一种铝电解槽氧化铝下料及浓度控制方法
阅读说明：本技术 一种铝电解槽氧化铝下料及浓度控制方法 (Aluminum oxide blanking and concentration control method for aluminum electrolysis cell ) 是由 杨晓东 赵志彬 陶绍虎 王富强 张钦菘 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种氧化铝下料及浓度控制方法,尤其涉及一种铝电解领域铝电解槽氧化铝下料及浓度控制方法。在欠-过下料期确定氧化铝浓度的下限后,使槽内浓度达到目标浓度后进入基准下料期,基准下料期开始时给定初始下料速率,在基准下料期对电阻极距进行多次提极补偿,在两次极距补偿之间进行下料速率的实时调整。本发明的优点效果：本发明将电解槽的浓度变化控制在所需要的指定小范围内,同时也能有效减少频繁过-欠量下料对电解质温度和过热度的热冲击,通过间歇式欠-过下料期对氧化铝浓度和极距进行校正、防止浓度飘移,提出极距补偿手段,实现电解槽极距平衡的精准控制。因为实现了氧化铝浓度和极距的精准控制,有利于提高电流效率,还可以根据全天的基准下料速率变化曲线,评估电解槽的实时效率。(The invention relates to a method for controlling alumina blanking and concentration, in particular to a method for controlling alumina blanking and concentration of an aluminum electrolysis cell in the field of aluminum electrolysis. After the lower limit of the alumina concentration is determined in the undercharging-overcasting period, the concentration in the groove reaches the target concentration, then the standard charging period is carried out, the initial charging speed is given when the standard charging period starts, the polar distance of the resistor is subjected to polar distance increasing compensation for multiple times in the standard charging period, and the charging speed is adjusted in real time between the two polar distance compensations. The invention has the advantages and effects that: the invention controls the concentration change of the electrolytic cell in a required specified small range, can effectively reduce thermal shock of frequent over-under blanking to the electrolyte temperature and the superheat degree, corrects the alumina concentration and the polar distance through an intermittent under-over blanking period, prevents the concentration from drifting, provides a polar distance compensation means and realizes the precise control of the polar distance balance of the electrolytic cell. Because the precise control of the concentration and the polar distance of the alumina is realized, the current efficiency is favorably improved, and the real-time efficiency of the electrolytic cell can be evaluated according to the reference blanking rate change curve of the whole day.)
技术领域
本发明涉及一种氧化铝下料及浓度控制方法，尤其涉及一种铝电解领域铝电解槽氧化铝下料及浓度控制方法。
技术背景
在铝电解的生产过程中，氧化铝的下料及浓度控制是按照过量和欠量交替的形式进行下料的，将全槽氧化铝浓度控制在上限和下限之间进行周期性变化，如图1所示，其理论基础是氧化铝浓度与槽电阻的特征曲线关系，这种控制方法在铝电解企业得到普遍运用。近年来，随着电解槽容量和尺寸的不断增大，电流效率和直流电耗等指标很难达到理想的要求，主要问题集中体现在氧化铝浓度和极距控制两个方面。
1、氧化铝浓度控制
现代大型预焙铝电解槽很难精准确定与电流效率相匹配的基准下料速率(等于某一时间内氧化铝的消耗速率)，只有通过过量和欠量(高于和低于基准下料速率的下料模式)的交替控制，将全槽氧化铝浓度控制在一定范围内(一般为1.5～3.5％)。这种传统的控制模式会给电解生产带来多方面的不利影响：高浓度区会因为局部浓度过高而无法及时溶解氧化铝，导致沉淀甚至形成炉底硬结壳，增大铝液中水平电流，影响电解槽的稳定性；低浓度区会因局部氧化铝浓度过低而增加闪烁效应、甚至全槽效应的可能性，增加能耗、降低电流效率；电解槽内的过欠量周期性变化会频繁造成对电解质过热度、局部热平衡和界面稳定性的冲击，损失电流效率。
2、极距控制
在电解槽的正常生产中，阳极高度的消耗速率和铝液厚度生长的增长速率并不平衡，阳极的消耗量为其中hc为阳极消耗速率(cm/d)，danode为阳极电流密度(A/cm2)，CE为电流效率(％)，wc为阳极消耗量(kg/t-Al)，dc为阳极体积密度(g/cm2)，铝液的增长高度为其中h为铝液的增长高度(cm)，m为铝液的质量(g)，ρ为铝液的密度(g/cm3)，S1为铝液体积的上表面积(cm2)，S2为铝液体积的下表面积(cm2)。一般来说各类槽型的阳极消耗速率均小于铝液的增长速率，这就造成生产过程中如果氧化铝浓度不变且没有阳极动作，则极距高度(阳极底面距离铝液上表面的距离)不断降低。对此，目前传统的控制模式是通过监控槽电压实现，即当槽电压低于某个特定电压值时进行提升阳极动作，拉开极距。事实上槽电压的变化主要由两部分组成：一是极距高度变化引起的“极距电阻压降”变化，二是由于氧化铝浓度变化产生的‘浓度压降’变化(其中包括浓度变化引起的电阻率变化和反应过电压变化)，这两者共同决定了电解槽整体极距的变动。这就造成很难在生产控制中仅通过槽电压同时实现对氧化铝浓度、极距的精准控制要求。
针对以上问题，专利ZL 201110166650.X提出一种以正常下料周期为主的控制模式，实现氧化铝浓度保持在基本恒定范围内，以减少氧化铝浓度变化的影响。专利ZL201110372135.7进一步扩展此方法，结合阳极电流分布调整各点下料量，实现氧化铝浓度在空间上的均匀分布。这两个专利的控制基础仍然是根据槽电压实现对氧化铝浓度的控制，对极距控制的问题没有提出明确的解决方式。专利中所涉及的控制模式中，随着电解的进行极距的逐渐减小，在仅控制槽电压的情况下电解质的氧化铝‘浓度压降’会持续走高，造成氧化铝浓度向效应区飘移，增加发生阳极效应的可能性。
目前传统的控制模式和专利中所提出的控制模式很难实现超大型铝电解槽对于氧化铝浓度和极距的恒定控制。
发明内容
为了解决上述问题本发明提出了一种铝电解槽氧化铝下料及浓度控制方法，目的是对氧化铝浓度和极距进行精准控制，提高电流效率。
为达上述目的本发明一种铝电解槽氧化铝下料及浓度控制方法，在欠-过下料期确定氧化铝浓度的下限或上限后，使槽内浓度达到目标浓度后进入基准下料期，基准下料期开始时给定初始下料速率，在基准下料期对电阻极距进行多次提极补偿，在两次极距补偿之间进行下料速率的实时调整。
所述的欠-过下料期包括欠量期和过量期，在欠量期确定氧化铝浓度的下限后，进行浓度的校正，再经过一段时间过量下料，使槽内浓度达到目标浓度后再进入基准下料期。
所述的欠-过下料期包括欠量期和过量期，在欠量期确定氧化铝浓度的下限后，再经过一个过量期确定氧化铝浓度上限，进行浓度的双重校正，再经过一段时间欠量下料，使槽内浓度达到目标浓度后再进入基准下料期。
所述的欠-过下料期包括欠量期和过量期，在过量期确定氧化铝浓度的上限后，进行浓度的校正，再经过一段时间欠量下料，使槽内浓度达到目标浓度后再进入基准下料期。
所述的欠-过下料期包括欠量期和过量期，在过量期确定氧化铝浓度的上限后，再经过一个欠量期确定氧化铝浓度下限，进行浓度的双重校正，再经过一段时间过量下料，使槽内浓度达到目标浓度后再进入基准下料期。
所述的使槽内氧化铝浓度达到目标浓度是通过控制电压或欠/过量时间进行的。
所述的欠-过下料期和基准下料期为一个循环周期，一个循环周期为3-12小时。
所述的氧化铝浓度的上限为2.2-3.0％，氧化铝浓度的下限为1.5-1.8％。
所述的初始下料速率根据上一天的电流效率计算确定或换极前的基准下料间隔确定。
所述的基准下料速率的实时调整为在槽浓度不变时，基准下料速率根据槽电压变化速率dV/dt进行实时调整：当(dV/dt-C)×Δt>σ时，调整NB为NB-ΔNB；当(dV/dt-C)×Δt<-σ时，调整NB为NB+ΔNB，其中C为由于极距变化引起的电压变化的理论斜率，Δt为所取的计算时间步长，σ为所允许的电压误差，NB基准下料时间间隔，ΔNB每次时间间隔微调量。
所述的在基准下料期间进行出铝时，停止氧化铝下料速率的实时调整计算，采用出铝前的基准下料间隔NB进行恒定速率下料，出铝结束后重新启动下料速率的实时调整计算。
所述的基准下料速率的实时调整为槽电压不变时，基准下料速率根据槽电压变化速率dV/dt进行实时调整：当(dV/dt)×Δt>σ时，调整NB为NB-ΔNB；当(dV/dt)×Δt<-σ时，调整NB为NB+ΔNB，其中Δt为所取的计算时间步长，σ为所允许的电压误差，NB基准下料时间间隔，ΔNB每次时间间隔微调量。
一种铝电解槽氧化铝下料及浓度控制方法，还包括换极期，在换极期结束后再进入欠-过下料期。
所述的在换极期取换极前的整体下料速率，换极结束后在欠-过下料期进行浓度校正，开始新一周期；换新极后靠近新极的下料口下料量减小，由该下料口所在半槽的其它下料口进行氧化铝下料量补偿。
所述的靠近新极的下料口下料量随换极时间逐渐增大，如换极后1-3小时20％下料、换极后4-8小时50％下料、换极后9-16小时80％下料、换极16小时后100％下料。
所述的换极后靠近新极的下料口减小的下料量，由该下料口所在半槽的其它下料口进行氧化铝补偿。
所述的每个循环周期内的基准下料期进行极距补偿。
所述的极距补偿为进行提极补偿，利用提升机构对阳极大母线进行定时提升，计算出一天的阳极消耗hc，铝液的增长高度h，计算出两者差值(h-hc)，根据差值得到在每个循环周期内的基准下料期提升阳极的距离。
本发明的优点效果：本发明将电解槽的浓度变化控制在所需要的指定小范围内，同时也能有效减少频繁过-欠量下料对电解质温度和过热度的热冲击，通过欠-过下料期对氧化铝浓度和极距进行校正、防止浓度飘移，提出极距补偿手段，实现电解槽极距平衡的精准控制。因为实现了氧化铝浓度和极距的精准控制，有利于提高电流效率，还可以根据全天的基准下料速率变化曲线，评估电解槽的实时效率。
附图说明
图1是现有氧化铝浓度与槽电阻的特征曲线图。
图2是先欠量期再过量期的半周期的恒定浓度控制模式的逻辑控制图。
图3是先欠量期再过量期的全周期的恒定浓度控制模式的逻辑控制图。
图4为先欠量期再过量期的半周期的恒定电压控制模式的逻辑控制图。
图5为先欠量期再过量期的全周期的恒定电压控制模式的逻辑控制图。
图6是先过量期再欠量期的半周期的恒定浓度控制模式的逻辑控制图。
图7是先过量期再欠量期的全周期的恒定浓度控制模式的逻辑控制图。
图8是先过量期再欠量期的半周期的恒定电压控制模式的逻辑控制图。
图9是先过量期再欠量期的全周期的恒定电压控制模式的逻辑控制图。
图10为500kA电解槽下料口示意图。
图中：1、第一下料口；2、第二下料口；3、第三下料口；4、第四下料口；5、第五下料口；6、第六下料口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图2所示，本发明一种铝电解槽氧化铝下料及浓度控制方法，包括换极期，在换极期结束后再进入欠-过下料期，欠-过下料期包括欠量期和过量期，欠-过下料期为半周期，先欠量期再过量期，在欠-过下料期确定氧化铝浓度的下限后，使槽内浓度达到目标浓度后进入基准下料期，基准下料期开始时给定初始下料速率，在基准下料期对电阻极距进行多次提极补偿，在两次极距补偿之间进行下料速率的实时调整。
所述的槽内氧化铝浓度达到目标浓度是通过控制电压进行的，使氧化铝浓度的上限为2.5％，氧化铝浓度的下限为1.7％。欠-过下料期和基准下料期为一个循环周期，一个循环周期为12小时。
初始下料速率根据上一天的电流效率计算确定。
基准下料速率的实时调整为在槽浓度不变时，基准下料速率根据槽电压变化速率dV/dt进行实时调整：当(dV/dt-C)×Δt>σ时，调整NB为NB-ΔNB；当(dV/dt-C)×Δt<-σ时，调整NB为NB+ΔNB，其中C为由于极距变化引起的电压变化的理论斜率，Δt为所取的计算时间步长，σ为所允许的电压误差，NB基准下料时间间隔，ΔNB每次时间间隔微调量。
以一台500kA电解槽为例进行详细说基准下料速率的实时调整：
如由于极距变化引起的电压变化的斜率C为-0.0024毫伏/秒，所取的计算时间步长Δt为10秒，所允许的电压误差σ为5毫伏，基准下料时间间隔NB为72秒，每次时间间隔微调量ΔNB为0.2秒。
如槽电压变化速率dV/dt为1.3毫伏/秒，则(dV/dt-C)×Δt大于5毫伏，基准下料时间间隔从72秒调整为71.8秒；如槽电压变化速率dV/dt为0毫伏/秒，则(dV/dt-C)×Δt小于5毫伏且大于-5毫伏，则基准下料时间间隔72秒不做调整；如槽电压变化速率dV/dt为-1.4毫伏/秒，则(dV/dt-C)×Δt小于-5毫伏，则基准下料时间间隔从72秒调整为72.2秒。
在基准下料期间进行出铝时，停止氧化铝下料速率的实时调整计算，出铝结束后重新启动下料速率的实时调整计算。在换极期取换极前的整体下料速率，换极结束后在欠-过下料期进行浓度校正，开始新一周期；换新极后靠近新极的下料口下料量减小，由该下料口所在半槽的其它下料口进行氧化铝下料量补偿。靠近新极的下料口下料量为，换极后1-3小时20％下料、换极后4-8小时50％下料、换极后9-16小时80％下料、换极16小时后100％下料。换极后靠近新极的下料口减小的下料量，由该下料口所在半槽的其它下料口进行氧化铝补偿。
如图10所示，换极后靠近新极的下料口减小的下料量，由该下料口所在半槽的其他下料口进行氧化铝补偿。以500kA电解槽为例：如换阳极A1和阳极A2，换极位置靠近第一下料口1，则减小第一下料口1的下料量，增大同区域的第二下料口2和第三下料口3的下料速率进行补偿；如换阳极B15和阳极B16，换极位置靠近第四下料口4，则减小第四下料口4的下料量，增大同区域的第五下料口5和第六下料口6的下料速率进行补偿。
以一台500kA电解槽为例进行详细说明极距补偿：
如一天的阳极消耗hc为1.8cm，铝液的增长高度h为2.4cm，那么两者的差值为6mm。将电解生产每天24时分成2个循环周期，每周期12小时内在基准下料期内补偿3mm的极距。
实施例2
如图3所示，一种铝电解槽氧化铝下料及浓度控制方法，包括换极期，在换极期结束后再进入欠-过下料期，欠-过下料期包括欠量期和过量期，欠-过下料期为全周期，先欠量期再过量期，在欠量期确定氧化铝浓度的下限后，再经过一个过量期确定氧化铝浓度上限，进行浓度的双重校正，再经过一段时间欠量下料，使槽内浓度达到目标浓度后再进入基准下料期，基准下料期开始时给定初始下料速率，在基准下料期对电阻极距进行多次提极补偿，在两次极距补偿之间进行下料速率的实时调整。
所述的槽内氧化铝浓度达到目标浓度是通过控制电压进行的，使氧化铝浓度的上限为3.0％，氧化铝浓度的下限为1.8％。欠-过下料期和基准下料期为一个循环周期，一个循环周期为8小时。
初始下料速率根据换极前的基准下料间隔确定。
基准下料速率的实时调整为在槽浓度不变时，基准下料速率根据槽电压变化速率dV/dt进行实时调整：当(dV/dt-C)×Δt>σ时，调整NB为NB-ΔNB；当(dV/dt-C)×Δt<-σ时，调整NB为NB+ΔNB，其中C为由于极距变化引起的电压变化的理论斜率，Δt为所取的计算时间步长，σ为所允许的电压误差，NB基准下料时间间隔，ΔNB每次时间间隔微调量。
以一台400kA电解槽为例进行详细说基准下料速率的实时调整：
如由于极距变化引起的电压变化的斜率C为-0.0023毫伏/秒，所取的计算时间步长Δt为15秒，所允许的电压误差σ为8毫伏，基准下料时间间隔NB为68秒，每次时间间隔微调量ΔNB为0.5秒。
如槽电压变化速率dV/dt为0.9毫伏/秒，则(dV/dt-C)×Δt大于8毫伏，基准下料时间间隔从68秒调整为67.5秒；如槽电压变化速率dV/dt为0.2毫伏/秒，则(dV/dt-C)×Δt小于8毫伏且大于-8毫伏，则基准下料时间间隔68秒不做调整；如槽电压变化速率dV/dt为-1.1毫伏/秒，则(dV/dt-C)×Δt小于-8毫伏，则基准下料时间间隔从68秒调整为68.5秒。以一台400kA电解槽为例进行详细说明极距补偿：
如一天的阳极消耗hc为1.8cm，铝液的增长高度h为2.6cm，那么两者的差值为8mm。将电解生产每天24时分成3个循环周期，每周期8小时内在基准下料期内补偿2.67mm的极距。
其它同实施例1。
实施例3
如图4所示，实施例1中的欠-过下料期为半周期，氧化铝浓度的上限为2.7％，氧化铝浓度的下限为1.8％，一个循环周期为6小时，基准下料速率的实时调整为槽电压不变时，基准下料速率根据槽电压变化速率dV/dt进行实时调整：当(dV/dt)×Δt>σ时，调整NB为NB-ΔNB；当(dV/dt)×Δt<-σ时，调整NB为NB+ΔNB，其中Δt为所取的计算时间步长，σ为所允许的电压误差，NB基准下料时间间隔，ΔNB每次时间间隔微调量。
以一台500kA电解槽为例进行详细说基准下料速率的实时调整：
如所取的计算时间步长Δt为20秒，所允许的电压误差σ为12毫伏，基准下料时间间隔NB为70.2秒，每次时间间隔微调量ΔNB为0.1秒。
如槽电压变化速率dV/dt为1.5毫伏/秒，则(dV/dt)×Δt大于12毫伏，基准下料时间间隔从70.2秒调整为70.1秒；如槽电压变化速率dV/dt为0.05毫伏/秒，则(dV/dt)×Δt小于12毫伏且大于-12毫伏，则基准下料时间间隔70.2秒不做调整；如槽电压变化速率dV/dt为-1.2毫伏/秒，则(dV/dt)×Δt小于-12毫伏，则基准下料时间间隔从70.2秒调整为70.3秒。
所述的在基准下料期间进行出铝时，停止氧化铝下料速率的实时调整计算，出铝结束后重新启动下料速率的实时调整计算。在换极期取换极前的整体下料速率，换极结束后在欠-过下料期进行浓度校正，开始新一周期；换新极后靠近新极的下料口下料量减小，由该下料口所在半槽的其它下料口进行氧化铝下料量补偿。靠近新极的下料口下料量以线性形式由20％经过16小时逐渐增长到100％下料。换极后靠近新极的下料口减小的下料量，由该下料口所在半槽的其它下料口进行氧化铝补偿。
以一台500kA电解槽为例进行详细说明极距补偿：
如一天的阳极消耗hc为1.8cm，铝液的增长高度h为2.4cm，那么两者的差值为6mm。将电解生产每天24时分成4个循环周期，每周期6小时内在基准下料期内补偿1.5mm的极距。
其它同实施例1。
实施例4
如图5所示，实施例1中的欠-过下料期为全周期，氧化铝浓度的上限为2.8％，氧化铝浓度的下限为1.7％，一个循环周期为4小时，在欠量期确定氧化铝浓度的下限后，再经过一个过量期确定氧化铝浓度上限，进行浓度的双重校正，再经过一段时间欠量下料，使槽内浓度达到目标浓度后再进入基准下料期，基准下料速率的实时调整为槽电压不变时，基准下料速率根据槽电压变化速率dV/dt进行实时调整：当(dV/dt)×Δt>σ时，调整NB为NB-ΔNB；当(dV/dt)×Δt<-σ时，调整NB为NB+ΔNB，其中Δt为所取的计算时间步长，σ为所允许的电压误差，NB基准下料时间间隔，ΔNB每次时间间隔微调量。
以一台300kA电解槽为例进行详细说基准下料速率的实时调整：
如所取的计算时间步长Δt为30秒，所允许的电压误差σ为15毫伏，基准下料时间间隔NB为72.5秒，每次时间间隔微调量ΔNB为0.1秒。
如槽电压变化速率dV/dt为0.9毫伏/秒，则(dV/dt)×Δt大于15毫伏，基准下料时间间隔从72.5秒调整为72.4秒；如槽电压变化速率dV/dt为0.1毫伏/秒，则(dV/dt)×Δt小于15毫伏且大于-15毫伏，则基准下料时间间隔72.5秒不做调整；如槽电压变化速率dV/dt为-1.2毫伏/秒，则(dV/dt)×Δt小于-15毫伏，则基准下料时间间隔从72.5秒调整为72.6秒。
以一台300kA电解槽为例进行详细说明极距补偿：
如一天的阳极消耗hc为1.8cm，铝液的增长高度h为2.8cm，那么两者的差值为10mm。将电解生产每天24时分成6个循环周期，每周期4小时内在基准下料期内补偿2.5mm的极距。
其它同实施例1。
实施例5
本发明一种铝电解槽氧化铝下料及浓度控制方法，在欠-过下料期确定氧化铝浓度的下限后，使槽内浓度达到目标浓度后进入基准下料期，基准下料期开始时给定初始下料速率，在基准下料期对电阻极距进行多次提极补偿，在两次极距补偿之间进行下料速率的实时调整。欠-过下料期包括欠量期和过量期，欠-过下料期为半周期，
所述的槽内氧化铝浓度达到目标浓度是通过控制电压进行的，使氧化铝浓度的上限为2.2％，氧化铝浓度的下限为1.5％。欠-过下料期和基准下料期为一个循环周期，一个循环周期为3小时。
初始下料速率根据上一天的电流效率计算确定。
基准下料速率的实时调整为在槽浓度不变时，基准下料速率根据槽电压变化速率dV/dt进行实时调整：当(dV/dt-C)×Δt>σ时，调整NB为NB-ΔNB；当(dV/dt-C)×Δt<-σ时，调整NB为NB+ΔNB，其中C为由于极距变化引起的电压变化的理论斜率，Δt为所取的计算时间步长，σ为所允许的电压误差，NB基准下料时间间隔，ΔNB每次时间间隔微调量。
以一台500kA电解槽为例进行详细说基准下料速率的实时调整：
如由于极距变化引起的电压变化的斜率C为-0.0025毫伏/秒，所取的计算时间步长Δt为20秒，所允许的电压误差σ为10毫伏，基准下料时间间隔NB为73秒，每次时间间隔微调量ΔNB为0.2秒。
如槽电压变化速率dV/dt为1.2毫伏/秒，则(dV/dt-C)×Δt大于10毫伏，基准下料时间间隔从73秒调整为72.8秒；如槽电压变化速率dV/dt为-0.1毫伏/秒，则(dV/dt-C)×Δt小于10毫伏且大于-10毫伏，则基准下料时间间隔73秒不做调整；如槽电压变化速率dV/dt为-1.3毫伏/秒，则(dV/dt-C)×Δt小于-10毫伏，则基准下料时间间隔从73秒调整为73.2秒。
以一台500kA电解槽为例进行详细说明极距补偿：
如一天的阳极消耗hc为1.8cm，铝液的增长高度h为2.4cm，那么两者的差值为6mm。将电解生产每天24时分成8个循环周期，每周期3小时内在基准下料期内补偿0.75mm的极距。
其它同实施例1。
实施例6
如图6所示，实施例1中的欠-过下料期是先过量期，再欠量期。其它同实施例1。
实施例7
如图7所示，实施例2中的欠-过下料期是先过量期，再欠量期。其它同实施例1。
实施例8
如图8所示，实施例3中的欠-过下料期是先过量期，再欠量期。其它同实施例1。
实施例9
如图9所示，实施例4中的欠-过下料期是先过量期，再欠量期。其它同实施例1。
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