Способ управления процессом электролитического получения алюминия в электролизере

 

Изобретение относится к получению алюминия в электролизерах с обожженными анодами. Способ включает измерение напряжения и силы тока на электролизерах, количество загружаемого глинозема, измерение приращений этих величин, определение с помощью математической модели междуполюсного расстояния, температуры электролита и концентрации глинозема в расплаве и изменение положения анодного массива в зависимости от отклонения междуполюсного расстояния от заданного значения с коррекцией по температуре, а также изменение частоты подачи порций глинозема в зависимости от отклонения концентрации глинозема в расплаве от заданного значения. Величину заданного значения концентрации глинозема меняют в зависимости от измеренного значения концентрации, а коэффициенты математической модели корректируют в зависимости от измеренного значения концентрации при анодных эффектах. Способ позволяет стабилизировать энергетический и концентрационный режимы работы электролизера, повысить выход по току, снизить удельные расходы электроэнергии и фторсолей, уменьшить частоту анодных эффектов. 2 ил.

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть применено для управления процессами получения алюминия из глинозема электролитическим методом.

В соответствии с технологией процесса растворенный в электролите глинозем под воздействием проходящего постоянного тока разлагается с выделением чистого алюминия.

С течением времени концентрация глинозем в электролите уменьшается и, когда она достигает 0,5-1,5%, возникает особый режим работы электролизера (анодный эффект), сопровождающийся снижением технико-экономических показателей.

Периодически в расплав электролита необходимо вносить новые порции глинозема. Это может выполняться с помощью устройств, состоящих из пробойника и дозатора. Пробойником взламывают корку на поверхности электролита, а дозатором вводят в расплав определенную порцию глинозема. Частоту подачи порций глинозема подбирают в зависимости от скорости растворения глинозема в расплаве и скорости его расходования, которые зависят от технологического режима и с течением времени могут меняться.

Известные методы управления процессом электролиза состоят либо в стабилизации величины междуполюсного расстояния (МПР), либо зависящей от него величины рабочего напряжения электролизера (пат. США N 3485727, 1969) или его электросопротивления (авт.св. N 749940, 801642, 840203, патенты Франции N 1605433, кл. С 25 С, патент ФРГ N 1260156, кл. 4003/12) перемещением анодного массива. Недостатком этих методов является низкая эффективность управления энергетическим режимом, так как стабилизируемые параметры либо неточно и неоперативно определяются (величина МПР), либо зависят не только от МПР, но и от состава электролита и его температуры (рабочее напряжение и электросопротивление).

Известные методы коррекции электрического сопротивления по температуре (авт. св. N 1183565) неэффективны из-за неточности и малой надежности применяемых для измерения температуры средств.

Известны также способы управления процессом электролиза, заключающиеся в стабилизации концентрации глинозема в электролите включением и выключением дозирующих устройств либо по времени (патент Великобритании N 4274892, кл. G 3 R, N 1270398, кл. С 7 В; США N 3622475, 3812024, 4425201, кл. 204-67; Патент Франции N 2029493, кл. С 22 D 3/00), либо в зависимости от электросопротивления электролизера (патент США N 3625842, кл. С 25 С 3/20, 1971), скорости его изменения (патент США N 3573179, 4035251, 1971, патент Японии N 83-10996; заявка ПНР N 259354, 1987) или величины обратной ЭДС (патент США N 3629079, кл. С 25 С 3/20, кл. 204-67, 1978).

Недостатком всех этих способов является низкое качество стабилизации концентрации глинозема в электролите из-за неоднозначной зависимости между концентрацией глинозема и названными параметрами, что приводит к ухудшению технико-экономических показателей работы электролизера.

В качестве прототипа принят способ управления, реализованный фирмой "Алюминиум Пешине" (Франция) (Н. Реверди "Опыт эксплуатации и управления электролизной серией". 5-й международный семинар по электролизу алюминия. Трондхейн, 25-30 мая 1986 г. Патент Франции N 2487386, кл. С 25 С 3/20).

В соответствии с прототипом измеряют напряжение на электролизере и силу тока, определяют величину электрического сопротивления и изменяют положение анодного массива пропорционально откло- нению сопротивления от его заданного значения. При этом стабилизируют заданную - минимальную или максимальную частоту подачи порций глинозема с помощью дозирующих устройств. Переход с одной частоты дозирования на другую (с минимальной на максимальную) осуществляют, если скорость изменения электрического сопротивления электролизера превышает заданное значение или если регулирование электросопротивления перемещением анода становится неэффективным.

Недостатком прототипа является низкое качество стабилизации энергетического и технологического режимов в электролизера, обусловленное тем, что при определении сопротивления не учитывается его зависимость от изменения температуры и, особенно, концентрации глинозема.

Неточное управление приводит к увеличению количества и тяжести технологических нарушений, снижению технико-экономических показателей: выхода по току, качества металла и производительности труда.

Добиться с помощью способа-прототипа хорошего качества стабилизации одновременно и энергетического и концентрационного режимов невозможно, поскольку в обоих контурах управления (контур управления тепловым режимом изменением положения анодного массива и контур управления концентрацией глинозема изменением частоты работы дозирующих устройств) используется по существу один и тот же входной параметр - электросопротивление.

Предлагаемый способ управления процессом электролитического получения алюминия свободен от вышеперечисленных недостатков.

Целью предлагаемого способа является повышение выхода по току и снижение удельного расхода электроэнергии за счет повышения качества стабилизации энергетического и технологического режимов в электролизерах.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе управления процессом электролитического получения алюминия в электролизере, включающем измерение напряжения (U) на электролизере, силы проходящего через него тока (I), определение сопротивления (R) электролизера, изменение положения анодного массива и частоты подачи порций глинозема с заданного по технологии минимального значения на максимальное в зависимости от текущего содержания глинозема в расплаве, отличающийся тем, что с целью повышения выхода по току и снижения удельных затрат электроэнергии и фторсолей за счет стабилизации энергетического и технологического режима процесса электролиза, дополнительно измеряют количество (G) загружаемого в электролизер глинозема, определяют приращения тока (Δ I_n), напря- жения (Δ U_n) и количества (Δ G_n) загружаемого глинозема на каждом такте (n) измерения; вычисляют с учетом Δ I_n, Δ U_n, Δ G_n - по математической модели значения межполюсного расстояния (l_n), температуры (Т_n) расплава и концентрации (С_n) в нем глинозема, изменяют положение анодного массива в зависимости от вычисленных (l_n и Т_n) и заданных (l_з и Т_з) по технологии значений, при этом заданное по технологии значение концентрации глинозема изменяют с минимального значения на максимальное при снижении концентрации глинозема ниже нижнего предельного по технологии значения и изменяют заданное по технологии значение концентрации глинозема с максимального значения на минимальное при повышении концентрации глинозема выше верхнего предельного по технологии значения, причем математическую модель для вычисления Сn корректируют при наличии анодного эффекта и С_n< 0,8% или С_n > 1,5%.

Дополнительное измерение количества загружаемого глинозема, а также приращений тока, напряжения и количества загружаемого глинозема на каждом такте измерений позволяет организовать массив синхронно измеренных значений этих величин, по которому одновременно и с малой погрешностью с использованием математической модели электролизера определяют три непосредственно неизмеряемых режимных параметра: величину междуполюсного расстояния, температуру электролита и концентрацию глинозема в нем.

Изменение положения анодного массива пропорционально отклонению величины междуполюсного расстояния от его заданного значения с коррекцией по отклонению температуры расплава от его заданного значения ведет к стабилизации энергетического режима работы электролизера на оптимальном уровне, а, следовательно, к повышению выхода по току и снижению удельного расхода электроэнергии.

Изменение частоты подачи порций глинозема пропорционально отклонению концентрации глинозема в расплаве от ее заданного значения позволяет поддерживать в электролизере оптимальную концентрацию глинозема, не допуская осаждения излишнего глинозема на дно электролизера или слишком большого обеднения расплава глиноземом, приводящим к увеличению частоты анодных эффектов, повышению расхода фторсолей и трудозатрат на обслуживание электролизеров.

Оперативное изменение величины заданного значения концентрации глинозема в расплаве с минимального значения на максимальное при снижении концентрации глинозема ниже нижнего предельного значения и изменение величины заданного значения концентрации глинозема в расплаве с максимального значения на минимальное при повышении концентрации глинозема выше верхнего предельного значения позволяет более точно оценивать концентрацию глинозема в электролите. Это приводит к стабилизации состава электролита, снижению удельного расхода электроэнергии и фтористых солей.

Корректировка модели электролизера в моменты, когда концентрация глинозема при анодном эффекте выходит из диапазона 0,8-1,5%, позволяет компенсировать действие медленно изменяющихся неконтролируемых возмущений на процесс электролиза и повысить точность определения величины междуполюсного расстояния, температуры расплава и концентрации глинозема.

Существенность отличий предлагаемого способа управления обусловлена тем, что, во-первых, по массиву синхронно измеренных значений тока, напряжения, количества подаваемого глинозема и их приращений на каждом такте измерения можно более точно, чем известными методами, с применением математической модели определить важные, но непосредственно не измеряемые, режимные параметры процесса электролиза - величину междуполюсного расстояния, температуру электролита и концентрацию в нем глинозема, а, во-вторых, сделать это одновременно, независимо от их взаимного влияния друг от друга. Такой прием позволяет по существу разделить контуры управления электролизером по входной информации, причем каждый контур стабилизирует "свой" параметр (один контур стабилизирует величину МПР, а другой - концентрацию глинозема).

Стабилизация величины междуполюсного расстояния с учетом изменения температуры, стабилизация заданного значения концентрации глинозема с соответствующим изменением этого заданного значения позволяют поддерживать в электролизере на оптимальном уровне как баланс между подводимым теплом и его потерями, так и баланс между подаваемым в электролизер глиноземом и его потреблением в процессе электролиза.

Таким образом, существенность заявляемых приемов управления определяется возможностью достижения положительного эффекта: повышения выхода по току и снижения удельного расхода электроэнергии.

Система управления, реализующая заявляемый способ управления процессом электролитического получения алюминия, представлена на фиг. 1. На фиг. 2 представлен график изменения заданного значения концентрации глинозема в электролите.

Электролизер 1 (на фиг. 1) подключен к анодной 2 и катодной 3 ошиновке и снабжен угольным анодом 4 и устройством 5 для порционной подачи глинозема. Величина подаваемой дозы глинозема определяется конструкцией устройства 5 и обычно постоянна, а частота подачи порций меняется. Рабочее напряжение электролизера измеряется измерителем 6, сила тока - измерителем 7. В качестве измерителя напряжения можно применять, например, нормирующие преобразователи типа Е-846, в качестве измерителя тока - шунты с нормирующими преобразователями типа Е-826. Выходы измерителей 6, 7 соединены с входами вычислительного блока 8, реализующего математическую модель электролизера. На один из входов блока 8 подают сигнал о количестве подаваемого глинозема, например, сигнал о срабатывании дозатора глинозема с известным объемом дозы.

В блоке 8 происходит определение приращений измеренных величин и определение величины междуполюсного расстояния, температуры расплава и концентрации в нем глинозема, напримеp, по следующим рекуррентным соотношениям (1) где l, С, T, Δ T - оцениваемые значения соответственно МПР, концентрации глинозема, температуры и ее отклонения; R, E, G - соответственно сопротивление электролизера, обратная ЭДС и расход загружаемого глинозема; U, I, Δ U, Δ I - напряжение, ток и их приращения; ρ - удельное сопротивление электролита; Р_l, Р_т, Р_с, К₁, К₂ - коэффициенты модели; индекс НОМ - относится к номинальному значению; n, n-1 - относится к n-му (n-1)-му такту измерения (управления).

Коэффициенты модели К₁ и К₂ определяются по литературным данным о чувствительности обратной ЭДС к температуре и концентрации глинозема (например, А. И. Беляев, М. Б.Рапопорт, Л.А.Фирсанова. Электрометаллургия алюминия. М. , Изд. лит-ры по черной и цветной металлургии. 1953, с. 116-124) и для принятого на отечественных заводах технологического регламента равны К₁ = 3 ˙ 10^-3 В/К; К₂ = 2,5х10^-2 В ˙ ч/(%).К₂.

Удельное сопротивление электролита (ρ) также определяется по литературным данным (см. там же, стр. 92).

Коэффициенты Р_т, Р_l, Р_с вычисляются через время усреднения Туср результатов измерений тока и напряжения, например, по формулам P_т = ; P_l = ; P_c = , (2) где D₁ - дисперсия колебаний тока (определяется по экспериментальным данным и обычно составляет 3-6% от номинального значения тока); δ G - заданный диапазон изменения расхода загружаемого глинозема (зависит от конструкции электролизера). Время усреднения Т_уср выбирается из диапазона 0,2-0,6 ч и уточняется при настройке системы.

Один из выходов вычислительного блока 8 соединен с входом блока 9, в котором производится определение заданного значения концентрации глинозема в расплаве.

Блоки 10, 11 и 12 являются блоками сравнения и подключены к выходам блока 8.

В блоке сравнения 10 происходит сравнение величины междуполюсного расстояния l_n с его заданным значением l_з, поступающим от задатчика 13. В блоке сравнения 11, на который также подключен выход вычислительного блока 8, происходит сравнение температуры Т_n с ее заданным значением T_з, поступающим от задатчика 14. В блоке сравнения 12 происходит сравнение концентрации глинозема в электролите С_n с заданным значением С_з, поступающим из блока 9. Входы блока 9 соединены с выходами вычислительного блока 8 и задатчиков 15 и 16 нижнего и верхнего предельного значения концентрации глинозема. Блоки 17, 18 являются регуляторами. В регуляторе 17, на который подключены выходы блоков сравнения 10 и 11, происходит определение необходимой величины перемещения Δ l анодного массива 4 с помощью двигателя 19. Величина перемещения может определяться с помощью двигателя 19. Величина перемещения может определяться так:
Δ l = (l_з - l_n) + K₃(Т_з - Т_n), (3) где К₃ - настроечный коэффициент регулятора.

В регуляторе 18, на который подключен выход блока сравнения 12, производится определение необходимого изменения частоты подачи постоянных порций глинозема, например, по закону
Δ f = K₄(C - С_n), (4) где К₄ - коэффициент регулятора.

Коэффициенты передачи регуляторов К₃ и К₄ определяются известными методами настройки общепромышленных регуляторов (например, кн. Ротач В.Я., Крузин В.Ф., Клюев А.С. и др. "Автоматизация настройки систем управления". М. , Энергоатомиздат. 1984, с. 61-70). В качестве первоначальных значений этих коэффициентов можно принять
К₃ = 1 мм/К; K₄ = Гц/%
Команда на изменение частоты подачи порций глинозема поступает в устройство 5, а сигнал о срабатывании устройства 5 - на один из входов вычислительного блока 8.

Блок 9 в зависимости от определенного в блоке 8 значения концентрации глинозема С_n (фиг. 2) устанавливает заданное значение концентрации глинозема в электролите С_з, которое должно быть выдержано при управлении. При снижении концентрации глинозема С_n ниже нижнего предельного значения С_н заданное значение концентрации устанавливают на максимальном значении С_з^max, а при повышении концентрации глинозема выше верхнего предельного значения С_в заданное значение концентрации устанавливают на минимальном значении С_з^min, что реализуется следующим алгоритмом
C_з(t+1)= _, (5) где индекс t относится к текущему, а (t + 1) - к последующему такту управления. В момент возникновения анодного эффекта (что выясняется по анализу величины U_n, например, при U_n ≥ 8в в блоке 20 происходит запоминание величины С_n. Входы блока 20 соединены с выходами блока 6 и вычислительного блока 8. В блоке 20 производится также изменение коэффициента Р_с математической модели электролизера (1) в том случае, если С_n ≠ 0,8-1,5% при анодном эффекте. При этом вычисленное по формуле (2) значение Р_с принимается за исходное, а его корректировку можно осуществлять, например, по пропорциональному закону
Р_сt = P_c(t-1) + Δ P_c,
Δ Р_с = К₅(С_n - C_АЭ), (6) где С_Аэ - критическая концентрация при анодном эффекте, (равна ≈ 1,0%);
К₅ - настроечный коэффициент, ориентировочно равный 1,2 ч/в·кг . Блоки 8-18, 20 могут быть реализованы с помощью программы в ЭВМ, например, типа СМ-2М, имеющей аналоговые вводы для приема сигналов тока и напряжения, дискретные вводы для приема сигналов срабатывания дозаторов и дискретные выводы для управления механизмами перемещения анода и изменения частоты работы дозирующих устройств.

П р и м е р 1. Работа по способу-прототипу.

Процесс электролитического разложения глинозема проводят в электролизерах типа С-175 МЗ с предварительно обожжеными анодами на силу тока 175 кА. Частота измерения тока и напряжения - 1 раз в две секунды. Средние за 20 мин значения тока и напряжения
U₁ = 4,1 B; I₁ = 170 кА.

Заданное значение сопротивления - R _задан = 15 мк ˙ Ом.

Сопротивление электролизера (при величине обратной ЭДС Е_ном = 1,6 В) равно
R₁ = = = 14,7 мк·Ом
Регулирующее воздействие - перемещение анодного массива вверх составит
Δl₁ = K₆(R_задан-R₁) = 6(15,0 - 14,7) = 1,8 мм/ где К₆ = коэффициент передачи объекта, К₆ = 6 мм/мк.Ом. Частота подачи постоянных порций глинозема с помощью 4-х питателей точечного типа с массой дозы 1,7 кг была установлена f₁ = 1 раз в 3 мин. При каждом срабатывании дозирующих устройств в электролизер поступает 4х1,7 = 6,8 кг глинозема.

Другая фиксированная частота срабатывания дозирующих устройств составляла f₂ = 1 раз в 6 мин.

В первый момент времени была установлена редкая частота работы дозирующего устройства (f₂).

На следующем также управления (через 20 минут) получили:
U₂ = 4,3 В; I₂ = 170 кА;
R₂ = = 15,9 мк·Ом Регулирующее воздействие: Δ l₂ = 6(15,0-15,9) = -5,4 мм - перемещение вниз.

Скорость изменения сопротивления:
Δ R = R₂ - R₁ = 15,9 - 14,7 =
= 1,2 мк ˙ Ом/20 мин. ΔR_задан = 1 мк ˙ Ом/20 мин - заданная скорость изменения сопротивления. Поскольку Δ R > Δ R_задан, то произошло пере- ключение частоты срабатывания устройств с f₂ на f₁.

Технологические результаты работы электролизера по способу-прототипу (за интервал времени 3 сут):
выход по току 85%;
расход электроэнергии 17000 кВт·ч/т ;
изменение температуры электролита: 955-978^оС;
изменение концентрации глинозема в расплаве: 0,5%-8,5%;
частота анодных эффектов: 3,0 раза в сутки на ванну;
расход фторсолей ≈ 45,0 кг/т;
П р и м е р 2. Работа по предлагаемому способу.

Процесс электролиза проводят в тех же электролизерах и при тех же условиях, что и в примере 1.

По массиву измеренных за 20 мин значений тока I₁ = 170 кА, напряжения (U₁ = 4,1 В) и расхода глинозема (G₁ = 28 кг/20 мин) были определены с помощью математической модели (1) электролизера:
- приращения этих параметров
Δ U₁ = U₁ - U₀) = 4,1 - 4,2 = -0,1 В,
Δ I₁ = I₁ - I₀ - 170 - 175 = -5 кА, (здесь I₀, U₀ - изменение на предыдущем такте управления значения тока и напряжения)
- значение междуполюсного расстояния:
l₁ = l₀ + P_lI₁(U₁ -I₁R₀ - E_n-1) =
= 50,0 + 1 ˙ 10^-1 ˙ 170(4,1 - 170 ˙ 15,0 х 10^-3 - 1,6) = 49,15 мм, где l₀, R₀ - значения l, R на предыдущем такте управления
P_l= 1,10,
- значение температуры электролита
Т₁ = Т_ном + Δ Т₁ = Т_ном + Δ Т₀ +
+ Р_т(Δ U₁ - Δ I₁R₀ - E₁ + E₀) = 965 +
+ 50(-0,1 + 5 х 15,0 х 10^-3 - 1,65 + 1,6) =
= 961^оС, где Т_ном - номинальное значение температуры электролита;
Е₀ - значение обратной ЭДС на предыдущем такте управления;
P_т= 50,0 - значение концентрации глинозема
С₁ = С₀ + Р_с(G_n - G_ном)(Δ U₁ - Δ l₁R₀ -
-E₁ + E₀) = 3,0 + 1,0 (28 - 25)(-0,1 +
+ 5,0 х 15,0 х 10^-3 - 1,65 + 1,6) = 2,78%, где С₀ - значение концентрации, определенное на предыдущем такте управления
P_c= 1,0 ,
заданные значения:
l_з = 50,0 мм, Т_з = 965^оС
Регулирующее воздействие (формула 3):
Δ l₁ - (50,0 - 49,15) + 0,1(965 - 961) = 1,25 мм - перемещение вверх, где 0,1 мм/^oС - коэффициент регулятора К₃.

Расчет регулирующего воздействия по частоте подачи порций глинозема
С_з = С_з^min = 2,0%; f₀ = 1 раз в 5 мин (1 раз в 300 с) - частота срабатывания дозирующих устройств на предыдущем такте управления.

где K₄ = + · . На следующем такте регулирования
U₂ = 4,3; Δ U₂ = + 0,2 В;
I₂ = 175 кА; Δ I₂ = 5 кА;
Δ G₂ = 33 - 25 = 8 кг/20 мин;
l₂ = 50,0 мм, Т₂ = 965^оС; С₂ = 2,6%; f₂ = 1/290 = 3,4 ˙ 10^-3 Гц, т.е. 1 раз в 290 с.

На одном из тактов регулирования было определено С_n = 1,9%.

При этом С_n = 1,9% < С_з^min = 2,0% и произошло изменение заданного значения концентрации глинозема с С_з^min = 2,0% на С_з^max = 3,0%.

Еще на одном такте управления получили
U_n = 10 В, С_n = 1,6% (анодный эффект) При этом приращение Δ Р_с = 1,2(1,6 - 1,0) = 0,72 и Р_с изменили со значения 1,0 на значение 1,72 .

Технологические результаты работы электролизера по предлагаемому способу (в течение трех суток):
выход по току 85,7%;
расход электроэнергии 16500 ;
изменение температуры электролита 958-971^оС;
изменение концентрации глинозема 0,5-4,5%;
частота анодных эффектов 1,0 раз в сутки на ванну;
расход фторсолей 43,2 кг/т.

Применение предлагаемого способа управления позволяет снизить удельный расход электроэнергии на 500 кВт ˙ ч/т.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ В ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЕ, включающий измерение напряжения U на электролизере, силы проходящего через него тока I, определение сопротивления R электролизера, изменение положения анодного массива и частоты подачи порций глинозема с заданного по технологии минимального значения на максимальное в зависимости от текущего содержания глинозема в расплаве, отличающийся тем, что с целью повышения выхода по току и снижения удельных затрат электроэнергии и фторсолей за счет стабилизации энергетического и технологического режима процесса электролиза, дополнительно измеряют количество G загружаемого в электролизер глинозема, определяют приращение тока Δ I_n, напряжения Δ U_n и количества Δ G_n загружаемого глинозема на каждом такте n измерения, вычисляют с учетом Δ I_n , Δ U_n, Δ G_n - по математической модели значения межполюсного расстояния l_n, температуры T_n расплава и концентрации C_n в нем глинозема, изменяют положение анодного массива в зависимости от вычисленных l_n и T_n и заданных l_з и T_з по технологии значений, при этом заданное по технологии значение концентрации глинозема изменяют с минимального значения на максимальное при снижении концентрации глинозема ниже нижнего предельного по технологии значения и изменяют заданное по технологии значение концентрации глинозема с максимального значения на минимальное при повышении концентрации глинозема выше верхнего предельного по технологии значения, причем математическую модель для вычисления C_n корректируют при наличии анодного эффекта и C_n < 0,8% или C_n > 1,5%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2