CN106676581B - 一种铝电解槽炉帮厚度优化控制方法 - Google Patents
一种铝电解槽炉帮厚度优化控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的目的是提供一种铝电解槽炉帮厚度优化控制方法，以解决炉帮厚度无优化控制方法的问题。本发明包括下述步骤：计算炉帮热阻系数、计算各组阳极处的炉帮厚度、确定炉帮厚度测量频率、稳定优化控制炉帮厚度。本发明根据炉帮厚度实际情况确定测量周期，炉帮厚度良好时测量周期和频率可以延长，不但满足炉帮实际监控的需要，还提高工作效率，降低劳动强度，节约劳动力；通过调控电解质温度、初晶温度和炉帮侧部槽壳温度，稳定优化控制炉帮厚度，从而满足生产中对炉帮厚度的要求，防止电解槽炉帮薄或无炉帮的现象，避免了电解槽运行中发生槽况波动而影响技术经济指标指标甚至漏炉危险，保证电解槽稳定高效和长周期运行。
Description
技术领域
本发明属于铝电解生产技术领域，具体涉及一种铝电解槽炉帮厚度优化控制方法。
背景技术
铝电解的主要设备是电解槽，电解槽呈长方形，外面是钢壳，内衬耐火砖作为绝缘和保温层，用炭块作槽池，底部炭块跟它下部的钢导电棒相连结作阴极，用垂直于电解槽带导电杆的两排炭块作阳极，中间是冰晶石-氧化铝熔融体和铝液。
大型化电解槽装备由于没有行业成熟经验借鉴，又因大型化电解槽技术难度高，使炉帮控制技术一直未能得到有效解决，电解槽存在炉帮薄甚至无炉帮现象，影响着电解槽的稳定高效长寿命运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝电解槽炉帮厚度优化控制方法，以解决炉帮厚度无优化控制方法的问题。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种铝电解槽炉帮厚度优化控制方法，包括下述步骤：
步骤一：计算炉帮热阻系数
采集所更换阳极对应的炉帮厚度、当天该电解槽内的电解质温度和初晶温度、换极前炉帮侧部槽壳温度、侧部内衬材料和槽壳钢板总厚度的数据；
根据炉帮热阻系数数学模型：
α=(δ+H)×(Tb－T1)/(T1－Ts)
式中：α—炉帮热阻系数，mm；
δ—炉帮厚度，mm；
H—侧部内衬材料和槽壳钢板厚度，mm；
Tb—电解质温度，℃；
T1—电解质初晶温度，℃；
Ts—炉帮侧部槽壳温度，℃；
将采集的数据带入炉帮热阻系数数学模型，获得炉帮热阻系数；
步骤二：计算各组阳极处的炉帮厚度
采集当天电解槽内的电解质温度和初晶温度、炉帮侧部槽壳温度与各阳极更换时对应的炉帮热阻系数；
根据炉帮厚度数学模型：
δ=α(T1–Ts)/(Tb–T1)–H
式中：δ—炉帮厚度，mm；
α—炉帮热阻系数，mm；
Tb—电解质温度，℃；
T1—电解质初晶温度，℃；
Ts—炉帮侧部槽壳温度，℃；
H—侧部内衬材料和槽壳钢板厚度，mm；
将采集的数据带入炉帮厚度数学模型，获得各组阳极处的炉帮厚度；
步骤三：确定炉帮厚度测量频率
根据测量或计算的炉帮厚度和炉帮厚度基准值计算偏离度，确定炉帮厚度测量频率；
步骤四：稳定优化控制炉帮厚度
通过调控电解质温度、初晶温度和炉帮侧部槽壳温度，使测量或计算的炉帮厚度的偏离度小于等于20%。
为了进一步实现本发明，步骤一的热阻系数用于计算更换阳极的一个周期内每天的炉帮厚度。
为了进一步实现本发明，步骤三的炉帮厚度测量频率为：
当炉帮厚度偏离度大于70%，则每轮换阳极时测量该阳极侧部的炉帮厚度；
当炉帮厚度偏离度大于40%而小于等于70%，则每隔1轮换阳极时测量该阳极侧部的炉帮厚度；
当炉帮厚度偏离度大于20%而小于等于40%，则每隔2轮换阳极时测量该阳极侧部的炉帮厚度；
当炉帮厚度偏离度小于等于20%，则每隔3轮或延长或不定期在换阳极时测量该阳极侧部的炉帮厚度。
为了进一步实现本发明，步骤四调控电解质温度包括四种方法：
方法一：通过提高铝水平降低电解质温度，通过降低铝水平提高电解质温度；或
方法二：通过降低槽电压降低电解质温度，通过提高槽电压提高电解质温度；或
方法三：通过降低保温料厚度降低电解质温度，通过增加保温料厚度提高电解质温度；或
方法四：通过降低系列电流强度降低电解质温度，通过增加系列电流强度提高电解质温度。
5、根据权利要求4所述的铝电解槽炉帮厚度优化控制方法，其特征在于：步骤四调控初晶温度，在氟化钠与氟化铝的分子比不大于3的情况下，控制初晶温度，包括三种方法：
方法一：通过增加氟化铝添加量降低分子比，降低初晶温度；或
方法二：通过减少氟化铝添加量提高分子比，提高初晶温度；或
方法三：通过降低LiF、KF、MgF2、CaF2的含量，提高初晶温度。
6、根据权利要求5所述的铝电解槽炉帮厚度优化控制方法，其特征在于：步骤四调控炉帮侧部槽壳温度，通过加装高导热率散热板、保温板或换热器的方法，降低或提高炉帮侧部槽壳温度，包括三种方法：
方法一：通过加装高导热率散热板的方法，降低炉帮侧部槽壳温度；或
方法二：通过加装保温板的方法，提高炉帮侧部槽壳温度；或
方法三：通过加装换热器的方法，调控炉帮侧部槽壳温度。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1、根据炉帮厚度实际情况确定测量周期，炉帮厚度良好时测量周期和频率可以延长，不但满足炉帮实际监控的需要，还提高工作效率，降低劳动强度，节约劳动力。
2、通过调控电解质温度、初晶温度和炉帮侧部槽壳温度，稳定优化控制炉帮厚度，使测量或计算的炉帮厚度的偏离度小于等于20%，从而满足生产中对炉帮厚度的要求，防止电解槽炉帮薄或无炉帮的现象，避免了电解槽运行中发生槽况波动而影响技术经济指标指标甚至漏炉危险，保证电解槽稳定高效和长周期运行。
具体实施方式
下面结合具体实施方式进一步对本发明进行说明。
分子比为氟化钠与氟化铝的摩尔数之比。
以某500kA铝电解槽在热平衡状态下的一组典型值计算为例。
步骤一：计算炉帮热阻系数
采集更换阳极对应的炉帮厚度为150mm、当天电解质温度为932℃和初晶温度为924℃、换极前炉帮侧部槽壳温度为258℃、侧部内衬材料和槽壳钢板总厚度位106mm，带入炉帮热阻系数数学模型：
α=(δ+H)×(Tb－T1)/(T1－Ts)
=(150+106)×(932–924)/(924–258)
=3.075
该热阻系数用于计算更换阳极的一个周期内每天的炉帮厚度，该周期按阳极高度与阳极电流密度有所区别，阳极高度为620mm、阳极电流密度为0.804A/cm2的500kA铝电解槽所用炭阳极的换极周期典型值为31天。
步骤二：计算各组阳极处的炉帮厚度
（1）根据步骤一计算得到的炉帮热阻系数3.075，采集当天电解质温度为932℃和初晶温度为923℃，换极前炉帮侧部槽壳温度为258℃，带入炉帮厚度数学模型：
δ=α(T1–Ts)/(Tb–T1)–H
=3.075(923–258)/(932–923)–106
=122.2（mm）
（2）根据步骤一计算得到的炉帮热阻系数3.075，采集当天电解质温度为933℃和初晶温度为924℃，换极前炉帮侧部槽壳温度为258℃，带入炉帮厚度数学模型：
δ=α(T1–Ts)/(Tb–T1)–H
=3.075(924–258)/(933–924)–106
=122.6（mm）
（3）根据步骤一计算得到的炉帮热阻系数3.075，采集当天电解质温度为932℃和初晶温度为924℃，换极前炉帮侧部槽壳温度为259℃，带入炉帮厚度数学模型：
δ=α(T1–Ts)/(Tb–T1)–H
=3.075(924–259)/(932–924)–106
=149.6（mm）
步骤三：确定炉帮厚度测量频率
以某500kA铝电解槽的标准炉帮厚度150mm为基准，分为以下四种情况：
（1）当炉帮厚度偏离度大于70%（即小于45mm到无炉帮，甚至侧块被侵蚀而出现负炉帮值；或大于255mm，极限到侧部阳极），则每轮换阳极时测量该阳极侧部的炉帮厚度；
（2）当炉帮厚度偏离度大于40%而小于等于70%（即大于等于45mm而小于90mm，或大于210mm而小于等于255mm），则每隔1轮换阳极时测量该阳极侧部的炉帮厚度；
（3）当炉帮厚度偏离度大于20%而小于等于40%（即大于等于90mm而小于等于120mm，或大于180mm而小于等于210mm），则每隔2轮换阳极时测量该阳极侧部的炉帮厚度；
（4）当炉帮厚度偏离度小于等于20%（即大于等于120mm而小于150mm，或大于150mm而小于180mm），则每隔3轮或延长或不定期在换阳极时测量该阳极侧部的炉帮厚度。
步骤四：稳定优化控制炉帮厚度
通过调控电解质温度、初晶温度和炉帮侧部槽壳温度，使测量和计算的炉帮厚度的偏离度小于等于20%。
1、调控电解质温度，包括四种方法：
（1）通过提高铝水平降低电解质温度，通过降低铝水平提高电解质温度：
在铝水平合理范围23-27cm以内，适当升降铝水平而适当升降电解温度。
增加1mm铝水平对应降低7mV槽电压，减少1mm铝水平对应增加7mV槽电压。
（2）通过降低槽电压降低电解质温度，通过提高槽电压提高电解质温度：
在槽电压合理范围3.90-4.00V以内，升降槽电压而升降电解温度。
在调整槽电压时，首先看极上保温料厚度和铝水平变化，计算需要调整电解温度对应的槽电压，加减极上保温料厚度和铝水平变化对应的槽电压变化，算出槽电压增减值。每次调节槽电压不超过5mV，每天调节槽电压不超过50mV。
①考虑保温料（Y，mm）和铝水平（Z，mm）变化的影响之后，计算500kA电解槽的电解质温度升高值（X，℃），需要1h槽电压升高值（mV）值为：
A.冬季分四种情况
a.保温料升Ymm，铝水平升Zmm，槽电压升高mV值为：36X－9Y+7Z；
b.保温料升Ymm，铝水平降Zmm，槽电压升高mV值为：36X－9Y-7Z；
c.保温料降Ymm，铝水平升Zmm，槽电压升高mV值为：36X+9Y+7Z；
d.保温料降Ymm，铝水平降Zmm，槽电压升高mV值为：36X+9Y-7Z。
秋季分四种情况
a.保温料升1mm，铝水平升1mm，槽电压升高mV值为：36X－8Y+7Z；
b.保温料升1mm，铝水平降1mm，槽电压升高mV值为：36X－8Y-7Z；
c.保温料降1mm，铝水平升1mm，槽电压升高mV值为：36X+8Y+7Z；
d.保温料降1mm，铝水平降1mm，槽电压升高mV值为：36X+8Y-7Z。
春季分四种情况
a.保温料升1mm，铝水平升1mm，槽电压升高mV值为：36X－7Y+7Z;
b.保温料升1mm，铝水平降1mm，槽电压升高mV值为：36X－7Y-7Z;
c.保温料降1mm，铝水平升1mm，槽电压升高mV值为：36X+7Y+7Z;
d.保温料降1mm，铝水平降1mm，槽电压升高mV值为：36X+7Y-7Z。
夏季分四种情况
a.保温料升1mm，铝水平升1mm，槽电压升高mV值为：36X－6Y+7Z；
b.保温料升1mm，铝水平降1mm，槽电压升高mV值为：36X－6Y-7Z；
c.保温料降1mm，铝水平升1mm，槽电压升高mV值为：36X+6Y+7Z；
d.保温料降1mm，铝水平降1mm，槽电压升高mV值为：36X+6Y-7Z。
②考虑保温料（Y，mm）和铝水平（Z，mm）变化的影响之后，计算500kA电解槽的电解质温度降低值（X，℃），需要1h槽电压降低值（mV）为：
A.冬季分四种情况
a.保温料升1mm，铝水平升1mm，槽电压降低mV值为：36X+9Y-7Z；
b.保温料升1mm，铝水平降1mm，槽电压降低mV值为：36X+9Y+7Z；
c.保温料降1mm，铝水平升1mm，槽电压降低mV值为：36X-9Y-7Z；
d.保温料降1mm，铝水平降1mm，槽电压降低mV值为：36X-9Y+7Z。
秋季分四种情况
a.保温料升1mm，铝水平升1mm，槽电压降低mV值为：36X+8Y-7Z；
b.保温料升1mm，铝水平降1mm，槽电压降低mV值为：36X+8Y+7Z；
c.保温料降1mm，铝水平升1mm，槽电压降低mV值为：36X-8Y-7Z；
d.保温料降1mm，铝水平降1mm，槽电压降低mV值为：36X-8Y+7Z。
春季分四种情况
a.保温料升1mm，铝水平升1mm，槽电压降低mV值为：36X+7Y-7Z；
b.保温料升1mm，铝水平降1mm，槽电压降低mV值为：36X+7Y+7Z；
c.保温料降1mm，铝水平升1mm，槽电压降低mV值为：36X-7Y-7Z；
d.保温料降1mm，铝水平降1mm，槽电压降低mV值为：36X-7Y+7Z。
夏季分四种情况
a.保温料升1mm，铝水平升1mm，槽电压降低mV值为：36X+6Y-7Z；
b.保温料升1mm，铝水平降1mm，槽电压降低mV值为：36X+6Y+7Z；
c.保温料降1mm，铝水平升1mm，槽电压降低mV值为：36X-6Y-7Z；
d.保温料降1mm，铝水平降1mm，槽电压降低mV值为：36X-6Y+7Z。
以铝水平为23-27cm，在产铝量35000kg为例：
500kA电解槽升降1mV槽电压，持续1h，输入电解槽的能量相应升降值为：500kA×1mV×1h×10-3×3.6×106 J/kWh =0.5kWh×3.6×106 J/kWh=1.8×106 J。
电解质温度升降1℃，铝液温度升降按1℃计算，液态铝的比热容是1.176×103J/(kg•℃)，35000kg在产铝能量升降值为：1.176×103J/(kg•℃)×35000kg×1℃=41.2×106J；
液态电解质的比热容采用液态冰晶石（分子比为3）的比热容是1.887×103J/（kg•℃），12078kg电解质能量升降值为：1.887×103J/(kg•℃)×12078kg×1℃=22.8×106J，在产铝与电解质合计能量升降值为：41.2×106 J+22.8×106 J=64×106J；
电解质温度升降1℃，对应500kA电解槽1h槽电压升降mV值为：64×106J÷1.8×106J=36（mV）。
（3）通过降低保温料厚度降低电解质温度，通过增加保温料厚度提高电解质温度：
在冬季增厚保温料、夏季减少保温料基础上，通过调节在产铝量和槽电压来控制电解温度。
阳极上面保温料减少1mm，对应槽电压减少6-9mV，四季分别对应冬季9mV、秋季8mV、春季7mV和夏季6mV。四季的开始分别为立冬、立秋、立春和立夏。
（4）通过降低系列电流强度降低电解质温度，通过增加系列电流强度提高电解质温度：
电解质温度升降1℃，对应在产铝与电解质合计能量升降值为64×106J（即17.8kWh）、极间电压降为2994mV的500kA电解槽1h（即1kA对应2.994 kWh），电流强度需升降值为17.8kWh÷2.994kWh/kA
=5.9kA。
调整系列电流强度用于调整系列电解槽的电解质温度，要求调整的过程缓慢进行，每次1h调整系列电流强度不超过0.8kA，稳定1h后再调整，每天调整系列电流强度不超过8kA；每调整系列电流强度达到8kA时，稳定运行1个月以上，再调整系列电流强度，以维持系列电解槽炉帮稳定优化和电解生产的平稳运行。
2、在氟化钠与氟化铝的分子比不大于3的情况下，控制初晶温度，包括三种方法：
（1）通过增加氟化铝添加量降低分子比，降低初晶温度；
（2）通过减少氟化铝添加量提高分子比，提高初晶温度；
某500kA电解槽电解质水平17-21cm，平均19cm，槽膛尺寸19380×4300mm，按120mm炉帮厚度计算，炉膛尺寸19140×4060mm，阳极总面积1750mm×740mm×48，极距40-50mm（平均45mm），则每台槽电解质平均体积为（19140×4060×190－1750×740×48×（190－45））×10-3×2.1×10-3=12078（kg）。
电解质中减少1%氟化铝，则提高初晶温度5℃。该500kA电解槽升高电解质初晶温度1℃，需要减少氟化铝添加量为：12078kg×1%/5℃=24kg；降低电解质初晶温度1℃，需要增加氟化铝添加量24kg。每天初晶温度值变化不应大于5℃/槽，每天增减的氟化铝添加量不超过120kg/槽；每台槽每天产铝3.74t，正常氟化铝单耗18kg/t.Al，每天正常添加氟化铝67kg/槽，停止当天氟化铝添加可以提高3℃初晶温度。
（3）通过降低LiF、KF、MgF2、CaF2的含量，提高初晶温度：
长期操作中，通过控制原料氧化铝中的Li2O、K2O、MgO、CaO等含量，控制电解质中LiF≤3.5%、KF≤1.5%、MgF2≤1.5%、CaF2≤7%，协助控制氟化钠与氟化铝的分子比，以控制初晶温度。
为严格控制电解质中LiF%，要求低氧化锂氧化铝（Li2O≤0.015%）占比≥25%，高氧化锂氧化铝（Li2O≤0.035%）占比≤75%。当系列电解槽的电解质平均LiF%超标，低氧化锂氧化铝占比相应增加（可增加进口氧化铝占比），最多可以达到100%。
3、通过加装高导热率散热板、保温板或换热器的方法，降低或提高炉帮侧部槽壳温度，包括四种方法：
（1）个别侧部槽壳温度高而炉帮薄：局部加装高导热率散热板，如铜或铝，按需求增加散热板面积，以相应增加散热量；
（2）个别侧部槽壳温度低而炉帮厚：局部加装保温板，如硅酸铝纤维保温板，以相应减少散热量；
（3）某个大面或小面整体炉帮厚度差别：在炉帮较厚的面加强保温，提高该面炉帮侧部槽壳温度以相应减少该面整体散热量，使该面炉帮厚度整体减薄而实现电解槽四周炉帮整体均匀化之后，进行电解槽炉帮整体优化调控；电解槽进电软带大母线将横梁大母线由进电侧推向出电侧，使出电侧阳极靠近出电侧炉帮而造成出电侧的炉帮较进电侧薄，将大母线位置复正，并有效防止出现大母线偏移。
（4）主动可调式换热措施：采用外挂式可控流量换热器调控槽壳温度，实现炉帮优化控制。
Claims (6)
1.一种铝电解槽炉帮厚度优化控制方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一：计算炉帮热阻系数
采集所更换阳极对应的炉帮厚度、当天该电解槽内的电解质温度和初晶温度、换极前炉帮侧部槽壳温度、侧部内衬材料和槽壳钢板总厚度的数据；
根据炉帮热阻系数数学模型：
α=(δ+H)×(Tb－T1)/(T1－Ts)
式中：α—炉帮热阻系数，mm；
δ—炉帮厚度，mm；
H—侧部内衬材料和槽壳钢板厚度，mm；
Tb—电解质温度，℃；
T1—电解质初晶温度，℃；
Ts—炉帮侧部槽壳温度，℃；
将采集的数据带入炉帮热阻系数数学模型，获得炉帮热阻系数；
步骤二：计算各组阳极处的炉帮厚度
采集当天电解槽内的电解质温度和初晶温度、炉帮侧部槽壳温度与各阳极更换时对应的炉帮热阻系数；
根据炉帮厚度数学模型：
δ=α(T1–Ts)/(Tb–T1)–H
式中：δ—炉帮厚度，mm；
α—炉帮热阻系数，mm；
Tb—电解质温度，℃；
T1—电解质初晶温度，℃；
Ts—炉帮侧部槽壳温度，℃；
H—侧部内衬材料和槽壳钢板厚度，mm；
将采集的数据带入炉帮厚度数学模型，获得各组阳极处的炉帮厚度；
步骤三：确定炉帮厚度测量频率
根据测量或计算的炉帮厚度和炉帮厚度基准值计算偏离度，确定炉帮厚度测量频率；
步骤四：稳定优化控制炉帮厚度
通过调控电解质温度、初晶温度和炉帮侧部槽壳温度，使测量或计算的炉帮厚度的偏离度小于等于20%。
2.根据权利要求1所述的铝电解槽炉帮厚度优化控制方法，其特征在于：步骤一中所述的热阻系数用于计算更换阳极的一个周期内每天的炉帮厚度。
3.根据权利要求2所述的铝电解槽炉帮厚度优化控制方法，其特征在于：步骤三中所述的炉帮厚度测量频率为：
当炉帮厚度偏离度大于70%，则每轮换阳极时测量该阳极侧部的炉帮厚度；
当炉帮厚度偏离度大于40%而小于等于70%，则每隔1轮换阳极时测量该阳极侧部的炉帮厚度；
当炉帮厚度偏离度大于20%而小于等于40%，则每隔2轮换阳极时测量该阳极侧部的炉帮厚度；
当炉帮厚度偏离度小于等于20%，则每隔3轮或延长或不定期在换阳极时测量该阳极侧部的炉帮厚度。
4.根据权利要求3所述的铝电解槽炉帮厚度优化控制方法，其特征在于：步骤四中所述调控电解质温度，包括四种方法：
方法一：通过提高铝水平降低电解质温度，通过降低铝水平提高电解质温度；或
方法二：通过降低槽电压降低电解质温度，通过提高槽电压提高电解质温度；或
方法三：通过降低保温料厚度降低电解质温度，通过增加保温料厚度提高电解质温度；或
方法四：通过降低系列电流强度降低电解质温度，通过增加系列电流强度提高电解质温度。
5.根据权利要求4所述的铝电解槽炉帮厚度优化控制方法，其特征在于：步骤四中所述调控初晶温度，在氟化钠与氟化铝的分子比不大于3的情况下，控制初晶温度，包括三种方法：
方法一：通过增加氟化铝添加量降低分子比，降低初晶温度；或
方法二：通过减少氟化铝添加量提高分子比，提高初晶温度；或
方法三：通过降低LiF、KF、MgF2、CaF2的含量，提高初晶温度。
6.根据权利要求5所述的铝电解槽炉帮厚度优化控制方法，其特征在于：步骤四中所述调控炉帮侧部槽壳温度，通过加装高导热率散热板、保温板或换热器的方法，降低或提高炉帮侧部槽壳温度，包括三种方法：
方法一：通过加装高导热率散热板的方法，降低炉帮侧部槽壳温度；或
方法二：通过加装保温板的方法，提高炉帮侧部槽壳温度；或
方法三：通过加装换热器的方法，调控炉帮侧部槽壳温度。
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- 2016-12-27 CN CN201611227093.7A patent/CN106676581B/zh active Active
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|---|---|
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