第二章控制系统参数设定的改进与完善

1、第二章 控制系统参数设定的改进与完善随着铝电解工艺条件的不断深入研究，其核心归结到以下两个方面:氧化铝浓度控制和电解温度控制。因此现代铝电解工艺对控制系统提出如下要求:(1).控制铝电解槽的物料平衡。氧化铝的添加是引起物料平衡变化的主要因素，因此最重要的是控制好氧化铝的添加速率(即下料间隔)，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渝入电功率的手段，即能保持合适的极距又保持最佳的热平衡。由于铝电解槽是一个复杂的非线性、时变、大滞后的被控对象，其中，出铝、换极、槽况维护等间隙性工序必须由人工操作，而且这些间隙性

2、工序对电解生产的平稳进行有很大影响。描绘铝电解槽状态的参数可分为下列两类:(1).第一类为“快时变”参数:变化速率相对较快，且对输入和外界干扰的变化较敏感。主要参数是描绘电解槽物料平衡状态的参数氧化铝浓度，反映热平衡状态的参数电解质温度，以及引起能量输入变化的参数极距。(2).第二类为“慢时变”参数:变化速率相对较慢，对输入和外界干扰的变化不太敏感，其较大范围的变化往往由“快时变”参数的快速和持续的变化所引起。重要参数有:电解质成分、电解质水平、铝液水平、炉底压降，以及描绘槽膛内形的参数等。第一类参数是描绘或改变物料平衡或改变物料平衡的主要参数，因此必须由控制系统实时和准确地进行控制。由于这类

3、参数是直接或间接引起的槽电阻变化的主要原因，因此对特定输入序列下槽电阻的响应特征进行推理特征进行推理分析，可“辨识”出这些参数的取值及变化情况，从而达到控制这些输入的目的。第二类参数的变化情况在很大程度上取决于第一类参数的控制好坏。由于过程的复杂性，若只有控制第一类参数的实时控制子系统，则系统便不能掌握和控制过程的整体变化趋势。因此，了解该类参数的取值与变化情况对于槽况综合分析十分重要。该类参数中，有些是长期以来是由人工定期测定或取样分析的，有些则不便人工检测。而一些不便检测的参数(如槽膛内型)对反映其变化十重要。而其中一些重要的过程状态参数，如电解质温度、氧化铝浓度等目前无法实现在线连续检测

4、。因此，不能建立完整的电解槽数学模型。目前，仅有槽电压和系列电流可在线采集，能实时地反映槽状态变化的参数只有由槽电压和系列电流计算得到的表观槽电阻和由它计算得到的槽电阻斜率和累计斜率等参数。2.1南平铝业240KA电解控制系统的主要功能:南平铝业240KA电解槽控制系统长沙业翔开发的“现场总线（CAN总线）型智能模糊控制系统”，其主体技术经部级鉴定达到国际先进水平，模糊控制技术的特色主要有:1).在对控制对象行为的仿真与解析上，着眼于电、磁、热、流与电化学过程的藕合作用，具有模型化的整体性。2).在控制算法上，以模糊控制为主体的多种智能控制方法的集成运用，提高了系统的控制质量和工作可靠性。3)

5、.在系统结构上，采用过程优化控制(DDc级)与状态仿真和诊断(SCC级)向结合的两级分布式配置，以实现双向支持、功能互补，提高了系统的控制功能。4).在控制策略上，采用了多模式控制，多档级的下料速率调节，以及设定值在线自修正等，加强了系统的鲁棒性，改进了智能控制效果。5).在信息获取与加工技术上，采用在线采集(有限信息)与动态仿真相结合，提高了加工深度，扩大了信息资源并提高了信息的可靠性。该系统分上下位机两部分：一、下位机槽控箱的主要功能(1).信号采集:在线同步采集槽电压、系列电流;接受并处理与人工作业工序相关的各种手动信号。(2).槽况解析:实时地解析槽况的变化趋势;对不稳定及异常槽况(如

6、电阻针振、电阻摆动、阳极效应趋势、阳极效应发生、下料过程的电阻变化异常、极距调节过程的电阻变化异常等)的预报、报警和自处理。3).下料与电阻控制:由模糊控制器实现对下料速率的调节(即对氧化铝浓度的控制)，和对正常槽电阻的控制(即对极距与热平衡的控制)。(4).人工操作工序监控:对换阳极、出铝、抬母线及边加工等人工操作工序进行监控。(5).设定参数的自修正功能:能自动地根据槽况实时解析的结果修正目标控制电阻、控制非调节区宽度、基准下料速率、阳升/阳降电阻率等设定参数。(6).提供多种可供选择的控制模式:操作人员可根据需要选用一种合适的电压控制模式和下料控制模式。(7).数据处理与存储:为上位机监

7、控程序进行数据统计和记录，并制作和储存报表数据。(8).与上位机的数据交换:在联机状态下能通过通讯接口与上位机交换数据。(9).故障报警与事故保护:诊断、记录和显示自身的运行状态和故障部位，并采取相应的保护措施。二、上位机(及工作站)的主要功能上位机(及工作站)采用以高档工控微机为核心计算机系统。运行于windows98(以上版本)操作系统的32位应用软件能提供友好、简洁、美观的图形操作界面，并实现如下功能:(1).数据交换:既能与槽控机交换数据，又能通过网卡实现与全厂计算机局域网络的联结。(2).监控与管理:提供丰富友好的操作界面和简捷的操作方式，提供多种表格和动态曲线显示方式，实时地显示各

8、联机控制槽的运行信息和槽控机的工作状态信息，能制作和联机输出多种类型的报表，以满足槽况分析和生产管理要求。(3).参数查/改与控制模式选择:提供多极权限的槽控机设定参数的修改与知识库查看与修改功能，和槽控机控制模式的选择功能。(4).异常事件与故障报警:对阳极效应及重要事件的实时声音或语音报警。(5).槽况诊断与操作维护决策支持:通过启动槽况诊断专家系统，实现槽况诊断并获得槽况维护的建议。2.2氧化铝浓度控制的改善Al2O3浓度控制技术是基于80年代法国提出了一种在铝业界有重要影响的专利技术,该技术采用“欠量下料”与“过量下料”交替进行的下料方式。研究表明槽电阻是随Al2O3浓度和极距的变化而

9、变化的,一般情况下，因为阳极消耗速度与铝水增高速度差不多，故视极距为不变，所以槽电阻就是Al2O3浓度的代用特性值，且槽电阻是一个能被随时检知的参数。所以对铝电解生产过程进行自适应控制主要是采用跟踪槽电阻变化反应槽内浓Al2O3浓度，从而达到根据Al2O3浓度控制Al2O3的加料过程。但这些基于槽电阻斜率的计算与估计的下料控制方法忽略了浓度跟踪期内其他影响因素所引起的槽电阻变化，即假定了槽电阻与氧化铝浓度之间存在固定的U型曲线关系，这只有在槽况正常时才能成立。由于各个铝厂电解槽设计特性，电解槽的热场、磁场等物理场特性、槽结构、配套设备的性能、Al2O3等原料的理化性能和采用的工艺技术条件等诸多

10、方面的不同会使,电解槽的槽况产生变化而偏离正常状态，使槽电阻与氧化铝浓度之间的U型曲线关系发生漂移。下图3-1是邱竹贤教授在实验室研究的得出的氧化铝浓度在不同分子比条件下的曲线。由图可见，在所有的Al2O3浓度对槽电阻图2-1电解槽的Al2O3浓度对槽电阻关系曲线(950士2)l-CR=2.0; 2-CR=2.2; 3-CR=2.4; 4-CR=2.6关系曲线中都存在一个极小值。在较低或较高的Al2O3浓度范围内，槽电阻较大;而在适宜的Al2O3浓度范围内，槽电阻有极小值。这表明，控制电解槽中Al2O3浓度，可以使槽电阻降低，从而达到节能降耗的目的。对这种情况的解释是:Al2O3浓度对阳极气膜

11、电阻和电解质电阻有两种相反的作用同时存在，何种作用为主，就取决于Al2O3浓度范围。Al2O3浓度小，则气膜电阻较大，而Al2O3浓度对电解质电阻增加作用较小，故以气膜电阻作用为主，表现为槽电阻随Al2O3浓度增加而降低;Al2O3浓度大，Al2O3浓度对电解质电阻的影响成为主要作用，表现为Al2O3浓度增加，槽电阻增加。两种作用消长的结果，使得在适当的对于分子比为2.6、2.4、2.2和2.0四种电解质而言，由于槽电阻极小值所对应的Al2O3浓度分别为4%、3.7%、3.5%和3.0%因此对于降低槽电阻有利的Al2O3浓度范围就在这些Al2O3浓度值附近。由图还可得出，随着电解质分子比降低，

12、槽电阻极小值逐渐增大，并且对应槽电阻极小值的Al2O3浓度值也逐渐降低。产生这种现象的原因是:随着分子比降低，电解质的导电率降低，因此槽电阻极小值当然会逐逐渐增大。由于Al2O3浓度对槽电阻增大优势，这取决于Al2O3浓度范围。在同一Al2O3浓度时，例如3.5%，对CR一2.6的电解质而言，气膜电阻的作用为主;而对CR一2.0的电解质，以电解质电阻的作用为主，故分子比降低时，对应槽电阻极小值的Al2O3浓度值也有所减小。槽电阻除了受Al2O3浓度和分子比影响外，还要受槽温、极距和添加剂的影响。工业铝电解槽通常控制在槽电阻极小值左侧的某一Al2O3浓度范围内，此时，Al2O3浓度对槽电阻关系曲

13、线的斜率变化较明显，有利于过程控制，并且由于Al2O3浓度较低，电解质电阻较小，Al2O3溶解速度较快，不生成沉淀，又能避免阳极效应的发生，可以取得优良的生产指标。综上所述可知,采用新工艺后必须对控制系统中氧化铝浓度控制的计算量化因子改进,以适应新的工艺的要求,否则采用新工艺后如不对氧化铝浓度的控制进行改善,则要么出现炉底沉淀,要么效应系数大幅上升，无法保证槽子的稳定运行。总体说来氧化铝浓度的控制有如下三个的要点：（1）氧化铝浓度工作区应设置在既不易产生阳极效应，又不易产生沉淀的一个较小的变化范围内。为了利用槽电阻斜率来推断氧化铝浓度，在氧化铝浓工作区内槽电阻对氧化铝浓度的斜率应当足够大，以克

14、服各种干扰的影响。在所采用的新工艺技术条件下，能满足上述要求的氧化铝浓度工作区为1.53.5%。(2).下料控制分为三种基本模式，即浓度工作区校验、常态下料控制和非正常下料控制。浓度工作区校验模式采用较大程度的欠量、过量下料以使电解槽受到类似于系统辨识的“激励信号”的作用，以便更可靠地利用槽电阻斜率来判断氧化铝浓度，然后调整下料速率使氧化铝浓度进入理想的工作区;在这之后，进入常态下料控制模式，控制器在一个较小的范围内调节下料速率，尽可能保持电解过程的物料平衡和热平衡稳定，以获得高电流效率;当出现各种异常事件时(如阳极效应、系列停电、电流异常、采样故障、人工作业等)，转入非正常下料模式。(3).

15、为了确保浓度控制精确、可靠，控制器应对槽况进行综合分析，然后根据槽况综合分析的结果选择适应的下料控制模式，在必要时调整控制器的动、静态特性以便使电解槽稳定地运行于设定的氧化铝低浓度工作区。南平铝业240KA电解槽由于原来氧化铝控制浓度偏高平均在3.11-3.5%左右,对于240KA电解槽的工艺电解优化,及提高电流效率存在不足,严重制约了240KA电解槽的进一步节能降耗,因此有必要对240KA电解槽的氧化铝浓度的计算机控制程序进行调整，同时根据不同的槽温等工艺状态下优化出一套较成熟的控制参数。通过对计算机程序的完完善调整,以达到对240KA电解槽低浓度的控制,对于240KA电解槽的工艺优化及提高

16、电流效率,240KA电解槽的稳定生产，进一步节能降耗建立基础。下表就是试验前后的氧化铝浓度各项检测数据对比表及对比图。表2-1电解一工段试验前后氧化铝浓度对比比较值比较项目槽台数比较百分率比较调整前调整后调整前调整后数据总数804425825425平均浓度(%)3.11%2.2%3.112.2%浓度小于3%43237454%88%浓度大于3%3725146%12%浓度大于4%139817.5%1.9%浓度大于5%5340.65%0.9%浓度大于6%1400.17%0图2-2一工段氧化铝浓度试验结果对比图表2-2电解二工段试验前后氧化铝浓度对比比较值比较项目槽台数比较百分率比较调整前调整后调整前

17、调整后数据总数806432806432平均浓度(%)3.5%2.173.52.17%浓度小于32263622985浓度大于34964260.59.7%浓度大于4206825.81.85%浓度大于585210.40.46%浓度大于63110.380.2图2-3二工段氧化铝浓度试验结果对比图从上表2-1和表2-2试验前和试验后的浓度数据对比,可以看出240KA电解槽的氧化铝浓度从年初(1-3月)的平均3.11-3.5%左右下降到目前的2.2%左右,大于3%的氧化铝浓度比率46%-60.5%下降到12%-9.7%,大于4%的氧化铝浓度比率17.5至%-25.8%下降到1.9%-1.85%,大于5%的

18、氧化铝浓度比率6.5%-10.4%下降到0.9%-0.46%,大于6%的氧化铝浓度比率0.17%-0.38%下降到0%-0.2%。由此可见，氧化铝浓度控制效果显著,特别是大于4%的高浓度槽的比例从原来20%左右下降到1.9%。在试验过程中前后经过几次的氧化铝浓调整及对一些控制参数的修正，目前已达到较好的控控制效果，氧化铝浓度从原来的平均3.3%左右下调至目前的2.2%左右，同时效应系数也从原来的0.4下降0.3左右,所以氧化铝浓度控制已基本达到新工期艺要求。2-3、低温控制的稳定实现除了下料控制之外，槽电阻控制是铝电解过程控制的另一项主要内容。常规方法为恒电阻控制法，即将表观槽电阻维持在以设定

19、值为中心的非调节区内。然而，槽电阻控制的真正目的是，一方面维持正常的极距，另一方面维持理想的热平衡。但是，由于槽电阻与很多目前尚不能在线检测的参数有关，它与极距和电解质温度并无确定的对应关系，所以将槽电阻控制在非调节区内并不意味着能维持最佳的极距和热平衡。因此，在常规的控制方法下，当电解槽状态或运行条件发生变化时，往往需要手动辅助极距调节或人工调整槽电阻设定值，而当系列供电不正常时，只能依靠手动调节。目前，我国许多铝厂的电解生产系列因电网限电而经常出现电流不正常、波动大的现象，加之电解槽因其物理场设计落后而稳定性较差，所以槽电阻的“手动调节”频繁，控制的随意性大，稳定性差，且无法实现最优控制，

20、对稳定实现采用新的工艺技术条件，从而取得高效低耗的技术经济指标极为不利。对于槽电阻(极距与热平衡)的控制有如下几个要点:(1).槽电阻的目标控制区域必须随系列电流和槽况的变化而自动实时地调整，才能降低电解槽热平衡的波动并维持合适的极距。(2).槽电阻稳定性变差时，应适当升高电阻控制设定值并升高非调节区上限，以防极距过小和消除电阻波动;反之，若槽电阻过于平稳，则可能是热行程的征兆，可适当降低电阻控制设定值。(3).人工作业后，应适当升高电阻控制设定值，以补偿人工作业引起的热损失和溶化带入槽内的物料，并扩大电阻的非调节区，减少调节频度，以利于电解槽尽快稳定。(4).极距调节的频度设置必须兼顾下料控

21、制算法对极距稳定性的要求，以减少阳极移动对氧化铝浓度控制的干扰。(5).在因电网限电而降负荷期间，为了保持电解槽正常的热平衡，应适当提高电阻控制设定值。若系列电流波动强烈，则应适当扩大电阻非调节区域以降低极距调节频度。(6).阳极移动完成且电阻变化方向正确时，计算单位阳移时间内电阻变化量，用以计算阳移时间，并用作热平衡状态的辅助判据;当阳移后电阻变化量与预定量相差太大或两者方向相反，则可能是极距过低或阳极效应来临的征兆，因而应适当调整槽电阻目标控制区域或禁止下降阳极。在实际电解生产过程中对电解温度稳定性的影响因素有氧化铝的浓度控制、阳极效应、出铝、换极等对电解温度的影响最为明显。2-3-1.氧

22、化铝浓度控制的影响采用新工艺后由于分子比和电解温度的降低,电解槽的稳定性相对较差,对氧化铝的控制精确度也提出了更高的要求,氧化铝浓度失控将直接导致冷热槽，由于国内氧化铝的物理性能与国外的氧化铝有一定差距，所以当电解质温度和过热度太低时，电解质对氧化铝的溶解度和容解速度降低，有时出现浓度低，下料多，温度进一步降低，通过检测槽子在走过量加工时槽温可下降2-3度,造成电解质的过热度不够,导致氧化铝直接沉入炉底造成沉淀，如电解热平衡没有得到及时的调整将形成炉底结壳从而导致槽子恶化甚至反热达不到低温的稳定生产目的，不能稳定的低温将达不到提高电流效率的目的。另一方面当电解质温度和过热度太低时，氧化铝的溶解

23、性不好时，氧化铝浓度容易进入氧化铝浓度和电解质电阻变化的不敏感区域，氧化铝浓度智能模糊控制无法判别氧化铝浓度，迫使氧化铝控制一直走过量加工，直到下足控制系统参数设定的最大过量周期，造成氧化铝浓度高反过来也影响电解温度，最终结果也是炉底沉淀、结壳。因此采用新工艺后，除了对氧化铝浓度控制的计算因子做调整外，还应对影响氧化铝控制的系统参数中的下料最大过量周期做出调整，以保证氧化铝浓度的精确控制，强行对氧化铝下料进行过欠转换，以避免氧化铝进入高浓度区造成沉淀影响电解温度的平稳控制。南平铝业240KA电解槽原来设定的最大过量周期为120分钟，在试验过程中经几次调整最后可确定为60分钟，控制系统对氧化铝浓

24、度的控制较为精确，同时也能满足效应控制的要求，没有发现因为最大过量周期参数的调整造成突发效应的产生。下图是调整前后的槽历史曲线运行图，从运行图可看出氧化铝浓度控制的过欠转换更为合理。2-3-2.阳极效应对电解温度的影响由于阳极效应频率高和持续时间长，会干扰电解槽的热平衡稳定性，造成电解质熔点等温线位移，会使凝固的槽帮变薄乃至消失，同时增加了能耗。阳极效应对电解温度的影响比较复杂，这里主要考虑了阳极效应的平均电压和效应持续时间这两个影响因素。测试统计电解温度950左右的电解槽，分别确定效应持续时间：3，5，10min3个时间档次。测试结束后，统计效应平均电压。测试数据见表2-3,表2-3的数据表

25、明，阳极效应对电解温度稳定性破坏相当大。在同样的效应平均电压下，效应持续时间越长，电解温度的升高越大，而且影响时间也越长；在同样的效应时间下，效应平均电压越高，电解温度升高也越大，而且影响时间也越长。表3-3阳极效应对电解温度的影响变化情况:在表2-3效应影响时间(效应后电解温度恢复到效应前所需要的时间)效应平均电压（V）效应持续时间（min）效应前温度（）效应后温度（）效应前后温差（）效应影响时间（min）2025V395296614约40595597520约901095097828约1402530V394896018约60595397421约1201095198336约180南平铝业240

26、KA电解槽原来控制系统参数设定的效应确认时间是槽电压达到8V持续超过90秒判定效应发生，所以一个效应处理时间大概是5分钟，所以效应前后的温差在20左右，影响槽温时间约120分钟,槽当日平均工作电压上升50-60mv,目前国内下料系统故障率普遍较高，所以由于下料器的故障造成突发效应的比率较高，造成对槽的正常运行破坏较大，由于工优化后要求槽温波动小电解槽的运行更加平稳,因此有必要对南平铝业240KA控制系统对效应的控制进行改进，通过试验后将效应确认时间改为30秒，将效应持续时间控制在1-3分钟以内，改进后效应前后温差基本能控制在10-15左右，影响时间在一个小进以内，槽当日平均工作电压上升20-3

27、0mv，对影响电解槽的平稳运行大幅降低，效果明显。2-2-3.出铝对电解温度的影响在正常的铝电解生产中，出铝前，电解槽能量平衡、物料平衡都运行得较为平稳，电解槽在一个稳定的状态下进行工作。一旦出铝，因为铝液的下降，电解槽的固有平衡瞬间被打破，给电解槽带来短暂的影响，所以出铝后的一段时间，电解槽实际上是运行在另一个新的平衡过程中。出铝对电解温度的影响因素主要考虑出铝控制模型和出铝量,在正常出铝过程中，出铝量一般为1800kg，出铝时间为3-5min。南平铝业240KA预焙铝电解槽出铝时，程序控制系统参数的出铝附加电压为70mv、附加时间为20分钟,从实际实践看，把设定电压抬高70mv，只适用于电

28、解槽槽膛不规整、出完铝后可能造成针振、电压摆的电解槽。而对于槽膛规整的电解槽而言，出完铝后，虽铝水平降低，散热量减少，但不会造成铝液波动，完全没有必要再来抬高电压。并且从热平衡角度看，此时电解槽已经走热，设定电压的抬高反而会促使电解槽进一步走热，尤其是铝水平偏低的槽子,加剧了电解槽热平衡的破坏程度,同时造成不必要的吨铝能耗增加。出铝过程的实测数据表明（见表2-4），出铝过程中电解温度是升高的，整个出铝过程电解温度升高4-8，持续时间为15-30min。从实际检测的表2-4出铝后设定电压上抬70mv、维持20min的槽温变化情况（）时间221#222#223#224#出铝前95395895695

29、9出铝后即时958966957962出铝后10min956966957964出铝后20min957966959964出铝后30min958966961966出铝后40min959963959965出铝后50min957962959965出铝后60min956961960964出铝后70min955961959963出铝后80min955960958961出铝后90min954959957960电解温度的最大变化值（）6847出铝前后的温度变化可看出最大温差可达到8,要将近90分钟槽温才回到出铝前的温度,所以工艺优化后要保持槽子的平稳运行有必要尽量避免槽温的变化太大,经过试验将出铝系统参数的出铝

30、附加电压设定为20mv,附加时间仍保持20分钟,经过试验出后槽温的波动更小,从下表2-5可以看出，出铝后半小时，槽温上升了3-5，随后槽温相对平稳下来，约1小时后，就可逐步恢复到正常。经过试验槽运行后统计的数据表明附加电压由70mv降为20mv后,槽温的稳定性增加,槽的运行也较平稳,经济技术指标也有所提高，可见出铝后的附加电压由70mv改为20mv后更为合理。表2-5：出铝后，设定电压上抬20mv、维持20min的槽温变化对比情况时间221222223224出铝前964953951959出铝后即时967957956962出铝后10min966956955963出铝后20min965958953

31、963出铝后30min965957950963出铝后40min965955950962出铝后50min964954951962出铝后60min964954952962出铝后70min963954951961出铝后80min964954951960出铝后90min964954951959电解温度的最大变化值（）35542-3-4.换极对电解温度的影响换极后由于新阳极导电需要一定时间，导致其它部位的阳极和电解质分担的电流增大，压降相应升高约110mv，因极距不足而导致电解槽波动，并因波动和人工干扰而造成突发效应以寻求电解槽自平衡。1.换极后槽温变化趋势240KA预焙槽配置16块双阳极，换极周期为2

32、9天，槽温控制区间为948960，在运行过程中，每次换极后，总发现槽温有不同程度的下降，这种状况在一定程度上局限了槽温在更狭小的区间运行，为了客观的反映换极作业对稳定热平衡的负面影响，我们持续跟踪了近几日槽温、两水平均稳定的十数台槽换极后槽温的变化情况。其中2004年12月31日106#、204#、206#、209#四台槽的换极后槽温的变化趋势见表1。换极持续时间是指残极从电解槽中拔出到新极安装完毕后并添加Al2O3保温料的一段时间，正常换极时间为20min。在以上的条件下，测得换极过程中，电解温度的变化数据见表5。表5中最值得注意的数据是电解温度的最大变化值，它与电解槽电解温度的选择密切相关

33、。测试表明，电解温度的最大变化值为8。表3-6换极后槽温随时间的变化值表槽号换极号电解温度空极时间覆极后槽温随时间的变化值（）1min5min0.5h1h2h3h5h7h221B59526min952954953953951950947948222A79515min951949953954952952948948223A29559min955950954952951949947950224B19658min965961962963962960957958由表3-6可以看出： 在换极0.5h内，槽温先下降25，在0.52h内槽温基本回复到起始温度，可在随后的25h内，槽温又逐步下降58，在45h

34、接近下降的极大值，过5h后渐渐又回升； 影响换极的热量损失的直观因素有：空极时间、空极面积、槽温高低，空极时间越长热损越大；空极面积越大热损越大（边部极换极时使端部小头也裸露，以致于空极面积大于中部极）；槽温越高热损越大(与周边空气温度差值增大)； 对于计算机控制系统在换极作业设置的45min 、70mv的附加能量补偿，只能在2h内使槽温回复到基点，但不能阻止槽温在随后的时间急剧下降。2.换极导致的热量损失为了更深入研究换极作业对槽稳定热平衡的影响，我们对换极热损失进行了结合现场数据的系统理论计算。换极导致电解槽热量的损失由两大部分组成：一是空极时敞开的电解质液面向周边空气散失的热量；二是热残

35、极带走的热量即冷新极上升到全电流时所吸收的热量。2.1电解质敞开液面向周边空气的热散失经过电解槽敞开液面的热损失（Q散失）由对流传热（Q对流）和辐射传热（Q辐射）组成即：Q散失Q对流Q辐射。1.1.1对流传热的计算对流传热的计算公式：Q对流F(t表面t空气)对流（1）式中：对流对流传热系数；t表面指电解质表面温度，取240KA电解槽平均控制平均温度955；周围8m内平均气温度取30；F为敞开液面面积，这里以中部极敞开壳面长1.71m宽1.41m。 对流传热系数的确定由于铝电解槽对流传热过程比较复杂，可以通过模拟相似原理实验的途径解出传热过程的微分方程式。NuCReaPrkGrg （2）当Re、

36、Pr、Gr准数确定后，Nu准数亦被决定，即可求出值。电解质向空气的对流传热在空气自然循环条件下进行，而且电解质无相变，故此时上升力较大，Re的影响可以忽略，即式（2）可以简化为式（3）：Nuf(Pr,Gr) （3） Gr的确定：Gr （4）为空气体积膨胀系数，1/；V为空气动力粘滞系数，m2/s。1.3110-31/将值带入公式（4）中可以求得Gr：Gr5.21108 Pr的确定：Pr对于气体而言，它的大小既不取决于温度，又不取决于压力，它的大小只取决于气体的原子数，查干燥空气的物理参数表（P1kg/cm2）,得出Pr0.722。 Nu的确定：NuC（GrPr）nC（5.211080.722）

37、n C（3.75108）n 通过GrPr3.75108查（GrPr）与C、n关系表，得出n1/3，C0.135。可以求出：NuC（GrPr）n0.135（3.75108）1/397.2 对流的求值：对流（5）为气体导热系数，通过对流层平均温度493，查干燥空气的物理参数表（P1kg/cm2）2，得出4.64102kcal/mh，将其带入公式（5）：故对流3.2kcal/m2h Q对流值的确定将对流的值带入公式（1）中，可以求得Q对流的值：Q对流F(t表面t空气)对流1.701.41（95530）3.2= 7095kcal/h2.2辐射传热的计算据斯蒂芬波尔兹曼（StefanBoltzmann）

38、定律，黑体的辐射能力与其表面的绝对温度T的四次方成正比，即：Q（6）C为黑体的辐射系数。可以推导经过敞开口的电解质向空气中的热辐射计算公式为：Q辐射4.96F(7)为经过敞开口的辐射角系数，查文献2中平行六面体各面间的辐射角系数图谱，可得辐射角系数0.36，带入公式（7）中，可得：Q辐射4.96F4.2796969kcal/h因此经过电解槽敞开液面的热损失为：Q热损Q对流Q辐射709596969kcal/h 而换极空极时间为57min，取6min，因此：Q热损10406kcal4.37107J2.3冷新极所吸收的热量从文献2中查得碳阳极由室温（20）加热到960时的热焓变化H335kcal/kg，可以推算出炭素的比热为C为：C0.356kcal/kg冷新极由20加热到平均温度280（冷极导全电流时整体阳极的温度）所需的热量为：Q吸收C（T1T0）m0.356（28020）1680kcal6.49108J3.换极能量补偿计算机控制系统对换极热量损失存在一定的附加电压补偿，45min/70mv附加电压来补充这部分热量损失，在假定补偿电压全部转化为热能的前提下，附加电压能带来的Q收入为：Q收入VIt0.07240103