CN106460211B - 使用最小功率控制铝电解还原槽的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铝冶金，具体地涉及通过熔盐还原提取铝的方法，即，通过最小功率控制铝电解还原槽的方法。这种方法在于：测量电解还原槽中的电阻性电压降，将测量值与电解还原槽中的设定电压降值进行比较并且通过相关阳极位移来消除失配。所述阳极位移减少加热功率与设定值之间的失配直到电解还原槽中释放最小功率。通过电解还原槽电压的电化学分量的自发增长来确定最小功率的释放，使用相关阳极位移来维持这种失配，而电解还原槽的热状态没有任何变化。本发明使得能够减少电力消耗、提高当前金属产率并且降低电解还原槽维护的劳动强度。

Description

使用最小功率控制铝电解还原槽的方法

技术领域

本发明涉及铝冶金，具体地涉及通过熔融盐还原生产铝的方法。

背景技术

当今，铝冶炼厂都装备有电解还原槽(电解槽，reduction cell)用的微处理机控制器(工业控制器)。这些控制器通过改善电解还原槽中阳极至阴极距离的最佳控制，使得能够达到铝还原过程的最大的技术和经济指标。

使用电解还原槽微处理机控制器，确保了电解还原槽中电解槽系列电流和电阻性电压降的连续测量。在出现电解槽系列电流振荡、反EMF以及铝还原过程中其它变量参数变化的情况下，由于工业过程中引入的干扰(disturbance)的及时配准(registration)和补偿，这使得可以延长控制铝还原过程的电位。

过程中引入的干扰的最大配准，排除它们对电解还原槽阳极至阴极距离(ACD)的维持稳定性的不利影响，允许实现还原过程的最大技术和经济指标。这要求根据电解还原槽电压控制的每个周期中电解还原槽的热和过程状态的变化来维持最佳ACD值，并且在最大时间周期过程中维持过程的最佳条件。

在工业条件下使用以下用于测量电解还原槽的伪电阻的间接电法：

R_acd＝(U_rc–E_o)/I_c。

电解还原槽电压(U_rc)、反EMF(E_o)、通过电解还原槽的电解槽系列电流(I_c)这样的变量参数在不断变化，并且需要通过阳极位移来调整阳极至阴极距离来稳定电解还原槽电阻。

电解还原槽电压是其导电部件中电压降的总和：

U_rc＝U_母线+U_阴极+U_阳极+U_acd+E_o，

其中U_母线是电解还原槽母线的电压降，U_阴极是阴极的电压降，U_阳极是阳极的电压降，U_acd是ACD的电压降，E_o是反EMF。这在U_acd的确定以及电解还原槽的稳定热和过程状态的维持中引入了误差。

根据电解还原槽热平衡的维持，

Q_rc+Q_阳极＝Q_分解+Q_金属+Q_气体+Q_损失，

其中：Q_rc是由电能产生的热供应；Q_阳极是由阳极燃烧产生的热供应；Q_分解是氧化铝分解的热量消耗；Q_金属是随排出铝的热损失；Q_气体是随废气的热损失；Q_损失是电解还原槽结构元件的外部热损失；电解还原槽的热和过程状态的稳定性是由电流产生的加热功率决定的：

Q_rc＝0.86×I×U_加热，

其中0.86是热当量，I是电流，A，U_加热是电解还原槽的加热电压，V。

目前，电解还原槽的最佳热和过程状态是由如下的还原电压维持的：

U_还原＝(U_操作-Eo)I_还原/I_{电解槽系列}+E_o，

其中，U_操作是电解还原槽的操作电压，Eo是反EMF，I_额定是额定电流，I_{电解槽系列}是电解槽系列电流。当E_o具有最可能的平均值1.55V时，提供这些计算以定期调整电解还原槽，从而稳定反EMF(E_o)和电解槽系列电流(I_{电解槽系列})中的U_acd防止变化。

在使用微处理机控制器对电解还原槽进行连续电压测量的条件下(U_还原)，根据电解还原槽的热平衡，提供加热功率和热释放的间接估计。这不包括在电解槽系列电流变化、反EMF、和具有常规恒定值的其他变量参数的情况下的任何功率变化，而且不包括死区(60mV)，在该死区中不调整电解还原槽；所需的功率保持随机。

在电解还原槽的调整过程中，这在电解还原槽中为了维持电解还原槽的最佳过程状态和实现最大性能指标所需功率的释放的评估中增加了误差。

在电解还原槽中使用最小电压并且在浴中使用最小氧化铝浓度，可以实现最大的金属生产和电力的最低消耗，所述最小电压和最小氧化铝浓度不会引起电解还原槽电压(反EMF)的电化学分量的自发增长。在给定的工艺条件下，有必要在电解还原槽中维持最小功率的释放、配准过程中包括的所有干扰并且在阳极位移的过程中实现最大的ACD稳定化。在这种情况下，必须根据电解还原槽的过程状态的改变来维持电解还原槽中的最小功率释放，在阳极位移过程中减少与阴极铝氧化相关的损失，并且排除相对于电解还原槽中最小功率释放的任何电力消费的不合理增长。

一种已知的铝电解还原槽控制的方法(RF专利号2166011,cl.C25C3/20,公开于2001年4月27日)基于以下同时测量：电解还原槽端部部分之一上蜂窝式电流引线的阳极母线和阴极母线之间的电解还原槽电阻的测量，以及电解还原槽的中端阴极母线和相对端的阴极母线的电阻差异的测量。基于电解还原槽的电阻，通过从中扣除阴极母线之间的电阻差，考虑该电阻差的正负号，对阳极进行位移。从电解还原槽的电阻中扣除阴极母线之间的最大电阻差；基于具有最小ACD值的部分处的电解还原槽电阻，进行阳极位移。

已知ACD调整方法的缺点(不管所有它们的优点)是，通过相对于电解还原槽的设定电压的还原电压和死区、以及电解还原槽电压的固定电化学分量进行阳极位移，并且在改变电解还原槽的还原过程和过程状态的可变参数的条件下，缺乏电解还原槽电阻的自动及时调整。

与所建议的方法最接近的等效方法(无论是从技术上还是就所实现的结果而言)是铝电解还原槽控制的方法(RF专利号2202004,C25C 3/20,公开于2003年4月10日)。依据该原型方法，测量电压降以获得由电化学和欧姆分量组成的电解还原槽的电阻。将测量的值与电解还原槽中的设定电压降值进行比较。通过相关阳极位移来消除失配。相对于电解还原槽中的设定电压降，建立等于电压降电化学分量的可能变化值的电压降区。在该区域中的阳极位移基于电解还原槽中释放的加热功率和设定值之间的失配。所采用的改变加热功率的周期等于消除失配而不改变电解还原槽的热状态。

最接近等效方法和用于调整电解还原槽的已知方法的缺点是，加热功率和设定值之间失配的消除。加热功率的设定值是由电解还原槽的调整用的预设值决定的，所述预设值由电解车间人员(每天一次)根据阳极效应的频率和表征电解还原槽的热状态的其它间接过程参数定期地选择。电解还原槽电压的设定值间接地决定所需功率的释放，以维持电解还原槽的最佳过程状态，同时通过反EMF变化和电解还原槽电阻的任何其它变量参数影响该过程。这不允许考虑电解还原槽操作的所有变量参数、在最大周期过程中在电解还原槽中维持最小的功率释放、和实现电解还原槽操作的最大的技术和经济指标。

发明内容

本发明的目的涉及所建议的方法，用于增强电解还原槽操作的技术和经济性能指标。

本发明的技术结果是电力消耗的减少、当前金属产率(电流金属产率，currentmetal yield)的增加、维护电解还原槽的劳动强度的降低。

所述技术结果是通过以下实现的：依据铝电解还原槽控制的方法，根据其，测量了该电解还原槽中的电阻性电压降(电阻电压降，resistive voltage drop)，然后将测量值与电解还原槽中的设定电压降值进行比较并且通过阳极位移(anode displacement)消除失配，其特征在于，所述阳极位移减少加热功率与设定值之间的失配(mismatch)直到电解还原槽中释放最小功率，通过电解还原槽电压的电化学分量(electrochemicalcomponent)的自发增长来确定此种最小功率的释放，并且通过相关阳极位移来维持这种失配而不改变电解还原槽的热状态。在电解还原槽热时间恒定(热时间常数，thermal timeconstant)周期期间，产生在加热功率和设定值之间的失配，伴随电解还原槽中最小功率的释放，并且在测量电解还原槽中的电阻性电压降的每个周期中保持这种失配。基于电解还原槽中的最小功率与其操作的当前周期(电流周期，current period)期间的设定值之间的失配、以及其操作的进一步周期期间预测的最小功率释放，确定阳极位移。通过电解还原槽中至最小值的可能功率降低值进行阳极位移，并通过电解还原槽电压的电化学分量的自发增长值增加功率，维持电解还原槽中最小功率的释放而不改变电解还原槽的热状态。通过与来自过程中引入的所有干扰的铝还原过程的所有变量参数同时电解还原槽电压的电化学分量的自发增长，确定最小功率的释放。

基于电解还原槽操作的当前周期给定功率以及电解还原槽操作的相关周期期间的最小功率和设定值之间的失配的产物(乘积，product)，确定电解还原槽的进一步周期期间的给定功率。在电解还原槽中在最小功率释放的情况下在加热功率和设定值之间产生阳极位移失配决定用于稳定操作电解还原槽所需的最小加热功率释放、为维持最佳ACD的除变量参数之外的电解还原槽的最佳电压、电解还原槽操作的最大周期并且确保实现还原过程的最大指标。

通过电解还原槽电压的电化学分量的自发增长来确定最小功率释放以及使用相关阳极位移来维持这种失配而不改变电解还原槽的热状态，排除了死区(dead band)并且在测量电压的整个范围内扩大了调整电解还原槽的加热功率的可能性，从而在最大时间周期过程中，在电解还原槽操作的当前工艺条件下保持最小功率。

在电解还原槽热恒定的周期期间，随着电解还原槽中最小功率的释放，引入加热功率和设定值之间的失配，并且在每个测量电解还原槽中电阻性电压降的周期中保持这种失配而不改变电解还原槽的热状态，排除了最小功率的评估误差并且使得电解还原槽的过程状态排除使用反EMF的平均值、具有常规恒定值的变量参数以及过程中引入的任何电解槽系列(potline)电流振荡和电解还原槽中过程操作的性能。

通过电解还原槽中最小功率与在其操作的当前周期期间的设定值的差异(divergence)确定阳极位移，并且在其操作的进一步周期期间预测的最小功率释放确定最佳的阳极位移，从而在其操作的进一步周期期间维持电解还原槽的最佳过程状态。

通过电解还原槽中至最小值的可能功率降低值和电解还原槽电压的电化学分量的自发生长值的功率增长，进行阳极位移而不改变电解还原槽的热状态，从而维持电解还原槽中的最小功率释放，确定了还原过程稳定性的最佳区域，从而在电解还原槽操作的当前过程条件下维持最佳的ACD。

通过与来自在该过程中引入的干扰的铝还原过程的所有变量参数同时电解还原槽电压的电化学分量的自发增长，对最小功率释放进行计算，提供了电解还原槽操作的所有变量参数的综合分析以及在其操作的当前工艺条件下对它们的最佳补偿。

通过电解还原槽操作当前周期期间设定功率值以及在电解还原槽操作相关周期期间最小功率与设定值之间的失配之和，计算电解还原槽操作进一步周期期间的设定功率，通过最小功率和设定值之间失配的客观电气参数，确定其操作进一步周期期间电解还原槽的最佳设定电压。

附图说明

图1-显示调整工业电解还原槽的比较效率的参数的表。

图2-使用已知的工艺方案通过工业控制器PCS“SHUEBM”调整的第009号工业电解还原槽的电压图。

图3-使用所建议的方法通过工业控制器PCS“SHUEBM”调整的第008号工业电解还原槽的电压图。

附图符号

图2和3显示了在同一周期中在相同的工艺条件下操作的RUSAL Bratsk精炼厂(smelter)第5号电解车间的第009号和第008号类似工业电解还原槽的还原电压U_还原的两幅图；电解还原槽的还原电压U_还原是使用已知的方法和建议的方法通过工业电解还原槽控制器PCS“SHUEBM”来调整的。

还原电压图显示，左轴确定电解还原槽的电压，单位：伏特；右轴指示在电解还原槽中流动的电流强度，单位：千安培。下轴表征当天的24小时周期，其被拆分为5分钟的电解还原槽电压的控制时间及调整的间隔；图显示了所测量的以及调整的参数的288个值的实例。

图中的数字符号标记如下：

1-相对于电解还原槽的设定电压(U_设定)的中心线的死区±30mV，

2-在通过已知的方法和建议的方法调整的情况下，电解还原槽的还原电压的时间变化，

3-箭头，其指示当调整电解还原槽的还原电压时阳极位移的时间和方向，

4-线，其指示在其操作的当前工艺条件下在电解还原槽调整的情况下最小功率的阳极位移的维持，

5-在电解还原槽中测量的操作电压(U_操作)的时间变化，

6-箭头，其指示当调整电解还原槽的最小功率时阳极位移的时间和方向。

依赖性(dependences)2中的还原电压的最大发散峰(maximum divergence peak)指示当阳极效应发生时的过程中包括的干扰效应；

通过调整电解还原槽的最小功率而消除了死区3，这允许在测量电压的整个范围内以及在电解还原槽操作时间的每个周期期间维持最小功率，从而实现最大金属生产和最小的电力消耗。

具体实施方式

图1的表中列出了调整工业电解还原槽的比较效率的参数，显示了所建议的控制方法相对于已知的技术方案的优势。

当通过已知的技术方案应用控制方法时(参见图2)，用于计算还原电压的公式

U_还原＝(U_操作-E)I_还原/I_{电解槽系列}+E

使用从1.3V变化至1.8V的平均值为1.55V的反EMF、60mV的死区，并且不考虑无论何时电解槽系列电流变化时的功率变化以及任何其它变量过程参数的变化和电解还原槽及其过程状态的操作动态变化。

已知的控制方法不考虑在电解还原槽在4,270-4,330mV范围内改变电压的条件下加热功率释放的任何差异。在60mV范围的死区内不调整电解还原槽；最大操作性能指标是随机实现的。

对应于最小电力消耗和最大金属生产的电解还原槽的操作条件在电解还原槽中被相对于死区随机地保持，并且由电解车间工艺员每天一次改变调整用预设值来选择(不及时)。

已知控制方法的受限制的能力不允许综合配准(integrated registration)过程中引入的所有干扰、电解还原槽过程状态的及时全面评估性能，这降低了使用工业电解还原槽控制器的效率以及防止了铝生产的最大指标的实现并且降低电力消耗。

当采用所建议的铝电解还原槽控制方法时(参见图3)，基于多个参数以及它们变化的动态的分析，计算出了最小功率曲线；其表征了电解还原槽的热和过程状态相对于设定电压的变化。

相对于最小功率曲线维持电解还原槽的电压以及ACD值，其考虑到了电解还原槽操作的变量参数及其过程状态的任何变化，这使得在其操作时间的每五分钟周期内能够改善电解还原槽的最佳调整并且实现还原过程的最大指标。

所建议的控制方法消除了死区；ACD在测量电压的整个范围内被保持，并且考虑到了电解还原槽的当前过程状态。

在所改变并且调整的参数的288个值中，被调整的设定值的最小功率参数的差异(发散，divergence)改变了74mV，根据给定10mV电压的改变步骤，可以将最小功率维持在为每5分钟电解还原槽操作周期内最佳设定电压的7个预设值的范围内。电解还原槽的变量操作参数随着反EMF(Eo)最佳维持的变化连同其操作的任何其它变量参数的变化是在设定电压范围内自动及时配准的。

所建议的控制方法可以控制金属的生产条件和电力消耗，选择确保较少不合理电极间间隙变化的调整条件；电解还原槽实现了最大性能，并且在电解还原槽中以不间断电力供应和周期性氧化铝供应以及在过程中引入任何其它干扰，将该最大性能保持最大时间周期。

表(图1)显示，由于在通过所建议的方法调整电解还原槽的情况下，减少了位移数以及阳极位移的距离，所以ACD维持稳定性增加了25-30％。同时，电解还原槽电压降低了30-40mV。当采用所建议的铝电解还原槽控制方法时，在每五分钟电解还原槽操作周期内实现了最大的金属生产和最小的电力消耗，这是增强现有电解还原槽的性能指示的额外技术储备。

所取得的工业试验结果使得每吨生产的金属能够降低250-300kWt/小时的电力消耗，将当前金属产率提供0.5％，在电解车间扩大了关于电解还原槽过程阶段的可视化信息量，这使得人员能够提供更客观的过程维护并且将电解还原槽维护操作的劳动强度降低5-10％。

所建议的通过最小功率对铝电解还原槽进行控制的方法，可以在国内外铝冶炼厂制造的所有铝电解还原槽的变型中使用。

这种方法的工业试验进行了一年，使用了一组6个RUSAL Bratsk冶炼厂的电解还原槽。

Claims (6)

1.控制铝电解还原槽的方法，通过下述进行：测量所述电解还原槽中的电阻性电压降、将测量值与所述电解还原槽中的设定电压降进行比较并且通过对相关阳极进行位移而消除失配，其特征在于，对阳极进行位移，由此减少加热功率与设定值之间的失配直到所述电解还原槽中释放最小功率；通过电解还原槽电压的电化学分量的自发增长来确定最小功率的释放并且通过相关阳极位移来维持这种失配而不改变所述电解还原槽的热状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在电解还原槽热恒定周期期间伴随所述电解还原槽中的最小功率释放在加热功率与设定值之间产生所述失配，并且在测量的每个周期中维持所述电解还原槽中的电阻性电压降。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述电解还原槽中的最小功率与电解还原槽操作当前周期期间的设定值之间的失配、以及电解还原槽操作进一步周期期间预测的最小功率释放来确定阳极位移。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以所述电解还原槽中至最小值的功率降低值对所述阳极进行位移，并且通过所述电解还原槽电压的电化学分量的自发增长值增加功率，来维持所述电解还原槽中的最小功率释放，而所述电解还原槽的热状态没有任何变化。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过与来自过程中引入的所有干扰的铝还原过程的所有变量参数同时所述电解还原槽电压的电化学分量的自发增长，确定最小功率释放。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过电解还原槽操作的当前周期期间的给定功率值和电解还原槽操作相关周期期间的最小功率与设定值之间的失配之和，来确定电解还原槽操作进一步周期的设定功率。