大型铝电解槽低电压物料与能量双平衡控制技术.pdf

2 0 1 3 年4 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／t y s y t ．b g r i m m ．c n 2 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j 。i s s n 。1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．0 4 ．0 0 8 大型铝电解槽低电压物料与能量双平衡控制技术 秦卫中，王有来，李勇，李炜煜，张树东，李孟湘 四川启明星铝业有限责任公司，四川眉山6 2 0 0 4 1 摘要介绍大型铝电解槽低电压物料与能量双平衡控制的技术和6 年的应用实践。通过采用实时天平 式氧化铝浓度控制技术，电解槽氧化铝浓度可以平稳均匀控制在1 ．5 ％～2 ．5 ％。通过对槽电压和自动 添加氟化铝进行实时控制、以及对电流效率的评估，从而保证了电解槽能量的平衡稳定。 关键词铝电解槽；槽电压；物料平衡；能量平衡 中图分类号T F 8 2 1文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 0 40 0 2 7 0 4 M a t e r i a la n dE n e r g yD o u b l eB a l a n c eC o n t r o lT e c h n o l o g yf o r L a r g e - S c a l eA l u m i n u mC e l lw i t hL o w C e l lV o l t a g e Q I NW e i z h o n g ，W A N GY o u ～l a i ，L IY o n g ，L IW e i y u ，Z H A N GS h u d o n g ，L IM e n x i a n g S i c h u a nA o s t a rA l u m i n u mC o 。，L t d ．，M e i s h a n6 2 0 0 4 1 。S i c h u a n ，C h i n a A b s t r a c t M a t e r i a la n de n e r g yd o u b l eb a l a n c ec o n t r o lt e c h n o l o g yw i t hl o wc e l lv o l t a g ea n di t ss i x y e a rp l a n t p r a c t i c ew e r ei n t r o d u c e d ．T h ec o n c e n t r a t i o no fA 1 20 3i na l u m i n u mc e l li ss m o o t h l ya n ds t e a d i l yc o n t r o l l e d a t1 ．5 ％～2 ．5 ％w i t ha p p l i c a t i o no fr e a l t i m eA 1 20 3c o n c e n t r a t i o nc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y ．T h ee n e r g yb a t a n c eo fa l u m i n u mc e l li se n s u r e db yr e a l t i m ec o n t r o lo fc e l lv o l t a g ea n da u t o m a t i ca d d i t i o no fA 1 F 3 ． K e yw o r d s a l u m i n u mc e l l ；c e l lv o l t a g e ；m a t e r i a lb a l a n c e ；e n e r g yb a l a n c e 随着计算机控制技术和铝工业的发展，国内先 后开发了铝电解槽自适应控制、智能多模式控制等 技术，这些控制技术的成功应用使我国的大型铝电 解槽的技术经济指标得到明显提高，电流效率从 8 7 ％～8 9 ％提高到9 1 ％～9 3 ％，吨铝直流电耗从高 于1 40 0 0k W h 降到1 32 0 0 ～1 36 0 0k w h 。 随着我国对节能减排的要求越来越高，以及取 消优惠电价，迫使电解铝企业通过优化设计或改善 电解槽的电、磁、热、流物理场，或通过提升工艺控制 等手段来降低电解槽的运行电压。目前国内部分电 解铝企业的槽电压从4 ．1V 以上降到3 ．8 ～3 ．9V ， 甚至3 ．8 0V 以下。 四川I 启明星铝业有限责任公司通过在不停电状 态下对系列电解槽母线进行改造，优化电解槽的电 磁场，降低垂直磁场强度4 3 ％，电解槽母线压降降 收稿日期2 0 1 2 1 12 2 作者简介秦卫中 1 9 6 8 ，男，广西人，高级工程师 低3 5m V ；通过新型阴极技术运用，改善了流场，铝 液流速降低1 5 ％；通过使用全保温型电解槽内衬结 构技术减少了热损失，槽壳侧部各区域平均温度降 低了4 0 ℃，槽壳底部温度降低了1 5 ～2 0 ℃。通过 应用预焙阳极深度开槽技术，阳极压降降低6 0m V 以上。 在低电压电解工艺中，随着电压降低，电解槽热 收入减少 系列电流不变时 ，过热度呈下降趋势，氧 化铝溶解性下降。若控制不当，将破坏电解槽的物 料与能量平衡。因此如何控制物料与能量平衡是低 电压生产过程的控制核心，直接决定生产的稳定性 和指标。我公司与贵阳铝镁设计研究院2 0 0 5 年联 合开发了大型铝电解槽物料与能量双平衡控制技 术，经过6 年的推广应用，已在国内多家电解铝厂 2 0 多个系列以及印度B A L C O 和V E N D A T A 铝厂 万方数据 2 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m 。c n 2 0 1 3 年4 期 9 个系列上应用，都取得了良好的效果。 1 低电压控制对象的确定 1 ．1 低电压生产物料平衡控制 铝电解槽物料平衡是指加入到电解槽的物料总 量与电解槽产出总量保持平衡。加人电解槽的物料 包括氧化铝、启动时灌人的铝液、阳极炭、主要添加 剂氟化铝、少量添加剂钙盐、镁盐、钠盐等。电解槽 产出包括铝液、C O 、C O 、少量阳极炭渣等。其中， 纳入能量平衡控制对象的主要由启动时灌人的铝 液、主要添加剂氟化铝和产出的铝液。而阳极炭、 C O 。、C O 、少量阳极炭渣以及少量添加剂钙盐、镁 盐、钠盐不列为控制对象。 由于铝液产出量 即出铝量 是最直接的经济指 标，是电流效率的直接体现，过多或过少都将影响电 解质温度。因此，物料平衡控制对象主要是投入的 氧化铝。加入到电解槽内的氧化铝溶解进入电解质 体系并参与电化学反应、形成炉帮、形成沉淀或结 壳。在低电压下，热收入减少，电解质中氧化铝易饱 和或失真，电解槽容易产生沉淀结壳或伸腿。因此 我们将氧化铝浓度控制作为低电压生产中物料平衡 控制的核心对象。 1 ．2 低电压能量平衡控制 铝电解槽能量平衡是指单位时间内电解槽的能 量收支平衡。能量收入取决于槽电压和系列电流， 对一个企业或一个生产系列而言，系列电流是常量， 槽电压是变量，因此，槽电压控制是能量平衡控制的 主要对象。 槽电压与电流效率和热损失关系的公式[ 1 ] a 热损 E 体一 0 ．4 4 1 ．7 2 r 1 其中口热损为电解槽的热损失系数，代表电解槽 处于平衡状态时单位电流 1k A 和单位时间 1h 内损失的能量 k W h ，E 体为电解槽体系电压 V ，r 为电流效率 ％ 。 公式 1 说明，在能量平衡控制槽电压的同时， 必须考虑作为主要能量支出的电流效率。大多数的 研究结果都倾向于降低初晶温度，同时控制好过热 度，才能提高电流效率。在影响初晶温度的电解质 成分中，只有分子比是动态变化的，如何控制好氟化 铝的添加也是能量平衡控制的主要内容。 从公式 1 还可看出，若实施低电压，必须减少电 解槽的热损失，否则只能以牺牲电流效率为代价。 氧化铝浓度、氟化铝的添加都直接影响电解质 初晶温度，而槽电压决定了电解温度，因此双平衡控 制技术的实质是控制电解质的“三度”电解质初晶 温度、电解温度、过热度。 2低电压控制工艺技术 2 ．1 对电解槽电、磁、热、流物理场的要求 若不改变工艺技术，降低电压，电解质过热度随 之降低。因此实施低电压控制要求从工艺技术上来 减少热损失，其中采用全保温型电解槽技术加强保 温和降低槽内再产铝是减少热损失的两个主要手 段。大型铝电解槽的传统热场设计理念是炉底保 温、侧部散热，目的是在保证电解槽炉底干净的前提 下，通过散热在侧部形成良好的炉帮，在高电压生产 时可以有效地保持电解槽的热平衡。但在低电压生 产时，随着电压降低，在平衡态下，电解槽通过自身 调节，炉帮厚度随之增加以减少热损失。但如果炉 帮下部进入阳极工作区 称之为伸腿 ，对于窄工作 面 侧部炭块与阳极之间的区域 ，过厚的炉帮不仅 严重影响现场作业，同时伸腿过长还会导致炉帮畸 形，破坏电解槽的稳定运行。而应用全保温型电解 槽技术可以达到既能抑制炉帮过长，又能减少电解 槽的热散失。 在实际低电压生产中，随着电压降低，能量收入 减少，过剩的再产铝会加剧电解槽炉底沉淀、结壳、 侧部伸腿过长等冷态化，严重恶化电解槽运行状态。 因此低电压工艺应当在低铝水条件下实施。但是槽 内所需的再产铝与电解槽的磁场、热场、流场设计及 电流强度有关。受磁场、流场、热场及电流强度的限 制，再产铝过少的话，会导致电解槽的稳定性差、电 压波动大、炉帮熔化，同样也会严重恶化电解槽的运 行。因此优化电解槽设计、使用新型阴极技术来改 善电解槽的电、磁、热、流物理场，确保电解槽处于稳 定状态。 2 ．2 工艺技术规范的保障 要确保电解槽稳定高效健康运行，必须建立适 宜的工艺技术规范。不同企业因槽型、电解槽设计、 电解质成分、工艺思路不同，电解槽的工艺技术规范 存在很大的差异。双平衡控制技术的实质是控制电 解质的“三度”，低电压工艺运行时合适过热度的保 障尤为重要。 3 物料平衡一氧化铝浓度控制 3 ．1 氧化铝浓度对电解质的影响 图1 是某槽在一个下料周期内电解质初晶温度 和过热度连续测定结果。 万方数据 2 0 1 3 年4 期 有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．c n 2 9 9 7 0 嘶m p 露9 5 0 赠 9 4 ／ 9 3 0 9 2 I 下开 一电解温度一初晶温度 过热度 料始 下 ．试时 料 验间 试 ．验‘ 漩哉 ∥o 微V 弋∥。 一 结 ．小．r 一、 ，、、．户、i 束． 时 间 Ⅳ w 扒h 垆 l q ～、 欠量欠量 欠量 ．过量也重 r 星毒耋磊善景善磊善毒言毒害磊星磊宝翥耄磊星 竺型竺 兰 墨墨 三兰22墨墨22 蠹翕石 时刻 图1加料周期内电解质初晶温度和过热度曲线 F i g ．1 C u r v e so fp r i m a r yt e m p e r a t u r eo fe l e c t r o l y t ea n dd e g r e eo fs u p e r h e a ti nac h a r g i n gp e r i o d 由图1 可见，在该下料周期内，电解温度最高 9 5 8 ℃、最低9 5 3 ℃；初晶温度最高9 5 2o C 、最低9 4 6 ℃。说明在1 个下料周期内，氧化铝浓度过量或过 欠都对电解质的“三度”影响较大。 3 ．2 氧化铝浓度控制策略 基于氧化铝浓度对电解质的“三度”影响，在期 望电流效率所确定的基准N B 间隔条件下，控制系 统采取天平式控制，将氧化铝浓度控制在可控的敏 感区内。氧化铝浓度与槽电阻的对应关系见图2 。 图2氧化铝浓度与特征电阻关系示意图 F i g , 2 S c h e n m t i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n c e n t r a t i o n o fa l u m i n aa n dc h a r a c t e r i s t i cr e s i s t a n c e 氧化铝浓度控制策略是通过实时天平式过／欠 控制将电解槽的氧化铝浓度控制在图2 中A 、B 两 条平行线所包含范围内。 如前所述，若实施低电压，必须减少电解槽的热 损失。若电压下降幅度超过热损失下降幅度，必然 造成过热度减小，从而造成氧化铝溶解性下降，电解 槽产生沉淀结壳或伸腿，从而影响电解槽稳定运行。 为克服这种现象，双平衡控制技术检测到电阻非同 向变化时，系统判断氧化铝浓度进入电阻与氧化铝 浓度U 形特征益线右区高浓度不稳定区后，此时系 统会调整物料与能量控制节奏来溶解过剩的氧化 铝，将氧化铝浓度及时调整到图2 中可控的敏感区 域内。 3 ．3 氧化铝浓度测试与运行曲线 运行双平衡控制技术后，对氧化铝浓度进行连 续跟踪测试，并与当时运行曲线相结合。图3 是某 槽电压控制在3 ．7 5V 时连续监测的结果，图中标出 了不同时刻对应的氧化铝浓度。图3 表明，电解槽 运行曲线呈稳定的波形，在过加工和欠加工时，氧化 铝浓度可以稳定控制在1 ．5 ％～2 ．5 ％。氧化铝浓 度平稳均匀，说明该技术对物料平衡的控制是适宜、 有效的。 4能量控制 4 ．1 电压控制 槽电压是电解槽能量控制的变量，槽电压直接 影响电解质温度与过热度。在未实施全保温和铝水 平保持不变的情况下，连续测量电压增加5 0 、1 0 0 、 1 5 0 、2 0 0m V 及减小4 0 、8 0 、1 2 0 、1 5 0m V 时，温度与 过热度的变化情况，回归得到的电压变化值与温度 和过热度变化值的线性关系分别为y 一0 ．0 9 45 x 和 Y 0 ．0 6 02 x 。因此，基于以上关系，为克服低电压 对降低过热度的影响，实施低电压控制时要求在工 艺上进行保温减少热损失和对再产铝进行调整。 双平衡控制系统对电压的调整不仅仅是将电压 调整到宽死区内，更多的是在精确识别并控制氧化 铝浓度的基础上，通过对过热度的识别、电解槽冷热 状态的判断、引入噪声控制，结合系统解析挖掘多维 p ＼越豢篁 盯 站 一 b 7 3 o 万方数据 ．3 0 ．有色金属 冶炼部分 h t t p l t y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年4 期 数据及湿度等其他离线测量数据，对槽电压进行实 时调整控制，从而保证过热度稳定控制。 4 ．2 氟化铝添加量自动控制 如前所述，在影响初晶温度的电解质成分中，只 4 ．4 5 4 3 5 4 ．2 5 4 1 5 4 ．0 S 39 5 3 ．8 5 拦3 ．7 5 脚3 ．6 5 3 ．5 5 3 ．4 5 3 ．3 5 3 ．2 5 31 5 3 ．0 5 有分子比是动态变化的。在平衡态下，分子比的控 制是通过添加氟化铝来实现的。当氟化钙含量为 4 ％，不同氧化铝浓度和不同分子比电解质初晶温度 的测量结果如表1 所示。 ，3l81 ．91R171 ．9 1 ．9l ’4l72 ．2 P 7 曩L r - 。 ；] 、T 丁。I 了n _ 『丁1 同．nqI Il 。一 ●．●一．●一 ● 时刻 3 8 0 3 4 J 3 0 0 2 6 2 2 ‘’萋 1 8 0 鼙 l 甜 1 Ⅲl “ 2 0 图3 氧化铝浓度控制曲线 U - 3 ．7 5V F i g ．3C o n t r o l l i n gc u r v eo fa l u m i n ac o n c e n t r a t i o n U 3 ．7 5V j 表1电解质初晶温度测量结果 T a b l e1 M e a s u r i n gr e s u l t so ft e m p e r a t u r e o fa l u m i n u mc e l l／℃ 基于表1 关系，并结合氧化铝浓度和槽电压对 电解质温度和初晶温度的影响，为确保在降低分子 比、降低电解质初晶温度的同时保证获得稳定的过 热度，双平衡控制技术在人工设定氟化铝添加值的 基础上，结合氧化铝浓度控制结果、电压调整结果、 电解槽噪声、离线电解质温度数据来识别过热度的 大小，对氟化铝添加量进行实时自动调控。 4 ．3 电流效率评估 电流效率不仅是控制的结果，也是制定其他技 术规范的基础。要取得一定的电流效率，就必须具 有相应的匹配工艺技术条件。故双平衡控制技术要 求电解槽管理者制定不同电流效率的技术规范，如 温度控制值、目标电压值、N B 间隔基准值等。双平 衡控制技术对电流效率的评估是通过输出的出铝量 来体现的。考虑到电解槽槽况变化的滞后性，双平 衡控制技术根据过去多目的氧化铝浓度控制结果、 氟化铝控制结果、电压控制结果、现场测量电解质温 度结果，并结合技术规范和基准控制目标值，对电解 槽过去多日的冷热趋势和电流效率进行评估，评定 能量过剩或不足，通过给出当日或多日出铝量，指导 技术人员掌控电解槽的能量支出。通过多日电流效 率的评估，综合多种控制结果，评估一个周期内 3 天、5 天或7 天 电解槽的能量状况。在实施低电压 控制时，该控制技术分期评定周期内运行电压与热 损失是否处于稳定状态，评定运行电压与再产铝是 否匹配。指示是否需要对电解槽进行保温或对出铝 量进行调整。 5结论 良好的磁场、流场、热场设计以及适宜的工艺技 术保障是大型铝电解槽实现低电压控制的基础。大 型铝电解槽低电压物料与能量双平衡控制技术的实 质是对生产过程电解质初晶温度、电解温度、过热度 进行控制。该技术通过实时天平式氧化铝浓度控制 技术，使电解槽氧化铝浓度平稳均匀控制在1 ．5 ％ ～2 ．5 ％的可控敏感区内。通过对过热度的识别，对 槽电压、氟化铝添加量进行实时自动控制，一集对电 流效率进行评估，确保了电解槽的能量乎衡稳定。 万方数据 2 0 1 3 年4 期 有色金属 冶炼部分 h t t p [ ／y s y l ．b g r i m m ．c n 3 t 参考文献 [ 1 ] 邱竹贤．预焙槽炼铝[ M ] ．3 版．北京冶金工业出版 社，2 0 0 5 3 0 2 ． 上接第2 2 页 根据表2 结果，选择絮凝剂总加入量为6 0g ／t ， 此时沉降速度达到5 ．1m ／h ，完全能够满足目前生 产需要。[ 1 1 3 结／念- 1 本矿浆平均粒径仅为6 ．3 5 “m ，且浸出液密 度大、硅浓度较高，属于及难沉降矿浆。 2 P H P 一5 与P H P 一8 复合使用可以起到协同絮 凝沉降作用，沉降效果远优于单独使用。 3 最佳工艺条件为矿浆浓度8 ％，P H P 一5 与 P H P 一8 加入分别为4 8g ／t 、1 2g ／t ，总絮凝剂用量为 6 0g ／t 。此时矿浆沉降速度达到5 ．1m ／h ，完全满足 生产的需要。 参考文献 罗溪梅，童雄，王云帆．难选氧化铜矿的处理[ J ] ．矿业 研究与开发，2 0 1 0 ，3 0 1 4 2 4 5 ． [ 2 ] 项则传．难选氧化铜矿堆浸一萃取一电积提铜的研究和 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t ea n dC a r b o n [ J ] ． M a t e r ．S c i ．E n g ．A ，2 0 0 0 ，2 9 0 1 1 1 5 ． [ 4 ] Y A N GH u a z h o u ．B a u x i t ed e p o s i t si nc h i n a [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a lo fG e o c h e m i s t r y ，1 9 8 9 ，8 4 2 9 3 3 0 5 ． [ 5 ] P a n d aPK ，M a r i a p p a nL ，K a n n a nTS ．T h eE f f e c to f V a r i o u sR e a c t i o nP a r a m e t e r so nC a r b o t h e r m a lR e d u c t i o no fK a o l i n i t e [ J ] ．C e r a m ．I n t ，1 9 9 9 ，2 5 4 6 7 4 7 3 ． [ 6 ] C l u m p l l e r ．M e t h o da n da p p a r a t u sf o rt h er e m o v a lo fi m p u r i t i e sf r o mm o l t e nm e t a l U SP a t e n t ，4 1 1 7 7 0 6 6 [ P ] ． 1 9 7 9 1 2 0 4 ． [ 7 ] J o n a t h a nA ，D a n t z i gDE ，T y l e r ．A p p a r a t u sf o ri n l i n e d e g a s s i n ga n df i l t r a t i o no fm o l t e nm e t a l U SP a t e n t ， 4 2 9 8 1 8 7 [ P 3 ．1 9 8 1 11 - 0 3 ． [ 8 1 张蓉。熔体过热处理对A 1 - S i 过共晶合金凝固组织及耐 磨性的影响[ D ] ．西安西北工业大学，2 0 0 0 7 0 7 6 ． [ 9 ] S i n g hM ，K u m a rR ．S t r u c t u r eo 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