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2005年第5期山东煤炭科技
铝电解生产工艺自动控制研究
泰安泰山铝业公司 朱振国
摘 要 通过研究熔融电解质过热度对电流效率的影响,找到并建立190kA系列生产槽的最佳工艺技术条件和工艺操作管理制度,建立更合理可靠的过程监控与管理模型,从而达到电解质过热度的最佳控制效果,并将其数学模型应用于计算机的控制,以此获取大型预焙槽的节能高效生产。关键词 电解铝生产 自动控制 技术
1%”,或者“电解温度每提高10℃,电流效率降低1%”,这些
1 国内外研究综述1.1 电流效率提高的意义
工业铝电解生产有两个最重要的技术经济指标:(1)电解槽的电流效率CE;(2)电解槽的直流电耗,以下式表示:V平W=2980・(kWhΠt・Al)CE式中V平—电解槽的平均槽电压。由该式可以看出提高铝电解槽的电流效率有双重意义,它不仅可以不增加任何投入就能提高铝的产量,而且提高电流效率,降低电耗,平均电流效率提高1%,直流电耗降低150kWhΠt・Al左右。
目前工业电解槽的电流效率达到了93%以上,比较好的电解槽的效率可以达到95%以上。我国大多数电解铝厂预焙阳极电解槽的电流效率能在93%左右。1.2 电解质成份对电流效率的影响电解质分子比是电解槽的重要工艺技术参数,电解槽要想获得93%的电流效率,分子比在2.3～2.5之间,是其基本的技术条件。电解质分子进一步降低,电流效率还会明显地提高。但是低的电解质分子比,虽然会给电解槽带来高效率,但给工艺操作也带来一定的难度,最明显的就是当电解质分子比在2.0～2.1时,电解槽容易出现大量沉淀,槽帮不容易形成结壳,槽膛不规整。因此我国电解铝厂在电解槽的工艺技术的操作中,一般都把电解槽电解质分子比控制在2.3～2.5之间或稍高一些,个别铝厂曾尝试过2.0～2.2低分子比的操作,最终因出现上述问题而不得不将分子比又调回到2.3～2.5或稍高一些。1.3 电解温度控制对电流效率的影响除电解质分子比外,铝电解槽的另一个重要工艺和技术参数是电解温度。传统观念认为,随电解温度升高,电流效率会下降,平均电解温度每提高10℃,电流效率会下降1%左右;而另一个研究报告得出电解温度每降低10℃,电流效率提高2～3%。在工业电解槽上,不同的电解槽会有不同的电解温度。不同的电解质成份,电解质分子比,也会有不同的电解质初晶温度。因此,在目前的工业电解槽的计算机控制中,通常把稳定的和尽可能低的电解温度作为电解槽的控制目标。实际上,对一个电解铝厂和一个电解槽系列来说,各电解槽的电解质温度相差很大。1.4 过热度对电流效率的影响
严格来说“,电解温度每降低10℃,就会使电流效率提高
说法是不确切的。比如说,一个电解槽电解质的初晶温度为950℃,而电解质温度为960℃;另一个电解槽的电解质初晶温度为920℃,其电解质温度为950℃,那么前一个电解槽的电流效率就一定比后一个电解槽的电流效率低吗?这种结论未必是正确的。事实上,在这种情况下,就一般情况而言,恰恰是前一个电解槽的电流效率更高于后一个电解槽的电流效率。现在的研究表明,电解槽的电流效率与电解质的过热度密切相关。
所谓过热度就是指电解槽电解质的温度与该电解质的初晶温度之差△T。大量的统计数据证明,电解槽的电流效率与过热度的相关性要大大高于对电解温度的相关性。电解槽的稳定性也与电解槽过热度工艺技术参数有关。国际知名铝冶金专家和学者杜因(Dewing)在Alcan铝业公司160kA试验电解槽上,采集的电解槽电解质过热度与电流效率之间关系的测定结果得出,电解槽的过热度每降低10℃,电流效率可以提高1%左右。应该说,电解槽电解质的过热度对电解槽的工艺和操作来说,能更多地反映电解槽的工艺和操作特性,也反映了电解槽内部电解质成份变化的特性。这是因为过热度不仅仅显示了电解槽内部电解质初晶温度和电解温度的相对变化,而且这种相对的变化也能间接地提供给电解槽内部电解质物理化学性质变化的趋势,以及电解槽内部电解质成份变化和槽况变化的许多重要信息。
目前国外已经开发了工业电解槽上测量电解槽初晶温度和过热度的测量仪器,实现了对过热度和电解槽初晶温度的控制。我国也成功地开发出了这种测量仪器,形成了具有自主知识产权的技术。应该说,过热度是比电解温度更重要的铝电解工艺与技术参数,而过热度和电解质成份的控制是当今铝电解槽最先进的控制技术。
2 主要研究内容
(1)借助于国内铝电解槽电解质初晶温度、电解温度和
电解质过热度三温测定仪,对系列电解槽的电解质初晶温度、过热度和电解质温度进行跟踪测量,并同步测量电解质分子比、添加剂和氧化铝浓度、电解槽的瞬时电流效率;
(2)通过以上测量和对所测得的数据进行数学分析,建立起电流效率与电解槽初晶温度、过热度和其它各种工艺参数的数学模型,以及初晶温度和过热度与其它工艺操作参数之间的关系;
(3)通过上述模型确定铝电解槽电解质初晶温度和过热
2005年第5期 山东煤炭科技
度的最佳控制范围;
(4)在此基础上,开发出以电解质初晶温度和过热度为控制参数的新一代计算机控制软件;
(5)利用上述升级的计算机控制软件,对电解槽实施计算机控制进行生产运行试验。
3 主要创新点
(1)电解槽电解质的初晶温度、过热度和电解温度三项
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为一体的测定仪,是项目合作者研制和开发的仪器,具有自主的知识产权;
(2)在我国首次将电解槽的电解质初晶温度和过热度作为电解槽的重要工艺技术参数和控制目标,代表着国际上最先进的技术水平;
(3)将电解槽的初晶温度、过热度、电解质成份与电流效率(瞬时电流效率)进行同步测量,从这些测量研究与分析中,确定的电解槽最佳工艺条件,以及在此基础上开发的新一代计算机控制软件,具有国际领先水平。4 研究方法和技术路线(1)在本项目的研究中所要测量的内容和电解槽的各种温度、电解质分子比、氧化铝浓度、瞬时电流效率、槽电压、效
应系数、系列电流等,其中电解槽的电解温度、电解质初晶温度、过热度是借助于本项目合作单位自主开发的电解质初晶温度和过热度测量仪测得的。电解槽的电流效率在本项目研究中使用瞬时电流效率,它是利用电流效率与阳极气体组成之间的关系的皮尔逊-沃丁顿公式,借助于奥氏气体分析仪测量的,而其它的工艺参数按电解铝厂正常的测量方法进行测量。
(2)在上述大量测量数据的基础上:①对以电流效率为目标函数的其它相关数据进行数理统计分析;②对过热度、初晶温度、电解质成份与槽电压、系列电流变化等参数之间的相关关系进行系统分析。在此基础上建立起:①以稳定、高电流效率为目标的最佳工艺技术参数;②在最佳电解质初晶温度和过热度技术条件下的电解质成份和过热度的控制方法。在这些条件下开发出铝电解槽的初晶温度和过热度控制的计算机软件。
5 主要技术经济指标(1)电流效率提高不少于1%;(2)直流电耗降低不少于150kWhΠt・Al;(3)阳极效应系数不大于0.1次Π天・槽。
工艺和技术参数主要有:电解质的初晶温度、过热度、电解质
(上接第59页)25°,有效粘力c为90kPa,地下水位埋深约为3m。住宅小区的基坑开挖边线因故要东扩,基坑东侧现有4住宅楼,在东扩后的边线距此楼仅有1.5～2m,基坑深达14m。考虑到现场实际情况,本设计对基坑泥岩以上的土层
(据调查在现有建筑物下的地基已经用混凝土换土回填)维
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持已有的土钉加固系统,不再增加锚固工作。对下部泥岩采用逐步挖深、逐步支挡的逆作法原理。用型号为40c型热轧普通槽钢作为横梁和锚杆组成支挡结构体系,共设六道横梁,对泥岩范围的基坑边坡进行支挡。支挡结构上的荷载按静止土压力计算。锚杆垂直间距为b=1.9m,水平间距为Q=2m(见图2)。
2.2 泥岩层基坑侧压力及锚杆内力计算
矩形荷载分布值为:
P0+P1P= 求得:P=138.84kPa.
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由于锚杆垂直间距为1.9m,水平间距为2m,因此,每根锚杆受到的拉力为:
PN=1.9×2×138.84=527.59kN。
2.3 锚杆长度计算
锚孔孔径D为140mm,锚杆砂浆体与泥岩之间极限摩阻力τ取值为280kPa,锚杆抗拔安全系数K取1.8。
πτ=1.8×L1=K×PΠD527.5913.14×0.14×280=7.72m。
取锚固段长度为7.8m。
3 结论
(1)锚杆内力计算较为简单,满足要求,工程实践可行。(2)按自上到下逐层削方、逐层安装的逆作法原理进行,
地面超载主要为六层住宅楼的重力。单层住宅楼(砖混
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结构)荷重为为15kNΠm,则六层共为90kNΠm,超载系数取
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1.4,设计超载为q=90×1.4=126kNΠm。
将地面超载换算成填土的当量土层厚度,土体重度按
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121kNΠm;自地面到泥岩上部的土层厚度为h1=3.5m;岩层为微风化泥岩,根据经验取静止侧压力系数K0=0.43。
上部静止侧向土压力强度为:
P0=(r1h1+q)K0 求得:PO=85.79kPa
3泥岩重度取2=23.5kNΠm,基坑泥岩部分深度为
安全可靠,能在建筑密集、高楼林立,尤其是地质条件恶劣、
环境条件复杂的基坑支护中显示其特长。
(3)基坑边坡钢筋混凝土梁与预应力锚杆的支护技术具有造价低、工期短、及时快速的特点,只要掌握土或岩石的力学性能和破坏模式,采用钢筋混凝土梁与预应力锚杆的支护技术完全可以达到安全、经济、快速、高效之目的。作者简介 李金湘 男,2003年毕业于长安大学地质工程与测绘工程学院,长安大学地测学院地质工程(岩土方向)专业2003级硕士研究生。
h2=10.5m,
因此,泥岩底部静止侧向土压力强度为:P1=(r1h1+r2h2+q)K0 求得:P1=191.kPa由于横梁锚杆按自上到下逐层削方、逐层安装的逆作法原理进行,故泥岩的梯形侧压分布可以视为按矩形分布。
