陳志洋

(貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

隨著鋁電解槽容量的不斷增大和電解生產(chǎn)工藝的提高,單純根據(jù)dR/dt的變化來改變加料頻率的方法已經(jīng)不能滿足準確控制氧化鋁濃度的目的。首先,鋁電解槽在不同電解質(zhì)成分下的能量平衡體系不同,不同能量平衡體系下氧化鋁的溶解性也不同[1],因此不控制電解槽能量平衡而單純控制物料平衡,難以準確控制氧化鋁濃度且氧化鋁濃度容易進入反區(qū);其次,隨著鋁電解槽電流強度增大,其體積也隨之增大,電解質(zhì)內(nèi)氧化鋁濃度不均勻現(xiàn)象逐漸增加,若不分區(qū)域進行濃度控制,很難做到氧化鋁濃度控制的均勻性,引發(fā)局部陽極效應(yīng)或爐底沉淀;另外,更換新陽極后的一段時間內(nèi),由于其導(dǎo)電性較差,新陽極周邊的氧化鋁需求減少,若不采取有效方法處理,將會導(dǎo)致該區(qū)域氧化鋁濃度偏高,甚至出現(xiàn)堵料和產(chǎn)生爐底沉淀現(xiàn)象。為解決上述問題,本文將從以下幾個方面作詳細闡述。

1 鋁電解生產(chǎn)過程控制的特性

鋁電解槽計算機控制的氧化鋁濃度和槽電阻之間存在一種特定的非線性關(guān)系,雖然曲線的形狀與位置會隨極距、電流強度、電解質(zhì)成分、槽膛形狀與大小、電解質(zhì)高度和鋁液高度等多種因素的變化而有些變化,并還會受到出鋁、換陽極等人工操作以及其他人為因素的干擾,但該關(guān)系曲線-稱為氧化鋁濃度特征電阻曲線都有相同類似的特征[1～2],如圖1所示。

圖1 氧化鋁濃度特征電阻關(guān)系曲線

根據(jù)槽電阻對氧化鋁濃度的敏感程度及電流效率的高低,將氧化鋁濃度特征電阻曲線分為以下四個區(qū)域:

a.效應(yīng)區(qū):氧化鋁濃度很低,易引發(fā)陽極效應(yīng)

b.敏感區(qū):氧化鋁濃度低(1.5%～2.5%),電阻對氧化鋁濃度的變化敏感,易控制

c.不敏感區(qū):電阻對氧化鋁濃度的變化不敏感,不易于控制,電流效率較低

d.高濃度區(qū):電阻對氧化鋁濃度的變化敏感,易產(chǎn)生爐底沉淀并造成槽況惡化

經(jīng)過大量的實驗取樣,并對氧化鋁濃度特征電阻曲線進行分析,可以得出定論:將氧化鋁濃度精確控制在敏感區(qū)附近,不僅槽況穩(wěn)定,對初晶溫度影響小,而且易于取得高的電流效率[2～3]。

2 不同過熱度和電解質(zhì)成分下的氧化鋁濃度控制

首先,鋁電解槽在不同的過熱度條件下,氧化鋁溶解性不同,若不控制過熱度,單純采用相同的氧化鋁濃度控制邏輯,則在低過熱度時氧化鋁濃度容易走入反區(qū)(圖1中的d區(qū)),導(dǎo)致爐底沉淀,增加電耗,降低電流效率;高過熱度時則容易融化爐幫,影響程序判斷,損害電解槽。為此,我們通過在線采集電壓、電流、噪聲值與電壓偏離等數(shù)據(jù)與離線輸入的槽溫、溫度趨勢等數(shù)據(jù)來綜合識別電解槽的過熱度,并根據(jù)識別出來的過熱度將鋁電解槽分為熱行程槽、正常槽和冷行程槽。

熱行程槽、正常槽和冷行程槽的識別如下:

槽溫比設(shè)定目標溫度高3℃以上,且噪聲值低于設(shè)定目標噪聲值,判斷為熱行程槽。

槽溫比設(shè)定目標溫度低3℃以上、或電壓偏離大于50 mV且噪聲值高于設(shè)定目標噪聲值、或三日溫度趨勢下降且噪聲值大于目標噪聲值,判斷為冷行程槽。

其余情況判斷為正常槽。

熱行程槽、正常槽和冷行程槽的運行管理如下:

對于正常槽和熱行程槽:由于氧化鋁溶解性較好,按氧化鋁濃度在1.3%～2.0%之間設(shè)置過-欠電阻斜率和過-欠深度,保持較低氧化鋁濃度區(qū)間運行,低氧化鋁濃度有利于提高電流效率;針對熱行程槽,可以通過降低工作電壓或增加氟化鋁添加量來減小過熱度,使鋁電解槽從熱行程向正常槽的行程轉(zhuǎn)變。

對冷行程槽:由于氧化鋁溶解性變差,通過減小過-欠電阻斜率和減小過-欠深度來適應(yīng)氧化鋁溶解速度,將氧化鋁濃度控制在1.5%～2.5%之間,同時自動提高工作電壓和減小氟化鋁的添加量來提高過熱度,使電解槽盡快回到正常槽,有利于提高鋁電解槽的穩(wěn)定性和電流效率。

圖2為通過識別過熱度進行氧化鋁濃度控制的邏輯圖。

圖2 通過識別過熱度進行氧化鋁濃度控制的邏輯圖

其次,電解質(zhì)成分不同,電解質(zhì)的初晶溫度也不同,如中國北方大部分地區(qū)的電解質(zhì)是復(fù)雜的電解質(zhì)體系,含有鋰鹽、鈣鹽、鎂鹽等雜質(zhì),將會降低電解質(zhì)的初晶溫度,使得電解溫度也隨之降低,這些雜質(zhì)和較低的電解溫度都會降低氧化鋁的溶解速度[1],使氧化鋁的溶解性變差。因此,實際生產(chǎn)操作時,不能將氧化鋁濃度控制得過低。如氧化鋁濃度控制在1.2%時,在純凈電解質(zhì)體系下可能不會發(fā)生陽極效應(yīng),但在復(fù)雜電解質(zhì)體系下,由于氧化鋁溶解速度慢,進入鋁電解槽的氧化鋁沒能及時溶解,使得槽電壓進一步升高,從而引發(fā)陽極效應(yīng),降低電流效率。針對這種復(fù)雜電解質(zhì)體系的情況,通過減小過-欠電阻斜率和減小過-欠深度來適應(yīng)氧化鋁的溶解速度,這就需要及時調(diào)整控制程序,才能夠?qū)㈦娊赓|(zhì)中的氧化鋁濃度精準地控制在1.5%～2.5%之間。

圖3 根據(jù)某廠電解質(zhì)成分和增加過熱度識別程序前后的控制曲線對比圖

圖3是根據(jù)某廠電解質(zhì)體系,通過增加過熱度識別與控制,減小過-欠電阻斜率和過-欠深度后的控制效果曲線圖,從圖上可以看出,在更換程序之前,濃度控制過-欠比例失調(diào),電壓偏離大于30 mV以上,電耗較高,且在過加工階段氧化鋁濃度容易進入反區(qū)(圖1中的d區(qū));而更換控制程序后,氧化鋁濃度非常受控,過欠比例均衡,電壓偏離很小(在目標電壓±20 mV之內(nèi)),氧化鋁濃度在2%左右,電解槽穩(wěn)定有序,效果提升明顯。

3 區(qū)域氧化鋁濃度控制

隨著鋁電解槽容量的不斷增大,其體積也隨之增大,雖然設(shè)計時已經(jīng)考慮到電流均勻分布和下料點的均衡配置,但實際生產(chǎn)過程中,區(qū)域氧化鋁濃度不均勻的現(xiàn)象仍依然較為常見,尤其是鋁電解槽兩端(煙道端和出鋁端)氧化鋁濃度偏高的情況特別突出,其原因之一是大型鋁電解槽兩端的散熱面積相對較大,熱損失較多,導(dǎo)致氧化鋁溶解性降低,原因之二是由于大型鋁電解槽鋁液與電解質(zhì)界面處的流速分布不均衡[4],當未溶解的氧化鋁從槽中部被帶流到槽兩端轉(zhuǎn)彎角處時,部分氧化鋁滯留在該區(qū)域,導(dǎo)致該區(qū)域未溶解的氧化鋁量增加。

解決這一問題的主要方法是:對于新設(shè)計的大型預(yù)焙鋁電解槽,首先必須通過計算機模擬仿真設(shè)計來調(diào)整下料點的位置,以便在今后的生產(chǎn)控制系統(tǒng)中只需要做適當?shù)恼{(diào)整即可;而對于原有設(shè)計不太理想的生產(chǎn)槽而言,則只有通過改變電解槽兩端加料點的加料頻率來降低氧化鋁的投入量。首先隨機抽取幾臺鋁電解槽,對鋁電解槽中部和兩端的電解質(zhì)進行取樣,然后對所取的樣品進行化學分析,初步判斷出各區(qū)域氧化鋁濃度的偏差值,然后修改槽控機下料控制程序和接口機程序,將下料邏輯關(guān)鍵參數(shù)留出活口,可隨時接收從上位機下發(fā)的參數(shù),并根據(jù)氧化鋁濃度最大可能的偏差程度設(shè)置參數(shù)范圍,將鋁電解槽兩端與中間下料頻率系數(shù)確定在一定范圍內(nèi)可調(diào),即每多少次NB后兩端加料減少一次。當一切準備就緒后,先在兩臺鋁電解槽上進行試驗,即根據(jù)之前分析的濃度偏差,在上位機上設(shè)置一個參數(shù),然后觀察鋁電解槽的運行情況,生產(chǎn)運行24小時后取樣分析,如此反復(fù)測試,直到鋁電解槽內(nèi)各區(qū)域氧化鋁濃度基本均勻,然后再推廣應(yīng)用。當然,這是針對槽兩端氧化鋁濃度偏高的情況,若是槽中部濃度偏高,亦可以采用同樣的方法調(diào)整中部下料器的下料頻率,最終實現(xiàn)槽內(nèi)氧化鋁濃度均勻。

另外,在生產(chǎn)過程中,由于種種原因?qū)е玛枠O電流分布不均,導(dǎo)致氧化鋁濃度不均勻的現(xiàn)象也時有發(fā)生,這需要在鋁電解槽上安裝陽極電流分布檢測裝置,并根據(jù)跟蹤采集到各陽極電流數(shù)據(jù)的變化情況來進行分析。當發(fā)現(xiàn)某陽極電流出現(xiàn)逐漸增大或減小時,盡快對其最近的氧化鋁下料點氧化鋁投入量進行調(diào)整,防止局部氧化鋁濃度偏高或偏低,以減少局部陽極效應(yīng)概率的發(fā)生,這樣同樣有利于提高鋁電解槽的電流效率。

新研發(fā)并推廣應(yīng)用的鋁電解生產(chǎn)智能打殼的控制系統(tǒng)及裝置不僅能夠智能判斷火眼通暢程度并延長打殼間隔,減少打殼頭的電解質(zhì)粘結(jié),同時還能夠智能識別某個點卡堵,智能判斷某個點氣壓不穩(wěn)定,漏氣,氣壓低等[5],也為大型鋁電解槽的氧化鋁濃度和效應(yīng)的智能化和精確化控制創(chuàng)造了前提條件。

圖4 某廠鋁電解槽調(diào)整兩端下料速率前的控制曲線圖

圖5 某廠鋁電解槽調(diào)整兩端下料速率后的控制曲線圖

圖4、圖5分別是某廠預(yù)焙鋁電解槽減小兩端下料速率(槽中部每下兩次料槽兩端下一次料)前、后的控制曲線圖,從圖上可以看出,調(diào)整控制程序之前,由于兩端下料量偏大,導(dǎo)致槽內(nèi)氧化鋁濃度不均勻,氧化鋁濃度不受控,電解槽噪聲值大于30 mV,電壓偏離40 mV以上,且容易發(fā)生局部陽極效應(yīng),增加電耗;調(diào)整控制程序之后,各區(qū)域的氧化鋁濃度基本均勻,濃度控制非常有序,走出了正弦曲線,噪聲值小于20 mV,電壓偏離在20 mV之內(nèi),幾乎不發(fā)生陽極效應(yīng)。經(jīng)化學取樣分析驗證,調(diào)整程序之前,煙道端-槽中部-出鋁端氧化鋁濃度為:3.6%-2.0%-3.8%;調(diào)整程序之后為:1.8%-2.0%-1.9%,效果顯而易見。

4 更換陽極后的氧化鋁濃度控制

大型預(yù)焙鋁電解槽更換新極后,由于新極不導(dǎo)電或?qū)щ娦阅茌^差,換新極后的一段時間內(nèi),新極附近的氧化鋁消耗量較少,需要對新極附近的下料點進行控料。具體方法如下:

槽控系統(tǒng)的接口機每天零點根據(jù)換極周期表自動更新?lián)Q極號,并自動將其發(fā)送給槽控機,當槽控機檢測到換極鍵按下后進入換極控制,立即檢測鋁電解槽的電壓變化,同時進行換極計時,若檢測出鋁電解槽的電壓變化滿足真實換極條件或換極持續(xù)時間超過設(shè)定時間(例如按20分鐘),則認為是真實換極。那么,在換極操作結(jié)束后,槽控機將根據(jù)接口機下發(fā)的換極號自動對新極附近的下料點進行控料(若因特殊情況,當天實際換極號與換極周期表推導(dǎo)的換極號不相符,可從上位機或工作站臨時調(diào)整參數(shù),也可從槽控機操作面板處修改當天換新極后的實際控料點),并按照設(shè)定好的控料時間(可根據(jù)實際情況修改該時間參數(shù))進行控料,結(jié)束后自動恢復(fù)原下料時間間隔。若在換極鍵按下后,槽控機未檢測到電壓變化或者換極信號持續(xù)時間小于設(shè)定時間(例如20分鐘,可修改參數(shù)),則認為不是真實換極,則判斷為誤操作處理,不進行控料,避免缺料而發(fā)生陽極效應(yīng)。

除根據(jù)換極周期表完成換極和進行自動控料之外,假如人工巡視發(fā)現(xiàn)某下料點堆料等異常情況,傳統(tǒng)做法是手動關(guān)閉電磁閥或上槽關(guān)閉球閥,不僅增加工作量還時常忘記打開,導(dǎo)致突發(fā)效應(yīng)。推廣應(yīng)用本程序后,生產(chǎn)人員可隨時通過接口機或工作站操作界面設(shè)置某點控料時間,使得接口機立刻將控料指令和控料時間發(fā)給槽控機,當槽控機接收到控料信號后,立刻對該下料點進行自動控料并且開始計時,當計時超過設(shè)定的控料時間后又自動恢復(fù)下料。

圖6為換新極后的自動控料和人工設(shè)置控料的邏輯圖,圖7為沒有進行換新極后控料的曲線圖,圖8為換極后對新陽極最近下料點控料7次后的曲線圖。從圖7和圖8對比可以看出,未進行換極控料時,換極后氧化鋁濃度非常高,經(jīng)常走反(圖1中的d區(qū)),且噪聲值大,導(dǎo)致電壓長時間偏離目標50 mV以上,不利于電解槽穩(wěn)定生產(chǎn);而進行換極控料以后,新陽極周邊氧化偏高的情況大幅降低,僅需一兩個過欠周期即可把氧化鋁濃度調(diào)整到正常范圍,且電解槽噪聲值大幅度減小(20 mV以內(nèi)),穩(wěn)定性大幅提升。從圖8曲線看,還可以將控料次數(shù)加大一些,還有一定提升空間。

圖6 換新極后的自動控料和人工設(shè)置控料的邏輯圖

圖7 未進行換極控料曲線圖

圖8 換極后的控料曲線圖

5 應(yīng)用效果

該控制技術(shù)已在400～600 kA電解槽上推廣使用,表1、表2是某鋁廠使用該控制技術(shù)前、后的生產(chǎn)報表,從表上可以看出,使用該技術(shù)前區(qū)平均電壓偏離48 mV,真實效應(yīng)系數(shù)0.35,閃爍效應(yīng)系數(shù)數(shù)2.43,噪聲值21.6 mV;使用該技術(shù)后區(qū)平均電壓偏離僅僅3 mV,真實效應(yīng)系數(shù)0,閃爍效應(yīng)系數(shù)數(shù)0.29,噪聲值12.6 mV,與使用該技術(shù)之前相比,無論電壓偏離、效應(yīng)系數(shù)還是噪聲值都大幅下降,由此可見,新控制技術(shù)在氧化鋁濃度控制效果上提升非常大,使生產(chǎn)指標得到了明顯提升。

表1 某廠使用該控制技術(shù)前的生產(chǎn)日報表(二車間三區(qū)(2021-10-07))

表2 某廠使用該控制技術(shù)后的生產(chǎn)日報表(二車間三區(qū)(2023-03-23))

6 結(jié) 論

綜上所述,在大型預(yù)焙鋁電解槽如何進一步提高氧化鋁濃度的均勻性和準確性的幾個關(guān)鍵方面,作者在本文中闡述的這些新的控制邏輯和方法,具有如下幾個特點:

(1)采用能量平衡與物料平衡控制的有機結(jié)合,在充分考慮氧化鋁原料溶解特性的同時,盡可能提高氧化鋁濃度控制的準確性,這對于提高大型預(yù)焙鋁電解槽生產(chǎn)運行的穩(wěn)定性和電流效率有著極為重要的作用;

(2)大型預(yù)焙鋁電解槽的氧化鋁濃度區(qū)域控制,不僅可以提高大型預(yù)焙鋁電解槽中氧化鋁濃度的均勻性,而且還能夠減少局部陽極效應(yīng)和爐底沉淀的產(chǎn)生;

(3)針對換新極后的一段時間內(nèi),新極附近的氧化鋁消耗量較少的情況,對更換新陽極附近的下料點自動控制下料一段時間,以避免局部氧化鋁濃度過高或堵料的現(xiàn)象發(fā)生。