o l y t i ct a n kf u r n a c eh e a tb a l a n c ea n ds h a p ew i t h i nt h ec u r r e n td i s t r i b u t i o n w i t h i nt h ec e l l ，m e l tf l o w , c u r r e n te f f i c i e n c y , e n e r g yc o n s u m p t i o na n dt o n so fa l u m i n i u ms h a f t s l i f e ，a n ds oh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c t ，i nt u r n ，p r o c e s sp a r a m e t e r sa n do p e r a t i n gp a r a m e t e r sa l s o a f f e c tt h eb e dw i t h i nt h ef u r n a c et e m p e r a t u r ea n ds h a p e r e a l - t i m em o n i t o r i n go fc h a n g e si n t e m p e r a t u r ee l e c t r o l y z e r s h e l l r e g u l a r l yu n d e r s t a n d i n go ft e m p e r a t u r ea n de l e c t r o l y t e e l e c t r o l y s i sp r i m a r yt e m p e r a t u r e ，t h ef u m a c ei nt h es h a p ec h a n g e sg r a s pt h ee s s e n c et oe n s u r e t h a tt h el a r g e - c a p a c i t ye l e c t r o l y z e rh a sg o o de l e c t r i c a l ，t h e r m a l ，m a g n e t i c ，f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ， a l u m i n i u mc e l lt h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o np a r a m e t e r sa n do p t i m i z et h ec o n t r o lo ft h e p r o d u c t i o np r o c e s si so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sd i s s e r t a t i o ni sa i m e da t t r o u g h s h e l l t h r o u g h t h eo n - l i n em e a s u r e m e n t t e m p e r a t u r e ，o b t a i n e db yt h eu s eo fe l e c t r o l y s i st e m p e r a t u r e ，e l e c t r o l y t et e m p e r a t u r ea n d o v e r h e a t i n gp r i m a r y , t h e e s t a b l i s h m e n to far e l i a b l em o d e lo ft h ec e l l t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tw i t h i nt h ef u r n a c ea n ds h a p e dc o m p u t e rs i m u l a t i o nm o d e lm e a s u r i n gp r i n c i p l e w i t ht h eu s eo fs o f tt e c h n o l o g y , i nt h e s h a p eo ft h ef u r n a c ed e v e l o p m e n ts i m u l a t i o n s o f t w a r e ，i nt h es h a p eo ft h ef u r n a c et oa c h i e v eo n l i n em o n i t o r i n go fl a r g ea l u m i n i u mc e l l l i n i n go ft h ef u l t l a c et e m p e r a t u r ea n ds h a p eo p t i m i z a t i o ns t u d i e s ，t h eu l t i m a t er e a l i z a t i o no f i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t m u l t i g r o o v ew i t h i nt h ef u r l l a c et e m p e r a t u r ea n db e d a n dt h er e a l - t i m eo n 1 i n em o n i t o r i n g ，f o r t h eo p e r m i o na n dm a n a g e m e n to ft h eo p e r a t i n gb a s i sf o rd e c i s i o n - m a k i n ga n dg u i d a n c e ，a n d u l t i m a t e r l ya c h i e v i n gas m o o t he l e c t r o l y z e rg u a r a n t e ee f f i c i e n to p e r a t i o na n di m p r o v et h e c u r r e n te f f i c i e n c y , r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n de x t e n dt h el i f eo f t h r o u g hp u r p o s e k e y w o r d s ：e l e c t r o l y t i cp o ts h e l l ；t e m p e r a t u r e ；o n - l i n em o n i t o r i n g ，s h a p ei n - f u r n a c e ； s i m u l m i o n i v ， l 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 本论文研究目的和意义1 1 2 背景3 1 3 目标和内容6 第2 章影响铝电解温度检测和炉膛内形的因素8 2 1 铝电解的工作原理8 2 1 1 铝电解的生产工艺流程8 2 1 2 铝电解的基本原理8 2 2 影响槽壳温度和炉膛内形的主要工艺技术参数1 0 2 2 1 系列电流强度。1 0 2 2 2 槽电压。1 0 2 2 3 极j 距11 2 2 4 电解温度1 1 2 2 5 电解质成分1 2 2 2 6 电解质水平和铝液水平1 2 2 2 7 阳极效应系数1 3 2 3 影响槽壳温度和炉膛内形的铝电解槽结构1 3 2 3 1 铝电解槽的分类。1 3 2 3 2 预焙阳极铝电解槽的结构1 4 2 4 影响槽壳温度和炉膛内形的铝电解槽的主要操作1 4 2 4 1 阳极更换。1 5 2 4 2 效应熄灭15 2 4 3 出铝1 6 2 4 4 扎边部16 第3 章铝电解槽温度检测系统的研发1 7 3 1 引言1 7 v 东北大学硕士学位论文 目 录 3 2 槽壳温度检测的意义1 7 3 3 槽壳温度检测系统硬件18 3 3 1 概要：18 3 3 2 系统硬件结构18 3 3 3a d a m 模块18 3 3 4 安装方式；1 9 3 3 5 工作流程2 1 3 3 6 抗干扰措施2 2 3 4 槽壳温度检测系统软件2 3 3 4 1 总体设计2 3 3 4 2a d a m 模块的设置。2 3 3 4 3 软件主要功能2 3 3 4 4 系统技术指标2 6 3 5 系统应用的工艺结果分析2 6 3 5 1 铝电解生产过程中的扎边作业对电解槽壳温度以及炉帮变化情况的影响2 6 3 5 2 铝电解生产过程中的吸出作业对电解槽壳温度以及炉帮变化隋况的影响。2 8 3 5 3 铝电解生产过程中的效应对电解槽壳温度以及炉帮变化情况的影响。2 9 3 5 4 电解温度的保持与炉帮厚度、槽壳温度三者之间的关系3 1 3 5 5 不足之处3 3 3 6 误差分析3 3 第4 章炉膛内形的仿真计算3 5 4 1 概述3 5 4 1 1 炉膛内形的研究。3 5 4 1 2 炉帮的作用3 5 4 1 3 炉膛内形的影响因素3 6 4 1 4 炉膛内形的实验研究方法。3 7 4 2 炉膛内形的数值方法3 9 4 2 1 数值方法概述3 9 4 2 2 数学模型。4 0 4 2 3 控制方程的离散化4 1 4 2 4 定解条件4 3 4 2 5 焦耳热的计算一4 4 v i ， 东北大学硕士学位论文 4 2 6 算法描述 4 3 仿真结果 第5 章结论和建议 5 1 结论j 4 9 5 2 建议4 9 参考文献5 1 致谢5 3 ， t i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本论文研究目的和意义 现在全世界铝产量约为3 0 0 0 万吨，仅次于钢铁产量，居各种有色金属的首位。我 国原铝产量在2 0 0 6 年多达9 2 2 万吨，并且呈现逐年上涨的趋势，预计2 0 1 0 年达到1 2 0 0 万吨以上。我国氧化铝产量2 0 0 6 年达1 3 6 9 万吨，年需求量更大，由于原料和能源供给 严重短缺，5 0 将来自于进口。 霍尔埃鲁特电解炼铝法自诞生一百多年来，一直是工业上大规模炼铝的唯一方法， 其本质是将电能转换成化学能和内能以换取金属铝。如何提高技术经济指标、降低生产 成本一直是铝业科技工作者的重要研究课题。 铝电解槽是炼铝的主要设备，同时它又是一种高能耗的设备，电耗一项就占原铝成 本的4 5 左右，且电耗又是铝电解生产中一项主导性的技术经济指标。只要电耗能降下 来，其它经济技术指标也会相应的得到降低。铝电解槽能否稳定地进行生产，直接关系 到电流效率、阳极毛耗、原铝产量以及质量等技术经济指标的好坏，因此，如何稳定地 控制铝电解槽生产过程，实现最好的生产经营效果在电解生产中至关重要。铝电解主要 技术参数包括电流、电压、极距、铝液水平、电解质水平、电解质温度、电解质成分、 阳极电压降以及效应系数等等。在生产过程中，通过计算机有效地监控这些技术条件具 有重要意义。应用先进的电解槽控制技术是电解工业今天能达到高效低耗的最重要保 证之一，在当今铝电解工艺技术逐渐趋于成熟的情况下，世界各大铝业集团和研究机构 无一不把重点放在研究、开发和使用先进的铝电解工艺控制技术上，以进一步提高管理 水平，优化技术条件控制，取得最佳的经济效益。铝电解过程控制水平低，正是造成我 国许多大型预焙电解槽效率低的最重要的原因之一。 对于铝电解生产来说，主要有这几个控制目标： ( 1 ) 提高铝电解槽运行稳定性，提高电流效率，降低能耗； ( 2 ) 减少辅助原料的消耗； ( 3 ) 延长电解槽寿命； ( 4 ) 控制和减少污染物的排放。 这些目标中，第一个目标最为重要，它贯穿整个电解生产的技术管理与操作，它直 接关系到后三个目标能否成功实现，因此，提高铝电解槽运行稳定性，提高电流效率， 降低能耗，不仅可以增加铝产量，而且也相应的改善了其它的经济技术指标，降低生产 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 成本，因此提高铝电解槽运行稳定性，提高电流效率，降低能耗一直是铝电解生产中的 一个中心任务。 稳定规则的炉膛内形是铝电解槽平稳运行，实现上述控制目标的基础。本论文的出 发点就是通过利用先进的控制技术，在线检测电解槽的散热孔温度及炉底钢板温度，通 过其温度变化了解炉膛的变化情况，探索电解槽自我热调节规律，为技术条件调整提供 科学的判断方法和依据，从而实现提高电解槽的稳定生产，改善经济技术指标，降低生 产成本的目的，同时为进一步提升电解工艺研究创造一个更高的平台。 在铝电解生产过程中，电解槽达到正常生产阶段的一个重要标志是炉膛内壁上已经 牢固地长着一层电解质结壳( 炉帮) ，使炉膛有稳定的内形。这层结壳是电和热的不良 ， 导体，能够阻止电流从槽侧部通过，抑制电流漏损，减少电解槽的热损失，保护阳极四 周的炉底，把槽底的铝液挤到槽中央部位，使铝液的表面积收缩，有利于提高电流效率 和生产率。因此，现代铝电解生产上十分重视炉膛内形，要求炉膛规整而又稳定，让电 流均匀地通过槽底，防止其局部集中。 然而，在电解过程中，炉膛内形并非经常保持一定的形状。研究表明，工艺技术条 件变化和操作对炉膛内形都有较大的影响。因此，怎样实时地掌握炉膛内形的变化，为 生产技术管理提供优化决策依据就显得非常迫切。 开发铝电解槽槽壳温度的在线检测，实现炉膛内形的仿真计算，主要基于以下原因： ( 1 ) 由于现场环境恶劣( 磁场高达4 0 高斯、温度高、灰尘大) ，劳动强度大，人 工测量受到环境、体力、责任性等因素影响，很难保证数据的准确性，另外，由于熔融 电解质具有强腐蚀性，目前还没有更好的手段解决直接测量炉膛内形问题。 ( 2 ) 人工测量，每次打开氧化铝壳面点较多，加大了电解槽的热损失，同时产生 大量的沉淀，破坏了电解槽的正常工况，特别是在天气温度较低及限电的情况下特别突 出。 ( 3 ) 人工测量的数据还必须经过处理才能反映出炉膛的形状，由于人工测量点数。 有限，时间上不连续，因此人工测量数据反映出的炉膛形状存在不能完全反映炉膛的真 实内形，产生较大的失真。 ， ( 4 ) 随着电解工艺技术的不断提高，迫切需要掌握电解槽内部更多的准确信息， 因此，开发出能适时在线真实反映电解槽炉膛内形的先进控制技术成为必然。 ( 5 ) 随着科学技术的进步，使得开发出能适时在线反映电解槽炉膛内形的先进控 制技术成为可能，结合铝电解生产的特点，可以通过测量一些能反映电解槽炉膛形状的 间接数据( 槽壳温度) ，利用计算机模拟技术实现铝电解槽炉膛的在线仿真。 ( 6 ) 开发铝电解槽炉膛在线计算机模拟仿真技术，可以进一步提升电解工艺的研 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 究，譬如技术参数、技术条件变化、操作等对炉帮及炉膛内形的影响。 目前，国内外广泛采用的方法是：通过测量能反映炉膛内形特征的间接数据，建立 数学模型，模拟出电解槽炉膛内形及变化情况。其突出优点表现在：投资省、见效快、 研究开发周期短，以及能适应一些试验无法实施的特殊的约束条件。 本论文旨在通过在线检测电解槽的散热孔温度，炉底钢板温度，通过其温度变化了 解炉膛的变化情况，探索电解槽自我热调节规律，为电解槽的稳定生产提供有效的判断 方法和依据。同时开发电解槽温度场的仿真程序，在线显示槽内衬温度和炉膛内形，以 供电解槽控制系统根据其提供的信息对电解槽的炉膛内形进行诊断，找出实际生产中可 能存在的问题，对电解槽的下一步操作提出合理的建议，对可能出现的问题及时提示或 报警。 铝电解槽壳温度在线检测技术的研究，对电解生产来说具有以下几方面重要意义： ( 1 ) 结合相关操作、控制工艺研究，实现电解温度、槽壳温度变化与侧部炉帮形 成情况之间联系规律的定量化，结合炉膛内形仿真模型进行计算机仿真模拟真实再现电 解槽炉膛形状，为电解生产稳定运行多了一条判断分析途径。 ( 2 ) 实现电解温度、分子比、电压、系列电流等技术条件控制对炉帮厚度影响关 系做出较为准确的判断，增强对铝电解槽发展趋势预知。 ( 3 ) 掌握在电解槽的整个生产周期内，特别是由非正常期到正常期这一阶段，不 同时期电解槽各局部炉帮的形成情况及速度，以及在正常生产阶段技术条件和技术指标 与炉帮厚度即炉膛大小的关系。 该研究有利于铝电解槽炉帮形成情况的进一步稳定，有利于铝电解技术条件的进一 步稳定控制，从而有效保证铝电解生产的平稳运行，最大限度地发挥其电能效率，最终 达到进一步推动铝电解生产管理水平和科技进步，对进一步提高铝电解生产的各项技术 经济指标有着极其重要的促进意义和提高作用；另一方面，这一技术对铝电解生产中破 损槽的维护和防止发生漏炉等异常现象同样有着极其重要的作用；同时为铝电解槽控制 技术拓宽了思维空间，最终达到提高铝电解生产管理水平的目的。 1 2 背景 在铝电解槽中关于炉膛内形的研究，由于涉及到槽内衬结构及其传热，铝液和电解 质流动以及槽壳散热等诸多因素，在数值计算中常常要综合考虑电、热、磁、流和应力 场以及它们相互之间的耦合关系，因此，数据计算工程繁复、工作量大。在十九世纪六 十年代以前，数值法基本上处于徘徊状态。七十年代后，随着电子技术的不断进步，国 际上越来越多地采用数值计算方法来研究炉膛内形，并将该方法引入到新槽优化设计及 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 旧槽技术改造上来，取得了显著的经济效益。 与国外相比，国内在铝电解槽炉膛内形数值计算方面的工作起步较晚，直到8 0 年 代初才开始这方面的具体研究。在消化、吸收国外先进技术资料的基础上，开发出了热 场、磁场和应力场的数值仿真程序。其研究成果在新建铝电解槽设计和旧槽技术改造中 得到了初步的应用。我国已经能够独立自主地设计和建造5 0 0 k a 大型预焙槽生产系列， 并取得了较好的技术经济指标。但与先进铝工业国相比，差距仍很大。 铝电解槽炉膛内形的数值研究以及发展是和铝电解槽热场的数值研究同步进行的， 目前方法基本可化为两大类：静态数学模拟法和动态数学模拟法。在静态数学模拟法研 究中，h a u p i n 率先于1 9 7 1 年提出了计算炉膛内形的一维纯导热模型。后来在一维模型 ， 研究中有意义的工作是邱竹贤等人利用“热流线”的概念，将传热二维模型转化为“热流 管”模型。而关于炉膛内形的静态数学二维数学模型研究和数值仿真在以往的研究中进 行得最充分，研究涉及各种不同边界条件、网格划分、计算方法及模型修正等方面。梅 炽等人提出的混合切片模型，介于二、三维之间，具有重要的意义。c l a i r 等人曾于1 9 6 7 年就研究过电解槽热电结构的三维模型，但由于完整的三维模型太过于复杂，在实际生 产中很少用到。 。 实际上，电解过程是一个动态过程，电解温度随着各种工艺技术条件的变化而变化。 槽内物料平衡和能量平衡较小的波动也对电解温度、槽内热分布、炉膛内形等影响很大。 。 因此静态数学模拟法在现实生产中的应用无疑受到了自身的限制。相对于静态数学模拟 法，动态数学模拟法的研究还不充分。第一个一维动态数值计算模型是t h a s h i m o t o 和 h i k e u e h i 两人于1 9 8 0 年提出的。k a p a u l s e n 等人则给出了计算炉帮、槽壁温度分布以 及热流量的一维动态模型。二维动态模型不论在计算精度还是在实用性方面都比一维模 型更为准确和合理，相关的研究也比较多。h p f u n d t 曾用二维动态模型来计算铝电解槽 的炉膛内形和槽体热损失；d o w 等曾对各种操作参数对电解质温度和槽内热分布的影响 作过研究；张明杰等通过测量我国北方某厂的电解槽动态热平衡研究了环境温度变化对， 电解槽热平衡的影响。梅炽等人采用“热平衡在线自校验”方法建立了二维与三维混合热 场动态仿真模型，对电解槽热场进行动态仿真，从而计算出炉膛内形。w s c h m i d t h a l t i n g 、 在二维模型的基础上，用三维动态模型来解析电解槽热场和炉膛内形。但动态三维模型 与静态三维模型一样过于复杂，计算量大，限制了在实际生产中的应用。 预焙铝电解槽的工艺过程是一种复杂的非线性时变系统，模型具有不确定性。氧化 铝浓度，极距和温度等参数的在线检测仍有困难。受这些限制条件的影响，阻碍了电解 过程监控系统自动化水平的提高。因此，铝电解过程的自动化程度远不如钢铁工业和化 工工业的自动化程度高。但铝电解槽也具有有利于操作和控制的特性，那就是它具有较 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 强的自平衡能力，这是因为槽内熔体处于较强烈的对流状态，且电解槽炉膛和槽面结壳 厚度可随温度变化而改变，因此通过创造一个次要因素少变或基本不变的环境，将一、 二个可变参数控制在一定范围内，便可以达到支配过程整体状态的目的。基于这样的原 因并随着机械化水平、计算机技术、自动化控制水平以及铝电解工艺水平的不断提高， 铝电解过程控制水平也取得了巨大的进步，到7 0 年代后期，大多数技术水平先进国家 已普遍实现铝电解生产的计算机控制和管理。 槽壳温度是电解槽运行中一个非常重要的参数，通常都是用红外线测温仪间隙性地 在槽壳上选择一些有代表性的点进行测量。虽然这样可以测量槽壳温度，但有很多不便 之处，如时间上不连续、空间上点数有限、不利于数据的保存和分析，所以用计算机建 立槽壳温度检测系统很有必要。同时，应用计算机进行现场实时、远程监控是当前生产 的主流趋势。通常使用的温度计、压力表以及输出为模拟量的仪表难以直接为计算机提 供数据输入，工控中广泛采用各种带串口的智能控制器来解决这个问题，a d a m 4 0 0 0 、 a d a m 5 0 0 0 系列就是其中性能优良、功能强大的一种。应用a d a m 数据采集模块，能够 实现对各种工程数据的采集、控制。a d a m 模块构成的控制系统采用了仪表化结构和 r s 4 8 5 通讯接口，吸取了集散控制和现场总线的特点，分散性和冗余性较好，操作方 便，特别是熟悉仪表的操作人员易于接受，是一种易实现、低成本的自动化控制方案。 国外铝电解过程计算机监控方法主要经历了以下几个阶段： ( 1 ) 以单槽电阻为控制参数的控制策略；它是先对槽电阻和设定标准槽电阻进行 比较，再根据比较的结果调整极距，从而达到维持基本正常的热平衡。 ( 2 ) 氧化铝浓度自适应控制：这种控制策略的主要依据仍然是槽电阻。但除了前 述的极距控制以外，还对氧化铝浓度进行了控制，是把氧化铝下料控制和基准槽电阻控 制结合起来的一种控制策略。 ( 3 ) 氧化铝浓度周期追踪控制； ( 4 ) 推理控制。 从控制效果上来看，后三种方法的控制效果差别不大( 第一种方法现在已经很少使 用) ，因此，每一种控制策略都是根据不同的槽型及特点提出来并应用到实际生产中。 尽管这些控制策略都得到了广泛的应用，但每种控制策略都还存在一些缺点。特别 是当应用于槽型设计不好的老电解系列时，难以获得预期的效果。例如：控制模型过于 简化，对异常槽况的考虑不周；系统性差，不同企业的电解槽的物理场特性、配套设备 的性能，所用原料的理化性能等诸多方面都存在很大差距，因此当逐步向新的工艺技术 条件靠近时，电解槽的自平衡能力和抗干扰能力显著变差，现有的控制技术很难维持， 不稳定的电解槽在新的工艺条件下长期稳定运行。 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 再看一下铝电解槽自控技术在国内的研究和应用现状。 我国铝电解槽自控技术的研究是从八十年代初引进日本1 6 0 k a 预焙铝电解槽后才 开始起步。 早期的主要工作是消化引进技术并进行翻版和移植。引进的应用软件的基本部分是 目标槽电阻控制加上定时下料控制。八十年代后期以来，我国在1 6 0 k a 和1 3 5 k a 两种预 焙槽上开展了准连续点式下料自适应控制技术的试验研究。为了实现使我国预焙铝电解 槽的技术经济指标达到或接近国际先进水平的目标，国家经贸委将“智能模糊控制技术 在预焙铝电解槽上的开发应用”作为“模糊控制技术”项目之分项，列入1 9 9 4 1 9 9 6 年度国 家重点技术开发项目( 国经贸技 1 9 9 5 1 0 8 号) 。其中一些课题是“智能模糊控制技术在 1 6 0 k a 预焙铝电解槽上的应用开发”和“专家系统技术在铝电解过程监控中的应用”。专家 系统是一个用基于知识的程序设计方法建立起来的计算机系统，它拥有某个特定领域专 家的知识和经验，并能象专家那样运用这些知识，通过推理，在那个领域内做出智能决 6 窭 柬o 1 3 目标和内容 ( 1 ) 建立槽体外壳温度在线检测系统 在电解槽壳的侧部和底部的关键部位敷设适量热电偶，对其温度进行在线检测。拟 在每台电解槽的外表面共计敷设1 4 1 支铠装k 分度热电偶，其中a 、b 两侧钢壳钢窗口 各5 7 支、两端各9 支、底部共9 支，实现温度参数的动态采集。热电偶与电解槽采用 焊接方式连接( 信号传输示意图以及测试点布线方案附后) 。基于s q l 数据库，建立槽 壳温度检测数据库。 ( 2 ) 研发槽内温度和炉膛内形的仿真软件 建立计算机仿真模型，利用软测量原理与技术，开发炉膛内形的仿真软件，实现炉 膛内形的在线监测。在严密跟踪和监视电解槽能量平衡的基础上，应用有限元方法，根 据槽壳温度以及相关的工艺参数，基于软测量原理，建立电解槽炉膛内形仿真准三维模 型；运用f o r t r a n 软件，开发电解槽温度场的仿真程序，在线显示槽壳与槽内衬温度 和炉膛内形。具体目标为：仿真和显示出当前状况下的炉膛内形情况；仿真和显示出当 前状况下的槽壳、内衬、炉帮等处的温度；将仿真结果的数据发送给控制系统，以对电 解槽的炉膛内形进行诊断，找出实际生产中可能存在的问题，对电解槽的下一步操作提 出合理的建议。 ( 3 ) 验证与校准软测量模型 测试炉膛内伸腿长度、伸腿高度、炉帮厚度和熔体温度，将测试值与仿真计算结果 6 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 进行对比，对仿真计算模型反复修正，最终得到可靠的炉膛内温度和内形的动态仿真计 算软件。 ( 4 ) 系统的调试与运行 完成槽体温度与炉膛内形的在线检测、仿真软件系统的工业应用与调试，进一步改 善其运行稳定性和可靠性。 7 东北大学硕士学位论文第2 章影响铝电解温度检测和炉膛内形的因素 第2 章影响铝电解温度检测和炉膛内形的因素 铝是地球上含量极丰富的金属元素，其蕴藏量在金属中居第2 位。金属铝具有耐腐 蚀、易导电、密度小和延展性好等特点，其优良的物理化学特性使得它被广泛地应用于 建筑、包装、交通、电力和航空航天等领域，是保障国民经济持续、快速发展的重要原 材料之一。目前，铝已发展成具有各种各样用途的材料，其范围之广足以使现代生活的 。 各个侧面直接地受到铝的应用的影响，目前我国已成为世界铝生产、消费大国。 霍尔埃鲁特( h a l l h e r o u l t ) 电解炼铝法自1 8 8 6 年诞生来，一直是工业上大规模 ， 炼铝的所采用的最为普遍方法。h a l l h e r o u l t 电解炼铝法，即冰晶石一氧化铝熔盐电解 法，其实质是将氧化铝熔于含多种氟化物添加剂的冰晶石熔体中，以炭素材料为两极， 电流从阳极碳块导入，阴极碳块导出，在阳极上析出c 0 2 和c o 气体，在阴极上沉积金 属铝。此法经过一百多年来的发展，无论在生产工艺还是技术水平上都有巨大的进步。 目前，现代大型预焙铝电解槽电流强度已达到5 0 0 k a ，电流效率超过9 5 ，电耗低于 1 3 0 0 0 k w h t a i ，采用点式自动加料系统和自动控制技术使铝电解生产与操作达到较高 。 的水平。 2 1 铝电解的工作原理 2 1 1 铝电解的生产工艺流程 铝电解生产工艺流程如图2 1 所示。 2 1 2 铝电解的基本原理 铝土矿石经过溶出、沉降分离、分解、焙烧等一系列工序处理得到固体氧化铝，作 为铝电解的原料。固体氧化铝溶解在熔融冰晶石熔体中，形成具有良好的导电性均匀熔 体，采用炭素材料做阴阳两极，当通入直流电后，即在两极上发生电化学反应，在阳极 上得到气态物质，阴极上得到液态铝，其过程为： 一8 - 东北大 ：商品铝：h ，h - ；。一i 图2 1 铝电解生产工艺流程图 f i g 2 1p r o d u c t i o np r o e e s s e sd i a g r a mo ft h ea l u m i n i u me l e c t r o l y s i s 溶解的氧化铝望仝皇坚一液态铝( 阴极)+ 气态物质( 阳极) 9 6 0 c 铝的工业生产全部采用活性阳极( 碳阳极) 。采用碳阳极生产时，随着电解过程的 进行，阳极碳参与电化学反应，生成碳的化合物二氧化碳( c 0 2 ) ，反应式为： a 1 2 0 3 ( 溶解) + 1 5 c ( 固) 其电极反应过程为： 舢2 0 3 ( 固) 溶解、电离 直流电 2 a i ( 液) + 1 5c 0 2 2 a 1 3 + ( 络合状) + 3 0 2 ( 络合状) 阴极：a l ”( 络合状) 十3 e a l ( 液) 阳极：0 2 。( 络合状) o ( 原子) 2 0 ( 原子) 十c ( 固) c 0 2 ( 气) 这就是铝工业生产电解的基本原理。依据此原理随着反应不断进行，电解质熔体中 的氧化铝、固体碳阳极不断被消耗掉。因此，生产中需不断向电解质熔体中添加氧化铝 和补充碳阳极，使生产得以连续进行。冰晶石在原则上不消耗，但在高温熔融状态下会 发生挥发损失和其他机械损失，因此，电解过程中也需作一定补充。除此之外，还需向 9 一 东北大学硕士学位论文第2 章影响铝电解温度检测和炉膛内形的因素 反应过程供给大量的直流电能( 约为1 3 0 0 0 1 5 0 0 0 k w h t - a 1 ) ，以推动反应向生成铝的方 向进行。 在实际生产中，阳极气体不完全是c 0 2 ( 二氧化碳) ，而是c 0 2 ( 约占7 0 ) 和c o ( 一氧化碳，约占3 0 ) 的混合物，c o 主要由电解过程中的副反应所产生，称为二次 气体。 2 2 影响槽壳温度和炉膛内形的主要工艺技术参数 电解槽生产的技术参数是生产中重要的技术规范，它是根据电解槽的类型、容量和 设备的机械化自动化水平和操作人员的技术水平而定。技术条件参数包括电流强度、槽 工作电压、极距、电解温度、电解质成分、电解质和铝液的水平和阳极效应系数等，它 们之间既互相影响又相互制约，其中一项条件改变其他各项也必须做出相应的变化，才 能达到稳定生产，也同时影响着槽壳温度和炉膛内形。 2 2 1 系列电流强度 在现代铝工业生产上，采用强大的直流电进行电解。每一个电解槽系列都有额定的 电流强度，因而就有额定的铝常量。额定的电流强度一经确定下来，尽可能保持恒定不 变，以保证整个电解系列生产的稳定性。在现有的电流强度之下，电解槽必须采取与相 适应的其他各种技术条件，以求实现正常生产并获得优异的生产指标。 2 2 2 槽电压 槽电压是阳极母线至阴极母线之间的电压降，它由与电解槽并联的支流电压表来指 示。槽电压包括：电解槽极化电压和各部分导电体的电压降。电解槽内有两类导电体： 第一类导电体包括铝、铁和炭；第二类导电体是冰晶石一氧化铝熔融电解质。 电解车间中，由于电解槽与槽之间是串联在一起的，并与整流器串联起来构成一个 直流回路，这一连串的电解槽组成一个系列，整流器对这一系列电解槽供电的总电压称 为系列电压，系列电压就是电流沿母线通过一个个电解槽时各槽及