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阳极焙烧炉控制器的研究 摘要 焙烧是铝电解工业生产预焙阳极的重要工序，焙烧过程直接决定焙烧阳极的 质量，从而影响到电解时电极的消耗、电流效率、能耗等。因此，如何提高阳极 焙烧技术改进阳极质量已成为铝电解工业的重要课题。而加紧对阳极焙烧炉的基 础理论进行深入系统研究就成为实现这一目的的必然途径。这也是开发设计具有 我国自主知识产权阳极焙烧炉控制器的迫切需要。本课题主要针对兰州铝业有限 公司二期扩建项目，展开对阳极焙烧控制器方面的研究。该项目由法国s e t a r a m 公司与兰州理工大学共同承建，扩建后的设备装备水平高、操作控制周期短、产 品质量高、能耗低、产量高，增强了企业竞争力 本文首先详细地叙述了阳极焙烧炉的焙烧机理，简单介绍了阳极焙烧炉的工 作原理及结构组成，并对阳极焙烧炉的生产工艺进行了总结。综述了目前国内外 阳极焙烧技术发展状况，分析了阳极焙烧炉控制器的现实意义。提出了在我国开 展阳极焙烧炉温度控制器理论研究的综合思路，并以此作为本文的研究思路，展 开了相应的研究工作。 温度是工业控制的主要对象之一，在工业生产过程中，常常需要对温度这一 参数进行控制，温度控制得好，不仅可以提高产品质量，而且可以降低能耗，提 高生产效率。在阳极焙烧炉控制系统中，温度是系统中最重要的控制参数，对于产 品质量、产能具有重大现实意义和理论价值。该系统中的温度具有非线性、时变 性、滞后性等特性。 p i d 控制是温度控制中应用最广泛的一种控制形式，p i d 控制器结构简单、稳 定性好、可靠性高，常用于一些线性定常系统的控制，但对于非线性系统，例如 温度等具有大滞后特性的控制对象，却难以取得理想的控制效果。本文在控制算 法上，研究了国内外工业过程控制中的控制方法，详细分析了p i d 控制技术的理 论和方法，之后针对阳极焙烧炉的工作性能和系统中温度的特点，引入了一种智 能p i d 控制算法，将比例控制器、模糊控制器和p i d 控制器结合起来，使之既具 有比例控制快速，模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有p i d 控制精度高的特 点，有效的改善了原有p i d 控制方法的缺陷，使系统具有较强的鲁棒性、稳定性、 快速性、灵敏性等优点，提高了控制系统的抗干扰能力和跟踪的能力。 这些工作对提高阳极焙烧质量和稳定铝产量有着很重要的意义，与此同时， 还将促进智能控制技术的发展及其在工业过程控制中的广泛应用。 关键词：阳极焙烧；温度控制；p i d 控制；智能控制 i v a b s t r a c t b a k i n gi st h ei m p o r t a n ts t e p st h a tt h ea l u m i n u me l e c t r o l y s i si n d u s t r yp r o d u c e st h e b a k i n ga n o d e b a k i n gp r o c e s s i o nd i r e c t l yd e c i d e st h eq u a n t i t yo fb a k i n ga n o d e ，t h u s a f e c t i n gt h ed e p l e t i o no ft h ep o l e ，e l e c t r i c i t ye f f i c i e n c ya n de n e r g yc o n s u m p t i o ni n e l e c t r o l y s i s t h e r e f o r e ，h o wt oi m p r o v et h eb a k i n gt e c h n o l o g yi no r d e rt oi m p r o v et h e q u a n t i t yo fa n o d e h a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n tr e s e a r c hi s s u e t h ei n e v i t a b l ea p p r o a c h t oc a r r yo u tt h i sp u r p o s ei st op r e s so nw i t hm o r es y s t e m a t i cr e s e a r c h i n go ft h e f u n d a m e n t a lt h e o r yo ft h ea n o d eb a k i n gf u r n a c e t h a ta l s oi sa nu r g e n tr e q u i r e m e n to f d e v e l o p m e n t a n dd e s i g no fa n o d e b a k i n gf u r n a c e s c o n t r o l l e rw h i c hh a st h e i n d e p e n d e n ti n t e l l i g e n tp r o p e r t yr i g h to fo u rc o u n t r y t h i s t h e s i si sb a s e do nt h e e x p a n d e dp r o j e c ti nl a n z h o ua l u m i n i u ml t d t h i sp r o j e c tw a sc o m p l e t e db yb o t h s e t a r a mo ff r a n c ea n dl a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y a f t e rf i n i s h e d ，t h e yh a v e h i g h e re q u i p m e n tl e v e l ，s h o r t e rp e r i o d o fo p e r a t i o na n dc o n t r o l ，h i g h e rp r o d u c t i o n q u a l i t y ，l o w e re n e r g yc o n s u m p t i o n ，h i g h e ro u t p u t ，a n ds t r e n g t h e ne n t e r p r i s ec o m p e t i t i o n f i r s t l y ，t h i st h e s i sd e p i c t sb a k i n gt h e o r yo fa n o d eb a k i n gf u r n a c ei n d e t a i l ， i n t r o d u c e st h ew o r kp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r ec o n s t i t u t e ，a n ds u m m a r i z e st h ep r o d u c t i o n c r a f to fa n o d eb a k i n gf u r n a c e i ta l s os u m m a r i z e st h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a la n o d e b a k i n gt e c h n i q u ed e v e l o p m e n tc o n d i t i o na tp r e s e n t ，a n da n a l y z e st h er e a l i s t i cm e a n i n g o ft h ea n o d eb a k i n gf u r n a c ec o n t r o l l e r ，t h et h e s i sp r o p o s e sas y n t h e t i cr e s e a r c hm e t h o d t of u r t h e rt h ea n o d eb a k i n gf u r n a c ec o n t r o l l e rt e c h n o l o g yi nc m i n a a l lt h e s eb e c o m e r e s e a r c hd i r e c t i o no ft h et h e s i s ，a n dd e v e l o pr e l e v a n ts t u d yw o r k t e m p e r a t u r ei so n eo ft h em a i no b j e c t so fi n d u s t r yc o n t r 0 1 i ni n d u s t r yp r o c e s s ， w eo f t e nn e e dt oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r e e x c e l l e n tc o n t r o lo v e rt e m p e r a t u r ec a nn o t o n l ye n h a n c et h eq u a l i t yo fp r o d u c t s ，b u ta l s or e d u c ee n e r g yc o n s u m ea n de n h a n c e e f f i c i e n c y t e m p e r a t u r e i st h em o s t i m p o r t a n tc o n t r o lp a r a m e t e r i na n o d eb a k i n g f u r n a c ec o n t r o ls y s t e m ，w h i c hh a sag r e a tr e a l i t ym e a n i n ga n dt h e o r yv a l u e t h e t e m p e r a t u r ei nt h i ss y s t e mp o s s e s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a r , t i m e v a r i a b l e ，t i m e d e l a ya n ds oo n p i dc o n t r o lm e t h o di su s e di nt e m p e r a t u r ec o n t r o lt h em o s tc o m p r e h e n s i v e l y i ti s v e r ys i m p l ea n dh a sg o o ds t a b i l i t ya sw e l la sd e p e n d a b i l i t y , s oi ti so f t e nu s e di nt h o s e l i n e a rc o n s t a n ts y s t e m b u ti tc a n n tb r i n gu sp e r f e c tc o n t r o le f f e c tw h e ni ti su s e di n n o n l i n e a rs y s t e m s ，o n eo fw h i c hi sh y s t e r e s i ss y s t e m ，s u c ha st e m p e r a t u r ec o n t r o l v 里丝丝璧芏茎型兰墼塑耋 s y s t e m t oc o n t r o la r i t h m e t i c ，t h ew r i t e ra n a l y z e st h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g ei n t e m p e r a t u r ec o n t r o lo fi n d u s t r yp r o c e s sc o n t r o ls y s t e mi nb o t hh o m ea n da b r o a d b y s t u d y i n ga n dr e s e a r c h i n gt h eb a s i ct h e o r ya n dm e t h o do ft h ep i dc o n t r o l ，a c c o r d i n gt o t h ew o r k i n gp e r f o r m a n c ea n dt h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea n o d eb a k i n g f t t v a a c e ，ak i n do fi n t e l l i g e n tp i dc o n t r o l l e ri sd e v i s e d t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rt h a t h a v e b e e nd e s c r i b e di n t h i sa r t i c l ec o m b i n e st h ep r o p o r t i o n a lc o n t r o l l e r , f u z z y c o n t r o l l e ra n dp i dc o n t r o l l e r , ，w h i c ha d j u s tt h es y s t e mq u i c k l yb yp r o p o r t i o n a lc o n t r o l s y s t e ma n dm a k et h es y s t e mh a v et h ea g i l i t ya n da d j u s t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c so w i n g t o t h ef u z z yc o n t r o ls y s t e ma n d1 1 1 1 1s t a b l yr e s u l t i n gf r o mt h ep i dc o n t r o ls y s t e m t h e i n s u f f i c i e n c yo fo r i g i n a lp i dc o n t r o lm e t h o di se f f e c t i v e l yi m p r o v e db yt h i sw a y 1 n c o n c l u s i o n ，t h ec o n t r o l l e rw i l lb r i n gt h eg o o dc h a r a c t e r i s t i c so fl u - b a n g ，s t a b i l i t y , h i - s p e e d y ，a c u i t y , a n di m p r o v e st h ea n t i - j a m m i n ga b i l i t ya n dt r a c k i n gc a p a c i t yo ft h e c o n t r o ls y s t e m i ti sp r o v e dt ob eau s e f u lr e s e a r c hm e t h o di nt h ed e s i g na n dp r o c e s so p t i m i z a t i o n o ft h eb a k i n gf u r n a c eo fa l u m i n u mi n d u s t r y a tt h es a m et i m e ，i tw i l lp r o m o t et h e d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n t c o n t r o l t e c h n o l o g y a n di t se x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni n i n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：a n o d eb a k i n g st e m p e r a t u r ec o n t r o l p i dc o n t r o l ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：王倩日期：工o o 弋年，月：l 玉- b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：1 年 月2 分日 嗍岬年弓 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 现代铝工业需要迫切解决的问题 铝广泛应用于建筑、包装、交通、电力、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。铝电解工业是国家的支柱产业。我国自8 0 年 代初提出“优先发展铝”的方针政策以来，大力加强了对铝电解工业的科技、资 金投入，我国的铝电解工业有了一个长足的发展。从1 9 9 8 年起，我国已成为世界 上第三位铝生产和铝用炭阳极生产大国。2 0 0 0 年，我国铝产量超过2 8 0 万吨，炭阳 极制品产量超过1 6 0 万吨。2 0 0 3 年我国氧化铝产量达6 1 0 万吨，居世界各国第二位： 电解铝产量5 5 6 万吨，居世界第一位；铝的表观消费量约5 1 0 万吨( 表观消费量指 产量加上净进口量) ，居世界第一位；我国已成为世界铝生产消费大国。近几年随 着2 8 0 k a 、3 2 0 k a 等大容量预焙槽的成功研发及应用，我国电解铝工业的技术装备 水平逐渐接近世界先进水平。但是，同发达国家相比，我国铝电解工业的整体技 术水平和经济指标等还存在着很大的差距，主要表现在： ( 1 ) 厂家多，规模小，生产成本高。 据有关资料表明，1 9 9 9 年全世界其它国家共有1 2 5 座铝厂，拥有电解铝产能 2 3 0 9 万吨，平均每厂的规模为1 8 4 7 万吨年。在这些铝厂中，产能大于2 7 万吨年 的有2 6 座。而我国截至到2 0 0 1 年底，电解铝厂的平均规模仅为2 6 5 万吨年，一百 多家电解铝企业中年产能在1 0 万吨以上的只有6 家，其中在2 0 万吨以上的仅3 家。 生产能力在2 万吨以下的近8 0 家( 有的年产仅千余吨) ，占企业总数的6 0 以上。小 规模的生产将直接导致投资、生产成本的大幅度提高，据统计，我国每吨原铝的 平均经营成本高达1 4 9 8 美元，高于世界其它铝厂的1 2 5 0 1 3 4 0 美元。高成本的生 产极大地降低了我国铝工业在国际市场上的竞争力。 ( 2 ) 阳极焙烧技术的发展远滞后于铝电解技术。 阳极是电解铝生产中的消耗材料，每生产1 吨铝一般要消耗0 5 吨的阳极。由 于阳极直接参与电解铝中的电化学反应，其质量和工作状况对铝电解生产的电流 效率和能耗等产生巨大影响，据郑州轻金属研究院近十年的检测发现，电流效率 低于8 4 的病槽，有8 0 是因为阳极工作不正常所致。因此，阳极可称之为铝电解 槽的心脏部件。我国的阳极焙烧技术是在消化8 0 年代初引进的日轻焙烧技术的基 础上发展起来的。二十多年来，由于各种原因，国内各生产企业及科研设计单位 仅在燃料选取、火道隔板、耐火材料、阳极装炉层数等方面作了少量改进，总的 说来进步不大，基本仍停留在日轻焙烧炉的技术水平上。近几年来随着国外阳极 阳极焙烧炉控制器的研究 焙烧技术的飞速发展，我国也通过引进的方式以适应铝电解技术的发展，但是， 由于知识产权保护等原因的限制，国外往往只提供纯设备的引进，而有关焙烧的 核心技术并不属于引进之列，这样，试图依靠这种设备引进的方法来提高我国阳 极焙烧技术就必然是消极的、间断的和非本质的，势必会使我国的铝电解工业的 发展处于被动的地位。 国内的炭素厂也普遍存在着能耗高、焙烧质量差、生产能力低、污染大等缺 点，焙烧炉的能耗往往是国外同类炉型的1 5 5 2 5 7 倍。低质量的阳极在电解时 容易造成局部过热、电流分布不均、阳极掉块、掉渣等，大大降低了电流效率， 加大了铝生产成本据统计，因阳极质量降低而造成的损失为阳极额外消耗量费 用的3 1 2 倍，对于一个年产量为2 5 万吨的电解铝厂，因阳极质量问题带来的总损 失可达5 0 0 0 万美元。因此，提高我国焙烧阳极的质量是铝电解厂降低成本提高经 济效益的当务之急 要缩短上述国内和国外铝电解整体技术的差距，其根本立足点还在于加紧提 高国内的阳极焙烧控制技术。我国由于历史的原因，铝电解技术长时问以小规模 的自焙槽工艺为主，但近年来随着环保意识的加强，这些规模小、污染大的自焙 槽将逐渐被改造，预焙槽取代自焙槽已是世界铝电解工业的大势所趋。我国的现 行产业政策也规定，今后新建的电解铝厂必须是产能大于1 0 万t a 的大型预焙槽铝 厂。这样，对焙烧阳极的需求将逐年增加，阳极的生产也必将向大型、高效、节 能化发展，这势必对阳极的焙烧控制技术提出更高的要求。特别是随着我国加入 w t o ，电解铝在国际上的竞争日趋激烈，如何改进阳极焙烧控制技术以提高我国 电解铝工业的国际竞争力，就成为我国炭素研究人员的紧迫任务。 1 2 阳极焙烧技术发展现状 i 1 2 1 国外的阳极焙烧技术 对阳极焙烧技术的研究，主要体现在节能技术研究方面。国外开展的环式炉 节能技术研究早在二十世纪六、七十年代就已开始，实验成功了一系列行之有效 的节能措施。节能技术的研究以开发带动了整个焙烧工艺、筑炉材料以及计算机 模拟软件和自动控制技术的开发与进步。近几年随着法国5 0 0 k a 特大型电解槽的投 入运行，国外的阳极焙烧技术有了很大的发展。其中以法国彼施涅及瑞士铝业公 司为代表的敞开式焙烧技术，以法国s e t a r a m 公司及瑞士r & d 公司的燃烧装置和 控制系统代表了国际上阳极焙烧生产的最先进水平。表1 1 列出了国外几家有代表 性阳极生产厂焙烧炉的主要工艺技术性能。 应该说，阳极的生产是一个系统工程，需要综合考虑诸如原料、设备、控制 等方方面面的诸多因素。有人将阳极的生产称之为“进垃圾产垃圾”的方法， 2 硕士学位论文 因为下一道工序不可能对上一道工序所造成的失误进行补偿。为保证阳极的质量， 需要对阳极生产的每一道工序严格控制、精心操作国外由于在阳极焙烧技术的 研究方面所开展的时间较早，目前已经对焙烧技术所涉及的各个方面形成了系列 研究。1 。从阳极生产的原材料如石油焦性质、沥青特性、残极含量以及原料配比等 对阳极质量的影响“卅，到生阳极的混捏成形技术、物性参数的检测一“”，焙烧炉 炉墙材料、使用寿命的研究”1 ，焙烧工艺的优化与控制“、燃油方式“州、 烟气污染治理“州等方方面面都进行了较为系统的研究。焙烧技术一直居领先地 位，其中瑞士r & d 公司于9 0 年代初期成功开发的r d c 工艺代表了当前国际上阳极 生产的最高水平。采用这种新型的阳极生产工艺，其投资与操作成本明显要低于 传统工艺。一般传统阳极厂每吨设计产能的投资成本为1 0 0 0 1 3 0 0 美元，而按r d c 工艺设计的投资成本仅为8 0 0 美元，生产成本也要比传统工艺低2 0 3 0 。同时， r d c i 艺适用于不同的原料，可生产出质量均匀一致的优质阳极，环境污染小， 符合“零排放”的要求“ 法国彼罗马尼南斯拉夫 美国雷德国里日本轻 项目 施涅铝 亚拉提铁托格勒 诺国际德哈默金属公 业公司那铝厂铝厂公司式炉 司 炉型敞开炉敞开炉敞开炉密闭炉密闭炉密闭炉 炉室及火焰系统7 2 室3 8 室5 2 室 8 0 室3 6 室3 2 室 4 系统2 系统3 系统5 系统3 系统2 系统 1 4 1 0 7 4 0 7 5 0 1 3 0 0 1 2 0 0 5 2 2 焙烧制品规格m ml o l 0 4 7 0 5 5 0 8 0 0 7 8 0 4 7 5 x 5 2 45 3 05 2 05 6 05 8 03 3 8 0 每室料箱数个 6 6755 8 4 6 9 0 3 8 8 0 3 9 0 0 3 8 0 0 x3 5 0 0 1 7 5 0 料箱尺寸m m 6 5 4 x6 0 3 6 4 0 1 0 0 0 1 0 0 0 7 5 0 6 8 3 9 5 04 0 0 04 5 6 05 4 0 03 8 4 4 每室装炉量t 8 06 27 08 08 2 3 8 燃料种类重油天然气重油重油重油重油 焙烧曲线1 0 5 1 8 0 1 4 4 1 4 0 2 0 0 3 6 0 运转炉室数 556558 年产量t 1 3 4 0 0 03 0 0 0 06 0 0 0 01 2 0 0 0 05 3 9 0 01 2 0 0 0 单位热耗( g j t ) 3 3 0 7 3 04 6 02 3 03 6 03 6 0 表1 1 国外几家有代表性阳极焙烧炉的主要工艺技术性能 3 阳极焙烧炉控制器的研究 1 2 2 我国的阳极焙烧技术 项目 郑州铝厂 贵州铝厂包头铝厂青海铝厂 白银铝厂 炉型敞开炉 敞开炉 敞开炉 敞开炉敞开炉 炉室及 3 8 室 6 8 室 3 8 室1 0 8 室 5 4 室 火焰系统2 系统4 系统2 系统6 系统3 系统 焙烧制品规格 1 1 5 0 1 4 0 0 x1 3 2 0 x1 4 0 0 x1 5 3 0 咖8 5 0 4 7 06 0 0 5 4 06 2 0 4 7 56 6 0 x5 4 05 9 0 x 5 5 5 每室料箱数个 3 7 8 7 7 料箱尺寸m m 3 8 6 4 x3 1 6 0 3 l l o 3 3 0 0 x3 4 3 0 1 0 3 0 8 l o 7 6 0 8 1 0 7 3 0 4 2 9 23 4 5 24 1 1 04 0 4 04 1 7 0 每室装炉量t 4 5 9 95 1 1 06 2 1 26 1 3 06 1 3 2 燃料种类重油重油冷煤气冷煤气冷煤气 焙烧曲线2 1 6 1 6 5 1 8 0 - 2 0 4 1 8 0 2 0 0 2 0 0 - 2 4 0 运转炉室数 6 5 5 - 655 年产量t 1 5 0 0 0 5 0 0 0 0 2 8 4 6 0 7 7 2 0 0 3 6 4 0 2 1 6 0 0 05 1 0 0 03 0 0 0 08 4 4 0 04 3 0 0 0 单位热耗 6 7 0 5 8 0 6 7 0 4 1 87 5 0 ( 6 j t ) 7 5 06 3 07 5 0 表1 2 国内几家有代表性阳极焙烧炉的主要工艺技术性能 随着我国铝电解工业的快速发展，铝用预焙阳极炭块生产也得到了较大的发 展。到2 0 0 0 年底为止，我国已建设投产的预焙阳极生产厂家有2 5 家，产能达到9 5 5 万t a 。总产能可满足3 0 8 万t a 电解铝的需要。表1 2 给出了几个国内代表性阳极生 产厂家焙烧炉的主要工艺技术性能“1 。 对比表1 i 和表1 2 可知，国内的焙烧炉普遍具有能耗高、生产能力低的特点， 单位能耗最大是国外同炉型的两倍多。同时，从现有预焙阳极生产厂家的技术装 备水平来看，只有较少数的厂家，如青海铝厂、贵州铝厂、白银铝厂、苹果铝厂 其装备水平相对较高，采用了一系列先进技术，如自动控制配料、连锁混捏、密 封的温度稳定且净化效果好的沥青熔化技术、三位自动振动成型、自动控制水平 较高的焙烧技术和烟气净化技术；而绝大多数厂家仍然采用我国传统的落后的无 计量人工配料、间断式混捏锅、敞开式沥青熔化、能耗高的人工调节焙烧及无烟 气净化措施的生产工艺技术，不仅造成生产成本的增加，而且很难保证产品质量 的稳定，其预焙阳极的物化性能同国际先进水平存在较大差距船“”。表i 3 是我国 目前生产的预焙阳极与世界先进水平的对比情况。从表中可以看出，我国的预焙 4 硕士学位论文 阳极质量与国际先进水平相比，还存在一定差距。这必然会影响着预焙铝电解槽 生产的电流效率、电耗、阳极消耗等指标。目前，我国预焙阳极消耗平均在4 5 0 4 9 0 k g t a l 与国际先进水平的3 9 0 k g t a l 相比，相差很大，若按照全国预焙铝电解 槽年产1 6 0 万t 计算，相当于一年多消耗近1 6 万t 阳极，价值约4 8 亿元。同时增加了 对环境的污染。因此，加紧对阳极焙烧技术进行研究，以赶上国外的先进技术， 提高我国电解铝在国际上的竞争能力就成为科研工作者的当务之急。 g b 8 4 2 1 9 9 8 国内 国外 项目单位 t y 1t y 2 白银贵州平果瑞士日本俄罗斯 灰份 0 5 1 00 8o 3 5 90 9 60 4 60 7 00 5 电阻砌 5 5 6 06 05 86 25 5 24 5 45 5 室 耐压m p i 2 9 3 43 6 5 33 03 73 74 0 强度 体积 g c m 3 1 5 1 4 81 5 21 - 4 91 5 61 5 91 5 6 密度 真密 g c m 3 2 02 0 02 0 42 0 32 0 42 0 52 0 5 度 表1 3 国内外焙烧炉阳极质量指标比较 1 3 本课题研究的目的和意义 阳极炭块的生产是我国电解铝行业不可以缺少的一部分，如果我国的电解铝 用阳极全靠进口，则会把我国的电解铝的成本提的相当高，在这种情况下势必削 弱我国电解铝行业在国际上的竞争力，甚至削弱我国整个重工业的竞争力，因此 提高我国的阳极生产能力至关重要。 目前国内许多大型铝厂近年来在焙烧设备控制改造上花费巨大，但在改进焙 烧技术和提高产品质量上收效甚微。究其原因除了工艺复杂、环境恶劣之外，关 键在于炉室温度控制精度低。鉴于焙烧炉控制技术的重要性，同时由于其复杂而 传统的控制技术无法满足工艺指标要求，因此开展该工程的研究和工程实施十分 必要并且有深远的经济和社会效益。 目前法国s e t a r a m 公司设计的阳极焙烧炉温度控制系统在国内使用比较广泛， 工作性能比较理想，不过仍然存在一些问题，反应速度慢、控制系统的振荡比较 严重，比较容易破坏设备：并且对于本国的经济能力尤其是某一个铝厂来说消费有 点过高，对于本国的经济也是一个负面促进。 因此，开发具有独立知识产权的阳极焙烧炉温度控制系统，减少环境污染， 5 阳极焙烧炉控制器的研究 提高产能，以代替进口产品，同时克服进口产品里所存在的控制器反应不是特别 灵活、而造成的炭块裂纹以及氧化的瑕疵，是本课题的主要目的。 1 4 本课题研究的内容与实现的目标 基于国内在焙烧炉焙烧过程理论研究方面的不足，本文首先对阳极焙烧技术 进行了简要的介绍，并对国内外在阳极焙烧炉焙烧过程理论研究方面所开展的各 项研究工作进行了系统详细地综述，通过对阳极焙烧炉的工艺过程深入全面的研 究，设计出一套理想的阳极焙烧炉自动控制系统，使之能够均匀的控制烟道温度， 提高产能、提高产品质量、降低能耗。 根据本课题的具体情况，结合实际的生产工艺，应当达到以下目标： ( 1 ) 开发具有独立知识产权的环绕式阳极焙烧炉控制系统： ( 2 ) 提高阳极焙烧炉的生产效率和质量： ( 3 ) 提高焙烧炉的产能： ( 4 ) 减少坏境污染： ( 5 ) 提高生产自动化程度，减少工人劳动强度。 6 硕士学位论文 第二章阳极焙烧概述 2 1 铝电解的阳极消耗 铝电解生产上，由于采用高温的具有强烈腐蚀性的冰晶石一氧化铝体系，要求 电解槽的阳极和阴极材料必须能够耐高温、导电性能良好、抗腐蚀等一百多年 的科学试验和生产实践表明，炭素材料是唯一具备这些性能的廉价的工业材料 因此铝电解工业上大量采用炭素电极炭阳极和炭阴极。在电解过程中，炭阳 极参与电化学反应而连续消耗，炭阴极则原则上只破损而不消耗 炼铝生产就是对熔融的冰晶石氧化铝体系的电解过程。炭素阳极材料把 电流导入电解槽并参与电化学反应。炭素阳极安装在电解槽上部，强大的直流电 ( 3 0 3 0 0 k a ) 通过炭素阳极导入电解槽，在炭素阳极底部发生分解氧化铝的复杂 的电化学反应( 阳极反应) ，阳极最终产物是c o 和c 0 2 。铝电解生产中，炭阳极 参与反应而逐渐消耗，每生产一吨铝净耗炭素阳极4 2 0 6 5 0 k g 。生产时，需定期 向电解槽中更换新阳极块，以保证正常连续工作0 3 。矧。 阳极在电解槽中的性能通常用阳极的净消耗量来表示。由于阳极在电解过程 中直接参与反应，阳极的消耗量将直接影响铝生产成本。因此阳极净消耗量的大 小就成为评价阳极质量的重要指标，从这种意义上说，提高阳极质量的直接效果 就是减少电解过程中的阳极净消耗量。 2 舭2 0 3 + 3 c 4 a l + 3 c 0 2 震黝 理论消耗量( 3 3 4 k g c t a i ) 电解消耗量3 3 4 c e ( c e 为电流i 率) 多余消耗量。 净消耗量残极 总消耗量 图2 1 阳极消耗量 阳极的净消耗量主要包括电解消耗量和非电解消耗量( 或称为多余消耗量) ， 如图2 1 所示。”。多余消耗量与电解槽的设计、操作参数以及阳极的性质直接相关。 f i s c h e r 等人经过长期的研究，得出阳极净消耗公式托“2 ”： n c - c + 罢“獬一9 6 0 ) _ 1 7 c r r + 9 3 a p + 8 t c _ 1 5 a r r 7 阳极焙烧炉控制器的研究 式中，n c 为阳极的净消耗量( k g c t a l ) ；c 为电解槽消耗量；c e 为电流效率； b t 为电解液温度( ) ；c r r 为c 0 2 中反应质量剩余率( ) ；a p 为透气率( n p m ) ： t c 为导热系数( w m k ) ：a r r 为空气中反应质量剩余率( ) 。 上式中，等号右边前三项反映的是电解槽操作参数对净消耗量的影响，后四 项反应的是阳极性质的影响。后者的影响主要是由于两种不同的机理所致，即c 吼 中和空气中的烧损 电解时，阳极的底部浸泡在高温( 约9 6 0 ) 高c 0 2 浓度的电解液中，很容易 发生反应：c + c 0 2 2 c 0 ：而阳极的顶部则暴露在温度不断升高( 4 5 0 8 0 0 ) 的空气中，也会发生反应：c + n c 0 2 。这两种不同机理所反映掉的c 主要是由 于粉尘和沥青混合物形成的粘接剂相，一般称这种现象为选则性烧损。由于生阳 极经焙烧后粘接剂挥发而形成许多的贯穿孔隙使得阳极具有透气性。因此，这种 选择性烧损现象不但会发生在阳极的表面，而且阳极体内也会发生 c e b tc r r鼗 t ca r n c ( 训- 算n c ( 实际 i o o k a 电c ( )( )( )( n p m )( w m r 值) ( k g ，t 值) ( k g t 解槽 j ( 1 ( ) a ua u 标准阳极2 8 89 l9 6 29 21 24 58 24 2 44 2 l 有质量问 2 8 88 79 7 48 7 2 0 4 o 6 9 4 8 94 9 2 题的阳极 表2 1 阳极质量对消耗量的影响 电解槽中，若阳极在空气中的活性恶化，会导致阳极在空气中的烧损进一步 加重。研究结果表明，阳极质量对其消耗量的影响是十分巨大的。表2 1 给出了阳 极质量对其消耗量的影响口” 可以看凸，使用有严重质量问题的阳极，其净消耗量增加7 1 k g c t a l ，相当于 3 2 美元t a l 考虑到由于阳极质量不佳造成的影响，实际增加的成本为因阳极净 消耗量增加成本的3 倍，即9 6 美元t a l ，也就是说，对于一个年产能为1 2 万吨的铝 厂，每月的额外成本将高达近1 0 0 万美元。 2 2 阳极焙烧原理 生产铝用预焙阳极的原料有石油焦、沥青焦、预焙阳极的残极以及少量添加 剂。粘接剂为沥青，其含量根据干料配方和成型工艺而有所不同，一般为1 6 1 8 。原料焦经过煅烧、破碎、分级，按一定的配方与沥青混捏，冷却后即成为糊 料；混捏后的糊料经成型、焙烧，成为阳极炭块。其中，焙烧是炭素阳极生产的 最重要工序，这是因为生阳极由焦碳颗粒和粘接剂沥青混合压制而成后，电阻极 大，它在常温下虽然有一定的强度，但性脆不耐冲击和磨刷；而当加热到沥青软 8 硕士学位论文 化点附近时，又容易软化。因此需要按照一定的工艺条件进行焙烧，使生制品的 粘结剂炭化，在骨料颗粒间形成焦炭网络，从而把固体炭素原料颗粒和煤沥青炭 化后的沥青焦牢固的连接成整体，并使焙烧后的产品具有一定的固体形状，一定 的机械强度和耐热、耐腐蚀、导电、导热等物理化学性能，得到合乎要求的产品 预焙阳极啪。3 “所以说生阳极的焙烧过程就是在特殊的加热炉内，并在隔绝 空气的条件下( 用填充焦埋盖生制品) 按照一定的升温速度进行间接加热的热处 理过程。 整个焙烧过程包括粘接剂的分解、挥发分排出和焦化，大致可以将其划分为 四个阶段n “”3 ”： 1 ) 预热软化阶段： 生阳极从室温预热到2 5 0 之前( 明火温度约为3 5 0 ) ，阳极内粘接剂( 沥 青) 逐渐软化，但还没有发生显著的物理化学变化，挥发分捧出量不大，这样， 在沥青软化后在自身重力的作用下，向阳极块下部迁移，在此阶段内升温所用的 时间越长，迁移越严重，从而影响阳极制品质量。因此，这一阶段的升温速率要 适当加快。 2 ) 挥发分逸出( 焦化) 阶段： 生阳极加热到2 5 0 7 0 0 之间时，挥发分大量逸出，同时粘接荆沥青逐渐焦 化。这一阶段是焙烧的关键阶段，升温控制的好坏将直接关系到阳极制品的各种 理化性能。所以，该阶段必须严格控制升温速率，尤其是在2 5 0 6 0 0 1 2 之间，升 温速率一定要慢，应均匀缓慢的升温。否则升温过快，会造成挥发份急剧逸出， 使阳极产生裂纹。 3 ) 高温烧结阶段： 7 0 0 以后，粘接剂的焦化过程已基本结束，化学过程逐渐减弱，内外收缩逐 渐减少，真密度、强度、导电性都增加。但是为了使焦化过程更加完善，进一步 提高各项理化指标，还需要将焙烧温度提高到1 1 5 0 + 5 0 。此时升温速度可以加快 一些。并宜在此最高温度下保持一段时间，使阳极温度达到设定的最终焙烧温度 和料箱内阳极最大温差小于设定温差。 4 ) 冷却阶段： 需要控制冷却过程的速度，因为冷却太快，则阳极内外收缩不均而产生裂纹。 初始冷却速度宜控制在5 0 h ，至8 0 0 以下可任其自然冷却。一般定在2 5 0 时出 炉。出炉后清理炉底，修补炉墙，然后装入下一批生阳极。 应该指出，焙烧过程中，粘结剂的迁移是使焙烧制品产生轴向和径向不均匀 的一个主要因素。粘结剂的迁移首先是在混捏过程中发生，然后在焙烧过程中发 生。有关专家研究表明，迁移在1 2 0 开始，到2 0 0 达到最大值，当温度高于2 3 0 时，迁移过程结束。在相同温度条件下，骨料的粒度组成越粗，粘结剂就越容易 9 迁移。 2 3 焙烧温度对制品性能的影响 影响阳极的因素很多，但是主妻为焙烧温度的均匀性、稳定性和最终温度 t h o n s t a d 撰文提出，阳极焙烧温度每提高1 0 0 ，铝电解的阳极消耗将减少9 ：阳 极焙烧升温速度严格按照升温曲线执行，保持较好的均匀性和稳定性，则会很好 的改善阳极的结构、消除炭块内应力、提高炭块机械强度，减少阳极消耗量由 此可见，焙烧温度对阳极性能有很大的影响。 2 3 1 焙烧温度对孔隙度的影响 表2 2 列出了不同温度下焙烧的预焙阳极的孔隙度这些数据表明：随着焙烧温 度的提高，阳极的孔隙度增大生坯在9 0 0 c 以上时，已经不再排出挥发分，在宏 观上阳极几乎不再收缩。孔隙度的增加是因为由沥青生成的焦炭基本颗粒的密集 程度和结构排列规整化程度随温度的井高而提高。 焙烧温度 9 0 01 0 0 01 0 7 01 1 2 51 1 7 0 1 2 7 0 孔隙度 2 6 3 32 6 5 32 6 5 2 2 6 4 92 6 6 42 6 7 9 表2 2 不同温度下焙烧的预焙阳极炭块孔隙度 2 3 2 焙烧温度对比电阻的影响 由于生坯中焦炭颗粒之间存在着粘结剂沥青，而沥青几乎不导电，使生 坯的比电阻很大，一般为1 1 6 q c m 。当焙烧温度超过8 0 0 1 2 以后，沥青变成焦炭 的焦化过程已经基本结束，比电阻显著下降，达到1 0 。q - c m 左右。焙烧温度的进 一步提高，则会使焦化程度进一步提高，也会使焦炭的结构排列更加趋于规整化 因此随着焙烧温度的提高，翻品的比电阻下降。 2 3 3 焙烧温度对抗压强度的影响 预焙阳极在焙烧过程中，抗压强度的变化很复杂，生坯的抗压强度很高当 它受热以后，随着温度的升高，抗压强度降低，温