CN109183074B - 一种基于换极周期的铝电解槽下料方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于换极周期的铝电解槽下料方法，基于电解槽内阳极更换周期的配置，对下料点附近的阳极在更换情况下电流分布随时间的变化情况进行统计与分析，在保证总下料量满足生产需求的前提下，基于电流的变化规律，调整电解槽的下料速率与下料量，从而从根本上改变由于换极所导致的电流分布不均及槽内氧化铝浓度不均匀的难题，优化新换阳极附近电解质中氧化铝的区域浓度分布，对保证换极后电解槽的高效稳定运行具有重要价值。

Description

一种基于换极周期的铝电解槽下料方法

技术领域

本发明涉及一种铝电解槽下料方法，尤其涉及一种基于换极周期的铝电解槽下料方法。

背景技术

维持铝电解槽电流以及电压稳定对铝电解正常生产的顺利进行极其关键。由于现行铝电解工业均采用预焙阳极，即在生产过程中，由于阳极的不断消耗，需要按照一定的换极周期对电解槽的阳极进行更换，基本上每台槽每天均会有一次阳极更换的操作。而新换阳极是室温，放入至950℃的熔体中，由于温度比电解质低许多的新阳极急速冷却靠近它的电解质，会在阳极底部生成不导电的电解质结壳，阻碍阳极电流从碳块流向电解质，此时的新换阳极并不会马上导电，并且新极不导电的状态将会持续一段较长的时间，随后才逐渐开始导电并逐步增大导电量直至达到稳定状态。换而言之，换新阳极后，新阳极的电流分布则会与其他阳极有明显不同，导致局部电解质状况的空间分布，因此，在铝电解生产过程中，阳极换极是对铝电解槽正常工作最大的干扰，同时对阳极电流分布来说也是持续性、周期性变化。

同时，铝电解槽运行中需要不断补充反应原料氧化铝。其中现行铝电解槽一般是采用多个下料器(又称定容器)进行间隔加料，在实际应用中，均采取多个下料点同时动作或者分成两组相继进行动作，且每个下料器的下料量以及下料周期是完全一样的，没有考虑到周期性更换阳极操作后引起铝电解槽波动的情况，并且在现行的控制与管理中尚未有系统性的针对不同换极位置的特殊化操作或者局部化的下料控制。由此造成了铝电解生产中，电解槽在更换阳极后的数个小时内都将是不稳定的状态，电压摆动严重，闪烁效应或氧化铝沉淀等情况频发。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种能有效减小周期性更换阳极后引起的铝电解槽局部效应，维持生产稳定的基于换极周期的铝电解槽下料方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于换极周期的铝电解槽下料方法，基于电解槽内阳极更换周期的配置，对下料点附近的阳极更换情况下电流分布随时间的变化情况进行统计与分析，在保证总下料量满足生产需求的前提下，基于电流的变化规律，调整电解槽的下料速率与下料量，从而从根本上改变由于换极所导致的电流分布不均及槽内氧化铝浓度不均匀的难题，优化新换阳极附近电解质中氧化铝的区域浓度分布，促进电解槽的平稳运行。

进一步的，铝电解槽下料方法的具体步骤如下：

步骤1：在电解过程中，基于电解槽内阳极更换周期的配置，对下料点附近的阳极电流分布随时间的变化情况进行统计；

步骤2：将步骤1所统计的全周期电流分布整理成相关图表，从中计算将在T_L时间窗口内被更换的阳极的

其中

为换极时刻向前推算T_L时间窗口内的电流均值，更换阳极操作后，计算新极的

其中

为换极后每隔T_S周期时间窗口内的电流均值，T_L、T_S分别为长、短周期的时间窗口，计算相应位置新极的

相对于旧极的

的变化率，如式(1)所示；

步骤3：根据δ_t在电极相应状态内相对于设定预报阈值δ_set的情况，自适应控制下料速率：

工厂生产实际情况下，有正常下料速率为v_NB；

当-δ_set<δ_t<δ_set，则下料速率按照正常下料速率v_NB下料；

当δ_t<-δ_set或δ_t＞δ_set时，下料速率ν＝ν_调，直至-δ_set<δ_t<δ_set，则重新将下料速率恢复为正常下料速率v_NB，其中：

v_调＝v_NB+(m_z换极后-m_z换极前) (2)

其中，下料速率计算如下：

在铝电解槽中，氧化铝的局部消耗跟局部电流密度有关，计算单个下料点管控的阳极区域氧化铝消耗总速率可由式(4)计算：

式中，m_z为单个下料点管控的阳极区域氧化铝消耗总速率，kg·s^-1·m^-2；J_i为阳极对应电解质底面的电流密度分布，A/m²；η为电流效率；n为单个下料点管控的阳极个数。

对实际阳极更换情况下电流分布随时间的变化情况进行分析，评估的指标为槽内局部氧化铝的平均浓度、浓度标准差和浓度区间。

分析各个区域间的浓度分布特征以及各个区域内部的分布特性，浓度的标准差计算方法如下式所示：

其中，C_i为每隔一定时间测量的下料点管控区域内的氧化铝浓度值；C_ave为总测量时间窗口下的下料点管控区域内的氧化铝浓度算术平均值，k为时间节点数。

本发明中，电解槽正常的氧化铝下料与现行工业中所应用的方法一致。

采用上述技术方案的铝电解槽自适应智能下料方法，能根据实际阳极更换情况下电流分布随时间的变化情况，结合本专利提出的下料自调整逻辑，调节下料速率，在保证总下料量满足生产需求的前提下，优化新阳极附近电解质中氧化铝的区域浓度分布，减小操作对整体电流分布的影响，促进电解槽的平稳运行。

综上所述，本发明是一种能根据实际阳极更换情况下电流分布随时间的变化情况，调节局部下料间隔时间与下料量，优化新阳极附近电解质中氧化铝的区域浓度分布，减小操作对局部电流分布的影响的铝电解槽自适应非均匀下料方法。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是实施例中400kA铝电解槽换极顺序图；

图3是FD5下料点下全周期局部不同阳极的电流分布图；

图4是实施例中新阳极工作8d下局部不同阳极的电流分布图；

图5是换极后局部下料点下料速率的变化图；

图6是局部氧化铝浓度随新阳极工作时间变化的关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于换极周期的铝电解槽下料方法，电解槽正常的氧化铝下料与现行工业中所应用的方法一致，基于电解槽内阳极更换周期的配置，对下料点附近的阳极更换情况下电流分布随时间的变化情况进行统计与分析，在保证总下料量满足生产需求的前提下，基于电流的变化规律，调整电解槽的下料逻辑、下料速率与下料量，从而从根本上改变由于换极所导致的电流分布不均及槽内氧化铝浓度不均匀的难题，优化新换阳极附近电解质中氧化铝的区域浓度分布，促进电解槽的平稳运行。

铝电解槽下料方法的具体步骤如下：

(1)在电解过程中，基于电解槽内阳极更换周期的配置，对下料点附近的阳极电流分布随时间的变化情况进行统计；

(2)将步骤1所统计的全周期电流分布整理成相关图表，从中计算将在T_L时间窗口内被更换的阳极的

其中

为换极时刻向前推算T_L时间窗口内的电流均值，更换阳极操作后，计算新极的

其中

为换极后每隔T_S周期时间窗口内的电流均值，T_L、T_S分别为长、短周期的时间窗口，计算相应位置新极的

相对于旧极的

的变化率，如式(1)所示；

(3)判断δ_t在电极相应状态内相对于设定预报阈值δ_set的情况，自适应控制下料速率。

工厂生产实际情况下，有正常下料速率为v_NB；

当-δ_set<δ_t<δ_set，则下料速率按照正常下料速率v_NB下料；

当-100％<δ_t<-δ_set(处于新极电流分布随时间上升阶段T_升)或δ_set<δ_t<10％(处于新极电流分布随时间补偿调整阶段T_补)时，则需要对下料速度进行调整，下料速率ν＝ν_调，其中：

v_调＝v_NB+(m_z换极后-m_z换极前) (2)

当经过上述调整后，当-δ_set<δ_t<δ_set时，则下料速率则恢复为正常下料速率v_NB。若波动较大，下料速率则自适应调整为v_调，持续下料至δ_t稳定。

其中，下料速率计算如下：

在铝电解槽中，氧化铝的局部消耗跟局部电流密度有关，计算单个下料点管控的阳极区域氧化铝消耗总速率可由式(4)计算：

式中，m_z为单个下料点管控的阳极区域氧化铝消耗总速率，kg·s^-1·m^-2；J_i为阳极对应电解质底面的电流密度分布，A/m²；η为电流效率；n为单个下料点管控的阳极个数。

对实际阳极更换情况下电流分布随时间的变化情况进行分析，评估的指标为槽内局部氧化铝的平均浓度、浓度标准差和浓度区间。

分析各个区域间的浓度分布特征以及各个区域内部的分布特性，浓度的标准差计算方法如下式所示：

其中，C_i为每隔一定时间测量的下料点管控区域内的氧化铝浓度值；C_ave为总测量时间窗口下的下料点管控区域内的氧化铝浓度算术平均值，k为时间节点数。整个控制下料的控制程序均为现有技术，在此不再赘述。

实施例

如图1所示，一种基于换极周期的铝电解槽下料方法，包括如下步骤：

步骤1：在电解过程中，基于电解槽内阳极更换周期的配置，如图2所示，对下料点附近的阳极电流分布随时间的变化情况进行统计；

本实例中选取的400kA电解槽共有48块阳极，分为24组，6个下料点分别管控4组，换极周期为28天，换极周期如图2所示。

步骤2：将步骤1所统计的全周期电流分布整理成图，其中以下料点FD5为例，A9、A10、B9、B10组全周期的阳极电流分布变化情况如图3所示。从中计算将在T_L时间窗口内被更换的阳极的

其中

为换极时刻向前推算T_L时间窗口内的电流均值。更换阳极操作后，计算新极的

其中

为换极后每隔T_S周期时间窗口内的电流均值，T_L、T_S分别为为长、短周期的时间窗口，本实例可设置T_L长周期时间窗口为8d，T_S短周期时间窗口为8h。计算相应位置新极的

相对于旧极的

的变化率。

本实例任取换极日期为17号，更换阳极A10组，故可将A9、A10、B9、B10组的电流分布变化情况从图3中截取出来，改以新阳极工作时间为横坐标，绘制图4。

步骤3：根据A9工业实际换极情况，可以判断T_升以及T_补时期，其中T_升为工厂生产实际情况下新极电流分布随时间上升的这一阶段，T_补为工厂生产实际情况下新极电流分布随时间补偿调整阶段，该实例通过分析，已于图4标注。

步骤:4：结合法拉第定律、氧化铝电解方程，氧化铝的质量消耗总速率可表达为(4)式。通过在电磁场模型中提取底面电流密度分布，根据上式得到氧化铝消耗的局部情况，然后根据物料平衡计算出FD5下料口下料量速率如图5所示。

通过在电磁场模型中提取底面电流密度分布，根据上式得到氧化铝消耗的局部情况，然后根据物料平衡计算出FD5下料口下料量速率如图5所示。

在工业试验中，获取氧化铝浓度随新阳极工作时间变化的关系如图6所示，并通过数值计算得到采取不同下料方法后，换极区域浓度偏差列于表1。

表1换极区域浓度偏差

由表1以及图6可知，在电解槽换极时采用了新的下料方式后，区域内部的浓度标准差有所减小，局部平均浓度明显减小，局部浓度范围最低值有所升高，最高值有所下降，稳定性更好。

因此，对于这种在换极之后自适应智能下料的方法来说，能够优化新阳极附近电解质中氧化铝的区域浓度分布，减小换极操作对整体电流分布的影响，促进电解槽的平稳运行。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种基于换极周期的铝电解槽下料方法，其特征在于：基于电解槽内阳极更换周期的配置，对下料点附近的阳极在更换情况下电流分布随时间的变化情况进行统计与分析，在保证总下料量满足生产需求的前提下，基于电流的变化规律，调整电解槽的下料速率；

具体包括如下步骤：

步骤1：在电解过程中，基于电解槽内阳极更换周期的配置，对下料点附近的阳极电流分布随时间的变化情况进行统计；

步骤2：将步骤1所统计的全周期电流分布整理成相关图表，从中计算在T_L时间窗口内被更换的阳极的

其中

为换极时刻向前推算T_L时间窗口内的电流均值，更换阳极操作后，计算新极的

其中

为换极后每隔T_S时间窗口内的电流均值，计算相应位置新极的

相对于旧极的

的变化率：

步骤3：根据δ_t在电极相应状态内相对于设定预报阈值δ_set的情况，自适应控制下料速率：

当-δ_set<δ_t<δ_set，则下料速率按照正常下料速率v_NB下料；

当δ_t<-δ_set或δ_t＞δ_set时，则需要对下料速度进行调整，下料速率ν＝ν_调，其中：

v_调＝v_NB+(m_z换极后-m_z换极前) (2)

式中，m_z为单个下料点管控的阳极区域氧化铝消耗总速率；

经过上述调整后，当-δ_set<δ_t<δ_set时，则将下料速率恢复为正常下料速率v_NB。

2.根据权利要求1所述的基于换极周期的铝电解槽下料方法，单个下料点管控的阳极区域氧化铝消耗总速率的计算公式如下：

式中，m_z为单个下料点管控的阳极区域氧化铝消耗总速率，kg·s^-1·m^-2；J_i为电解质底面的电流密度分布，A/m²；η为电流效率；n为单个下料点管控的阳极个数。

3.根据权利要求2所述的基于换极周期的铝电解槽下料方法，对实际阳极更换情况下电流分布随时间的变化情况进行分析，评估的指标为槽内局部氧化铝的平均浓度、浓度标准差和浓度区间。

4.根据权利要求3所述的基于换极周期的铝电解槽下料方法，分析各个区域间的浓度分布特征以及各个区域内部的分布特性，浓度的标准差计算方法如下式所示：

其中，C_i为每隔一定时间测量的下料点管控区域内的氧化铝浓度值；C_ave为总测量时间窗口下的下料点管控区域内的氧化铝浓度算术平均值，k为时间节点数。

5.根据权利要求1所述的基于换极周期的铝电解槽下料方法，预报阈值δ_set为5％。

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