SU1724713A1 - Способ автоматического регулировани алюминиевого электролизера - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к цветной металлургии . Способ заключаетс  в чередовании режимов избыточного и недостаточного питани  электролизеров глиноземом и прекращении питани  (переходе в режим тестировани ), если в режиме недостаточного питани  отфильтрованное значение приведенного напр жени  за заданное врем  не достигает заданного значени . Режим тестировани  смен етс  режимом избыточного питани , когда приведенное напр жение, либо скорость его изменени  во времени, либо оценка концентрации глинозема в электролите достигают наперед заданной величины или же истекает предельно допустимое врем  тестировани . В результате стабилизируют концентрацию глинозема в электролите в оптимальном диапазоне, исключают выпадение глиноземистых осадков, уменьшают частоту и длительность анодных эффектов, увеличивают выход по току на 0,2-0,4%, уменьшают удельный расход электроэнергии и трудозатраты. 4 з.п.ф-лы, 5 ил. Ё

Description

Изобретение относитс  к производству алюмини  электролитическим методом и может быть использовано при автоматизации алюминиевых электролизеров, преимущественно загружаемых глиноземом с помощью точечных питателей.

Известно, что непременным условием по влени  технико-экономических показателей процесса электролиза алюмини   вл етс  поддержание концентрации глинозема в электролите Сг в технологически оптимальном диапазоне 2-5%. При более низких концентраци х повышаетс  частота анодных эффектов, при более высоких выпадают глиноземные осадки. В обоих случа х снижаетс  производительность

электролизеров, возрастают затраты электроэнергии и труда.

Регулирование Сг осуществл ют воздействием на подачу глинозема в электролизер (питание глиноземом).

Известен способ автоматического питани  алюминиевых электролизеров глиноземом с помощью устройства, включающего дозатор, пробивной механизм и пробойник, предусматривающий подачу в электролизер одинаковых порций глинозема с частотой, соответствующей номинальному потреблению глинозема в процессе электролиза.

Основным недостатком этого способа  вл етс  то, что он не предусматривает автоматической оценки Сг и коррекции частоVI

кэ

4 v|

GO

ты включени  питающих механизмов в зависимости от этой оценки. В результате при использовании этого способа, вследствие неизбежных в промышленных услови х колебаний потреблени  глинозема баланс между поступлением и потреблением глинозема постепенно нарушаетс , что приводит к выходу значений Сг за пределы технологически оптимального диапазона 2- 5% и, соответственно, к перерасходу элект- роэнергии и ручного труда.

Известен способ регулировани  алюминиевого электролизера, основанный на оценке Сг и ее стабилизации в диапазоне 2-8%. Сначала в течение заданного време- ни ti производитс  питание с высокой частотой , при которой поступление глинозема превосходит его теоретическое потребление , затем в течение заданного времени ta частота питани  соответствует теоретиче- скому потреблению глинозема, после чего питание прекращают до того момента, когда наступают признаки приближени  анодного эффекта.

Недостатками этого способа  вл ютс  широкий диапазон колебаний Сг, а также то, что при фиксированных значени х ti и t2 практически не удаетс  обеспечить одинаковые значени  Сг к концу этих интервалов времени, что снижает точность стабилиза- ции концентрационного режима и приводит к колебани м Сг в диапазоне, выход щем за пределы технологически оптимального интервала 2-5%.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  способ управлени  питанием и соде.ржанием глинозема в алюминиевом электролизере, предусматри- вающий поддержание Сг в диапазоне 1- 3,5% путем чередовани  периодов питани  с высокой частотой, при которой поступление глинозема превосходит его теоретическое потребление (периодов перепитки), с периодами питани  с низкой частотой, при которой поступление глинозема меньше, чем его потребление (периодами недопит- ки). При этом периоды перепитки имеют посто нную продолжительность, а периоды недопитки заканчиваютс  в момент, когда сопротивление электролизера R или его производна  по времени dR/dt достигают наперед заданных величин.

Использование этого способа в услови-  х жесткой стабилизации тока серии, состава и величины дозы загружаемого глинозема обеспечивает поддержание оптимального диапазона Сг и высокие технико-экономические показатели электролиза.

Однако в реальных промышленных услови х имеют место колебани  перечисленных параметров в достаточно широких пределах. Так, по данным, проведенным на электролизерах с обожженными анодами, при нормальном токе серии 170 кА его дисперси  составл ет 18-62 (кА)л2. Наблюдаютс  также случаи отказов точечных питателей, перебоев в загрузке бункеров глинозема, колеблетс  состав глинозема. В этих услови х при использовании известного способа количество глинозема, поступающего в электролизер за периоды перепитки, непосто нно, а в периоды недопитки возможны случаи, когда заданные значени  R и dR/dt не достигаютс  за длительное врем  (несколько часов и более). При этом значени  Сг могут колебатьс  в пределах, выход щих за границы технологически оптимального диапазона 2-5%.

Цель изобретени  - повышение производительности электролизеров.

На фиг.1 показаны кривые зависимости приведенного напр жени  электролизера от концентрации глинозема в электролите при различных значени х межполюсного рассто ни ; на фиг.2 - блок-схема алгоритма предлагаемого способа регулировани ; на фиг.З - блок-схема определени  настроечных параметров; на фиг.4 и 5 - кривые изменени  по. времени частоты питани , приведенного напр жени  и оценки концентрации глинозема в электролите при уп- равлении электролизером по предложенному способу (фиг.4 соответствует случаю, когда не возникают ситуации, при которых устанавливаетс  режим тестировани , а фиг.5 - случаю, когда такие ситуации возникают).

Сущность предлагаемого способа заключаетс  в следующем.

По измеренным значени м напр жени  электролизера U и тока серии I определ етс  приведенное напр жение электролизера

+ Ео.(1)

где lo, Ео - номинальные значени  соответственно тока серии и обратной ЭДС.

Значени  Unp подвергаютс  сглаживанию и фильтрации. Определ етс  также скорость изменени  отфильтрованных значений Unp во времени dU/dt и оцениваетс  величина концентрации глинозема в электролите Сг по регрессионному уравнению . Частота включени  питающих механизмов мен етс  таким образом, что периоды недопитки чередуютс  с периодами перепитки. Первоначально устанавливают частоту fmin, соответствующую режиму недопитки. Вследствие недопитки и соответствующего уменьшени  Сг величина Unp возрастает и, когда ее отфильтрованное значение достигает заданного значени  и3д1, устанавливаетс  частота питани  fmax, соответствующа  режиму перепитки. Период перепитки продолжаетс  заданное врем  Тпер. после чего вновь устанавливает- с  fmin и начинаетс  следующий период недопитки . В этот момент отфильтрованное значение сравниваетс  с заданным значением 1)3д2, определ етс  их разность

A U ифпр - иЗД2(2)

и. если модуль A U превышает заданную зону нечувствительности А 1)зд, то переме- щают анодный массив в течение времени A t, пропорционального A U, таким образом , чтобы / AU/ уменьшилс  до величины, не превосход щей А 113д. Все остальное врем  до окончани  следующего периода перепитки, анодный массив не перемещают .

: Если при питании с частотой fmin величина иФпр не достигает значени  Кзд1 за заданное врем  ТтахНед, питание прекраща- ют (устанавливают режим тестировани , при котором частота питани  fnm 0). Этот режим продолжаетс  до тех пор, пока не достигнет 113д1 либо скорость dU/dt не достигнет величины Узд, либо оценка Сг не уменьшитс  до Сгзд, либо от момента начала тестировани  не пройдет промежуток времени Ттахтест. При наступлении любого из этих событий устанавливаетс  режим перепитки с частотой питани  fmax, и описанные выше операции повтор ютс .

Предлагаемый способ основан на следующем .

Известно, что зависимость Unp от Сг имеет вид, показанный нафиг.1. Минималь- ное значение Unp достигаетс  при Сг 3- 4%. Различные кривые семейства зависимостей Unp(Cr), представленных на фиг.1, отличаютс  между собой главным образом значени ми межполюсного рассто - ни  (МПР).

В периоды недопитки поступление глинозема в электролизер меньше его потреблени , Сг падает и режим процесса сдвигаетс  в сторону более высоких значе- ний Unp и dUnp/dCr, достига  и3д1 при Сг 2% (при значени х МПР, близких к нормальным). В периоды перепитки, наоборот , поступление глинозема превышает его

потребление, Сг растет и режим процесса сдвигаетс  в сторону низких значений Unp и dUnp/dCr. Поскольку в этой области значени  Unp проход т через минимум и производна  dUnp/dCr мен ет знак, трудно подобрать значение Unp, при достижении которого следовало бы заканчивать период перепитки: даже небольшой погрешности д U при определении этой величины соответствует существенна  погрешность б Сг (фиг.1). Поэтому длительность периода перепитки принимаетс  посто нной, а ее значение Тпер выбираетс  так, чтобы при значени х МПР, близких к нормальному, за это врем  Unp уменьшилось бы от и3д1 до и3д2, а Сг увеличилась бы от Crmm «2% до Crmax « 3,5-4,5%. Если по истечении TnepU np существенно отличаетс  от и3д2, это свидетельствует об изменении МПР (переходе на другую кривую семейства Unp(Cr), приведенного на фиг.1), например, вследствие изменени  уровн  металла или сгорани  анода. Дл  возврата к номинальному МПР необходимо переместить анодный массив на величину, пропорциональную A U.

Если в режиме недопитки не достигает величины и3д1 за врем  Т нед, это означает, что после предыдущего периода перепитки Сг превысила 5-6% и режим процесса сдвинулс  на правую ветвь характеристик фиг.1. Это может произойти вследствие неравномерной работы питателей глинозема , колебаний тока серии, состава и величины порций глинозема, неорганизованной подачи глинозема в электролизер при смене анодов, а также в результате осуществлени  других неавтоматизированных операций.

Дальнейша  длительна  работа в режиме недопитки без коррекции МПР, может в этом случае привести к серьезным нарушени м режима процесса, например, к анодным эффектам, поэтому дл  ускоренного возвращени  к оптимальному концентрационному режиму целесообразно полностью прекратить питание глиноземом до тех пор, пока Сг не упадет до Crmin, о чем будет свидетельствовать рост до значени  иЗД1. Дл  повышени  надежности работы системы управлени  и предотвращени  снижени  Сг ниже 2% питание следует возобновить также в тех случа х, когда скорость изменени  dU/dt возрастет до заданного значени  У3д или оценка концентрации Сг упадет ниже значени  СгЗА.

Оценивание Сг производитс  по формуле

Сг(п) а0 + aiE(n) + a2R(n),

(3)

АЛЛ

где Сг, Е, R-оценки соответственно концентраций глинозема в электролите, обратной ЭДС и внутреннего сопротивлени  электролизера ,

а0, ai, 32 - коэффициенты, определ емые экспериментально дл  каждого типа электролизеров,

п - номердшага оценивани .

При этом Е(п) и А(п) определ ютс  известным методом RIDGE-регрессии.

По экспериментальным данным коэффициент множественной коррел ции между фактическими значени ми Сг и оценками Е и R составл ет не менее 0,9, а среднеквад- ратическое отклонение расчетных значений Сг от фактических - 0,2%.

Если тестирование процесса путем прекращени  питани  за врем  Етахтест не приведет к достижению 11зд1, /3д или Сгзд, питание возобновл етс . Во всех случа х после режима тестировани  устанавливаетс  режим перепитки.

Таким образом, чередование периодов перепитки, недопитки и при необходимости тестировани  обеспечивает повышение точности стабилизации концентрационного режима и в услови х колебаний тока серии, величины и состава порций глинозема, воздействи  других возмущающих факторов.

Предлагаемый способ заключаетс  в следующем (фиг2).

Контролируют напр жение электролизера U и ток серии I. Контроль осуществл ют известными способами, предусматривающими сглаживание измеренных значений, например, путем усреднени  за интервал времени Тус.

В конце каждого интервала Тус по сглаженным значени м напр жени  и тока вычисл ют приведенное напр жение Unp по формуле (1). Вычисленное значение подвергают фильтрации, например, с помощью процедуры Холта-Винтерса

ифпр(п) giUnp + (1-91)ифпР(п-1) + Л U(n- -1);(4)

A U(n) - (п) - ифПр(п-1) + (1 - д2)х х U(n-1).(5)

где п - пор дковый номер интервала усреднени  Тус;

91. 92 - сглаживающие константы, которые выбирают в диапазоне 0-1 по известным правилам;

U(n) - приращение Unp за n-й интервал усреднени  Тус.

Принимают dU/dt Л U(n).

Определ ют оценку бг(п) по формуле (3).

Устанавливают частоту питани  fmin (режим недопитки) и контролируют врем  работы в этом режиме Тнед. Если за врем  Тнед Ттахнед величина достигает на- перед заданного значени  11зд1, устанавливают частоту питани  fmax (режим перепитки). Если за врем  Тнед Ттахнед значение ОфПр остаетс  меньше 1)зд1, прекращают питание (переход т в режим тести- ровани ).

Если установлен режим тестировани , контролируют врем  работы в этом режиме. Когда величина 11фпр достигает 11зд1 или величина dU/dt A U(n) достигает наперед заданного значени  Узд, или оценка Сг уменьшаетс  до наперед заданного значени  Сгзд, или врем  работы в режиме тестировани  достигает наперед заданного значени  Ттахтест, устанавливают частоту питани  fmax (режим перепитки).

Когда установлен режим перепитки,

контролируют врем  работы в этом режиме

и, когда оно становитс  равным наперед

заданной величине Тпер, устанавливают частоту питани  fmin (режим недопитки).

Сравнивают отфильтрованное значение приведенного напр жени  ифпр после окончани  периода перепитки с наперед заданным значением 1)3д2 и, если модуль разности между ними / A U/ превышает наперед заданную зону нечувствительности АОзд, перемещают известным способом анодный массив в течение времени, пропорционального Аи, таким образом, чтобы /Д U/уменьшилс  до величины, не превосход  щейА 1)зд.

Повтор ют описанные операции.

Значени  настроечных параметров системы определ ют дл  каждого электролизе- ра по следующей методике (фиг.З).

Устанавливают исходные значени  настроечных параметров:

Тус 3 мин; Тпер 100 мин; Ттахнед 60 мин;

ТТесттах 100 мин; fmin 0,1 1/мин; fmax 1 1/мин;

91 0,5 ; Q2 0,4; 113д 2 мВ/мин; Сгзд 1,5%.

Эти значени  получают при экспери- ментальной проверке предлагаемого метода на п ти промышленных электролизерах. Дл  каждого из этих электролизеров определ ют оптимальные значени  настоечных параметров. Среднее по п ти электролизе- рам значение -каждого из этих параметров устанавливают в качестве исходного.

Осуществл ют управление электролизером по предлагаемому способу в течение суток, фиксиру  электрические параметры

процесса, моменты переключени  режима питани , анодные эффекты, а также наличие глиноземистых осадков в ванне электролизера .

Если последовательные значени  отфильтрованного напр жени  отличаютс  друг от друга в среднем более, чем на A Umaxnp, увеличивают степень фильтрации, дл  чего увеличивают значение Туе на 1 мин и уменьшают на 0,1 константы gi и д.

Если же последовательные значени  Unp мало отличаютс  друг от друга (меньше, чем на A , увеличивают gi и д2 (на 0,1 каждую константу/и уменьшают Туе на 1 мин.

Если больша  часть интервалов недо- питки оканчиваетс  переходом в режим тестировани  и при этом число анодных эффектов за сутки - не более 1, увеличивают Мшахнёд на 5-10 мин и уменьшают fmin на 0,01 1/мин.

Если больша  часть интервалов тестировани  окончилась, Сгзд, когда ТТест достигло Ттахтест, и не зафиксировано более одного анодного эффекта за сутки, увеличивают Мтахтест на 10-15 мин, и3д уменьшают на 0,1 мВ/мин.

Если существенна  часть (не менее dmax) интервалов недопитки оканчиваетс  за врем , меньшее чем Ттахнед, уменьшают на 5 мин.

Если за сутки зафиксирован более чем один АЭ, увеличивают Сгзд на 0,2%, уменьшают Ттахтест на 10 мин и увеличивают Тпер на 10 мин.

Если зафиксировано выпадение глиноземистых осадков, уменьшают Тпер на 10 мин и fmax на 0,05 1/мин.

Осуществл ют управление при новых значени х настроечных параметров в течение еще суток и повтор ют описанные операции . При этом, если за весь прошедший период не выпадают глиноземистые осадки, а в конце значительной части интервалов перепитки (не менее ) оказывалось необходимым опускать анодный массив, увеличивают Тпер на 10 мин и fmax на 0,05 1/мин.

Повтор ют операции до тех пор, пока не будут удовлетворены следующие услови : степень фильтрации обеспечивает отличие последовательных значений на ДОЛр:

больше половины интервалов недопитки заканчиваетс  при Тнед ТтахНед

больше половины интервалов тестировани  заканчиваетс  при Ттест Ттахтест:

частота анодных эффектов составл ет 0,5-1 АЭ/сут;

глиноземистые осадки не выпадают. Значени  настроечных параметров, при которых достигаютс  эти результаты, принимаютс  дл  дальнейшей работы.

Уставка и3д1 и зона нечувствительности AD задаютс  технологическим персоналом, и3д2 принимаетс  равным иэд1 минус 80- 120 мВ.

Пороговые значени  AUnpmax, A Unp,

A UnpH, «max , «min , выбирают соответственно равными: Д Unpmax (15-20)%; A Unpmin

-(5-8)%; Аипрн (8-15)%; «max 70%;

.

Экспериментальные исследовани  алгоритма показывают, что при этих значени х и при приведенной выше дискретности изменени  настроечных параметров дости- гаетс  быстрейшее определение оптимальных настроек. При отличных (как в большую, так и в меньшую сторону) от указанных выше Значени х ПОРОГОВЫХ веЛИЧИН , втах.

а также при значени х AUnpmm, AUHnp.

ДиПртах, лежащих вне указанных диапазонов (с обеих сторон), процедура определени  оптимальных настроек существенно удлин етс . То же происходит при дискретности изменени  настроечных параметров,

отличной от указанной выше.

Пример. Электролизеры с обожженными анодами на силу тока I 255 кА запи- тывают глиноземом с помощью точечных питателей. Электролизна  сери  оснащена

АСУ ТП на базе УВК СМ-2М. Каждые 2 с АСУ ТП осуществл ет автоматическое измерение U и I. Каждые 7 таких измерений усред- н ютс , и по усредненным значени м вычисл етс  Unp по формуле (1). Unp усредн етс  за Тус. Усредненные значени  фильтруютс  по формулам (4,5).

В процессе наладки определ ют значени  настроечных параметров в соответствии с изложенной выше методикой. Дл 

п ти электролизеров, на которых фиксируют технологические показатели электролиза , получают значени  настроечных параметров, приведенные в табл.1.

При других значени х настроечных параметров повышалась частота АЭ либо выпадали глиноземистые осадки. Значени  изд1, и3д2 и А и3д были заданы технологическим персоналом и составл ли: Узд1 4250

мВ; и3д2 4150мВ;Ди3д ЗОмВ.

Дл  определени  параметров уравнени  оценки Сг отбирают 50 проб электролита и провод т их анализ на содержание глинозема. По результатам анализов методом наименьших квадратов определ ют следующие значени :

ао 39; ai -10; за -2.

Поведение электролизера при управлении по предложенному алгоритму показано на фиг.4,5.

На фиг.4 показано изменению во времени частоты питани , и Сг при номинальном режиме, когда период недопитки ззкзнчиваетс  при Usjji. После пер- вого периода перепитки оказалось равным 4110 мВ. т.е.

Ди ифпр-и3д2 4110-4150 -40мВ и изд;15

поэтому анодный массив перемещаетс  вверх. Врем  перемещени  At 2 с. Коэффициент пропорциональности между A U и At К -0,05 с/мВ определен при наладке АСУ ТП. После второго периода перепитки 1)Пр 20 оказалось равным 4170 мВ, т.е.

AU 4170-4150 20 мВ; ,

и перемещени  анодного массива не произошло .

На фиг.5 показаны графики изменени  тех же параметров в случае, когда при ТНед Ттахнед величина остаетс  меньше

1)зд1 и режим недопитки смен етс  режимом тестировани . Первый период тестир - вани  длитс  45 мин, после чего Сг становитс  1,4%, что меньше Сгзд Второй период тестировани  заканчиваетс  через Ттахтест 90 мин, так как за это врем  ни ифпр, ни dU/dt, ни Сг не достигли заданных значений.

Следующие два периода тестировани  (не показаны) закончились соответственно через 54 и 66 мин. Первый из них закончил- с , когда величина достигла 4255 мВ, т.е. превысила 1)3д1, а второй - когда приращение A U оказалось равным 40 мВ, т.е. V превысилоУэд.

Двухнедельные промышленные испы- тани  предложенного способа на п ти электролизерах показали, что его использование стабилизирует режим электролиза и улучшает его технологические показатели .

Сравнительные показатели работы п ти электролизеров до испытани  предложенного способа и в момент испытани  сведены в табл.2.

Существенное снижение частоты анод- ных эффектов и количества перемещений анодного массива, а также некоторое уменьшение напр жени  на электролизерах во врем  испытаний свидетельству ют о б эффективности предложенного способа.

0

5

0

5

0

5

0

5 0

5

При этом в период испытаний уровень металла и электролита, а также глиноземистых осадков соответствовал технологическому регламенту.

Таким образом, повышение производительности электролизеров за счет более точной стабилизации концентрационного режима достигаетс  благодар  совокупности отличительных признаков изобретени .

Полное прекращение питани  в случае, когда при Тнед ТтахНед значение остаетс  меньше 1)ЗД1, предотвращает пересыщение ванны электролизера глиноземом , а вычисление оценки концентрации глинозема в электролите сравнение вычисленныхзначений ифпр, Сг, dU/dtuTreci с заданными значени ми позвол ет своевременно возобновить питание и предотвратить чрезмерное снижение Сг и возникновение анодных эффектов.

Применение предложенного способа регулировани  алюминиевых электролизеров обеспечивает более точную стабилизацию концентрации глинозема в электролите в технологически оптимальном диапазоне, предотвращаетс  выпадение глиноземистых осадков и возникновение анодных эффектов и, как следствие, повышаетс  выход по току на 0,2-0,4% .уменьшаетс  удельный расход электроэнергии и трудозатраты при электролизе алюмини .

Claims (5)

1.Способ автоматического регулировани  алюминиевого электролизера, включающий измерение напр жени  на электролизере, тока серии, расчет текущих значений приведенного напр жени  электролизера , скорости его изменени  во време- ни и концентрации глинозема в электролите, сравнение текущих значений этих параметров с заданными значени ми, поддержание приведенного напр жени  электролизера в заданных пределах перемещением анода и регулированием количества загружаемого в электролизер глинозема путем чередовани  режимов избыточного и недостаточного питани , отличающийс  тем, то, с целью повышени  производительности, при работе в режиме недостаточного питани  прекращают питание электролизера глиноземом, если приведенное напр жение не достигает заданного значени  в течение заданного интервала времени, и после выдержки подают в электролизер избыточное количество глинозема в течение заданного интервала времени.

2.Способ по п.1,отличающийс  тем, что после прекращени  питани  избыточное питание подают в электролизер, когда вычисленное значение концентрации глинозема становитс  меньше заданного.

3.Способ по п. 1, отличающийс  тем, что после прекращени  питани  избыточное питание подают в электролизер, когда текущее значение приведенного напр жени  становитс  больше заданного.

4.Способ по п.1, о т л и ч а.ю щ и и с   тем, что после прекращени  питани  избыточное питание подают в электролизер, когда скорость изменени  приведенного

0

напр жени  во времени становитс  больше заданной..

5. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и и с   тем, что фиксируют момент прекращени  питани , подсчитывают интервал времени, прошедший с этого момента, сравнивают его с заданной величиной и подают избыточное питание, когда фактическое значение интервала времени, прошедшего с момента прекращени  питани , становитс  больше заданного.

Частые Оптимальный  э | диапазон

15

Таблица 1

Та бл и ца 2

Глиноземистые осадки

Сг %

&

(Ноооло

ybrnQnoStQ исход- уых значений Гус. , Т$, Тт™, fmLn, /так, fy.fr,

Уц, Ф

ftogotewe mecmooffitieflOM- Pjtcowff v бьтис ение L S

Д HWMtaoo i/ лрицин п&рёклюц.

/ктуму, оиоднык фр ехтоЗ/.Ml, нслщив гм- нз&мис.пь/и осодкоо

Фиг.5 (продолжение)

v

15 5Q

i cvНПН rtlj

Ц

Cj -«

о о

3 J

4i

I

tj

I I

Ј

I

C:

(ч

Kl %n ьи

%Y