淺談低電壓生產(chǎn)下鋁電解槽的控制方法

仲佳德 李 賢

(青海橋頭鋁電股份有限公司, 青海 西寧 810100)

淺談低電壓生產(chǎn)下鋁電解槽的控制方法

仲佳德 李 賢

(青海橋頭鋁電股份有限公司, 青海 西寧 810100)

鋁電解槽要在低電壓生產(chǎn)中取得較理想的能耗及指標，其工作的持續(xù)穩(wěn)定及有效的控制方法變得尤為重要。本文通過在生產(chǎn)實踐中摸索，總結(jié)了鋁電解低電壓生產(chǎn)下達到高效穩(wěn)定運行的一種控制方法。

低電壓； 能量補償； 氧化鋁濃度； 控制方法

0 前言

隨著電解鋁行業(yè)產(chǎn)能過剩加劇及鋁價在低位徘徊，低成本戰(zhàn)略成為電解鋁企業(yè)的根本選擇。在鋁電解過程中電力成本最高，約占總成本的 47%，因而進行低成本戰(zhàn)略就是實現(xiàn)最佳的噸鋁電耗，即深度挖潛降低電壓，從而降低能耗成本。因此，鋁電解槽低電壓生產(chǎn)已在國家降低產(chǎn)業(yè)能耗的大背景下悄然推行。

鋁電解生產(chǎn)的電力能耗主要由電流效率和槽電壓決定。槽電壓主要由陰、陽極壓降、極化壓降、電解質(zhì)壓降和連接母線壓降組成，而電解質(zhì)壓降是槽電壓中最活躍的因素，是節(jié)能降耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。電解質(zhì)壓降由電解質(zhì)成分和極距決定，在極距接近電解槽極限極距的條件下，盲目降低極距可能會導(dǎo)致生產(chǎn)能耗不降反升的惡性后果。由于電解質(zhì)成分和極距都與電流效率密切相關(guān)，故低電壓生產(chǎn)不能一味降低極距，整個生產(chǎn)過程必須保持電流效率不明顯降低及槽電壓的穩(wěn)定。本文結(jié)合生產(chǎn)實際總結(jié)了能量補償及氧化鋁濃度平衡方法，有利于低電壓生產(chǎn)下電解槽的持續(xù)穩(wěn)定管理。

1 低電壓生產(chǎn)下鋁電解槽運行存在的問題

隨著槽電壓的降低，電解槽熱收入明顯不足，從而出現(xiàn)一些問題影響著電解槽的穩(wěn)定運行，這些問題如下：

(1)出現(xiàn)了電解槽角部伸腿肥大的現(xiàn)象，電解槽穩(wěn)定性逐漸變差，電壓擺明顯增多。

(2)出現(xiàn)電解質(zhì)水平偏低，難以保持合適的電解質(zhì)高度，電解質(zhì)水平和氧化鋁的熔解能力降低，增加了突發(fā)效應(yīng)的發(fā)生，甚至出現(xiàn)了爐底沉淀，導(dǎo)致氧化鋁濃度不易控制。

(3)電解質(zhì)水平偏低，經(jīng)常出現(xiàn)殼頭包、卡殼頭、大堆料等現(xiàn)象，增加了操作人員的勞動強度。

(4)電解槽殼面厚度增大，更換陽極等操作時增大了操作難度和管理難度，并且在操作時增加一些器具，增加了生產(chǎn)的大宗材料費用。

(5)電解槽運行穩(wěn)定性變差，異常電壓明顯增多，陽極效應(yīng)增多，導(dǎo)致槽電壓升高，電流效率降低，造成了直流電耗大幅升高。

針對以上情況，提出了能量補償及氧化鋁濃度控制策略，以保證鋁電解槽在低電壓下正常穩(wěn)定工作。

2 能量補償及氧化鋁濃度平衡控制策略

在低電壓生產(chǎn)模式下，電解槽的敏感度明顯增加，抗干擾能力下降。更換陽極、陽極頻繁動作和氧化鋁濃度異常對電解槽況的影響較大。提高電解槽在換極、各類加工等特殊作業(yè)時的抗干擾能力，增強電解槽穩(wěn)定性，并結(jié)合季節(jié)性特點制定一套合理有效的能量補償及氧化鋁濃度平衡策略是進行鋁電解低電壓生產(chǎn)的一項重要管理技術(shù)。

2.1 能量補償控制策略

2.1.1 更換陽極后能量補償

因為更換陽極過程中部分氧化鋁敷料及結(jié)塊掉入電解質(zhì)中，而低電壓生產(chǎn)時的工作電壓不能熔解掉入的氧化鋁。一般附加控制結(jié)束后經(jīng)常出現(xiàn)電壓擺，濃度不受控，針擺嚴重等不良槽況，某公司現(xiàn)更換陽極后的控制邏輯是將目標電壓抬高90 mV，保持1 h左右，然后降低至60 mV保持1 h左右，再降低至30 mV保持1 h左右后退出附加能量補償。采用三檔分梯度附加模式的目的是補償更換陽極帶走的能量。通過試驗，分梯度附加模式需3～4 h才能基本保證電解槽穩(wěn)定，具體時間還要結(jié)合外部環(huán)境溫度綜合考慮。換極附加能量控制見圖1。

圖1 換極附加能量控制

2.1.2 陽極頻繁動作的能量補償

由于大多企業(yè)都追求較高的電流效率，即使降低了電解槽的工作電壓也未將相應(yīng)的分子比提高，導(dǎo)致電解槽的針擺增大，按傳統(tǒng)的控制邏輯將會出現(xiàn)陽極頻繁動作，濃度控制失真，嚴重影響電解槽的穩(wěn)定性。因此，必須探索一種新的控制邏輯，在保證適當過熱度的前提下盡量避免頻繁動陽極。當電解槽噪聲即針擺較大時，電解質(zhì)電阻變化也比較敏感，每次動陽極電解質(zhì)電阻都變化較大，容易出現(xiàn)超調(diào)，之后向相反方向調(diào)整，但不易調(diào)整到目標區(qū)域，如圖2所示。

圖2 針擺嚴重頻繁調(diào)整陽極

針對此類現(xiàn)象，一方面可以加大電壓不調(diào)區(qū)范圍，如可將電壓敏感區(qū)上下限調(diào)整為上50 mV，下30 mV，從而減少自動控制情況下頻繁調(diào)整極距；另一方面可考慮優(yōu)化RC控制策略，即在不調(diào)區(qū)只根據(jù)電解槽的目標電阻來進行陽極調(diào)整，重新引入正常加工。一般情況下只有在正常加工時才允許調(diào)整陽極，過加工和欠加工過程中除電壓嚴重偏高或偏低都禁止動陽極，減少陽極動作次數(shù)，并且當在正常加工過程中動陽極時，只要當前電壓調(diào)整到目標電壓附近(約正30 mV負20 mV)就立刻進入濃度控制，無需等待，因為等待過程中電壓很容易超出調(diào)整區(qū)域然后又繼續(xù)升降陽極，影響正常的濃度控制。

2.2 氧化鋁濃度平衡控制策略

在生產(chǎn)實踐中，由于受現(xiàn)有技術(shù)條件、人工操作質(zhì)量、原輔材料質(zhì)量以及輔助工序等各種相關(guān)因素的影響，導(dǎo)致電解質(zhì)體系成分復(fù)雜多樣且不同成分之間濃度比例不易控制，特別是氧化鋁濃度難以控制到最佳狀態(tài)。氧化鋁濃度平均達到3.3% 以上，且波動較大，電解質(zhì)流動性、導(dǎo)電性及熔解氧化鋁的性能較差，濃度平衡很難建立[2]，嚴重影響了鋁電解槽電流效率的提高和能耗的降低，也在很大程度上制約了鋁電解生產(chǎn)的進一步發(fā)展。

2.2.1 更換陽極后氧化鋁濃度平衡控制策略

更換陽極后能量附加過程中要改變一直以來的欠加工方式，整個附加控制過程采用氧化鋁濃度自動控制，實現(xiàn)過加工與欠加工依據(jù)電阻斜率變化情況而相互轉(zhuǎn)換，確保氧化鋁濃度為1.5%～2.5%。

2.2.2 氧化鋁濃度走反后修正策略

低電壓下氧化鋁濃度變化比高電壓下敏感，因而濃度控制比較容易走反。當氧化鋁濃度走反后，傳統(tǒng)的控制方法不是繼續(xù)進行濃度控制，而是采取先壓極距，再進行濃度控制。由于低電壓生產(chǎn)下極距本來就很小，再壓極距將會大大降低電解質(zhì)部分的工作電壓，導(dǎo)致能量收入不足，影響電解槽的正常生產(chǎn)。且如果連續(xù)3～4 h都進行欠加工，氧化鋁濃度將會越來越低導(dǎo)致發(fā)生效應(yīng)，電耗增加，電流效率降低。在氧化鋁濃度控制過程中，槽控機檢測到過加工時電壓上升，欠加工時電壓下降，應(yīng)判斷氧化鋁濃度控制走入反區(qū)即高濃度區(qū)，需要及時修正，其做法是將目標電壓抬高，抬高的幅度由當前電壓與目標電壓的偏差來決定，然后繼續(xù)進行欠加工，欠加工的幅度由大到小以盡快使氧化鋁濃度恢復(fù)到正?？刂茀^(qū)域為準；當氧化鋁濃度恢復(fù)到正?？刂茀^(qū)域后將目標電壓調(diào)回到濃度異常時的目標電壓，進入到正常的控制過程[3]。氧化鋁濃度控制走反修正見圖3。

圖3 氧化鋁濃度控制走反修正

2.2.3 人工操作質(zhì)量對于控制氧化鋁濃度平衡的影響

人工操作質(zhì)量主要體現(xiàn)在：(1)換極質(zhì)量不高，新極16 h合格率≤ 90%；(2)換極操作時間過長且操作對電解槽的干擾較大。(3)下料點打殼開孔率≤78%，嚴重影響向電解槽下料。換陽極帶來的問題不得不通過能量附加策略彌補解決。而因打殼口堵塞帶來的氧化鋁濃度破壞問題，在現(xiàn)有的設(shè)備基礎(chǔ)上唯有通過細化管理措施，實時監(jiān)控跟蹤下料口現(xiàn)狀及料量情況，真正實踐人機最佳配合，才能將其影響降至最低。目前最先進的技術(shù)是通過在打殼錘頭上埋設(shè)電磁感應(yīng)線圈，通過下料時感應(yīng)電流的大小變化適時監(jiān)控其下料口開口情況及料量情況。

3 控制效果分析

通過一年多的摸索、總結(jié)、優(yōu)化電解槽控制策略，電解槽在低電壓下運行穩(wěn)定性有了大幅提高，氧化鋁濃度控制和爐底壓降方面取得了良好的效果。

3.1 氧化鋁濃度抽樣分析

優(yōu)化電解槽控制方法后，隨機選擇了幾臺電解槽對氧化鋁濃度進行了抽樣分析，分析結(jié)果見表1。

表1 電解槽控制方法優(yōu)化后氧化鋁濃度分析 單位：%

從表1可知，氧化鋁濃度控制的范圍較窄，最高濃度為2.47%，最低濃度為2.11%，平均濃度2.31%，已達到國內(nèi)先進的鋁電解企業(yè)氧化鋁濃度范圍(1.8%～2.5%)。

3.2 爐底壓降測量分析

電解槽控制方法優(yōu)化前后，分別選擇幾臺電解槽對爐底壓降進行了測量。對于每臺被測槽，在A、B面出鋁端和煙道段各取兩個測量點，測量結(jié)果見表2。

表2 電解槽控制方法優(yōu)化前后爐底壓降測量結(jié)果 單位：mV

優(yōu)化電解槽控制方法后，對電解槽爐底進行探測，發(fā)現(xiàn)爐底基本干凈，大部分電解槽只有稀少的沉淀，陽極效應(yīng)系數(shù)控制在0.005次/槽·d，實現(xiàn)了電解槽在低電壓下的穩(wěn)定運行，并使爐底壓降降低了19～40 mV，降壓效果明顯。

4 結(jié)論

(1)針對電解鋁生產(chǎn)中換極操作對電解槽影響嚴重的問題，采取在低電壓模式下3檔3 h能量補償，增加能量收入，平衡電解槽熱損失及穩(wěn)定性差的問題。

(2)為了保持氧化鋁濃度持續(xù)平衡，必須采用氧化鋁濃度跟蹤修正技術(shù)，確保各種條件下氧化鋁濃度滿足低電壓生產(chǎn)工藝要求。

(3)逐步優(yōu)化控制策略，減少針擺嚴重情況下自動升降陽極的干預(yù)，合理設(shè)置RC控制參數(shù)有助于電解槽穩(wěn)定工作。

(4)在現(xiàn)行工藝裝備和條件下，精細化管理可提高操作質(zhì)量和料口開口率，降低對氧化鋁濃度的影響程度。

[1] 邱竹賢.預(yù)焙槽煉鋁(第3版)[M].北京：冶金工業(yè)出版社， 2005.

[2] 馮乃祥. 鋁電解[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3] 曾水平，張秋萍，趙國鑫.鋁電解槽氧化鋁濃度的模糊控制[J].冶金自動化， 2001(5):9-11.

Discussion on Controlling Methods of Low Voltage Production in Aluminum Reduction Cell

ZHONG Jia-de, LI Xian

To achieve the ideal energy consumption and indicator, the sustainability and stability, and effective control method become particularly important in low voltage production of Aluminum reduction cell. Through production practice, this paper summarizes a control method to achieve efficient and stable operation of the cell under low voltage.

low voltage; energy compensation; alumina concentration; controlling method

2014-04-16

青海省高新技術(shù)研究與發(fā)展計劃項目(項目編號：2013- J- 206)

仲佳德(1980—)，男，甘肅威武人，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事鋁電解槽計算機控制管理工作。

TF821

B

1008-5122(2014)04-0012-04