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摘要：

根據氧化鋁理化特性，以提高鋁電解生產工藝電解槽穩定性、改進指標為目的，設計鋁電解生產工藝與控制管理系統，并提出鋁電解生產過程中異常情況診斷和分析的控制管理體系。

關鍵詞：

氧化鋁；指標；控制管理系統

0引言

鋁及鋁合金是國民經濟發展的重要基礎原材料，更是國防工業的戰略材料，廣泛應用于航天航空、交通運輸、民用建筑、電力、電子等各部門。2015年中國原鋁生產與消費量均突破2200萬t，約占世界50%，電解鋁行業消耗的電能占全國年總發電量的5.6%。電解鋁行業的發展與改革關系國本命脈。

1鋁電解生產系統及技術參數的設計

1.1現代鋁電解生產工藝

現在原鋁生產基本采用Hall-Heroult熔鹽電解法，生產所需的原材料為氧化鋁、氟化鹽和陽極炭塊，電解所需的直流電由整流所供給。溶解在電解質中的氧化鋁在直流電的作用下發生電解反應，氧在陽極電化學氧化并與活性炭陽極發生去極化反應生成二氧化碳，鋁在陰極發生電化學還原，以液態金屬鋁形式析出。鋁電解生產生產工藝系統如圖1所示，主要包括氧化鋁貯運及輸送、電解車間（電解槽）、電解煙氣凈化、鑄造、炭素陽極生產組裝等工藝流程。

1.2氧化鋁物化性能指標

在鋁電解槽中，冶金級氧化鋁有三大主要用途：一是作為電解原料，溶解于冰晶石溶劑中，電沉積生產原鋁；二是作為電解槽干法煙氣凈化系統的吸附劑，以循環回收電解槽向外界揮發的氟鹽和HF氣體；三是以一定比例與冰晶石(主要是電解質破碎料)混合構成電解槽陽極覆蓋料，減少電解槽揮發物及熱量散失并減少碳陽極氧化損失。因此電解工藝中要求氧化鋁，包括干法吸附后的載氟氧化鋁不僅要在冰晶石電解質中具有較好的溶解性能，而且要對電解槽煙氣中的氟鹽等顆粒和氟化氫(HF)氣體有良好的吸附能力，同時還要兼顧良好的結殼能力，使覆蓋料具有一定的機械強度和良好的保溫性能。通過全面分析氧化鋁物化性能指標對電解工藝體系的影響，能夠預判氧化鋁的電解行為，能夠為開發氧化鋁電解工藝技術體系，建立氧化鋁質量標準提供基礎數據和理論支撐。鋁電解用工業氧化鋁的主要性能指標包括粒徑分布、安息角、磨損指數、松裝密度、灼減（LOI）、孔徑分布、物相組成、雜質/微量元素含量等。

1.3輸送下料系統

氧化鋁的輸送大致可分為機械式輸送和氣力輸送兩大類。機械式輸送又可細分為小車軌道式、皮帶式和斗式提升機三種形式。電解鋁廠在對氧化鋁進行短距離輸送時多采用氣力輸送方式，根據輸送條件和輸送距離的遠近又可細分為稀相輸送、濃相輸送和超濃相輸送。根據氧化鋁的理化特性，依據電解系統的技術要求，擬改進氧化鋁輸送系統及配套裝備，實現氧化鋁在電解鋁裝置各系統間的輸送。系統設計采用的是超濃相輸送技術，超濃相輸送是在濃相輸送的基礎上，通過采用風機低壓供風技術和改進風動流槽的設計開發而來，一般用于粉狀物料的長距離水平輸送。物料在風動流槽中呈流態化向前運動，固氣比大于（>100）、運動速度慢、物料不易破碎、系統全密閉、所需風壓低、風量小、自動化程度高。氧化鋁輸送下料系統現已作為先進技術被大部分電解鋁廠用于將氧化鋁物料從新鮮氧化鋁貯倉或干法凈器的載氟氧化鋁貯倉輸送到電解槽料箱中。

1.4煙氣凈化系統

鋁電解槽氟化物揮發，尤其是劇毒氟化氫氣體的釋放，無論對電解車間操作工人還是外界環境都產生很大風險。在電解鋁廠中，通過向電解車間配套煙氣凈化裝置來吸附這些含氟揮發物并將其回收至電解槽中。電解槽的煙氣凈化裝置分為濕法和干法兩種。當代電解鋁廠一般配備干法煙氣凈化系統，其主要由兩大關鍵部分構成：反應裝置、過濾裝置。在反應裝置中，氧化鋁作為吸附劑逆向噴射進入反應器與電解槽煙氣充分混合，與HF氣體發生化學吸附反應，同時物理吸附煙氣中夾雜的氟鹽及其他雜質顆粒，吸附效率達到98%以上。過濾裝置采用布袋除塵，以分離氣體和固體氧化鋁顆粒，分離出的氧化鋁隨后再次進入凈化系統循環或導入電解槽加料倉中。鋁電解過程中，反應后的載氟氧化鋁和煙氣一道進入布袋除塵器進行氣固分離。凈化后的煙氣由主排煙風機送至煙囪排入大氣。載氟氧化鋁經布袋除塵器收集，一部分作循環吸附劑，另一部分從除塵器下部沸騰床溢流到風動溜槽，并經風動溜槽送至氣力提升機，提升到載氟氧化鋁貯槽輸送到電解槽供電解生產使用。煙氣凈化系統結構如圖2所示。干法凈化利用了氧化鋁自身良好的吸附性能來回收氟鹽揮發物，但煙氣中的SO2、PFCs無法被干法凈化吸收。有些電解鋁廠在干法凈化系統后串聯一套濕法凈化系統，使用水溶液噴霧來除去電解槽煙氣中的可溶物質并對溶液進行處理回收，以去除電解鋁廠排放煙氣中的SO2。氧化鋁顆粒具有較大的比表面積，因此能夠物理吸附大量的氟鹽或其他雜質顆粒。而氧化鋁對于HF氣體的吸附為化學吸附，除較大的比表面積能夠顯著增加吸附反應的反應面積外，吸附過程還與濕度有關。氧化鋁對HF的吸附反應為表面反應，生成氧氟化物和羥基氟化鋁。較大的比表面積和空氣濕度(影響表面附著水含量)有利于氧化鋁對HF和氟鹽顆粒的吸附，而具有較大比表面積的氧化鋁往往也具有較多的羥基數目(結晶水含量)，這些羥基或附著水在氧化鋁加料后會與冰晶石熔鹽發生水解反應生成更多的HF氣體，并且在研究中發現由氧化鋁向電解槽中帶入的水分是引起電解槽HF揮發的主要氫來源。因此，電解槽HF產生量與氧化鋁吸附性能存在矛盾與妥協的關系。

2鋁電解生產工藝控制與管理系統

在現代的鋁電解槽設計時，普遍采用先進的計算機模擬技術，模擬電解槽的熱場、電場、磁場、流場，成功開發出大容量、更高效節能的電解槽。在生產工藝控制方面，開發了機械化和自動化相結合的現代化工藝控制和管理系統。電解槽實現了計算機智能控制，該控制技術是基于電阻控制，并與電解槽操作管理經驗相結合而開發實現的對氧化鋁供料、出鋁、陽極母線提升、陽極更換、電壓平衡、熱平衡、電解質成分等的控制與操作管理。由于鋁電解過程的復雜性且很多重要參數很難在線監測，鋁電解是一個非線性、多變量、大滯后、強耦合的控制對象。系統利用鋁電解生產過程中記錄的歷史數據進行數據挖掘，結合歷史數據和實時數據進行實時推理，根據槽電壓曲線的波動走勢、振幅和波形突變等指標來提取其信息。該系統是結合了早期檢測、槽異常情況診斷、根本原因分析、自動糾錯、人工操作的一體化控制系統。從長遠來看，該控制系統具有防止過量下料、減少陽極效應等優勢，對提高電解槽穩定性、改進指標具有長遠影響；從短期來看，該系統的最大優勢是能夠提前檢測異常情況并有效地消除引起異常的根本原因。鋁電解槽控制系統控制原理：能夠持續檢測電解槽運行狀態，檢測到異常時采用診斷系統分析原因；允許系統處理異常，并將運行情況反饋給電解車間和管理人員。

2.1“四方”系統

在GEN2架構的基礎上，采用四種顏色分別代表四種信號分析算法，“四方槽狀態指示器”能夠有效地指示控制系統異常、人工檢測異常和分析異常情況產生的根本原因，并修正措施方面的相互作用。“四方槽狀態指示”不僅用可視且有效的方法指示電解槽運行狀態，還可用來定期評估控制系統的有效性以改進控制系統的綜合功能。“四方”系統主要功能：指示槽狀態（檢測到異常、在修正、正常運行）；跟蹤機制（保持跟蹤槽狀態）；優先系統（異常情況處理為最優先級別）。

2.2異常情況檢測

控制系統中的異常是指一個或一組電解槽運行狀態出現了需要進行處理的規定問題，這些問題依次按自動和人工檢查明確分類，能更有效地確定產生異常的根本原因，選擇最優的糾正措施。這些糾正措施可根據定期反饋進行優化。系統具有嵌入式升級機制，允許優先處理電解槽更嚴重的問題。當出現嚴重問題時，系統自動調整一系列自動和人工檢查、恰當的糾正措施并告知管理者。系統能使車間管理者在整個電解系列運行狀態惡化前獲得信息以保證能夠盡早地全面控制問題擴大。這一信息策略使管理者具備預先控制能力。系統檢測異常情況的核心：下料問題—通過氧化鋁溶解、下料設備、覆蓋料/電解質轉移情況來檢測氧化鋁的下料問題；噪聲問題—影響電解槽運行穩定性的陰極/陽極問題；熱平衡問題—通過檢測鋁液/電解質過熱度、電解質組分及溫度改變分析電解槽短期熱平衡。

3結語

介紹了采用GEN2管理控制系統實現氧化鋁鋁電解生產工藝、電解槽穩定性及生產效率的策略，為今后氧化鋁鋁電解工藝的研究和設計打下基礎。

參考文獻

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作者:徐宏雷 蘭立偉 單位:神華準能集團有限責任公司