本發(fā)明涉及鋁冶金，具體地涉及通過熔融鹽還原生產(chǎn)鋁的方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)今，鋁冶煉廠都裝備有電解還原槽(電解槽，reduction cell)用的微處理機(jī)控制器(工業(yè)控制器)。這些控制器通過改善電解還原槽中陽(yáng)極至陰極距離的最佳控制，使得能夠達(dá)到鋁還原過程的最大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

使用電解還原槽微處理機(jī)控制器，確保了電解還原槽中電解槽系列電流和電阻性電壓降的連續(xù)測(cè)量。在出現(xiàn)電解槽系列電流振蕩、反EMF以及鋁還原過程中其它變量參數(shù)變化的情況下，由于工業(yè)過程中引入的干擾(disturbance)的及時(shí)配準(zhǔn)(registration)和補(bǔ)償，這使得可以延長(zhǎng)控制鋁還原過程的電位。

過程中引入的干擾的最大配準(zhǔn)，排除它們對(duì)電解還原槽陽(yáng)極至陰極距離(ACD)的維持穩(wěn)定性的不利影響，允許實(shí)現(xiàn)還原過程的最大技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。這要求根據(jù)電解還原槽電壓控制的每個(gè)周期中電解還原槽的熱和過程狀態(tài)的變化來(lái)維持最佳ACD值，并且在最大時(shí)間周期過程中維持過程的最佳條件。

在工業(yè)條件下使用以下用于測(cè)量電解還原槽的偽電阻的間接電法：

R_acd＝(U_rc–E_o)/I_c。

電解還原槽電壓(U_rc)、反EMF(E_o)、通過電解還原槽的電解槽系列電流(I_c)這樣的變量參數(shù)在不斷變化，并且需要通過陽(yáng)極位移來(lái)調(diào)整陽(yáng)極至陰極距離來(lái)穩(wěn)定電解還原槽電阻。

電解還原槽電壓是其導(dǎo)電部件中電壓降的總和：

U_rc＝U_母線+U_陰極+U_{陽(yáng)極}+U_acd+E_o，

其中U_母線是電解還原槽母線的電壓降，U_陰極是陰極的電壓降，U_{陽(yáng)極}是陽(yáng)極的電壓降，U_acd是ACD的電壓降，E_o是反EMF。這在U_acd的確定以及電解還原槽的穩(wěn)定熱和過程狀態(tài)的維持中引入了誤差。

根據(jù)電解還原槽熱平衡的維持，

Q_rc+Q_{陽(yáng)極}＝Q_分解+Q_金屬+Q_氣體+Q_損失，

其中：Q_rc是由電能產(chǎn)生的熱供應(yīng)；Q_{陽(yáng)極}是由陽(yáng)極燃燒產(chǎn)生的熱供應(yīng)；Q_分解是氧化鋁分解的熱量消耗；Q_金屬是隨排出鋁的熱損失；Q_氣體是隨廢氣的熱損失；Q_損失是電解還原槽結(jié)構(gòu)元件的外部熱損失；電解還原槽的熱和過程狀態(tài)的穩(wěn)定性是由電流產(chǎn)生的加熱功率決定的：

Q_rc＝0.86×I×U_加熱，

其中0.86是熱當(dāng)量，I是電流，A，U_加熱是電解還原槽的加熱電壓，V。

目前，電解還原槽的最佳熱和過程狀態(tài)是由如下的還原電壓維持的：

U_還原＝(U_操作-Eo)I_還原/I_{電解槽系列}+E_o，

其中，U_操作是電解還原槽的操作電壓，Eo是反EMF，I_額定是額定電流，I_{電解槽系列}是電解槽系列電流。當(dāng)E_o具有最可能的平均值1.55V時(shí)，提供這些計(jì)算以定期調(diào)整電解還原槽，從而穩(wěn)定反EMF(E_o)和電解槽系列電流(I_{電解槽系列})中的U_acd防止變化。

在使用微處理機(jī)控制器對(duì)電解還原槽進(jìn)行連續(xù)電壓測(cè)量的條件下(U_還原)，根據(jù)電解還原槽的熱平衡，提供加熱功率和熱釋放的間接估計(jì)。這不包括在電解槽系列電流變化、反EMF、和具有常規(guī)恒定值的其他變量參數(shù)的情況下的任何功率變化，而且不包括死區(qū)(60mV)，在該死區(qū)中不調(diào)整電解還原槽；所需的功率保持隨機(jī)。

在電解還原槽的調(diào)整過程中，這在電解還原槽中為了維持電解還原槽的最佳過程狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)最大性能指標(biāo)所需功率的釋放的評(píng)估中增加了誤差。

在電解還原槽中使用最小電壓并且在浴中使用最小氧化鋁濃度，可以實(shí)現(xiàn)最大的金屬生產(chǎn)和電力的最低消耗，所述最小電壓和最小氧化鋁濃度不會(huì)引起電解還原槽電壓(反EMF)的電化學(xué)分量的自發(fā)增長(zhǎng)。在給定的工藝條件下，有必要在電解還原槽中維持最小功率的釋放、配準(zhǔn)過程中包括的所有干擾并且在陽(yáng)極位移的過程中實(shí)現(xiàn)最大的ACD穩(wěn)定化。在這種情況下，必須根據(jù)電解還原槽的過程狀態(tài)的改變來(lái)維持電解還原槽中的最小功率釋放，在陽(yáng)極位移過程中減少與陰極鋁氧化相關(guān)的損失，并且排除相對(duì)于電解還原槽中最小功率釋放的任何電力消費(fèi)的不合理增長(zhǎng)。

一種已知的鋁電解還原槽控制的方法(RF專利號(hào)2166011,cl.C25C3/20,公開于2001年4月27日)基于以下同時(shí)測(cè)量：電解還原槽端部部分之一上蜂窩式電流引線的陽(yáng)極母線和陰極母線之間的電解還原槽電阻的測(cè)量，以及電解還原槽的中端陰極母線和相對(duì)端的陰極母線的電阻差異的測(cè)量?；陔娊膺€原槽的電阻，通過從中扣除陰極母線之間的電阻差，考慮該電阻差的正負(fù)號(hào)，對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行位移。從電解還原槽的電阻中扣除陰極母線之間的最大電阻差；基于具有最小ACD值的部分處的電解還原槽電阻，進(jìn)行陽(yáng)極位移。

已知ACD調(diào)整方法的缺點(diǎn)(不管所有它們的優(yōu)點(diǎn))是，通過相對(duì)于電解還原槽的設(shè)定電壓的還原電壓和死區(qū)、以及電解還原槽電壓的固定電化學(xué)分量進(jìn)行陽(yáng)極位移，并且在改變電解還原槽的還原過程和過程狀態(tài)的可變參數(shù)的條件下，缺乏電解還原槽電阻的自動(dòng)及時(shí)調(diào)整。

與所建議的方法最接近的等效方法(無(wú)論是從技術(shù)上還是就所實(shí)現(xiàn)的結(jié)果而言)是鋁電解還原槽控制的方法(RF專利號(hào)2202004,C25C 3/20,公開于2003年4月10日)。依據(jù)該原型方法，測(cè)量電壓降以獲得由電化學(xué)和歐姆分量組成的電解還原槽的電阻。將測(cè)量的值與電解還原槽中的設(shè)定電壓降值進(jìn)行比較。通過相關(guān)陽(yáng)極位移來(lái)消除失配。相對(duì)于電解還原槽中的設(shè)定電壓降，建立等于電壓降電化學(xué)分量的可能變化值的電壓降區(qū)。在該區(qū)域中的陽(yáng)極位移基于電解還原槽中釋放的加熱功率和設(shè)定值之間的失配。所采用的改變加熱功率的周期等于消除失配而不改變電解還原槽的熱狀態(tài)。

最接近等效方法和用于調(diào)整電解還原槽的已知方法的缺點(diǎn)是，加熱功率和設(shè)定值之間失配的消除。加熱功率的設(shè)定值是由電解還原槽的調(diào)整用的預(yù)設(shè)值決定的，所述預(yù)設(shè)值由電解車間人員(每天一次)根據(jù)陽(yáng)極效應(yīng)的頻率和表征電解還原槽的熱狀態(tài)的其它間接過程參數(shù)定期地選擇。電解還原槽電壓的設(shè)定值間接地決定所需功率的釋放，以維持電解還原槽的最佳過程狀態(tài)，同時(shí)通過反EMF變化和電解還原槽電阻的任何其它變量參數(shù)影響該過程。這不允許考慮電解還原槽操作的所有變量參數(shù)、在最大周期過程中在電解還原槽中維持最小的功率釋放、和實(shí)現(xiàn)電解還原槽操作的最大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的涉及所建議的方法，用于增強(qiáng)電解還原槽操作的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。

本發(fā)明的技術(shù)結(jié)果是電力消耗的減少、當(dāng)前金屬產(chǎn)率(電流金屬產(chǎn)率，current metal yield)的增加、維護(hù)電解還原槽的勞動(dòng)強(qiáng)度的降低。

所述技術(shù)結(jié)果是通過以下實(shí)現(xiàn)的：依據(jù)鋁電解還原槽控制的方法，根據(jù)其，測(cè)量了該電解還原槽中的電阻性電壓降(電阻電壓降，resistive voltage drop)，然后將測(cè)量值與電解還原槽中的設(shè)定電壓降值進(jìn)行比較并且通過陽(yáng)極位移(anode displacement)消除失配，其特征在于，所述陽(yáng)極位移減少加熱功率與設(shè)定值之間的失配(mismatch)直到電解還原槽中釋放最小功率，通過電解還原槽電壓的電化學(xué)分量(electrochemical component)的自發(fā)增長(zhǎng)來(lái)確定此種最小功率的釋放，并且通過相關(guān)陽(yáng)極位移來(lái)維持這種失配而不改變電解還原槽的熱狀態(tài)。在電解還原槽熱時(shí)間恒定(熱時(shí)間常數(shù)，thermal time constant)周期期間，產(chǎn)生在加熱功率和設(shè)定值之間的失配，伴隨電解還原槽中最小功率的釋放，并且在測(cè)量電解還原槽中的電阻性電壓降的每個(gè)周期中保持這種失配?；陔娊膺€原槽中的最小功率與其操作的當(dāng)前周期(電流周期，current period)期間的設(shè)定值之間的失配、以及其操作的進(jìn)一步周期期間預(yù)測(cè)的最小功率釋放，確定陽(yáng)極位移。通過電解還原槽中至最小值的可能功率降低值進(jìn)行陽(yáng)極位移，并通過電解還原槽電壓的電化學(xué)分量的自發(fā)增長(zhǎng)值增加功率，維持電解還原槽中最小功率的釋放而不改變電解還原槽的熱狀態(tài)。通過與來(lái)自過程中引入的所有干擾的鋁還原過程的所有變量參數(shù)同時(shí)電解還原槽電壓的電化學(xué)分量的自發(fā)增長(zhǎng)，確定最小功率的釋放。

基于電解還原槽操作的當(dāng)前周期給定功率以及電解還原槽操作的相關(guān)周期期間的最小功率和設(shè)定值之間的失配的產(chǎn)物(乘積，product)，確定電解還原槽的進(jìn)一步周期期間的給定功率。在電解還原槽中在最小功率釋放的情況下在加熱功率和設(shè)定值之間產(chǎn)生陽(yáng)極位移失配決定用于穩(wěn)定操作電解還原槽所需的最小加熱功率釋放、為維持最佳ACD的除變量參數(shù)之外的電解還原槽的最佳電壓、電解還原槽操作的最大周期并且確保實(shí)現(xiàn)還原過程的最大指標(biāo)。

通過電解還原槽電壓的電化學(xué)分量的自發(fā)增長(zhǎng)來(lái)確定最小功率釋放以及使用相關(guān)陽(yáng)極位移來(lái)維持這種失配而不改變電解還原槽的熱狀態(tài)，排除了死區(qū)(dead band)并且在測(cè)量電壓的整個(gè)范圍內(nèi)擴(kuò)大了調(diào)整電解還原槽的加熱功率的可能性，從而在最大時(shí)間周期過程中，在電解還原槽操作的當(dāng)前工藝條件下保持最小功率。

在電解還原槽熱恒定的周期期間，隨著電解還原槽中最小功率的釋放，引入加熱功率和設(shè)定值之間的失配，并且在每個(gè)測(cè)量電解還原槽中電阻性電壓降的周期中保持這種失配而不改變電解還原槽的熱狀態(tài)，排除了最小功率的評(píng)估誤差并且使得電解還原槽的過程狀態(tài)排除使用反EMF的平均值、具有常規(guī)恒定值的變量參數(shù)以及過程中引入的任何電解槽系列(potline)電流振蕩和電解還原槽中過程操作的性能。

通過電解還原槽中最小功率與在其操作的當(dāng)前周期期間的設(shè)定值的差異(divergence)確定陽(yáng)極位移，并且在其操作的進(jìn)一步周期期間預(yù)測(cè)的最小功率釋放確定最佳的陽(yáng)極位移，從而在其操作的進(jìn)一步周期期間維持電解還原槽的最佳過程狀態(tài)。

通過電解還原槽中至最小值的可能功率降低值和電解還原槽電壓的電化學(xué)分量的自發(fā)生長(zhǎng)值的功率增長(zhǎng)，進(jìn)行陽(yáng)極位移而不改變電解還原槽的熱狀態(tài)，從而維持電解還原槽中的最小功率釋放，確定了還原過程穩(wěn)定性的最佳區(qū)域，從而在電解還原槽操作的當(dāng)前過程條件下維持最佳的ACD。

通過與來(lái)自在該過程中引入的干擾的鋁還原過程的所有變量參數(shù)同時(shí)電解還原槽電壓的電化學(xué)分量的自發(fā)增長(zhǎng)，對(duì)最小功率釋放進(jìn)行計(jì)算，提供了電解還原槽操作的所有變量參數(shù)的綜合分析以及在其操作的當(dāng)前工藝條件下對(duì)它們的最佳補(bǔ)償。

通過電解還原槽操作當(dāng)前周期期間設(shè)定功率值以及在電解還原槽操作相關(guān)周期期間最小功率與設(shè)定值之間的失配之和，計(jì)算電解還原槽操作進(jìn)一步周期期間的設(shè)定功率，通過最小功率和設(shè)定值之間失配的客觀電氣參數(shù)，確定其操作進(jìn)一步周期期間電解還原槽的最佳設(shè)定電壓。

附圖說明

圖1-顯示調(diào)整工業(yè)電解還原槽的比較效率的參數(shù)的表。

圖2-使用已知的工藝方案通過工業(yè)控制器PCS“SHUEBM”調(diào)整的第009號(hào)工業(yè)電解還原槽的電壓圖。

圖3-使用所建議的方法通過工業(yè)控制器PCS“SHUEBM”調(diào)整的第008號(hào)工業(yè)電解還原槽的電壓圖。

附圖符號(hào)

圖2和3顯示了在同一周期中在相同的工藝條件下操作的RUSAL Bratsk精煉廠(smelter)第5號(hào)電解車間的第009號(hào)和第008號(hào)類似工業(yè)電解還原槽的還原電壓U_還原的兩幅圖；電解還原槽的還原電壓U_還原是使用已知的方法和建議的方法通過工業(yè)電解還原槽控制器PCS“SHUEBM”來(lái)調(diào)整的。

還原電壓圖顯示，左軸確定電解還原槽的電壓，單位：伏特；右軸指示在電解還原槽中流動(dòng)的電流強(qiáng)度，單位：千安培。下軸表征當(dāng)天的24小時(shí)周期，其被拆分為5分鐘的電解還原槽電壓的控制時(shí)間及調(diào)整的間隔；圖顯示了所測(cè)量的以及調(diào)整的參數(shù)的288個(gè)值的實(shí)例。

圖中的數(shù)字符號(hào)標(biāo)記如下：

1-相對(duì)于電解還原槽的設(shè)定電壓(U_設(shè)定)的中心線的死區(qū)±30mV，

2-在通過已知的方法和建議的方法調(diào)整的情況下，電解還原槽的還原電壓的時(shí)間變化，

3-箭頭，其指示當(dāng)調(diào)整電解還原槽的還原電壓時(shí)陽(yáng)極位移的時(shí)間和方向，

4-線，其指示在其操作的當(dāng)前工藝條件下在電解還原槽調(diào)整的情況下最小功率的陽(yáng)極位移的維持，

5-在電解還原槽中測(cè)量的操作電壓(U_操作)的時(shí)間變化，

6-箭頭，其指示當(dāng)調(diào)整電解還原槽的最小功率時(shí)陽(yáng)極位移的時(shí)間和方向。

依賴性(dependences)2中的還原電壓的最大發(fā)散峰(maximum divergence peak)指示當(dāng)陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生時(shí)的過程中包括的干擾效應(yīng)；

通過調(diào)整電解還原槽的最小功率而消除了死區(qū)3，這允許在測(cè)量電壓的整個(gè)范圍內(nèi)以及在電解還原槽操作時(shí)間的每個(gè)周期期間維持最小功率，從而實(shí)現(xiàn)最大金屬生產(chǎn)和最小的電力消耗。

具體實(shí)施方式

圖1的表中列出了調(diào)整工業(yè)電解還原槽的比較效率的參數(shù)，顯示了所建議的控制方法相對(duì)于已知的技術(shù)方案的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)通過已知的技術(shù)方案應(yīng)用控制方法時(shí)(參見圖2)，用于計(jì)算還原電壓的公式

U_還原＝(U_操作-E)I_還原/I_{電解槽系列}+E

使用從1.3V變化至1.8V的平均值為1.55V的反EMF、60mV的死區(qū)，并且不考慮無(wú)論何時(shí)電解槽系列電流變化時(shí)的功率變化以及任何其它變量過程參數(shù)的變化和電解還原槽及其過程狀態(tài)的操作動(dòng)態(tài)變化。

已知的控制方法不考慮在電解還原槽在4,270-4,330mV范圍內(nèi)改變電壓的條件下加熱功率釋放的任何差異。在60mV范圍的死區(qū)內(nèi)不調(diào)整電解還原槽；最大操作性能指標(biāo)是隨機(jī)實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)應(yīng)于最小電力消耗和最大金屬生產(chǎn)的電解還原槽的操作條件在電解還原槽中被相對(duì)于死區(qū)隨機(jī)地保持，并且由電解車間工藝員每天一次改變調(diào)整用預(yù)設(shè)值來(lái)選擇(不及時(shí))。

已知控制方法的受限制的能力不允許綜合配準(zhǔn)(integrated registration)過程中引入的所有干擾、電解還原槽過程狀態(tài)的及時(shí)全面評(píng)估性能，這降低了使用工業(yè)電解還原槽控制器的效率以及防止了鋁生產(chǎn)的最大指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)并且降低電力消耗。

當(dāng)采用所建議的鋁電解還原槽控制方法時(shí)(參見圖3)，基于多個(gè)參數(shù)以及它們變化的動(dòng)態(tài)的分析，計(jì)算出了最小功率曲線；其表征了電解還原槽的熱和過程狀態(tài)相對(duì)于設(shè)定電壓的變化。

相對(duì)于最小功率曲線維持電解還原槽的電壓以及ACD值，其考慮到了電解還原槽操作的變量參數(shù)及其過程狀態(tài)的任何變化，這使得在其操作時(shí)間的每五分鐘周期內(nèi)能夠改善電解還原槽的最佳調(diào)整并且實(shí)現(xiàn)還原過程的最大指標(biāo)。

所建議的控制方法消除了死區(qū)；ACD在測(cè)量電壓的整個(gè)范圍內(nèi)被保持，并且考慮到了電解還原槽的當(dāng)前過程狀態(tài)。

在所改變并且調(diào)整的參數(shù)的288個(gè)值中，被調(diào)整的設(shè)定值的最小功率參數(shù)的差異(發(fā)散，divergence)改變了74mV，根據(jù)給定10mV電壓的改變步驟，可以將最小功率維持在為每5分鐘電解還原槽操作周期內(nèi)最佳設(shè)定電壓的7個(gè)預(yù)設(shè)值的范圍內(nèi)。電解還原槽的變量操作參數(shù)隨著反EMF(Eo)最佳維持的變化連同其操作的任何其它變量參數(shù)的變化是在設(shè)定電壓范圍內(nèi)自動(dòng)及時(shí)配準(zhǔn)的。

所建議的控制方法可以控制金屬的生產(chǎn)條件和電力消耗，選擇確保較少不合理電極間間隙變化的調(diào)整條件；電解還原槽實(shí)現(xiàn)了最大性能，并且在電解還原槽中以不間斷電力供應(yīng)和周期性氧化鋁供應(yīng)以及在過程中引入任何其它干擾，將該最大性能保持最大時(shí)間周期。

表(圖1)顯示，由于在通過所建議的方法調(diào)整電解還原槽的情況下，減少了位移數(shù)以及陽(yáng)極位移的距離，所以ACD維持穩(wěn)定性增加了25-30％。同時(shí)，電解還原槽電壓降低了30-40mV。當(dāng)采用所建議的鋁電解還原槽控制方法時(shí)，在每五分鐘電解還原槽操作周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)了最大的金屬生產(chǎn)和最小的電力消耗，這是增強(qiáng)現(xiàn)有電解還原槽的性能指示的額外技術(shù)儲(chǔ)備。

所取得的工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果使得每噸生產(chǎn)的金屬能夠降低250-300kWt/小時(shí)的電力消耗，將當(dāng)前金屬產(chǎn)率提供0.5％，在電解車間擴(kuò)大了關(guān)于電解還原槽過程階段的可視化信息量，這使得人員能夠提供更客觀的過程維護(hù)并且將電解還原槽維護(hù)操作的勞動(dòng)強(qiáng)度降低5-10％。

所建議的通過最小功率對(duì)鋁電解還原槽進(jìn)行控制的方法，可以在國(guó)內(nèi)外鋁冶煉廠制造的所有鋁電解還原槽的變型中使用。

這種方法的工業(yè)試驗(yàn)進(jìn)行了一年，使用了一組6個(gè)RUSAL Bratsk冶煉廠的電解還原槽。