新型精密電解鋁控制系統(tǒng)的研究

田朋云，吳 評,胡 利，張 潔，鄭養(yǎng)龍

1.南昌大學 機電工程學院，江西 南昌 330031; 2.南昌大學 理學院，江西 南昌 330031; 3.南昌大學 經(jīng)濟管理學院，江西 南昌 330031

新型精密電解鋁控制系統(tǒng)的研究

田朋云1，吳 評2,胡 利3，張 潔3，鄭養(yǎng)龍1

1.南昌大學 機電工程學院，江西 南昌 330031; 2.南昌大學 理學院，江西 南昌 330031; 3.南昌大學 經(jīng)濟管理學院，江西 南昌 330031

為解決工業(yè)電解鋁生產(chǎn)存在的缺陷，提出了一種新型的電解鋁制備方法——精密控制的電解鋁生產(chǎn)。闡述了精密控制電解鋁的多陽極管理理念，設計出多陽極電解鋁控制系統(tǒng)。采用精密控制電解鋁生產(chǎn)，可以使多陽極電流、能量均衡分布，表現(xiàn)出節(jié)能減排的特點。電解鋁生產(chǎn)愈來愈有大型化的趨勢，而精密控制電解鋁生產(chǎn)是大型、超大型電解鋁企業(yè)的最佳選擇。

電解鋁；精密控制；電解槽；使用壽命

目前，工業(yè)電解鋁的冶煉主要采用冰晶石—氧化鋁融鹽電解法[1]。電解時以熔融冰晶石為溶劑，氧化鋁為溶質(zhì)，碳素體為陽極，鋁液為陰極，在電解槽的兩極上通入強大的直流電后，在950 ℃～970 ℃下，進行電化學反應。電解槽的陽極產(chǎn)物主要是二氧化碳和一氧化碳氣體，并含有一定量的氟化氫等有害氣體和固體粉塵；陰極產(chǎn)物是鋁液。鋁液通過真空從槽內(nèi)抽出，送往鑄造車間，在保溫爐內(nèi)經(jīng)凈化澄清后，澆鑄成鋁錠或直接加工成線坯、型材等。在工業(yè)鋁電解生產(chǎn)中，電解槽中鋁液和電解質(zhì)的流動、波動使電解槽中的能量分布極不穩(wěn)定。在不加控制的情況下，電流的偏流檢測高達6～10倍，根據(jù)Q=0.24I2RT,電流偏流產(chǎn)生的熱量將達到正常生產(chǎn)時的50倍甚至更高。電流偏流產(chǎn)生的熱量分布極不均衡，電解槽的壽命受到嚴重影響[2-5]。

本文主要研究如何降低電解鋁生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的能量不均衡，提出一種新型精密控制的電解鋁生產(chǎn)加工工藝，使電解槽內(nèi)電流及能量分布均衡，從而延長電解槽的使用壽命。

1 新生產(chǎn)工藝的設計

1.1 電解鋁生產(chǎn)的單陽極管理理念及弊端

從電解鋁的生產(chǎn)歷史看，電解鋁自進入工業(yè)化生產(chǎn)，一直是單陽極管理的理念。生產(chǎn)中不管陽極是多塊還是單塊，都以單個陽極看待。在單陽極理念下管理電解生產(chǎn)，電解槽內(nèi)瞬時電流及能量分布極不均衡，產(chǎn)生許多不利于電解生產(chǎn)的后果。

(1)電解生產(chǎn)能量分布高過理論值的，其能量利用率相對就低；能量分布低于理論值的，電解無法正常進行，能量利用率也低。不管電解生產(chǎn)的能量分布高或低，都會降低電解生產(chǎn)的效率[1]。

(2)電解生產(chǎn)能量分布不均衡，電解槽相應部位的熱效應也不同，對大型的工業(yè)電解槽來說，較高熱效應足以破壞電解槽的結(jié)構(gòu)完好，降低電解槽的使用壽命。從種種歷史數(shù)據(jù)來看，我國工業(yè)電解槽的平均使用壽命只是國際先進水平的一半[1]。

(3)鋁電解生產(chǎn)中能量分布不均衡，有的陽極分布電流高，有的陽極分布電流低。當陽極偏流到一定程度，其電壓將會失去控制，整個電解槽電壓高達20 V、30 V，有的50 V、60 V，甚至達到上百伏，電解質(zhì)-陽極炭塊、電解質(zhì)-槽殼等將多處放電，電火花中心溫度高達10 000 ℃，將導致正常生產(chǎn)時異常穩(wěn)定的冰晶石直接分解，產(chǎn)生含氟氣體以及CO等有毒、有害氣體，不但對生產(chǎn)工人造成危害，還直接破壞大氣層的臭氧，對環(huán)境造成危害。

1-槽底磚內(nèi)襯;2-陰極鋼棒;3-鋁液; 4-邊部伸腿(爐幫);5-集氣罩;6-陽極炭塊; 7-陽極母線;8-陽極導桿;9-打殼下料裝置; 10-支承鋼架;11-邊部炭塊;12-槽殼; 13-電解質(zhì);14-邊部扎糊(人造伸腿);15-陰極炭圖1 電解槽分布情況Fig.1 Electrolytic cell distribution

1.2 多陽極電解的分流控制理論

為了克服單陽極理念下電解鋁生產(chǎn)時電解槽內(nèi)瞬時電流與能量分布的不均衡，本文設計了基于多陽極電解生產(chǎn)的采取精密控制的電解槽，如圖1所示。通過工控機監(jiān)測每一組陽極的工作電流，分析、調(diào)整陽極導桿即陽極的高度，調(diào)節(jié)每一組陽極電流，使其均勻分布。理論上，這種控制的陽極底面不是處于同一水平面，但是，在電解質(zhì)物料分布均衡的電解槽里，通過工控機控制的電解生產(chǎn)，陽極底面會極其接近水平，使電解質(zhì)的工作距離保持在4～6 cm，陽極、電解質(zhì)的電流分布均衡、電解質(zhì)每一部分的熱效應分布均衡、電解槽的磁場分布均勻、力場分布均衡、流場穩(wěn)定，電解槽將工作在理想或接近理想的電解環(huán)境中，電解生產(chǎn)的效率將極大的提高，達到乃至超過試驗槽的水平。

精密控制電解鋁生產(chǎn)陽極電流理論分布趨勢如圖2所示(橫軸表示各陽極區(qū)域，縱軸表示電流強度)：

圖2 電解鋁生產(chǎn)陽極電流理論分布趨勢Fig.2 The distribution trend of electrolytic aluminum production anode current theory

1.3 多陽極電解鋁生產(chǎn)的能量均衡分布控制

實現(xiàn)電解鋁生產(chǎn)的能量均衡分布，在多陽極電解試驗槽[6]上是可以做到的。在實驗槽中，銀僅僅是電流的載體，作為惰性陽極不參與電解過程。多陽極的電解生產(chǎn)，陽極的靈活性(可以隨時調(diào)整、更換)可以為電解生產(chǎn)的電流均衡分布提供條件。采用均衡分布控制將及電解槽的電流均衡分布，電解過程中產(chǎn)生的電場、熱場、磁場、力場、流場也將分布均衡，實現(xiàn)電解生產(chǎn)在更穩(wěn)定的環(huán)境中進行。

1.4 多陽極電解鋁生產(chǎn)的物料均衡分布控制

根據(jù)多陽極電解生產(chǎn)的物料分析[7]，電解生產(chǎn)過程中新加入的將物料隨磁場、力場、流場的分布出現(xiàn)不均衡的趨勢，電解槽的1、3象限承受200%新鮮物料的過量補充，2、4象限只有極少的擴散物料補充。一部分過量，一部分欠量的物料分布，致使電解槽的物料分布極不均衡，破壞了電解正常生產(chǎn)所必需的物料均衡分布的基礎，電解生產(chǎn)的效率將會降低。在流動、強磁場的環(huán)境中，為了控制物料的均衡分布，只有順著磁場分布物料，使其分布盡可能的均衡，從而提高電解生產(chǎn)的效率。

順磁場物料分布情況見圖3。

圖3 順磁場的物料分布情況Fig.3 The magnetic field distribution of material

2 實驗論證

為了分析多陽極電解鋁生產(chǎn)較現(xiàn)代工業(yè)電解鋁生產(chǎn)的優(yōu)越性，設計試驗電解槽[6]對多陽極和單陽極電解鋁機械控制系統(tǒng)分別進行實驗操作，記錄并分析數(shù)據(jù)得圖4、圖5(橫軸表示各陽極區(qū)域，縱軸表示各陽極電流強度)：

圖4 單陽極指標分布曲線Fig.4 Single anode index distribution curve

圖5 多陽極質(zhì)變分布曲線Fig.5 The anode quality distribution curve

由圖4、圖5可知，多陽極電解鋁生產(chǎn)比單陽極電解鋁生產(chǎn)時，各個指標均相對穩(wěn)定，分布比較均衡；電解鋁生產(chǎn)的效率明顯提高，電解效應急劇降低甚至消失，陽極的消耗也較少，電解生產(chǎn)中產(chǎn)生的有害氣體降低，溫室氣體排放量降至最低。實驗表明，采用精密控制電解鋁生產(chǎn)，電解鋁的生產(chǎn)效益發(fā)生質(zhì)的變化。

3 結(jié)論

(1) 電解鋁生產(chǎn)只有采取能量和物料的均衡分布控制，才能有效的提高電解效率。從實驗室的電解電耗看，工業(yè)電解生產(chǎn)的單位電耗有4 300 kWh的下降空間。

(2) 采用能量和物料均衡分布控制的精密控制電解鋁生產(chǎn)，不僅降低了電耗，石油焦陽極的單位消耗量也將隨著降低。

(3) 采用精密控制電解鋁生產(chǎn)，益處不僅表現(xiàn)在節(jié)能減排，對電解槽使用壽命的影響也不容小覷。

(4) 電解鋁的槽型，向著大型化的趨勢發(fā)展，如果不進行能量和物料的均衡分布控制，一旦發(fā)生偏流，電解槽能量的不均衡分布將對電解槽的使用壽命及能耗產(chǎn)生致命的影響。

[1] 趙冰洋,劉月.我國鋁用陽極炭塊市場概況[J].炭素技術(shù),2007，26(3):50-53.

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[4] 廖賢安,段學良,趙忠明.我國陰極炭素材料發(fā)展中的若干問題[J].輕金屬,2004，4(11)：6-8.

[5] 王金鐸,鮑智文,崔利榮.我國電解鋁用陽極與陰極炭塊市場需求預測[J].數(shù)理統(tǒng)計與管理,2008，27(2):313-319.

[6] 張曉順, 邱竹賢. 鋁電解惰性陽極材料研究現(xiàn)狀[J].材料與冶金學報,2005，4(1)：13-16.

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(責任編輯：李華云)

The Study on New Precision Aluminum Electrolysis Control System

TIAN Pengyun1，WU Ping2，HU Li3，ZHANG Jie3，ZHENG Yanglong1

1.College of Mechanical Engineering, Nanchang University, Nanchang Jiangxi 330031, China; 2.College of Science, Nanchang University, Nanchang Jiangxi 330031, China; 3.College of Economics and Management, Nanchang University, Nanchang Jiangxi 330031, China

Through the analysis of electrolytic aluminum industry production status and defects, we put forward a kind of new electrolytic aluminum method - precision control of electrolytic aluminum production to solve these defects. This paper mainly describes the precision control of the aluminum electrolysis multi-anode management idea, and design a multi- anode aluminum electrolysis control system is developed. Using the precision control of the aluminum electrolysis production, we can make a balanced distribution of multi-anode current and energy to show the characteristics of energy saving and emission reduction. The aluminum electrolysis control model has a more and more large-scale trend. The precision control of the aluminum electrolysis production is the best choice for large and super large electrolytic aluminum production.

Electrolytic aluminum; Precision control; Electrolytic tank; the service life

2014-08-20

田朋云(1991-)，男，河南洛陽人，主要研究方向為機械工程、智能控制、控制工程等。

TP13

A

1671-5322(2014)04-0061-04