RU2255149C1

RU2255149C1 - Способ управления алюминиевым электролизером при изменении скорости растворения глинозема

Info

Publication number: RU2255149C1
Application number: RU2004113864/02A
Authority: RU
Inventors: А.В. Своевский (RU); А.В. Своевский; О.О. Роднов (RU); О.О. Роднов; А.И. Березин (RU); А.И. Березин; В.Ю. Бузунов (RU); В.Ю. Бузунов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Инженерно-технологический центр"
Priority date: 2004-05-05
Filing date: 2004-05-05
Publication date: 2005-06-27
Also published as: US7378009B2; US20050247568A1; CA2506270A1

Abstract

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано для управления процессом получения алюминия из глинозема электролитическим методом. Причины, препятствующие получению технического результата при использовании существующих способов, состоят в том, что в алгоритме не предусмотрена адаптация к изменению качества сырья, скорости растворения глинозема, параметров технологического режима электролиза и характеристик АПГ. Технический результат - повышение производительности электролизера за счет создания оптимальных условий растворения глинозема, путем повышения качества управления электролизерами, снабженными системами АПГ. Существо изобретения состоит в определении момента изменения скорости растворимости глинозема в ванне и принятия корректирующих действий по созданию оптимальных условий растворения глинозема путем управления энергетическим и материальным балансами электролизера, что обеспечивает повышение технико-экономических показателей процесса электролиза. В изобретении предлагается алгоритм управления электролизером, основанный на использовании принципов статистических методов контроля и управления процессами и принятия корректирующих действий на основе девятиразмерной матрицы. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано для управления процессами получения алюминия из глинозема электролитическим методом.

При получении алюминия оксид алюминия (глинозем) растворяют при высокой температуре в электролите, состоящем из криолита и других фтористых солей. Разложение растворенного оксида алюминия осуществляется в электролизерах под воздействием постоянного тока, проходящего через электролит. Чистый алюминий выделяется на катоде, а кислород окисляет угольный анод, который сгорает.

С течением времени количество глинозема в электролите уменьшается. При снижении концентрации глинозема до 0,5-1,5% возникает анодный эффект - особый режим работы электролизера, сопровождающийся низкими технико-экономическими показателями.

Новые порции глинозема вносятся в расплав периодически (при обработке электролизера) либо практически непрерывно (механизмами подачи глинозема точечного типа - механизмами АПГ).

Известно, что для эффективного управления процессом электролиза необходима стабилизация энергетического режима и материального баланса. Одной из главных задач при управлении процессом электролиза алюминия является обеспечение наибольшей производительности электролизера путем создания оптимальных условий растворения и стабилизации концентрации глинозема в электролите при изменении параметров технологического режима, качества сырья и др. Известны способы управления технологическим состоянием алюминиевого электролизера по приведенному напряжению и направлению перемещения анода.

Способ автоматического регулирования алюминиевого электролизера, включающий измерение напряжения на электролизере, тока электролизера, расчет текущих значений сопротивления электролизера, определение перед каждой очередной загрузкой минимального значения сопротивления или приведенного напряжения, при этом минимальное значение приведенного напряжения U_пр ^min принимают за уставку, перемещают анод при наличии рассогласования между приведенным напряжением U_уст и текущим значением приведенного напряжения U_прi, фиксируют все перемещения между обработками электролизера, при наличии преимущественно перемещений анода вниз принимают на электролизере заниженное значение концентрации, при наличии преимущественных перемещений вверх принимают на электролизере завышенное значение концентрации, при наличии редких перемещений анода непосредственно после обработки и перед очередной обработкой принимают на электролизере нормальную концентрацию, при повышенном и пониженном значениях корректируют режим загрузки глиноземом путем добавления глинозема или пропуска обработки для достижения нормального концентрационного режима (RU, 2148108, С 25 С 3/20, 03.09.1998).

Недостатком указанных способов является то, что они не позволяют своевременно выявить возникновение нарушений в работе электролизера, вызванное изменением параметров электролиза и качества сырья, что приводит к снижению эффективности работы.

Известны способы управления алюминиевым электролизером по приведенному напряжению и математической модели, такие как способ управления алюминиевым электролизером, включающий периодическую подачу порций глинозема в электролизер, измерение напряжения на электролизере и тока серии, расчет сопротивления электролита в межполюсном пространстве, его среднего значения и концентрации в электролите по математической модели и изменение скорости подачи глинозема в электролизер в зависимости от отклонения расчетного значения концентрации от его заданного значения (RU 2106435, С 25 С 3/20, 10.03.1998, RU 2204629, С 25 С 3/20, 28.12.2001).

Недостатком способов является невысокая точность определения концентрации глинозема ввиду неадекватности модели к изменениям температуры электролита, качеству глинозема и другим возмущениям. Это приводит к низкому качеству стабилизации и большим колебаниям концентрации глинозема в электролите.

Известны способы управления алюминиевых электролизеров, оснащенных системой АПГ по приведенному напряжению и производным. Например, способ управления, заключающийся в поддержании температурного режима электролизера путем регулирования межполюсного расстояния и концентрации глинозема в заданных пределах чередованием избыточного и недостаточного режимов питания. Способ включает измерение напряжения на электролизере и тока серии, расчет текущего значения приведенного напряжения U_пр и скорости его изменения во времени dU_пр/dt, сравнение вычисленных значений с заданными и принятие решений о регулировании межполюсного расстояния и переходе к избыточному или недостаточному режимам питания глиноземом по результатам сравнения (SU 1724713 А1, С 25 С 3/20, 07.04.1992; RU 2113552 C1, С 25 С 3/20, 20.06.1998).

Способы позволяют поддерживать концентрацию глинозема в электролите в технологически оптимальном диапазоне 2-5%, однако, при применении этих способов критерии выбора режима питания - заданное время избыточного питания и максимальное напряжение недостаточного питания - не обеспечивают необходимой точности поддержания концентрации, используется лишь грубая оценка dU_пр/dt (положительная/отрицательная).

В качестве прототипа принят способ управления электролизерами для получения алюминия, заключающийся в поддержании температурного режима электролизера путем регулирования межполюсного расстояния и концентрации глинозема в заданных пределах чередованием режимов избыточного и недостаточного питания, включающий измерение напряжения на электролизере и тока серии, расчет текущего значения приведенного напряжения U_пр и скорости его изменения во времени dU_пр/dt, сравнение вычисленных значений с заданными и принятие решений о регулировании межполюсного расстояния и переходе к режимам избыточного или недостаточного питания глиноземом по результатам сравнения по достижении скорости изменения приведенного напряжения во времени величины dU_пр/dt>G₁, переход от режима избыточного питания к режиму недостаточного питания осуществляют при достижении скорости изменения приведенного напряжения во времени величины dU_пр/dt<C₂, где G₁, G₂ - пороговые значения скорости изменения приведенного напряжения, определенные экспериментально, при этом регулирование межполюсного расстояния проводят в момент перехода от режима избыточного питания к режиму недостаточного питания (т.е. в базовом режиме) при условии: |U_пр-U_o|>ΔU, где U_o - номинальное значение приведенного напряжения, ΔU - заданная технологическими требованиями зона нечувствительности (RU 2189403, С 25 С 3/20, 20.09.2002).

В способе за базовый принят режим, который возникает в момент перехода от режима избыточного питания к режиму недостаточного питания.

Время пребывания в базовом режиме питания рассчитывается исходя из производительности электролизера (суточных доз глинозема). В этом режиме псевдосопротивление ванны является почти постоянным, поэтому корректировка положения анодной рамы производится именно в этот период.

Недостатком прототипа является то, что способ не учитывает изменение концентрации глинозема в электролите за счет изменения качества сырья, параметров технологического режима электролиза, характеристик питающего устройства АПГ, например, массы дозы глинозема. Величина dU_пр/dt реагирует только на концентрацию глинозема, растворившегося в электролите. В случае снижения скорости растворения глинозема даже при массированном питании глиноземом (режим избыточного питания) величина dU_пр/dt имеет большое значение и сигнализирует о том, что нужно добавлять глинозем в ванну, хотя это не требуется. Таким образом, система управления АПГ реагирует с точностью наоборот, осуществляя массированную загрузку в режиме избыточного питания. Наступает процесс заваливания ванны глиноземом. Это приводит к образованию осадка глинозема на дне ванны. В результате фактические колебания концентрации глинозема в электролите становятся недопустимо большими, что приводит к повышенной частоте анодных эффектов и повышенной частоте включения двигателей, перемещающих анодный массив (зажатие ванны). Все это вызывает увеличение количества и тяжести технологических нарушений, снижение технико-экономических показателей работы электролизеров: повышение удельного расхода электроэнергии, снижение производительности электролизера и повышение трудозатрат на ликвидацию технологических нарушений.

Причины, препятствующие получению технического результата, состоят в том, что в алгоритме способа не предусмотрена адаптация к изменению качества сырья, скорости растворения глинозема, параметров технологического режима электролиза и характеристик АПГ.

Задача изобретения состоит в повышении производительности электролизера за счет создания оптимальных условий растворения глинозема путем повышения качества управления электролизером, снабженным системами АПГ.

Технический результат изобретения состоит в определении момента изменения скорости растворимости глинозема в ванне и принятия корректирующих действий по созданию оптимальных условий растворения глинозема путем управления энергетическим и материальным балансами электролизера, что обеспечивает повышение технико-экономических показателей процесса электролиза.

Технический результат достигается тем, что в способе управления алюминиевым электролизером с АПГ, заключающимся в поддержании концентрации глинозема в заданных пределах, чередованием режимов: базового, недостаточного и избыточного питания, включающий измерение напряжения на электролизере и тока серии, расчет текущего значения приведенного напряжения U_пр и скорости его изменения во времени dU_пр/dt, сравнение вычисленных значений с заданными и корректировку межполюсного расстояния при переходе к режимам избыточного или недостаточного питания согласно предлагаемому дополнительно производят измерение доз АПГ глинозема в режиме недостаточного питания D_НП и режиме избыточного питания D_ип за время, достаточное для оценки условий растворения глинозема, определяют разладку электролиза путем нанесения значений доз АПГ на контрольную карту Шухарта и, анализируя одновременно критерии особых причин доз глинозема (D_нп и D_ип), определяют корректировку процесса на основе девятиразмерной матрицы и производят корректирующие действия путем изменения: базовых констант режимов системы АПГ (уставки, коэффициентов, определяющих периоды избыточного питания К1 и недостаточного питания К2), уставки напряжения электролизера и добавки фторида алюминия в ванну электролизера.

Способ может характеризоваться тем, что интервал времени измерения количества доз АПГ глинозема принимается равным не менее одних суток.

Способ может характеризоваться тем, что при определении разладки электролиза:

в первой ячейке матрицы, при которой D_нп>UCL_нп и D_ип<LСL_ип, где UСL_нп - верхняя контрольная граница на карте Шухарта в режиме недостаточного питания; LCL_ип - нижняя контрольная граница на карте Шухарта в режиме избыточного питания, то производят корректировку электролиза путем увеличения уставки АПГ не более чем на 5%, увеличения уставки напряжения не более чем на 5% и уменьшения дозы фторида алюминия не менее чем на 10%, при этом коэффициенты К1 и К2 равны прежним заданным значениям;

во второй ячейке матрицы, при которой D_НП>UCL_НП и UCL_ИП>D_ИП>LСL_ИП, где UСL_ип - верхняя контрольная граница на карте Шухарта в режиме избыточного питания, то производят корректировку электролиза путем увеличения уставки АПГ не более чем на 10%, увеличения уставки напряжения не более чем на 2,5% и уменьшения дозы фторида алюминия не менее чем на 5% при этом коэффициенты К1 и К2 равны прежним заданным значениям;

в третьей ячейке матрицы, при которой D_НП>UСL_нп и D_ип>UСL_ип, то производят корректировку электролиза путем увеличения уставки АПГ не более чем на 20%, увеличения уставки напряжения не более чем на 5% и уменьшения дозы фторида алюминия не менее чем на 10% при этом коэффициенты К1 и К2 равны прежним заданным значениям;

в четвертой ячейке матрицы, при которой UСL_нп>D_нп>LСL_НП и D_ип<LСL_ИП, где LCL_НП - нижняя контрольная граница на карте Шухарта в режиме недостаточного питания, то производят корректировку электролиза путем снижения уставки АПГ не более чем на 10%, при этом уставка напряжения, доза фторида алюминия, коэффициенты К1 и К2 равны прежним заданным значениям;

в пятой ячейке матрицы, при которой UCL_НП>D_нп>LСL_нп и UCL_ИП>D_ип>LCL_ИП, то корректировка электролиза не производится: уставки АПГ и напряжения, доза фторида алюминия, коэффициенты К1 и К2 равны прежним заданным значениям;

в шестой ячейке матрицы, при которой UCL_НП>D_нп>LСL_НП и D_ип>UCL_ИП, то производят корректировку электролиза путем увеличения уставки АПГ не более чем на 10%, увеличения уставки напряжения не более чем на 5%, уменьшения дозы фторида алюминия не менее чем на 10%, при этом коэффициенты К1 и К2 равны прежним заданным значениям;

в седьмой ячейке матрицы, при которой D_НП<LCL_НП и D_ИП<LCL_ИП, то производят корректировку электролиза путем уменьшения уставки АПГ не более чем на 20%, уменьшения уставки напряжения не более чем на 5%, при этом доза фторида алюминия, коэффициенты К1 и К2 равны прежним заданным значениям;

в восьмой ячейке матрицы, при которой D_НП<LCL_НП и UCL_ип>D_ИП>LСL_ип, то производят корректировку электролиза путем уменьшения уставки АПГ не более чем на 10%, уменьшения уставки напряжения не более чем на 2,5%, увеличения дозы фторида алюминия не менее чем на 5%, при этом коэффициенты К1 и К2 равны прежним заданным значениям;

в девятой ячейке матрицы, при которой D_НП<LCL_НП и D_ИП>UCL_ИП, то производят корректировку электролиза путем увеличения уставки АПГ не более чем на 40%, увеличения К1 не менее чем на 15% от прежнего заданного значения и уменьшения К2 не менее чем на 30% от прежнего заданного значения, увеличения уставки напряжения не более чем на 10%, уменьшения дозы фторида алюминия не менее чем на 10%.

Способ может характеризоваться тем, что: диапазон UCL_НП>D_нп>LСL_нп выбирают равным ±2σ_нп и диапазон UCL_ИП>D_ИП>LCL_ИП выбирают равным ±2σ_ИП,

где σ_НП - среднеквадратическое отклонение доз глинозема в режиме недостаточного питания и σ_ип - среднеквадратическое отклонение доз глинозема в режиме избыточного питания за период не менее 25 дней, каждый.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:

на фиг.1 - контрольные карты Шухарта - индивидуальных значений и скользящих размахов (I-MR): доз глинозема в режиме недостаточного питания (недопитка) D_НП- a, и режиме избыточного питания (перепитка) D_ИП- в.

на фиг.2 - представлена девятиразмерная матрица и связь ее с графиком изменения напряжения электролизера от концентрации глинозема;

на фиг.3 - контрольные карты Шухарта - индивидуальных значений и скользящих размахов (I-MR): уставки АПГ - а, уставки напряжения электролизера - б и криолитового отношения - в.

на фиг.4 - контрольные карты Шухарта - индивидуальных значений и скользящих размахов (I-MR): количества анодных эффектов АЭ - а и выхода металла на ванно-сутки - б.

В основе патентуемого метода лежат следующие предпосылки.

Как отмечалось выше, технико-экономические показатели процесса производства алюминия, в том числе высокая производительность электролизера, напрямую зависят от скорости растворения глинозема и адекватности работы системы автоматического регулирования концентрацией глинозема. Скорость растворения глинозема является функцией перегрева электролита (разности между температурой электролита и температурой его замерзания), дозы и качества глинозема. Температура замерзания электролита (температура ликвидус) зависит от химического состава электролита содержания в нем фторидов алюминия, кальция и глинозема.

Алгоритм АПГ (прототипа) реагирует на величину dU_пр/dt, характеризующую только концентрацию глинозема, растворившегося в электролите. В случае снижения скорости растворения глинозема даже при массированном питании глиноземом (режим избыточного питания) величина dU_пр/dt имеет большое значение и сигнализирует о том, что нужно добавлять глинозем в ванну, хотя это не требуется.

Такие ситуации предлагается контролировать на основе анализа серий точек доз D_НП и D_ИП.

В патентуемом изобретении предлагается более совершенный алгоритм управления электролизером, основанный на использовании принципов статистических методов контроля и управления процессами (SPC).

В предлагаемом способе общим с прототипом являются следующие операции: поддержание концентрации глинозема в заданных пределах чередованием режимов: базового, недостаточного и избыточного питания, включающее измерение напряжения на электролизере и тока серии, расчет текущего значения приведенного напряжения U_пр и скорости его изменения во времени dU_пр/dt, сравнение вычисленных значений с заданными и корректировку межполюсного расстояния при переходе к режимам избыточного или недостаточного питания глиноземом по результатам сравнения.

Приведем некоторые общепринятые понятия:

Доза АПГ - суммарная масса глинозема, отдаваемая в электролизер при однократной подаче глинозема со всех точечных питателей электролизера.

Период АПГ - интервал времени между подачей доз АПГ в электролизер в данном режиме.

Частота доз АПГ - величина, обратная периоду АПГ.

Номинальная доза АПГ - это расчетная доза, равная произведению количества точечных питателей на паспортное значение массы глинозема, выдаваемой одним точечным питателем (доза АПГ не всегда совпадает с номинальной дозой).

Номинальная уставка - расчетная величина, используется для первоначальной оценки практической (реальной) уставки АПГ, определяется из выражения:

Номинальная уставка АПГ=1440/(номинальное количество доз АПГ за сутки), минут,

где 1440 - количество минут в сутках;

Номинальное количества доз АПГ за сутки=(суточная потребность ванны в глиноземе)/(номинальная доза АПГ).

Уставка АПГ это период АПГ в базовом режиме, задаваемый в контроллере системы управления АПГ в минутах. Практических условиях уставка АПГ выбирается, примерно, равной номинальной уставке.

Период АПГ в режиме избыточного питания определяется коэффициентом К1, а в режиме избыточного питания коэффициентом К2. При этом значения коэффициентов К1 и К2 определяют от уставки АПГ.

Пример: пусть уставка АПГ равна 7 минут, примем это значения за 100%. Тогда коэффициенты К1 и К2 рассчитываются в процентах от уставки АПГ. В производственных условиях заданные значения коэффициентов, соответственно, равны К1=250% и К2=25% от 7 минут.

По отношению к прототипу у предлагаемого способа имеются следующие особенности.

Во-первых, производят измерение доз АПГ глинозема в режиме недостаточного питания - “недопитка” D_НП и режиме избыточного питания - “перепитка” D_ИП за время, достаточное для оценки условий растворения глинозема.

Анализ дополнительно получаемой информации о сериях точек доз D_НП и D_ип позволяет оценить скорость растворения и концентрацию глинозема в электролите. Экспериментальными исследованиями установлено, что изменение доз D_НП и D_ИП функционально связаны с концентрацией и скоростью растворения глинозема в электролите. Нами замечено, что в режиме “недопитка” серии точек доз D_НП характеризуют концентрацию глинозема Сгл в электролите; в режиме “перепитка” серии точек доз D_ИП характеризуют скорость растворения глинозема Vтл в электролите. Случаи, когда не весь глинозем растворяется в электролите, предлагается диагностировать при помощи совместного анализа серий точек доз D_НП и D_ИП.

Выбор интервала времени для измерения доз АПГ глинозема, равный не менее одних суток, объясняется тем, что электролизер является инерционным объектом, например, процесс растворения осадков глинозема. При управлении энергетическим и материальным балансом электролизера для завершения переходных процессов требуется период времени от одних суток и более.

Во-вторых, для выявления моментов изменения скорости растворения глинозема предлагается использовать статистический метод - контрольные карты Шухарта (I-MR), построенные для доз АПГ в режиме недостаточного питания D_НП, и режиме избыточного питания D_ИП (фиг.1).

Метод контрольных карт заключается в следующем (ГОСТ Р 50779.42-99; ИСО 8258-91 “Статистические методы. Контрольные карты Шухарта”): в сборе исходных данных; нанесении их на контрольную карту определенного типа; сопоставление нанесенных точек и их серий с контрольными границами, выделения точек вне границ и/или серий; проведение анализа серий точек; определение неслучайной причины; проведение корректирующих действий.

Для реализации предлагаемого способа выбраны карты индивидуальных значений и скользящих размахов (I-MR), позволяющих определять разладку процесса. Причем расчет верхней контрольной границы UCL_I и нижней контрольной границы LCL_I осуществляют по формулам:

где

- среднее значение - количество доз за заданный период;

k - число индивидуальных значений параметра;

X_i - индивидуальное значение измеряемого параметра (D_нп или D_ИП);

- средний скользящий размах,

где R_i - скользящий размах - абсолютное значение разности измерений в последовательных парах значений, Е₂=2,66.

В-третьих, определяют разладку электролиза путем одновременного анализа критериев особых причин D_НП и D_ип в виде серий точек на контрольной карте

В-четвертых, вычисляют корректирующие действия на основе девятиразмерной матрицы (фиг.2.).

Предполагается, что АПГ находится в исправном и рабочем состоянии. В производственных условиях необходимо периодически проводить проверку на работоспособность АПГ.

Корректирующие действия определяются из следующих умозаключений:

1. При фиксировании (первая ячейка матрицы) следующих критериев особых причин в виде: D_НП>UCL_НП и D_ИП<LСL_ип, где

где UCL_НП - верхняя контрольная граница на карте Шухарта в режиме недостаточного питания; LCL_ИП - нижняя контрольная граница на карте Шухарта в режиме избыточного питания.

Это указывает на то, что масса поступающего глинозема в ванну в режимах “недопитка” увеличивается, а режиме “перепитка” уменьшается. Производительность электролизера несколько выше нормы.

По совокупности признаков состояние ванны можно оценить следующим образом: концентрация растворенного глинозема в электролите возрастает (Cгл>) и скорость растворения увеличивается (Vгл>). Несмотря на то, что скорость растворения увеличивается с целью предотвращения образования осадка необходимо: во-первых, немного снизить подачу глинозема в ванну путем увеличения уставки АПГ (не более чем на 5%); во-вторых, принять меры, чтобы не образовывался осадок - увеличить температуру электролита путем увеличения уставки напряжения (не более чем на 5%) и увеличить криолитовое отношение путем снижения дозы фторида алюминия (не более чем на 10%). Эти действия есть управление энергетическим и материальным балансом электролизера. Коэффициенты К1 и К2 равны прежним заданным значениям.

2. При фиксировании (вторая ячейка матрицы) следующих критериев особых причин в виде: D_НП>UCL_НП и UCL_ИП>D_ип>LСL_ИП.

где UCL_ИП - верхняя контрольная граница на карте Шухарта в режиме избыточного питания.

Это указывает на то, что масса поступающего глинозема в ванну в режиме “недопитка” увеличивается, а режиме “перепитка” в норме. Производительность электролизера находится в норме.

По совокупности признаков состояние ванны можно оценить следующим образом: концентрацию растворенного глинозема в электролите возрастает (Сгл>) и скорость растворения нормальная (Vгл=).

Несмотря на то, что скорость растворения глинозема нормальная, однако, возможно появление начальных признаков образования осадка глинозема.

Необходимы действия: во-первых, снизить подачу глинозема в ванну путем увеличения уставки АПГ (не более чем на 10%), во-вторых, создать благоприятные условия растворения осадка - увеличить температуру электролита путем увеличения уставки напряжения (не более чем на 2,5%) и увеличить криолитовое отношение путем снижения дозы фторида алюминия (не менее чем на 2,5%). Коэффициенты К1 равны прежним заданным значениям.

3. При фиксировании (третья ячейка матрицы) следующих критериев особых причин в виде: D_НП>UCL_НП и D_ип>UСL_ип.

Это указывает на то, что масса поступающего глинозема в ванну в режимах “недопитка” и “перепитка” увеличивается. Производительность электролизера несколько снизилась относительно нормы.

По совокупности признаков состояние ванны можно оценить следующим образом: концентрация растворенного глинозема в электролите возрастает (Сгл>) и скорость растворения снижается (Vгл<).

Необходимы действия: значительно снизить подачу глинозема в ванну путем увеличения уставки АПГ (не более чем на 20%), с целью повышения температуры электролита: увеличить уставку напряжения (не более чем на 5%) и снизить дозу фторида алюминия (не более чем на 10%). Коэффициенты К 1 и К2 равны прежним заданным значениям.

4. При фиксировании (четвертая ячейка матрицы) следующих критериев особых причин в виде: UСL_нп>D_НП>LСL_нп и D_ип<LСL_ИП,

где LСL_нп - нижняя контрольная граница на карте Шухарта в режиме недостаточного питания.

Это указывает на то, что масса поступающего глинозема в ванну в режиме “недопитка” в норме, а режиме “перепитка” уменьшается. Производительность электролизера несколько выше нормы.

По совокупности признаков состояние ванны можно оценить следующим образом: концентрация растворенного глинозема в электролите нормальная (Сгл=) и скорость растворения увеличивается (Vгл>). Это первый признак повышения производительности электролизера.

Необходимы действия: во-первых, увеличить подачу глинозема путем снижения уставки АПГ (не менее чем на 10%). Уставка напряжения электролизера, величина дозы фторида алюминия, коэффициенты К1 и К2 равны прежним заданным значениям.

5. При фиксировании (пятая ячейка матрицы) следующих критериев особых причин в виде: UCL_НП>D_НП>LСL_нп и UCL_ИП>D_ИП>LСL_ИП.

Это указывает на то, что масса поступающего глинозема в ванну в режиме “недопитка” в норме, а режиме “перепитка” в норме. Производительность электролизера в норме.

По совокупности признаков этот режим характеризуется нормальной (заданной) концентрацией глинозема (Сгл=) и скоростью его растворения в электролите (Vгл=). Технологическое состояние электролизера нормальное, корректировка не требуется.

6. При фиксировании (шестая ячейка матрицы) следующих критериев особых причин в виде: UCL_НП>D_нп>LСL_нп и D_ип>UCL_ИП.

Это указывает на то, что масса поступающего глинозема в ванну в режиме “недопитка” в норме, а режиме “перепитка” увеличивается. Производительность электролизера несколько ниже относительно нормы.

По совокупности признаков состояние ванны можно оценить следующим образом: концентрацию растворенного глинозема в электролите нормальная (Сгл=) и скорость растворения уменьшается (Vгл<). Это первый признак снижения производительности электролизера.

Необходимы действия: во-первых, снизить подачу глинозема в ванну с целью уменьшения образования осадка путем увеличения уставки АПГ (не более чем на 10%), во-вторых, создать благоприятные условия растворения осадка - увеличить температуру электролита путем увеличения уставки напряжения (не более на 5%) и увеличить криолитовое отношение путем снижения дозы фторида алюминия (не более чем на 10%). Коэффициенты К1 и К2 равны прежним заданным значениям.

7. При фиксировании (седьмая ячейка матрицы) следующих критериев особых причин в виде: D_НП<LCL_НП и D_ип<LCL_ИП.

Это указывает на то, что масса поступающего глинозема в ванну в режимах “недопитка” и “перепитка” уменьшается. Производительность электролизера значительно увеличилась относительно нормы.

По совокупности признаков состояние ванны можно оценить следующим образом: концентрация растворенного глинозема в электролите снижается (Сгл<) и скорость растворения увеличивается (Vгл>).

Необходимы действия: во-первых, уменьшить уставку АПГ (т.е. увеличить количество подаваемого глинозема в ванну), не более чем на 20%, во-вторых, уменьшить температуру электролита путем уменьшения уставки напряжения (не более чем на 5%); доза фторида алюминия, коэффициенты К1 и К2 равны прежним заданным значениям.

8. При фиксировании (восьмая ячейка матрицы) следующих критериев особых причин в виде: D_НП<LCL_НП и UCL_ИП>D_ип>LСL_ип.

Это указывает на то, что масса поступающего глинозема в ванну в режиме “недопитка” уменьшается, а режиме “перепитка” в норме. Производительность электролизера выше нормы.

По совокупности признаков состояние ванны можно оценить следующим образом: концентрация растворенного глинозема в электролите снижается (Сгл<) и скорость растворения в норме (Vгл=). Это первый признак увеличения производительности электролизера.

Необходимы действия: во-первых, увеличить дозу - уменьшить уставку АПГ (не более чем на 10%), во-вторых, уменьшить уставку напряжения (не менее чем на 2,5%) и снизить криолитовое отношение путем увеличения дозы фторида алюминия (не более чем на 5). Коэффициенты К1 и К2 равны прежним заданным значениям.

9. При фиксировании (девятая ячейка матрицы) следующих критериев особых причин в виде: D_НП<LCL_НП и D_ип>UCL_ИП.

Это указывает на то, что масса поступающего глинозема в ванну в режимах “недопитка” уменьшается, в режиме “перепитка” увеличивается. Производительность электролизера резко снизилась.

То есть возникла ситуация когда существующий способ неадекватно реагирует на изменение концентрации глинозема в электролите. Существующий способ (прототип) работает по градиенту производной dU_пр/dt. Известно, что величина dU_пр/dt реагирует только на концентрацию глинозема, растворившегося в электролите. В случае снижения скорости растворения глинозема даже при массированном питании глиноземом (режим избыточного питания) величина dU_пр/dt имеет большое значение и сигнализирует о том, что нужно добавлять глинозем в ванну, хотя это не требуется. Таким образом, система управления АПГ реагирует с точностью наоборот, осуществляя массированную загрузку в режиме избыточного питания. Наступает процесс заваливания ванны глиноземом. Это приводит к образованию осадка глинозема на дне ванны. По совокупности признаков состояние ванны можно оценить следующим образом: концентрация растворенного глинозема в электролите снижается (Сгл<) и скорость растворения уменьшается (Vтл<), образуется большое количество осадка в ванне.

Необходимы действия: во-первых, значительно снизить массу подаваемого глинозема в ванну путем увеличения уставки АПГ (не менее чем на 40%) увеличением К1 (не более чем на 15% от заданных значений) и уменьшением К2 (не более чем на 30% от заданных значений), во-вторых, создать благоприятные условия растворения осадка - увеличить температуру и перегрев электролита путем увеличения уставки напряжения (не более чем на 10%) и увеличения криолитового отношения путем снижения дозы фторида алюминия (например, не менее чем на 10%).

В-пятых, диапазон UCL_НП>D_НП>LСL_нп выбирают равным ±2σ_НП и диапазон UCL_ИП>D_ип>LСL_ип выбирают равным ±2σ_ИП,

где σ_НП - среднеквадратическое отклонение доз глинозема в режиме недостаточного питания и σ_ИП - среднеквадратическое отклонение доз глинозема в режиме избыточного питания, за период не менее 25 дней соответственно.

Величина диапазона 2σ объясняется тем, что любое значение, попадающее за границы 2σ, может служить предостережением о грозящей ситуации выхода процесса из состояния статистической управляемости. Поэтому границы ±2σ иногда называют “предупреждающими” (ГОСТ Р 50779.42-99; ИСО 8258-91 “Статистические методы. Контрольные карты Шухарта”, стр.3).

При этом среднеквадратическое отклонение определяют по формуле:

где

X_i - измеряемая характеристика (дозы глинозема),

- среднее значение подгруппы,

k - число индивидуальных значений параметра в подгруппе.

Рекомендуется число наблюдений в подгруппе при непрерывном ходе производственного процесса выбирать из диапазона 20-25 значений (ГОСТ Р 50779.42-99; ИСО 8258-91 “Статистические методы. Контрольные карты Шухарта”, стр.15).

Исходя из этих рекомендаций ГОСТ и технологии электролиза, для расчета σ выбрано 25 значений доз глинозема.

Анализ, проведенный заявителем, показал, что совокупность признаков является новой, а сам способ удовлетворяет условию изобретательского уровня ввиду новизны причинно-следственной связи “отличительные признаки - технический результат”.

Сущность способа поясняется на примере функционирования способа управления электролизером.

Системы регулирования межполюсного расстояния и концентрации глинозема работают в штатном режиме (как указано в прототипе). Дополнительно измеряется количество доз глинозема в режиме недостаточного питания D_НП и режиме избыточного питания D_ИП за заданный период (например, за одни сутки). Значения доз глинозема наносятся на контрольные карты Шухарта - индивидуальных значений и скользящих размахов (I-MR). Затем производится определение видов серий точек по критериям. В зависимости от видов серий точек, определяют, в какой ячейке девятиразмерной матрицы электролизер работает. Каждая ячейка имеет точное предписание регулировать либо уставку АПГ, либо уставку напряжения электролизера, либо добавку фторида алюминия. Целью управления является перемещение всех электролизеров в центральную ячейку №5 или близко к ней.

Способ осуществляется в следующей последовательности:

1. Системы регулирования межполюсного расстояния и концентрации глинозема работают в штатном режиме (как указано в прототипе).

2. Производится измерение доз глинозема в режиме недостаточного питания D_НП и режиме избыточного питания D_ИП за заданный период (например, за одни сутки).

3. Наносятся на контрольные карты Шухарта - индивидуальные значения доз глинозема D_НП и D_ИП и определяют разладку электролиза.

4. Анализируют значения доз глинозема D_НП и D_ИП по условиям, указанным в п.3 формулы изобретения.

5. Определяют № ячейки девятиразмерной матрицы и считывают корректирующие (управляющие) воздействия на электролизер.

6. Осуществляют управляющие воздействия для корректировки режима АПГ, энергетического и материального балансов электролизера.

Эффективность патентуемого способа показана на следующих примерах

Рассмотрим работу АПГ электролизера за период 10 дней. При работе по существующему способу (прототип) электролизер с 11 по 17.01.04 г. имел проблемы в технологии. На это указывают технологические параметры: увеличение количества АЭ (до 2 и 3 в сутки) ввиду увеличения осадка глинозема в ванне; снижение выливаемого металла из электролизера (ванно-сутки). За этот период номера ячеек девятиразмерной матрице (фиг.2) равны: 1, 1, 7, 9, 1, и 1, что характеризует режим электролизера как не нормальный (высокое содержание глинозема, осадки в виду снижения скорости растворения глинозема). Это можно объяснить тем, что: алгоритм способа не справляется с задачей регулирования концентрации глинозема при изменении скорости растворения глинозема в электролите, но адекватные меры по корректировке не были приняты. Уставка АПГ с запозданием реагировала на изменения в ванне. Так, например (фиг.3), согласно девятиразмерной матрицы необходимо увеличить уставку 11.01., а алгоритм способа-прототипа ее увеличил только 12.01.; 13.01., а 16.01. уставка вовсе была снижена, а 15.01. недостаточно поднята. Также не было увеличена уставка напряжения 11.01, 13.01, 16.01., а 15.01. увеличена недостаточно сильно. С 11.01. по 17.01. не была увеличена доза фторидов алюминия (для увеличения криолитового отношения). Такое управление привело к снижению наработки металла на следующий день после неправильной корректировки - 11.01., 13.01. и 15.01. (фиг.4). Своевременное применение корректировок электролизера позволило бы предотвратить снижение наработки металла и снижение частоты АЭ, и, как следствие, произошло увеличение технико-экономических показателей электролиза: выхода по току и по электроэнергии.

Таким образом, реализация предложенного способа управления алюминиевым электролизером позволяет улучшить технико-экономические показатели электролиза за счет оперативного и точного выявления снижения скорости растворения глинозема и своевременного проведения корректировки энергетического и материального балансов электролизера.

Claims

1. Способ управления алюминиевым электролизером с автоматической подачей глинозема (АПГ), включающий поддержание концентрации глинозема в заданных пределах, чередованием режимов: базового, недостаточного и избыточного питания, измерение напряжения на электролизере и тока серии, расчет текущего значения приведенного напряжения U_пр и скорости его изменения во времени dU_пр/dt, сравнение вычисленных значений с заданными и корректировку межполюсного расстояния при переходе к режимам избыточного или недостаточного питания, отличающийся тем, что дополнительно производят измерение количества доз АПГ глинозема в режиме недостаточного питания D_НП и режиме избыточного питания D_ИП за время, достаточное для растворения глинозема, определяют разладку электролиза путем нанесения количества доз АПГ на контрольную карту Шухарта, проводят одновременно анализ по критериям особых причин количества доз глинозема в режимах недостаточного и избыточного питания, определяют необходимую корректировку электролиза на основе девятиразмерной матрицы и производят ее путем изменения уставки, коэффициентов, определяющих периоды избыточного питания К1 и недостаточного питания К2 системы АПГ, уставки напряжения электролизера и добавки фторида алюминия в ванну электролизера.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интервалы времени измерения количества доз АПГ глинозема принимают равным не менее одних суток.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определенной разладке электролиза в соответствии с первой ячейкой матрицы, в которой D_НП>UCL_НП и D_ИП>LCL_ИП, где UCL_НП - верхняя контрольная граница на карте Шухарта в режиме недостаточного питания; LCL_ИП - нижняя контрольная граница на карте Шухарта в режиме избыточного питания; производят корректировку электролиза путем увеличения уставки АПГ не более чем на 5% и уставки напряжения не более чем на 5% и уменьшения дозы фторида алюминия не менее чем на 10%, при этом коэффициенты К1 и К2 оставляют равными прежним заданным значениям, при определенной разладке электролиза в соответствии со второй ячейкой матрицы, при которой D_НП>UCL_НП и UCL_ИП>D_ИП>LCL_ИП, где UСL_ИП - верхняя контрольная граница на карте Шухарта в режиме избыточного питания, производят корректировку электролиза путем увеличения уставки АПГ не более чем на 10%, увеличения уставки напряжения не более чем на 2,5% и уменьшения дозы фторида алюминия не менее чем на 5%, при этом коэффициенты К1 и К2 оставляют равными прежним заданным значениям, при определенной разладке электролиза в соответствии с третьей ячейкой матрицы, при которой D_НП>UCL_НП и D_ИП>UCL_ИП, производят корректировку электролиза путем увеличения уставки АПГ не более чем на 20%, увеличения уставки напряжения не более чем на 5% и уменьшения дозы фторида алюминия не менее чем на 10%, при этом коэффициенты К1 и К2 оставляют равными прежним заданным значениям, при определенной разладке электролиза в соответствии с четвертой ячейкой матрицы, при которой UCL_НП>D_нп>LCL_НП и D_ИП<LСL_ИП, где LCL_НП - нижняя контрольная граница на карте Шухарта в режиме недостаточного питания, производят корректировку электролиза путем снижения уставки АПГ не более чем на 10%, при этом уставку напряжения, дозу фторида алюминия, коэффициенты К1 и К2 оставляют равными прежним заданным значениям, при определенной разладке электролиза в соответствии с пятой ячейкой матрицы, при которой UCL_НП>D_НП>LCL_НП и UCL_ИП>D_ИП>LCL_ИП, не производят корректировку уставки АПГ и напряжения, дозы фторида алюминия, коэффициентов К1 и К2, при определенной разладке электролиза в соответствии с шестой ячейкой матрицы, при которой UCL_НП>D_НП>LCL_НП и D_ИП>UСL_ИП, производят корректировку электролиза путем увеличения уставки АПГ не более чем на 10%, увеличения уставки напряжения не более чем на 5%, уменьшения дозы фторида алюминия не менее чем на 10%, при этом коэффициенты К1 и К2 оставляют равными прежним заданным значениям, при определенной разладке электролиза в соответствии с седьмой ячейкой матрицы D_НП<LСL_НП и D_ИП<LCL_ИП, производят корректировку электролиза путем уменьшения уставки АПГ не более чем на 20%, уменьшения уставки напряжения не более чем на 5%, при этом дозу фторида алюминия, коэффициенты К1 и К2 оставляют равными прежним заданным значениям, при определенной разладке электролиза в соответствии с восьмой ячейкой матрицы, при которой D_НП<LCL_НП и UCL_ИП>D_ИП>LCL_ИП, производят корректировку электролиза путем уменьшения уставки АПГ не более чем на 10%, уменьшения уставки напряжения не более чем на 2,5%, увеличения дозы фторида алюминия не менее чем на 5%, при этом коэффициенты К1 и К2 оставляют равными прежним заданным значениям, при определенной разладке электролиза в соответствии с девятой ячейкой матрицы, при которой D_НП<LCL_НП и D_ИП>UCL_ИП, производят корректировку электролиза путем увеличения уставки АПГ не более чем на 40%, увеличения К1 не менее чем на 15% от прежнего заданного значения и уменьшения К2 не менее чем на 30% от прежнего заданного значения, увеличения уставки напряжения не более чем на 10%, уменьшения дозы фторида алюминия не менее чем на 10%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что диапазон UCL_НП>D_НП>LСL_НП выбирают равным ±2σ_Нп и диапазон UCL_ИП>D_ИП>LCL_ИП выбирают равным ±2σ_ип, где σ_НП - среднеквадратическое отклонение количества доз глинозема в режиме недостаточного питания и σ_ИП - среднеквадратическое отклонение количества доз глинозема в режиме избыточного питания, за период не менее 25 дней, соответственно.