铝电解槽“五环控制”技术简介

铝电解“五环”控制技术
自从1886年霍尔、埃努尔发明了熔盐电解制铝方法之后，电解铝技术已经走过了120年。

一百多年来，铝电解的基本原理没有改变，但电解槽的阳极型式、阴极型式、电流容量、筑炉材料、操作设备、直流供电装置、控制技术经历了前所未有的提升。

近几年来，采用新型结构电解槽技术以来，国内铝电解槽电耗大幅度降低，但国家《十二五》发展规划对铝电解重大节能技术要求是直流电耗达到12500kwh/t-al以下。

从现有电解铝发展水平来看，要实现这一目标，必须解决两个核心技术：一是铝电解槽的“静态平衡”系统设计的改进技术，二是提高能量利用率的铝电解生产过程计算机控制技术。

铝电解生产过程中的“静态平衡”、“动态平衡”、“炉膛类型”、“过热度”和“电流效率”五个支撑环节（简称“五环”），它们既相互独立又互相制约，欲用低的能耗获取高的“电流效率”，“静态平衡”和“炉膛类型”的建立是基础，“动态平衡”和“过热度”的控制是保障和桥梁。

从控制的角度来看，由于在现有硬件条件下不可实现在线检测铝电解槽的“五环”的信息反馈，故难以进行闭环控制。

随着计算机控制技术的不断提高，根据铝电解槽电阻与AL2O3的“U”曲线关系，已成功实现了AL2O3浓度的在线控制，铝电解“三度寻优”控制技术，根据电解槽控制中自产生的数据进行解析并与测量数据结合，间接地识别“过热度”的变化，实现了ALF3过剩量的实时跟踪与控制。

在建立铝电解槽“静态平衡”和“电流效率”的基
础关系上，通过直接测量数据和计算机自解析而产生的数据作为控制的反馈，实现“动态平衡”、“炉膛类型”和“过热度”实时监测与控制，才能利用低的能耗获取高的能量利用率。

目前，我院在某企业的240KA电解槽、186KA电解槽、300KA 电解槽上进行了铝电解槽“五环”控制技术的应用，分别取得了94～95%的电流效率，铝锭综合交流电耗控制在13100kwh～13400kwh的良好指标。

一．技术描述
铝电解生产过程中的“静态平衡”、“动态平衡”、“炉膛类型”、，“过热度”和“电流效率”五个支撑环节（以下简称“五环”），它们既相互独立又互相制约，欲用低的能耗获取高的“电流效率”，“静态平衡”和“炉膛类型”的建立是基础，“动态平衡”和“过热度”的控制是保障和桥梁。

从控制的角度来看，由于在现有硬件条件下不可实现在线检测铝电解槽的“五环”的信息反馈，故难以进行闭环控制。

随着计算机控制技术的不断提高，根据铝电解槽电阻与AL2O3的“U”曲线关系，已成功实现了AL2O3浓度的在线控制，铝电解“三度寻优”控制技术，根据电解槽控制中自产生的数据进行解析并与测量数据结合，间接地识别“过热度”的变化，实现了ALF3过剩量的实时跟踪与控制。

在建立铝电解槽“静态平衡”和“电流效率”的基础关系上，通过直接测量数据和计算机自解析而产生的数据作为控制的反馈，实现“动态平衡”、“炉膛类型”和“过热度”实时监测与控制，才能利用低的能耗获取高的能量利用率。

下图为铝电解槽“五环”
之间的相互关系。

铝电解槽“五环”之间关系
铝电解生产过程是一个复杂的多变量体系，存在两类不同的变量，一类是快变量，其特点是变化速度相对较快、作用时间短，作用强度大；另一类是慢变量，其特点是变化速度较慢，作用时间长且连续，作用强度小。

“慢变量”决定系统发展的方向，“快变量”可以影响系统发展的进度，“慢变量”通过信息反馈支配着“快变量”，支配着系统的行为，使整个系统走向稳定的有序状态。

铝电解槽“静态平衡”由电流强度、阳极电流密度、电压平衡确定的工作电压等多参数确定，获取高的电流效率需要“炉膛类型”支持，这样就决定了系统的性能；控制好“动态平衡”的诸参数（氧化铝浓度、氟化铝过剩量、电压平衡），才能维持电解槽的“静态平衡”，“过热度”是电解槽的“静态平衡”和“动态平衡”之间的桥梁。

二、技术路线
1、“两高双低”工艺路线：高极距、高效率、低电压、低电耗;
2、“静态平衡”和“电流效率”：当电解槽在高的“电流效率”状态时，不能实现稳定、有序的运行，说明“静态平衡”出现技术偏离，不可持续发展，以“电流效率”为核心调整电解槽的“静态平衡”适应效率型“炉膛类型”非常必要;
3、在确立了电解槽的“静态平衡”前提下，“动态平衡”和“过热度”的控制显得尤为重要，控制的好坏制约着电解槽多参数的良好匹配，稳定、健康运行;
4、物料、能量的循环利用：通过烟气净化、氧化铝储运和电解循环系统的改进，实现氟化物及电解生产多余能量的循环利用。

三、主要工作内容
1、“动态平衡”控制软件
●双轨迹氧化铝加料控制
●多模式氟化铝加料控制
●多级噪声控制
●电压平衡自调节控制
●“过热度”识别
●出铝量指示
●出铝数据反馈
●ALF3指示量推导
2、管控一体化系统
●硬件系统平台建立
●开发电解生产综合监视系统
●整合企业底层生产过程控制信息
●建立电解片区综合生产信息库
●开发电解综合数据挖掘系统
●导出宏观分析数据，参与系统调控
3、建立炉膛变化仿真系统仿真系统开发平台
●炉膛类型库
●炉膛类型识别
●“炉膛类型”分析及推导
4、精确检测装置的开发应用
●槽上料位计
●高精度回转计数器
●智能出铝装置
●氧化铝均匀加料（反吹系统）
5、双循环系统的建立
●单槽能量循环系统
●系统循环
●载氟循环系统建立
三、实现目标
（1）、电流效率：93%±0.05%
（2）、直流电耗：12600±200kwh/t·AL
（3）、阳极毛耗：480k g±10kg/t·AL
（4）、氟化铝单耗：15kg±2kg/t·AL
（5）、效应系数：0.05±0.02
（6）、氟化氢排放：小于3mg/Nm3
四、生产工艺要求：
1、电解槽基本技术规范：
（1）、铝液高度：（出铝后）
（2）、电解质高度：19cm
（3）、电解温度：
（4）、分子比：
2、“静态平衡”测试及寻优
（1）、电解质体系规范；
（2）、电压平衡关系建立；
（3）、稳定、有序关系确定；
（4）、技术规范建立；
3、多参数的规范化测量
（1）、NB间隔设定规范；
（2）、电压设定规范；
（3）、两水平测量规范；
（4）、电解温度测量；
（5）、分子比检测规范；
2012年4月5日
1
2。