鋁電解過程優(yōu)化控制的思考

（廣西來賓銀海鋁業(yè)有限責任公司，廣西 來賓 546135）

1 鋁電解的過程

1.1 鋁電解工藝的基本原理

當前情況下，霍爾-埃魯特法仍然是鋁電解生產(chǎn)行業(yè)中的常用方法。換句話來說，就是采用高溫電解冰晶石的方法來制鋁。在鋁電解的過程中，電解槽長期工作在溫度較高，磁場較強，電流與腐蝕性均較強的環(huán)境中。在這個電解槽中，溶劑為熔融狀態(tài)的冰晶石，溶質為氧化鋁。陽極為碳素材料，陰極為鋁液[1]。在電解槽中通入直流電，使其溫度始終控制在一個范圍內，此時，電解槽內將會發(fā)生復雜的化學反應。其中，陽極會產(chǎn)生二氧化碳氣體，一氧化碳氣體等污染性氣體，還會生成較多的粉塵，污染了環(huán)境。陰極的產(chǎn)物為液態(tài)的金屬鋁。經(jīng)過一系列變化，最后被澆筑成鋁錠。據(jù)調查顯示，每生產(chǎn)1噸鋁，將會向大氣中排放1500立方米的污染性氣體，消耗500千克的能量，由此可見，鋁電解的生產(chǎn)過程是一個高耗能，高污染的行業(yè)[2]。

1.2 鋁電解工藝的操作流程

在鋁電解的生產(chǎn)過程中，氧化鋁的濃度以及電解的溫度都無法進行直接的測量，因此，若想得到一個標準的參數(shù)值，就應當從電解槽的電流參數(shù)中來獲取。在整個鋁電解的過程中，主要用到的材料有冰晶石、碳陽極、以及氧化鋁等。其中，碳作為陽極，在陽極反應中，主要產(chǎn)生的是二氧化碳氣體。氧化鋁在反應的過程中是關鍵的材料。制作過程中，主要用到的方法為拜耳法。

1.3 鋁電解槽的結構

（1）陽極炭塊組。陽極炭塊組主要由三個部分組成，這三個部分分別為：鋼爪，陽極炭塊，以及鋁導桿。這三個部分中，最重要的就是鋁導桿，它對陽極的母線起到了固定的作用。陽極炭塊主要分為三種。在電解槽內，如果電流變大，那么，陽極的電流密度將變小。若想使電解槽中能生產(chǎn)出更多的鋁，就應當使用較低的電耗進行生產(chǎn)。

（2）碳陰極。在鋁的電解過程中，陰極主要是一種容器，用來盛放熔融狀態(tài)下的電解液。陰極主要由四個部分構成，分別為：陰極導電棒，邊部炭塊，碳素內襯以及底部炭塊等。在底部炭塊下，應當放置耐火材料。碳陰極還有一個重要的作用，那就是傳導電流。

（3）側壁。在陽極的鋁電解槽中，側壁是一個重要的組成部分。側壁的組成材料與炭塊的相同，在生產(chǎn)的過程中，側壁應當具有良好的導熱性和絕緣性，在整個電解過程中，側壁主要起到了保護層的作用。

（4）槽殼與導電母線。在鋁的電解過程中，電解槽的槽殼與導電母線之間相互串聯(lián)，在電解槽進行通電時，直流電由導電母線傳輸?shù)讲蹥ぶ小?/p>

2 鋁電解過程優(yōu)化控制的思考

2.1 行為策略法

（1）拆裂與分塊建模。行為策略法主要分為幾個方面的內容，分別為：連接、拆裂、以及分塊建模。其中，“拆裂”主要在互關聯(lián)結構中進行?！胺謮K建?！敝饕_定了模塊的方程以及模塊的變量配置?！版溄印敝饕s束了互關聯(lián)結構。

行為策略法主要由幾個要素組成，這些要素分別為：模塊，端子，互關聯(lián)結構，以及顯變量配置等。其中，端子依據(jù)鋁電解的類型來決定。端子的類型表明了端子的變量屬性。在模塊中，含有較小數(shù)量的端子以及約束端子變量“行為”的系統(tǒng)。在互關聯(lián)結構中，含有l(wèi)eaves圖，對這個系統(tǒng)進行建模時，應當充分考慮子系統(tǒng)的內部原則以及互相關聯(lián)的性質。在互關聯(lián)系統(tǒng)中，模塊的方程和互關聯(lián)的約束條件共同決定了“行為”方程。端子變量的“行為”由互關聯(lián)方程以及模塊方程來共同決定。并對其進行表述。在整個行為策略法系統(tǒng)中，“全行為”主要由整個系統(tǒng)中的互關聯(lián)約束條件，模塊方程以及顯變量控制來共同決定。在行為策略中，受到基本原則的約束，使互關聯(lián)層次更趨于標準化以及簡單化，通過模塊來代替模型，去除了模型的復雜性。

（2）互關聯(lián)控制。從“行為”的角度來思考問題，對一個系統(tǒng)進行控制，我們稱之為，限制這個系統(tǒng)的“行為”。換句話說，就是將一個系統(tǒng)與一個控制器相關聯(lián)。在對系統(tǒng)“行為”的控制中整個被控制的系統(tǒng)中包含兩方面的端子集合體系。其一，端子集合所對應的被控制量；其二，端子集合所對應的控制變量。所謂的控制器，指的是約束變量“行為”的控制系統(tǒng)。在這整個體系中，存在的核心問題是被控變量的“行為”。

2.2 鏈系統(tǒng)控制法

鏈系控制法在鋁電解的優(yōu)化過程中占有重要的地位。此種方法能解決非常多的為題，包括：非線性系統(tǒng)控制問題，大滯后系統(tǒng)控制問題，多變量系統(tǒng)控制問題等。此種方法為這些問題提供了一個新的思路。無論是在電力行業(yè)，還是在化工行業(yè)，幾乎在所有的領域中都能將這些領域抽象化的展現(xiàn)出鏈結構模型。在整個系統(tǒng)中，每一個環(huán)節(jié)中都有不同程度的時滯現(xiàn)象出現(xiàn)。這種時滯現(xiàn)象對整個系統(tǒng)中的變量有著不同程度的影響。在整個系統(tǒng)中，每個環(huán)節(jié)都存在著程度不同的非線性特性。這種特性為系統(tǒng)的分析與設計都帶來了巨大的困難。這時，應當充分利用系統(tǒng)中的因果鏈結構特性，在局部中分散控制策略。采用這種方法來對整個系統(tǒng)進行控制。將整個系統(tǒng)分為若干個部分，分別解決這些部分的滯后問題和約束問題，從而，解決整個系統(tǒng)中的實際問題。使鋁電解的生產(chǎn)效率有所提高。

2.3 電解溫度與鋁濃度之間的關聯(lián)

在鋁電解的整個生產(chǎn)過程中，鋁電解槽的能量平衡與物料平衡，相互影響著，相互作用著。從反應開始，一直到反應結束。整個過程中都應當對其給予高度的關注。從外在表現(xiàn)形式上來看，物料平衡主要體現(xiàn)在氧化鋁的濃度上，能量平衡主要體現(xiàn)在電解的溫度上。

首先，我們對氧化鋁的濃度關聯(lián)來進行分析：在鋁電解的過程中，每次投放的物料數(shù)量是一樣的，而決定投料數(shù)量多少的因素為投料時間間隔的長短。若在規(guī)定的時間內，投料的總次數(shù)增多，那么，在電解槽中形成的氧化鋁的濃度就會越大。若在規(guī)定的時間內，投料的次數(shù)減小，那么，在電解槽中形成的氧化鋁的濃度就會越小。在電解槽中，氧化鋁的濃度會隨著電解槽中的電壓變化而變化。在整個鋁電解的過程中，系統(tǒng)中的電流量，氧化鋁的溶解速度，以及出鋁量和電解質的水平都具有互相關聯(lián)的特性。

其次，我們對電解的溫度關聯(lián)來進行分析：我們可以通過控制電解槽內的電壓來控制鋁電解過程中產(chǎn)生能量的大小。進一步來控制電解的溫度。在整個過程中，系統(tǒng)中的電流量，氧化鋁的溶解速度，以及出鋁量和電解質的水平都具有互相關聯(lián)的特性。

3 結語

鋁電解的過程是一個非常復雜的過程，其中有著非常多的物理變化以及化學反映。各種數(shù)據(jù)相互制約著，本篇文章主要分析了其中的兩個方面，其一，是氧化鋁的濃度，其二，是電解的溫度，并制定出優(yōu)化控制的措施，以提高鋁電解過程中的生產(chǎn)效率，以及推動節(jié)能減排事業(yè)的發(fā)展。

[1]鈕因健.大力推進鋁電解工業(yè)第二次科技創(chuàng)新[J].新材料產(chǎn)業(yè),2016(08):17-20.

[2]盧松濤.重金屬冶煉自動化現(xiàn)狀與發(fā)展[J].有色冶金設計與研究,2016(04):21-27+33.