氧化鋁下料控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胡榮頤 陳振勇 梁喬曉

一、氧化鋁生產(chǎn)方法

酸法，堿法和電路熔煉法都可以從鋁土礦中得到氧化鋁的方法。目前酸法和電路熔煉法生產(chǎn)氧化鋁在經(jīng)濟(jì)上無法和堿法競爭，因此，在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)氧化鋁當(dāng)中使用的是堿法生產(chǎn)。

堿法生產(chǎn)氧化鋁又分為拜耳法、燒結(jié)法和聯(lián)合法三種工藝流程，下面將逐一介紹這三種方法的工藝流程。

二、堿法生產(chǎn)氧化鋁工藝介紹

2.1拜耳法：

生產(chǎn)氧化鋁的方法大致可以分為四類：堿法、酸法、酸堿聯(lián)合法與熱法。目前大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)采用的是堿法生產(chǎn)。堿法主要是拜耳法、燒結(jié)法和拜耳燒結(jié)聯(lián)合法等。

拜耳法的原理是基于氧化鋁在可興建溶液中溶解度的變化以及過氧化鈉溶液和溫度的關(guān)系。高溫和高濃度的鋁酸鈉溶液處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，而在溫度和濃度降低時(shí)則自發(fā)分解析出氫氧化鋁沉淀，拜耳法便是建立在這樣性質(zhì)的基礎(chǔ)上的。主要化學(xué)方程式

拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的主要工序有原礦漿制備，高壓溶出，壓煮礦漿和稀釋及赤泥分離和洗滌，晶種分解，氫氧化鋁的分級與洗滌分解，氫氧化鋁焙燒，母液蒸發(fā)和蘇打茍性化。

2.1.1原礦漿制備。

首先將鋁土礦破碎到符合要求的粒度與含有游離的NaOH的循環(huán)母液按一定的比例配合一道送入濕磨內(nèi)進(jìn)行細(xì)磨，制成合格的原礦漿，并在礦漿槽內(nèi)貯存和預(yù)熱。

2.1.2高壓溶出。

原礦漿經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入管道溶出器設(shè)備，在高壓下溶出。鋁土礦內(nèi)所含氧化鋁溶解成鋁酸鈉進(jìn)入溶液，而氧化鈦以及大部分的二氧化硅等雜質(zhì)進(jìn)入固相殘?jiān)闯嗄嘀?。溶出所得礦漿稱壓煮礦漿，經(jīng)自蒸發(fā)器減壓降溫后送入緩沖槽。

2.1.3壓煮礦漿和稀釋及赤泥分離和洗滌。

壓煮礦漿含氧化鋁濃度高，為了便于赤泥沉降分離和下一步的晶種分解，首先加入赤泥洗液將壓煮礦漿進(jìn)行稀釋（稱赤泥漿液），然后利用沉降槽進(jìn)行赤泥與鋁酸鈉溶液的分離。分離后的赤泥經(jīng)過幾次洗滌回收所含的附堿后排至赤泥場（國外有排入深海的），赤泥洗液用來稀釋下一批壓煮礦漿。

2.1.4晶種分解。

分離赤泥后的鋁酸鈉溶液（生產(chǎn)上稱粗液）經(jīng)過進(jìn)上步過濾凈化后制得精液，經(jīng)過熱交器冷卻到一定的溫度，在添加晶種的條伯下進(jìn)行分解，結(jié)晶析出氫氧化鋁。

2.1.5氫氧化鈉的分離與洗滌。

氫氧化鋁的分級與洗滌分解后所得氫氧化鋁漿液送去沉降分離，并按氧化鋁顆粒大小進(jìn)行分級，細(xì)粒作晶種，粗粒經(jīng)洗滌后送焙燒制得氧化鋁。分離氧氧化鋁后的種分母液和氫氧化鋁洗液（統(tǒng)稱母液）經(jīng)熱交換器預(yù)熱后送去蒸發(fā)。

2.1.6氫氧化鋁焙燒。

氫氧化鋁含有部分附著水和結(jié)晶水，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)經(jīng)過高溫焙燒脫水并進(jìn)行一系列的晶相轉(zhuǎn)變制得含有一定γ—Al2O3和α—Al2O3的產(chǎn)品氧化鋁。

2.1.7母液蒸發(fā)和蘇打苛性化。

預(yù)熱后的母液經(jīng)蒸發(fā)器濃縮后得到合乎濃度要求的循環(huán)母液，補(bǔ)加NaOH后又返回濕磨，準(zhǔn)備溶出下一批礦石。在母液蒸發(fā)過程中會(huì)有一部分Na2CO3·H2O與水溶解后加石灰進(jìn)行苛化使之變成NaOH用來溶出下批鋁土礦。

2.1.8 電解產(chǎn)生原副材料

2.2原料：氧化鋁

氧化鋁是一種白色粉狀物，熔點(diǎn)為2050℃，沸點(diǎn)為3000℃，真密度為3.6g/cm3，假密度為1g/ cm3。它的流動(dòng)性很好，不溶于水，能溶于冰晶石熔體中，它是鋁電解生產(chǎn)中的主原料。工業(yè)用氧化鋁是由氧化鋁廠從鋁礦石中提取出來的。通常要求氧化鋁具有吸水性小，活性大，粒度適宜，在電解質(zhì)中溶解性好等，同時(shí)要求能夠嚴(yán)密地覆蓋陽極，以防止陽極暴露于空氣中被氧化，保溫性能要。氧化鋁的物理性能可分為三類：砂狀、粉狀、和中間狀。

2.3副原料——氟化鹽

鋁電解生產(chǎn)中所用氟化鹽主要是冰晶石和氟化鋁，其次有一些用來調(diào)整和改善電解質(zhì)性質(zhì)的添加劑，如氟化鈣、氟化鎂、氟化鈉和碳酸鈉。

（1）冰晶石：由于天然冰晶石在自然界中儲(chǔ)量很少，不能滿足工業(yè)之用，故鋁工業(yè)均采用人造冰晶石。

（2）氟化鋁：氟化鋁是一種添加劑，主要用于降低熔體的分子比，降低電解溫度，也是一種人工合成產(chǎn)品。

（3）氟化鈣：鋁工業(yè)常用的氟化鈣是一種天然礦石，用它作為添加劑以改善電解質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)。

（4）氟化鎂：一種工業(yè)合成品，鋁電解質(zhì)的一種重要的良好添加劑，其作用與氟化鈣相似，但在降低電解溫度、改善電解質(zhì)性質(zhì)方面比氟化鈣更為明顯。

（5）氟化鈉：一種添加劑，主要用于新槽開動(dòng)初期調(diào)整分子比。

（6）碳酸鈉：電解質(zhì)的添加劑之一，其作用與氟化鈉相同，用以提高電解質(zhì)的分子比。由于碳酸鈉比氟化鈉更易溶解，價(jià)格低廉，所以在工業(yè)中多用碳酸鈉。

三、氧化鋁下料控制系統(tǒng)

根據(jù)工業(yè)上氧化鋁生產(chǎn)的技術(shù)和要求，對氧化鋁下料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以下方案。

在氧化鋁生產(chǎn)過程中，鍋爐溫度控制是氧化鋁生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵，而下料控制則是另一個(gè)關(guān)鍵。程焙燒爐是焙燒原料氫氧化鋁被高溫煅燒生成氧化鋁的場所。氫氧化鋁原料由小料倉投放，經(jīng)過皮帶送入干燥器，經(jīng)過三級預(yù)熱，進(jìn)入焙燒爐。空氣由 ID 風(fēng)機(jī)抽入，經(jīng)過換熱過程（氧化鋁與空氣換熱達(dá)到冷卻目的）后，溫度升高，在焙燒爐下方與煤氣混合進(jìn)入焙燒爐并燃燒產(chǎn)生大量熱，對氫氧化鋁進(jìn)行焙燒，得到氧化鋁。產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入預(yù)熱段，經(jīng)收塵器處理后外排，氧化鋁則往下進(jìn)入冷卻段，最后由風(fēng)動(dòng)溜槽送入大倉進(jìn)行存儲(chǔ)。

定義實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，使動(dòng)畫組態(tài)窗口與生產(chǎn)設(shè)備連接起來，以完成生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是MCGS工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)變量是構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的基本單元，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的過程也是定義數(shù)據(jù)變量的過程。定義數(shù)據(jù)變量的內(nèi)容主要包括指定變量名稱、類型、初始值和數(shù)值范圍，確定與數(shù)據(jù)變量存盤相關(guān)的參數(shù)。

四、下料時(shí)間間隔實(shí)時(shí)顯示

在氧化鋁實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)節(jié)的復(fù)雜性，且在參數(shù)之間也存在相互影響性，下料系統(tǒng)在履帶的作用往鍋爐離下料，是不可能獨(dú)立于其他參數(shù)而單一存在的，許多參數(shù)如溫度、電壓平等，都會(huì)通過影響下料速度的變化、機(jī)器等因素而間接影響下料系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了更直觀的了解下料速度以及為了更有效的了解下料系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們的控制界面中需設(shè)計(jì)參數(shù)與下料時(shí)間間隔實(shí)時(shí)曲線以及各參數(shù)變化趨勢。

五、槽電阻與下料速度的趨勢曲線

下料速度與電壓相關(guān)，而槽電壓與槽電阻密不可分。槽工作電壓，簡稱槽電壓，是指電解槽的進(jìn)電端與出電端之間的電壓降?，F(xiàn)代預(yù)焙槽的槽電壓一般在4.0～4.4V之間。在系列電流基本恒定的情況下，電解槽的電壓高低直接決定著電解槽的能量收入，因此，調(diào)整槽電壓是調(diào)整電解槽能量收入的最直接和最主要的手段。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，我們采集實(shí)際工程中槽電壓及系列電流，通過電壓電流關(guān)系及安培定律可算得槽電阻，明確槽電壓與槽電阻之間的聯(lián)系。

下料系統(tǒng)在履帶的作用往鍋爐離下料，是不可能獨(dú)立于其他參數(shù)而單一存在的，許多參數(shù)如溫度、電壓平等，都會(huì)通過影響下料速度的變化、機(jī)器等因素而間接影響下料系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了更直觀的了解下料速度以及為了更有效的了解下料系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們的控制界面中需設(shè)計(jì)參數(shù)，槽電阻與下料速度的趨勢曲線以及各參數(shù)變化趨勢。

六、總結(jié)

氧化鋁下料控制系統(tǒng)主要是在軟件MCGS組態(tài)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境找那個(gè)進(jìn)行檢測界面和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，整個(gè)實(shí)訓(xùn)大致完成了實(shí)訓(xùn)任務(wù)。包括氧化鋁下料控制系統(tǒng)組態(tài)、下料間隔時(shí)間實(shí)時(shí)顯示、槽電阻與下料速度的趨勢曲線等。完成了實(shí)際生產(chǎn)過程中的控制監(jiān)控任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]氧化鋁工藝、電解鋁生產(chǎn)工藝、焙燒工段回路分析、焙燒工段介紹等.

[2]王再英、劉懷霞、陳毅靜.過程控制系統(tǒng)與儀表.

作者簡介：

胡榮頤，出生年月：1997、11、19，性別：男，民族：壯族，籍貫（精確到市）：廣西欽州，當(dāng)前職務(wù)：學(xué)生，當(dāng)前職稱：學(xué)生，學(xué)歷：本科，研究方向：過程控制.