铝电解阳极效应的分析及控制.pdf

2 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年3 期 铝电解阳极效应的分析及控制 杨玲，王智堂 中国铝业青海分公司第三电解厂，青海大通8 1 0 1 0 8 摘要通过详细分析阳极效应发生的机理、原因及影响效应熄灭成功率的几个因素，得出实施自动熄灭 阳极效应系统的必要性。 关键词铝电解；阳极效应 中图分类号T F 8 2 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 7 0 3 - - 0 0 2 8 0 3 A n a l y z i n ga n dC o n t r o l l i n go fA n o d eE f f e c ti nA l u m i n i u mE l e c t r o l y s i s Y A N GL i n g 。W A N GZ h i t a n g A l u m i n i u mC o r p o r a t i o no fC h i n aL i m i t e dQ i n g h a lB r a n c h ，D a t o n g ，Q i n g h a i8 1 0 1 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h em e c h a n i s m ，r e a s o na n de f f e c t i n g ／a c t o r so na n o d ee f f e c t i n ga r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，o nt h e o t h e rh a n d ．t h en e c e s s a r yo ft h ea p p l i c a t i o no fa n o d ee f f e c t i n ga u t o q u e n c hs y s t e mi sa l s oe x p a t i a t e d ． K e y w o r d s A l u m i n i u me l e c t r o l y s i s ；A n o d ee f f e c t 在铝电解生产中，当阳极效应发生时，槽电压骤 然升高到数十伏，阳极周边出现明亮的弧光放电现 象，此时的阳极和导电母线发生振动，系列电流发生 波动。由于阳极效应干扰了正常生产，耗费了大量 的电能，所以必须控制它的发生。为了实现自动熄 灭阳极效应的功能，现代许多铝行业增设了新的控 制系统，能够很好的将效应熄灭在萌芽状态，从而很 好地实现低效应生产的目的。本文以中国铝业青海 分公司2 0 0k A 电解槽自动熄灭效应控制系统为例 加以阐述。 1 阳极效应的利和弊 1 ．1 有利因素 1 可以利用阳极效应来检验电解槽的灵敏程 度，判断电解槽的工作好坏； 2 可以利用效应清亮电解质，烧效应时，电解 质的炭渣会很好的分离出来，降低电解质电阻，减少 能耗； 3 可利用效应将底掌凸出部分烧平，达到均流 作者简介杨玲 1 9 7 2 一 ，女，甘肃武都县人，1 程师 目的； 4 对于个别低温电解槽可以利用烧效应，使其 温度达到正常。 1 ．2 不利因素 1 当效应发生时，槽电压就会升高，电流效率 就会下降，吨铝电耗就会增加； 2 影响系列的正常平稳供电。大多数铝厂采 用的是恒功率供电，当效应发生时，电压升高，电流 就要下降，正常生产受到影响，造成恶性循环； 3 影响系列产量，效应发生时电解槽不生产 铝，影响效率； 4 增加了原材料的消耗，尤其是效应时电解质 中的氟化盐的挥发损失更大； 5 恶化劳动条件，增加工人的劳动强度； 6 降低了原铝的质量。 从上面的分析可以看出，阳极效应利少弊多，在 实际生产中，应尽量减少效应发生的次数和时间。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年3 期 2 9 2阳极效应及发生机理 阳极效应是融盐电解发生在阳极上的一种特殊 现象，不但发生在铝电解当中，而且在钙及铍氟酸中 也普遍发生。在冰晶石氧化铝熔盐体铝电解过 程中发生阳极效应时，碳阳极四周出现闪烁的弧光， 同时听到丝丝的响声，槽电压升高数十伏，电解质停 止沸腾，阳极气体中C O 成分增加，且伴有氟化物气 体 C F 。、F z 等 的散发。阳极效应发生时，电解生产 中断，电能消耗增加，电解质中氟化盐的挥发损失增 加，工人的劳动强度增大等等，对铝电解生产造成一 定的影响。当电解质中的氧化铝浓度降低到0 ．5 ％ ～1 ．0 ％时，处于阳极近层液中的离子可能是桥式 [ A I F 。一O F 。A 1 ] 6 一离子。在这种情况下，阳极气 体中已有少量的四氟化碳 o ．4 ％～2 ％ ，由于氟离 子在阳极上放电逐渐增多，阳极过程愈加迟滞，阳极 过电压愈增大，阳极便从活化状态转向钝化状态。 也就是说电解质对阳极的湿润性变坏，阳极气体开 始大量积聚在阳极上，使阳极电阻增大，于是阳极电 流密度增大，当达到或超过某一临界值时，便产生许 多细小电弧，于是阳极效应就发生了。 3影响效应熄灭成功率的因素 1 加料量 由于大部分效应都是缺料效应，所以效应后快 速加料就显得非常重要，不下料或下料不够都会造 成效应。中铝青海分公司2 0 0k A 铝电解自动控制 系统缺省值为4 个下料点共计6 次加料，每次加料 量2k g ，共4 8k g 。有关试验表明其效应后的加料 量为3 2 ．6k g 时仍然不影响其效应的熄灭。我们进 行了相关试验，发现在快速加料次数在6 、5 、4 、3 次 时都可以顺利熄灭，只不过在4 、3 次时熄灭经历了 2 次循环，2 次下压阳极，表明是自动熄灭难度在增 加，在定为3 次时熄灭的成功率降为5 0 ％，这说明 2 4k g 是我们自动熄灭阳极的最低极限快速加料 量。现在，我们将该值定为4 次下料，共计3 2k g 。 2 效应快速加料后到开始下压阳极之间的等 待时间 这段等待时问主要用于等待快速加料所下的 A 1 O 。的溶解。如果快速加料所下的A l 。O 。未被充 分溶解，则电解质的与炭素阳极之间的湿润性不会 被改善到足够的程度，自动熄灭难以成功。在理想 的情况下，电解槽不产生沉淀的最大供料速度每千 克电解质不宜超过3g ，况且由于市场原因，我厂大 部分使用国产中间状氧化铝，其溶解性差，所以必须 有一段等待时间让其溶解。我们选择了1 0 、2 0 、3 0 、 5 0 、6 0S 等几档做试验，发现等待时间为1 0 ～3 0S 时，熄灭成功率只有5 0 ％，而4 0s 为7 5 ％，5 0s 为 8 5 ％，9 0s 为9 2 ％，再延长，成功率也未增长，现在 我们将此参数定为6 0s 。 3 下压阳极的幅度与速度 下压阳极的幅度越大，所产生的静压力就越大， 自动熄灭的成功率就越高。但该幅度并不是越大越 好，太大容易将电解质压流，阳极也容易坐在侧部伸 腿上，粘上沉淀，最后形成边部长牙，所以要寻求合 理的下压阳极的幅度。最后我们选择了第一步下压 1 0S ，第二步下压5s ，比缺省值少48 ，较好地满足了 自动熄灭的要求。 4 槽况 低温及波动槽更难熄，因为其电解质黏度大，流 动性差，溶解A 1 z O 。能力较低。另外，高温槽 9 8 0 ℃ ，通常其电解质不清洁，其电解质浓度太小， 流动性强，A 1 。O 。来不及溶解便形成炉底沉，因而其 溶解A 1 O 。能力较低，所以这两类槽熄灭的成功率 都很低。而槽温在9 5 0 ～9 6 0 ℃，分子比在2 ．1 ～2 ．3 的电解槽，其槽况良好，熄灭的成功率几乎达 1 0 0 ％。因而槽况越好越稳定，效应自动熄灭成功率 也越高。 5 降低阳极效应系数 阳极效应系数是每日分摊到每台槽上的阳极效 应次数。阳极效应与电解槽中氧化铝的浓度以及槽 况有直接关系，因而阳极效应系数直接反映了控制 技术水平的高低。降低阳极效应系数是提高电流效 率的有效途径。根据实践，阳极效应系数控制在 0 ．3 次／ 槽天 以下比较有利于生产，并且可达到 清洁电解质、清理槽底沉淀的目的。如效应系数为 1 ．o 次／ 槽天 ，发生6m i n 、3 0V 的效应，则吨铝 电耗将上升4 1 6 ．5k W h 。效应系数为0 ．3 次，吨 铝电耗仅上升8 3 ．3k W h ，可节电3 3 3 ．2k W h 。 4效应自动熄灭系统E L A S 设计 合理的设计可以实现高效率理想的阳极效应自 动熄灭。针对上述影响效应熄灭成功率的几个因 素，成功的开发了自动熄灭效应的E L A S 系统。 E L A S 系统不仅有自动熄效应控制模块，而且针对 熄效应控制过程提供了较多的可调参数，如快速下 料次数、阳极下压步数、下压时间等，根据不同的槽 况，通过对这些参数的调整可在保证自动熄效应的 万方数据 3 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年3 期 情况下，控制氧化铝下料量及效应持续时间等，以达 到规整炉膛、清除沉淀、分离碳渣的效果。 4 ．1 自动熄灭阳极效应原理 当电解质中A 1 。O 。降至1 ．0 ％以下，电解质性 质发生重大变化，其对碳素阳极的湿润性变差，阳极 效应发生。自动熄灭程序首先对电解槽进行快速加 料，然后等待氧化铝溶解，改善电解质对碳素阳极的 湿润性，接着下压阳极，靠增加的静压力将气泡逼 走，熄灭效应。 4 ．2 自动熄灭阳极效应的步骤 1 自动控制系统检测效应，并启动自动熄灭效 应程序； 2 对电解槽进行快速加料； 3 等待氧化铝 的溶解； 4 下压阳极 分1 ～3 个下压处理循环，每 个循环有1 - - - 2 步下压，每步下压时间1 ～2 0s ，若 未熄灭，则报警提示进行人工熄灭； 5 效应后的电 压调整 熄灭之后电压一般在3 ．9 ～4 ．0V ，需提升 至4 ．2 6V 左右 。 4 ．3 模块化设计 E L A S 系统采用了完全模块化的设计结构，其 控制槽数量、单槽运行的控制模块数量及内容、模块 内参数设置都是开放的。这样的系统具有以下明显 的特点 实现了控制功能模块化，并给用户提供了大量 的可调参数。槽控机上就有6 6 个仅供查看的不可 变参数，1 4 6 个可调整的可变参数。通过参数的调 整，用户可掌握工艺调整的主动权，对工艺过程实现 极其细腻的适应和不同程度的试验。如我们可通过 修改氧化铝基础加料时间间隔、过加料比例及欠加 料比例等参数调节氧化铝加料状况，使每台电解槽 保持良好状态。 过程控制级和管理级之间是模块化结构，分离 与结合都是自由的。过程控制级或管理级的软件更 新不会影响对方的正常运行。还可通过管理级进行 程序下载来方便地实现过程控制级的软件升级与更 新，软件升级与更新可只对某一台控制器进行，这不 会影响其他控制器或管理级的运行，这个特点便于 进行工艺试验与系统优化。通过这样的方式，我们 实现了远程软件升级一次，并将使该系统保持与国 际最新水平的同步更新。 控制模块容易增减。由于模块之间独立性强， 耦合性弱，便于控制模块的添加与删除，同时也提高 了系统的安全性、适用性。 5结论 通过使用E L A S 系统自动熄灭效应，很大幅度 的降低了效应系数，很好的将阳极效应系数控制在 0 ．3 次／ 槽天 ，同时，不仅节约了大量的电能，而 且很好的满足了电解生产工艺条件，为电解的正常 生产创造了有利的技术条件，不同程度的提高了电 解的生产效率。 参考文献 [ 1 3 李劫．点式下料铝电解槽计算机控制模型的研究I - D ] ． 长沙中南工业大学博士学位论文，1 9 9 3 ． [ z ] 徐福仓．专家系统技术在铝电解过程监控中的应用研究 [ D ] ．长沙中南工业大学博士学位论文，1 9 9 8 ． 万方数据