Способ управления технологическим процессом в алюминиевом электролизере с обожженными анодами

Способ управления технологическим процессом в алюминиевом электролизере с обожженными анодами

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия из глинозема, и может быть использовано для управления процессами на электролизерах с обожженными анодами для повышения качества управления системами АПГ.

Известно, что при снижении концентрации глинозема в электролите анод начинает хуже смачиваться электролитом, это приводит к тому, что пузырьки анодного газа разрастаются и изолируют часть поверхности анода от электролита. Плотность тока на свободной поверхности анода начинает увеличиваться, при достижении плотности тока, равной критической, возникает анодный эффект. Управление концентрацией глинозема является важной задачей в технологии управления электролизом и существующие системы АПГ должны поддерживать ее в строго заданных пределах, не допуская отклонений в большую или меньшую сторону, так как технологически не допустимо как возникновение лишних анодных эффектов, так и образование осадка на подине.

Известен способ автоматического регулирования алюминиевого электролизера (авторское свидетельство СССР №1724713, м.кл. С25С 3/20, 1992), согласно которому измеряют напряжение электролизера, ток серии, рассчитывают "приведенное" напряжение электролизера и скорость его изменения, концентрацию глинозема в электролите и стабилизируют "приведенное" напряжение в заданных пределах перемещением анода и изменением скорости загружаемого в электролизер глинозема, чередуя режимы избыточного (частого) и недостаточного (редкого) питания. При этом режимы питания изменяют в зависимости от изменения приведенного напряжения, включая тот или иной режим на определенное время или полностью прекращая питание электролизера глиноземом.

Недостатком указанного способа является низкое качество стабилизации теплоэнергетического и электрохимического режимов процесса, поскольку и изменение МПР, и изменение подачи глинозема осуществляют практически только по изменению "приведенного" напряжения электролизера.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому способу является способ управления технологическим процессом в алюминиевом электролизере. Способ включает измерение текущих значений напряжения и тока электролизера и вычисление по ним приведенного напряжения, скорости изменения последнего во времени и концентрации глинозема в электролизере, сравнение текущих значений этих параметров с заданными значениями, поддержание приведенного напряжения электролизера в заданных пределах перемещением анода и регулированием количества загружаемого в электролизер глинозема путем чередования режимов избыточного и недостаточного питания (патент RU 2113552, м.кл. С25С 3/20, 1998).

Способ управления - прототип основан на известной зависимости между напряжением электролизера U_эл и концентрацией глинозема в электролите С_гл. При неизменности остальных параметров электролиза любое изменение напряжения будет обусловлено только изменением концентрации глинозема в электролите и, следовательно, по скорости изменения напряжения dU_эл/dt можно приблизительно определить С_гл.

Недостаток данного способа состоит в том, что зависимость U_эл=f(C_гл) имеет нелинейный характер с минимумом в диапазоне С_гл=3,5-4,5%. Таким образом, в диапазоне высоких концентраций глинозема (больше 4%) рост напряжения электролизера будет свидетельствовать о повышении С_гл, а в диапазоне низких концентраций глинозема (меньше 4%) будет свидетельствовать о снижении С_гл и приближении анодного эффекта. В промышленной практике диапазон низких концентраций обычно называют "левая ветвь концентрационной кривой", а диапазон высоких концентраций - "правая ветвь концентрационной кривой".

Производственный опыт показывает, что использование данного способа не всегда дает положительный результат. Для правильного управления технологическим процессом необходимо сначала определить знак ветви концентрационной кривой, на которой в данный момент работает электролизер. Если же ветвь будет определена неверно, то эффект от управляющего воздействия (регулирования количества загружаемого в электролизер глинозема) будет прямо противоположен ожидаемому результату.

Задача изобретения состоит в реализации автоматического контроля концентрации глинозема С_гл в расплаве и ее выравнивании на заданном уровне в объеме электролизера.

Технический результат изобретения состоит в повышении технико-экономических показателей процесса электролиза алюминия за счет исключения незапланированных анодных эффектов и образования скоплений глинозема на подине электролизера.

Поставленная задача достигается тем, что в способе управления алюминиевым электролизером с обожженными анодами, включающем измерение текущих значений тока, сравнение текущих значений тока с заданными значениями и поддержание их в заданных пределах регулированием количества загружаемого в электролизер глинозема, согласно предлагаемому изобретению определяют зону с пониженной концентрацией глинозема в электролизере путем измерения текущих значений тока во всех анодах независимо друг от друга, при этом с питателем автоматизированной подачи глинозема связывают группу близлежащих анодов и при определении снижения тока в отдельном аноде или в группе анодов относительно тока в других анодах, или группе анодов ведут избыточную от текущей подачу глинозема в электролит непосредственно в месте определения рассогласования до его устранения.

Изобретение дополняют частные отличительные признаки, направленные также на достижение поставленной задачи.

Определяют зону с пониженной концентрацией глинозема по росту величины обратной ЭДС на каждом аноде или группе анодов, при этом величину обратной ЭДС определяют при изменении суммарного тока проходящего через все аноды электролизера.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается тем, что в прототипе для поддержания концентрации глинозема в заданных пределах измеряют напряжение электролизера и ток серии, рассчитывают текущее значение приведенного напряжения Uпр и скорости его изменения во времени dUпр/dt - эти значения сравнивают с заданными и формируют циклы, состоящие из последовательности базового режима питания, режима недостаточного питания и режима избыточного питания ванны. В предлагаемом способе определяется зона в электролизере с пониженной концентрацией глинозема путем измерения текущих значений тока во всех анодах независимо друг от друга. После определения такой зоны путем выработки управляющего сигнала на соответствующий питатель АПГ выравнивается концентрация глинозема в этой зоне до установленных пределов.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемые решения от прототипа, что делает возможным сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».

Способ осуществляется следующим образом.

На электролизере с обожженными анодами, оснащенном системой измерения токов по каждому отдельному аноду (схема измерения на фиг.1, где 1 - анодная штанга, 2 - датчик измерения нагрузки на штанге, 3 - управление и сбор данных), определяется зона с пониженной концентрацией глинозема. Для этого собирается, накапливается и анализируется информация по токовой нагрузке каждого анода. На основе этих данных в динамике производится анализ изменения токовой нагрузки на каждом аноде. На фиг.2 показаны графики токовой нагрузки анодов перед анодным эффектом. На фиг.3 - блок-схема управления электролизером по прототипу №1 и с анализом изменения нагрузки анодов (по заявляемому способу) №2.

Каждый анод электролизера распределяется к заранее определенной зоне, за поддержание концентрации глинозема в которой отвечает определенный питатель АПГ. Снижение токовой нагрузки на аноде или анодах, при неизменности ее на других анодах, считается локальным снижением концентрации глинозема. Если отмечается существенное снижение нагрузки по отдельным анодам (фиг.2, анод №4 и анод №12) относительно других, это считается признаком изоляции подошвы анода газовой пленкой, как следствие снижение концентрации глинозема в данной зоне электролита, дальнейшее развитие этого процесса приводит, как правило, к возникновению анодного эффекта (фиг.2, время 12:52) и вырабатывается сигнал на управление питателем, ответственным за зону, в которой находятся данные аноды. Режим работы данного питателя выбирается исходя из текущего режима, но с повышенной частотой срабатывания относительно других питателей. Усиленный цикл питания дозатора включается в течение заранее определенного времени или пока нагрузка на соответствующих анодах не начнет возрастать.

Пример 1.

При управлении концентрацией глинозема в расплаве электролита, оцениваемой по изменению Uпр и dUпр/dt (прототип), часто возникают незапланированные анодные эффекты, вызванные запоздалой реакцией системы питания на снижение концентрации глинозема, вследствие того, что по приведенному напряжению не достаточно рано и правильно можно диагностировать возникновение анодного эффекта. При использовании предлагаемого способа возможно раннее предсказание возникновения анодного эффекта и принятие решения по управлению концентрацией глинозема. Предложенный способ можно использовать в алгоритме управления питанием глиноземом электролизера, пример алгоритма показан на фиг.3 контур №2. Принцип действия модуля анализа следующий: измеренная нагрузка анода сравнивается с предыдущим значением, вычисляется разница ΔIi (i - номер анода) между ними и при превышении этой разницы больше установленного значения выдается сигнал в систему управления о регулировании концентрации глинозема в электролизере путем включения усиленного питания через один из питателей.

Пример 2.

Известен метод определения значений обратной ЭДС электролизера по изменениям тока серии, он заключается в следующем: во время значительного изменения тока электролизера запоминают значения тока и напряжения электролизера до и после изменения и рассчитывают значение обратной ЭДС электролизера по формуле:

где U1_эл-ра, I1_эл-ра - значения напряжения и тока электролизера до изменения силы тока;

U2_эл-ра, I2_эл-ра - значения напряжения и тока электролизера после изменения силы тока.

По второму пункту способа определение зоны с пониженной концентрацией глинозема оценивают по изменению обратной ЭДС, рассчитанной для каждого анода. Величину обратной ЭДС для каждого анода рассчитывают по методу, как и для всего электролизера, но используя значения токов каждого анода по формуле:

,

где U1i_эл-ра, I1i_эл-ра - значения напряжения электролизера и тока i-го анода до изменения силы тока;

U2i_эл-ра, I2i_эл-ра - значения напряжения электролизера и тока i-го анода после изменения силы тока.

Значения обратной ЭДС анодов сравниваются между собой, и определяется зона с пониженной концентрацией глинозема и выдается сигнал в систему управления о регулировании концентрации глинозема в электролизере путем включения усиленного питания через один из питателей.

Использование предлагаемого способа позволяет улучшить распределение концентрации глинозема в объеме электролита, производить более раннюю диагностику возникновения анодного эффекта, что повышает качество управления и стабильность работы электролизера.

1. Способ управления алюминиевым электролизером с обожженными анодами, включающий измерение текущих значений тока, сравнение текущих значений тока с заданными значениями и поддержание его в заданных пределах регулированием количества загружаемого в электролизер глинозема, отличающийся тем, что определяют зону с пониженной концентрацией глинозема в электролизере путем измерения текущих значений тока во всех анодах независимо друг от друга, при этом с питателем автоматизированной подачи глинозема связывают группу близлежащих анодов, и при определении снижения тока в отдельном аноде или в группе анодов относительно тока в других анодах или группе анодов ведут избыточную от текущей подачу глинозема в электролит непосредственно в месте определения рассогласования до его устранения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют зону с пониженной концентрацией глинозема по росту величины обратной ЭДС на каждом аноде или группе анодов, при этом величину обратной ЭДС определяют при изменении суммарного тока, проходящего через все аноды электролизера.