Способ автоматического регулирования алюминиевого электролизера Советский патент 1992 года по МПК C25C3/20 

Изобретение относится к производству алюминия электролитическим методом и может быть использовано при автоматизации алюминиевых электролизеров, преимущественно загружаемых глиноземом с помощью точечных питателей.

Известно, что непременным условием появления технико-экономических показателей процесса электролиза алюминия является поддержание концентрации глинозема в электролите Сг в технологически оптимальном диапазоне 2-5%. При более низких концентрациях повышается частота анодных эффектов, при более высоких выпадают глиноземные осадки. В обоих случаях снижается производительность

электролизеров, возрастают затраты электроэнергии и труда.

Регулирование Сг осуществляют воздействием на подачу глинозема в электролизер (питание глиноземом).

Известен способ автоматического питания алюминиевых электролизеров глиноземом с помощью устройства, включающего дозатор, пробивной механизм и пробойник, предусматривающий подачу в электролизер одинаковых порций глинозема с частотой, соответствующей номинальному потреблению глинозема в процессе электролиза.

Основным недостатком этого способа является то, что он не предусматривает автоматической оценки Сг и коррекции частоVI

кэ

4 v|

GO

ты включения питающих механизмов в зависимости от этой оценки. В результате при использовании этого способа, вследствие неизбежных в промышленных условиях колебаний потребления глинозема баланс между поступлением и потреблением глинозема постепенно нарушается, что приводит к выходу значений Сг за пределы технологически оптимального диапазона 2- 5% и, соответственно, к перерасходу элект- роэнергии и ручного труда.

Известен способ регулирования алюминиевого электролизера, основанный на оценке Сг и ее стабилизации в диапазоне 2-8%. Сначала в течение заданного време- ни ti производится питание с высокой частотой, при которой поступление глинозема превосходит его теоретическое потребление, затем в течение заданного времени ta частота питания соответствует теоретиче- скому потреблению глинозема, после чего питание прекращают до того момента, когда наступают признаки приближения анодного эффекта.

Недостатками этого способа являются широкий диапазон колебаний Сг, а также то, что при фиксированных значениях ti и t2 практически не удается обеспечить одинаковые значения Сг к концу этих интервалов времени, что снижает точность стабилиза- ции концентрационного режима и приводит к колебаниям Сг в диапазоне, выходящем за пределы технологически оптимального интервала 2-5%.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ управления питанием и соде.ржанием глинозема в алюминиевом электролизере, предусматри- вающий поддержание Сг в диапазоне 1- 3,5% путем чередования периодов питания с высокой частотой, при которой поступление глинозема превосходит его теоретическое потребление (периодов перепитки), с периодами питания с низкой частотой, при которой поступление глинозема меньше, чем его потребление (периодами недопит- ки). При этом периоды перепитки имеют постоянную продолжительность, а периоды недопитки заканчиваются в момент, когда сопротивление электролизера R или его производная по времени dR/dt достигают наперед заданных величин.

Использование этого способа в услови- ях жесткой стабилизации тока серии, состава и величины дозы загружаемого глинозема обеспечивает поддержание оптимального диапазона Сг и высокие технико-экономические показатели электролиза.

Однако в реальных промышленных условиях имеют место колебания перечисленных параметров в достаточно широких пределах. Так, по данным, проведенным на электролизерах с обожженными анодами, при нормальном токе серии 170 кА его дисперсия составляет 18-62 (кА)л2. Наблюдаются также случаи отказов точечных питателей, перебоев в загрузке бункеров глинозема, колеблется состав глинозема. В этих условиях при использовании известного способа количество глинозема, поступающего в электролизер за периоды перепитки, непостоянно, а в периоды недопитки возможны случаи, когда заданные значения R и dR/dt не достигаются за длительное время (несколько часов и более). При этом значения Сг могут колебаться в пределах, выходящих за границы технологически оптимального диапазона 2-5%.

Цель изобретения - повышение производительности электролизеров.

На фиг.1 показаны кривые зависимости приведенного напряжения электролизера от концентрации глинозема в электролите при различных значениях межполюсного расстояния; на фиг.2 - блок-схема алгоритма предлагаемого способа регулирования; на фиг.З - блок-схема определения настроечных параметров; на фиг.4 и 5 - кривые изменения по. времени частоты питания, приведенного напряжения и оценки концентрации глинозема в электролите при уп- равлении электролизером по предложенному способу (фиг.4 соответствует случаю, когда не возникают ситуации, при которых устанавливается режим тестирования, а фиг.5 - случаю, когда такие ситуации возникают).

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

По измеренным значениям напряжения электролизера U и тока серии I определяется приведенное напряжение электролизера

+ Ео.(1)

где lo, Ео - номинальные значения соответственно тока серии и обратной ЭДС.

Значения Unp подвергаются сглаживанию и фильтрации. Определяется также скорость изменения отфильтрованных значений Unp во времени dU/dt и оценивается величина концентрации глинозема в электролите Сг по регрессионному уравнению. Частота включения питающих механизмов меняется таким образом, что периоды недопитки чередуются с периодами перепитки. Первоначально устанавливают частоту fmin, соответствующую режиму недопитки. Вследствие недопитки и соответствующего уменьшения Сг величина Unp возрастает и, когда ее отфильтрованное значение достигает заданного значения и3д1, устанавливается частота питания fmax, соответствующая режиму перепитки. Период перепитки продолжается заданное время Тпер. после чего вновь устанавливает- ся fmin и начинается следующий период недопитки. В этот момент отфильтрованное значение сравнивается с заданным значением 1)3д2, определяется их разность

A U ифпр - иЗД2(2)

и. если модуль A U превышает заданную зону нечувствительности А 1)зд, то переме- щают анодный массив в течение времени A t, пропорционального A U, таким образом, чтобы / AU/ уменьшился до величины, не превосходящей А 113д. Все остальное время до окончания следующего периода перепитки, анодный массив не перемещают.

: Если при питании с частотой fmin величина иФпр не достигает значения Кзд1 за заданное время ТтахНед, питание прекраща- ют (устанавливают режим тестирования, при котором частота питания fnm 0). Этот режим продолжается до тех пор, пока не достигнет 113д1 либо скорость dU/dt не достигнет величины Узд, либо оценка Сг не уменьшится до Сгзд, либо от момента начала тестирования не пройдет промежуток времени Ттахтест. При наступлении любого из этих событий устанавливается режим перепитки с частотой питания fmax, и описанные выше операции повторяются.

Предлагаемый способ основан на следующем.

Известно, что зависимость Unp от Сг имеет вид, показанный нафиг.1. Минималь- ное значение Unp достигается при Сг 3- 4%. Различные кривые семейства зависимостей Unp(Cr), представленных на фиг.1, отличаются между собой главным образом значениями межполюсного расстоя- ния (МПР).

В периоды недопитки поступление глинозема в электролизер меньше его потребления, Сг падает и режим процесса сдвигается в сторону более высоких значе- ний Unp и dUnp/dCr, достигая и3д1 при Сг 2% (при значениях МПР, близких к нормальным). В периоды перепитки, наоборот, поступление глинозема превышает его

потребление, Сг растет и режим процесса сдвигается в сторону низких значений Unp и dUnp/dCr. Поскольку в этой области значения Unp проходят через минимум и производная dUnp/dCr меняет знак, трудно подобрать значение Unp, при достижении которого следовало бы заканчивать период перепитки: даже небольшой погрешности д U при определении этой величины соответствует существенная погрешность б Сг (фиг.1). Поэтому длительность периода перепитки принимается постоянной, а ее значение Тпер выбирается так, чтобы при значениях МПР, близких к нормальному, за это время Unp уменьшилось бы от и3д1 до и3д2, а Сг увеличилась бы от Crmm «2% до Crmax « 3,5-4,5%. Если по истечении TnepU np существенно отличается от и3д2, это свидетельствует об изменении МПР (переходе на другую кривую семейства Unp(Cr), приведенного на фиг.1), например, вследствие изменения уровня металла или сгорания анода. Для возврата к номинальному МПР необходимо переместить анодный массив на величину, пропорциональную A U.

Если в режиме недопитки не достигает величины и3д1 за время Т нед, это означает, что после предыдущего периода перепитки Сг превысила 5-6% и режим процесса сдвинулся на правую ветвь характеристик фиг.1. Это может произойти вследствие неравномерной работы питателей глинозема, колебаний тока серии, состава и величины порций глинозема, неорганизованной подачи глинозема в электролизер при смене анодов, а также в результате осуществления других неавтоматизированных операций.

Дальнейшая длительная работа в режиме недопитки без коррекции МПР, может в этом случае привести к серьезным нарушениям режима процесса, например, к анодным эффектам, поэтому для ускоренного возвращения к оптимальному концентрационному режиму целесообразно полностью прекратить питание глиноземом до тех пор, пока Сг не упадет до Crmin, о чем будет свидетельствовать рост до значения иЗД1. Для повышения надежности работы системы управления и предотвращения снижения Сг ниже 2% питание следует возобновить также в тех случаях, когда скорость изменения dU/dt возрастет до заданного значения У3д или оценка концентрации Сг упадет ниже значения СгЗА.

Оценивание Сг производится по формуле

Сг(п) а0 + aiE(n) + a2R(n),

(3)

АЛЛ

где Сг, Е, R-оценки соответственно концентраций глинозема в электролите, обратной ЭДС и внутреннего сопротивления электролизера,

а0, ai, 32 - коэффициенты, определяемые экспериментально для каждого типа электролизеров,

п - номердшага оценивания.

При этом Е(п) и А(п) определяются известным методом RIDGE-регрессии.

По экспериментальным данным коэффициент множественной корреляции между фактическими значениями Сг и оценками Е и R составляет не менее 0,9, а среднеквад- ратическое отклонение расчетных значений Сг от фактических - 0,2%.

Если тестирование процесса путем прекращения питания за время Етахтест не приведет к достижению 11зд1, /3д или Сгзд, питание возобновляется. Во всех случаях после режима тестирования устанавливается режим перепитки.

Таким образом, чередование периодов перепитки, недопитки и при необходимости тестирования обеспечивает повышение точности стабилизации концентрационного режима и в условиях колебаний тока серии, величины и состава порций глинозема, воздействия других возмущающих факторов.

Предлагаемый способ заключается в следующем (фиг2).

Контролируют напряжение электролизера U и ток серии I. Контроль осуществляют известными способами, предусматривающими сглаживание измеренных значений, например, путем усреднения за интервал времени Тус.

В конце каждого интервала Тус по сглаженным значениям напряжения и тока вычисляют приведенное напряжение Unp по формуле (1). Вычисленное значение подвергают фильтрации, например, с помощью процедуры Холта-Винтерса

ифпр(п) giUnp + (1-91)ифпР(п-1) + Л U(n- -1);(4)

A U(n) - (п) - ифПр(п-1) + (1 - д2)х х U(n-1).(5)

где п - порядковый номер интервала усреднения Тус;

91. 92 - сглаживающие константы, которые выбирают в диапазоне 0-1 по известным правилам;

U(n) - приращение Unp за n-й интервал усреднения Тус.

Принимают dU/dt Л U(n).

Определяют оценку бг(п) по формуле (3).

Устанавливают частоту питания fmin (режим недопитки) и контролируют время работы в этом режиме Тнед. Если за время Тнед Ттахнед величина достигает на- перед заданного значения 11зд1, устанавливают частоту питания fmax (режим перепитки). Если за время Тнед Ттахнед значение ОфПр остается меньше 1)зд1, прекращают питание (переходят в режим тести- рования).

Если установлен режим тестирования, контролируют время работы в этом режиме. Когда величина 11фпр достигает 11зд1 или величина dU/dt A U(n) достигает наперед заданного значения Узд, или оценка Сг уменьшается до наперед заданного значения Сгзд, или время работы в режиме тестирования достигает наперед заданного значения Ттахтест, устанавливают частоту питания fmax (режим перепитки).

Когда установлен режим перепитки,

контролируют время работы в этом режиме

и, когда оно становится равным наперед

заданной величине Тпер, устанавливают частоту питания fmin (режим недопитки).

Сравнивают отфильтрованное значение приведенного напряжения ифпр после окончания периода перепитки с наперед заданным значением 1)3д2 и, если модуль разности между ними / A U/ превышает наперед заданную зону нечувствительности АОзд, перемещают известным способом анодный массив в течение времени, пропорционального Аи, таким образом, чтобы /Д U/уменьшился до величины, не превосходя щейА 1)зд.

Повторяют описанные операции.

Значения настроечных параметров системы определяют для каждого электролизе- ра по следующей методике (фиг.З).

Устанавливают исходные значения настроечных параметров:

Тус 3 мин; Тпер 100 мин; Ттахнед 60 мин;

ТТесттах 100 мин; fmin 0,1 1/мин; fmax 1 1/мин;

91 0,5 ; Q2 0,4; 113д 2 мВ/мин; Сгзд 1,5%.

Эти значения получают при экспери- ментальной проверке предлагаемого метода на пяти промышленных электролизерах. Для каждого из этих электролизеров определяют оптимальные значения настоечных параметров. Среднее по пяти электролизе- рам значение -каждого из этих параметров устанавливают в качестве исходного.

Осуществляют управление электролизером по предлагаемому способу в течение суток, фиксируя электрические параметры

процесса, моменты переключения режима питания, анодные эффекты, а также наличие глиноземистых осадков в ванне электролизера.

Если последовательные значения отфильтрованного напряжения отличаются друг от друга в среднем более, чем на A Umaxnp, увеличивают степень фильтрации, для чего увеличивают значение Туе на 1 мин и уменьшают на 0,1 константы gi и д.

Если же последовательные значения Unp мало отличаются друг от друга (меньше, чем на A , увеличивают gi и д2 (на 0,1 каждую константу/и уменьшают Туе на 1 мин.

Если большая часть интервалов недо- питки оканчивается переходом в режим тестирования и при этом число анодных эффектов за сутки - не более 1, увеличивают Мшахнёд на 5-10 мин и уменьшают fmin на 0,01 1/мин.

Если большая часть интервалов тестирования окончилась, Сгзд, когда ТТест достигло Ттахтест, и не зафиксировано более одного анодного эффекта за сутки, увеличивают Мтахтест на 10-15 мин, и3д уменьшают на 0,1 мВ/мин.

Если существенная часть (не менее dmax) интервалов недопитки оканчивается за время, меньшее чем Ттахнед, уменьшают на 5 мин.

Если за сутки зафиксирован более чем один АЭ, увеличивают Сгзд на 0,2%, уменьшают Ттахтест на 10 мин и увеличивают Тпер на 10 мин.

Если зафиксировано выпадение глиноземистых осадков, уменьшают Тпер на 10 мин и fmax на 0,05 1/мин.

Осуществляют управление при новых значениях настроечных параметров в течение еще суток и повторяют описанные операции. При этом, если за весь прошедший период не выпадают глиноземистые осадки, а в конце значительной части интервалов перепитки (не менее ) оказывалось необходимым опускать анодный массив, увеличивают Тпер на 10 мин и fmax на 0,05 1/мин.

Повторяют операции до тех пор, пока не будут удовлетворены следующие условия: степень фильтрации обеспечивает отличие последовательных значений на ДОЛр:

больше половины интервалов недопитки заканчивается при Тнед ТтахНед

больше половины интервалов тестирования заканчивается при Ттест Ттахтест:

частота анодных эффектов составляет 0,5-1 АЭ/сут;

глиноземистые осадки не выпадают. Значения настроечных параметров, при которых достигаются эти результаты, принимаются для дальнейшей работы.

Уставка и3д1 и зона нечувствительности AD задаются технологическим персоналом, и3д2 принимается равным иэд1 минус 80- 120 мВ.

Пороговые значения AUnpmax, A Unp,

A UnpH, «max , «min , выбирают соответственно равными: Д Unpmax (15-20)%; A Unpmin

-(5-8)%; Аипрн (8-15)%; «max 70%;

.

Экспериментальные исследования алгоритма показывают, что при этих значениях и при приведенной выше дискретности изменения настроечных параметров дости- гается быстрейшее определение оптимальных настроек. При отличных (как в большую, так и в меньшую сторону) от указанных выше Значениях ПОРОГОВЫХ веЛИЧИН , втах.

а также при значениях AUnpmm, AUHnp.

ДиПртах, лежащих вне указанных диапазонов (с обеих сторон), процедура определения оптимальных настроек существенно удлиняется. То же происходит при дискретности изменения настроечных параметров,

отличной от указанной выше.

Пример. Электролизеры с обожженными анодами на силу тока I 255 кА запи- тывают глиноземом с помощью точечных питателей. Электролизная серия оснащена

АСУ ТП на базе УВК СМ-2М. Каждые 2 с АСУ ТП осуществляет автоматическое измерение U и I. Каждые 7 таких измерений усред- няются, и по усредненным значениям вычисляется Unp по формуле (1). Unp усредняется за Тус. Усредненные значения фильтруются по формулам (4,5).

В процессе наладки определяют значения настроечных параметров в соответствии с изложенной выше методикой. Для

пяти электролизеров, на которых фиксируют технологические показатели электролиза, получают значения настроечных параметров, приведенные в табл.1.

При других значениях настроечных параметров повышалась частота АЭ либо выпадали глиноземистые осадки. Значения изд1, и3д2 и А и3д были заданы технологическим персоналом и составляли: Узд1 4250

мВ; и3д2 4150мВ;Ди3д ЗОмВ.

Для определения параметров уравнения оценки Сг отбирают 50 проб электролита и проводят их анализ на содержание глинозема. По результатам анализов методом наименьших квадратов определяют следующие значения:

ао 39; ai -10; за -2.

Поведение электролизера при управлении по предложенному алгоритму показано на фиг.4,5.

На фиг.4 показано изменению во времени частоты питания, и Сг при номинальном режиме, когда период недопитки ззкзнчивается при Usjji. После пер- вого периода перепитки оказалось равным 4110 мВ. т.е.

Ди ифпр-и3д2 4110-4150 -40мВ и изд;15

поэтому анодный массив перемещается вверх. Время перемещения At 2 с. Коэффициент пропорциональности между A U и At К -0,05 с/мВ определен при наладке АСУ ТП. После второго периода перепитки 1)Пр 20 оказалось равным 4170 мВ, т.е.

AU 4170-4150 20 мВ; ,

и перемещения анодного массива не произошло.

На фиг.5 показаны графики изменения тех же параметров в случае, когда при ТНед Ттахнед величина остается меньше

1)зд1 и режим недопитки сменяется режимом тестирования. Первый период тестир - вания длится 45 мин, после чего Сг становится 1,4%, что меньше Сгзд Второй период тестирования заканчивается через Ттахтест 90 мин, так как за это время ни ифпр, ни dU/dt, ни Сг не достигли заданных значений.

Следующие два периода тестирования (не показаны) закончились соответственно через 54 и 66 мин. Первый из них закончил- ся, когда величина достигла 4255 мВ, т.е. превысила 1)3д1, а второй - когда приращение A U оказалось равным 40 мВ, т.е. V превысилоУэд.

Двухнедельные промышленные испы- тания предложенного способа на пяти электролизерах показали, что его использование стабилизирует режим электролиза и улучшает его технологические показатели.

Сравнительные показатели работы пяти электролизеров до испытания предложенного способа и в момент испытания сведены в табл.2.

Существенное снижение частоты анод- ных эффектов и количества перемещений анодного массива, а также некоторое уменьшение напряжения на электролизерах во время испытаний свидетельству ют о б эффективности предложенного способа.

0

5

0

5

0

5

0

5 0

5

При этом в период испытаний уровень металла и электролита, а также глиноземистых осадков соответствовал технологическому регламенту.

Таким образом, повышение производительности электролизеров за счет более точной стабилизации концентрационного режима достигается благодаря совокупности отличительных признаков изобретения.

Полное прекращение питания в случае, когда при Тнед ТтахНед значение остается меньше 1)ЗД1, предотвращает пересыщение ванны электролизера глиноземом, а вычисление оценки концентрации глинозема в электролите сравнение вычисленныхзначений ифпр, Сг, dU/dtuTreci с заданными значениями позволяет своевременно возобновить питание и предотвратить чрезмерное снижение Сг и возникновение анодных эффектов.

Применение предложенного способа регулирования алюминиевых электролизеров обеспечивает более точную стабилизацию концентрации глинозема в электролите в технологически оптимальном диапазоне, предотвращается выпадение глиноземистых осадков и возникновение анодных эффектов и, как следствие, повышается выход по току на 0,2-0,4% .уменьшается удельный расход электроэнергии и трудозатраты при электролизе алюминия.

Формула изобретения

1.Способ автоматического регулирования алюминиевого электролизера, включающий измерение напряжения на электролизере, тока серии, расчет текущих значений приведенного напряжения электролизера, скорости его изменения во време- ни и концентрации глинозема в электролите, 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, отличающийся тем, то, с целью повышения производительности, при работе в режиме недостаточного питания прекращают питание электролизера глиноземом, если приведенное напряжение не достигает заданного значения в течение заданного интервала времени, и после выдержки подают в электролизер избыточное количество глинозема в течение заданного интервала времени.

2.Способ по п.1,отличающийся тем, что после прекращения питания избыточное питание подают в электролизер, когда вычисленное значение концентрации глинозема становится меньше заданного.

3.Способ по п. 1, отличающийся тем, что после прекращения питания избыточное питание подают в электролизер, когда текущее значение приведенного напряжения становится больше заданного.

4.Способ по п.1, о т л и ч а.ю щ и и с я тем, что после прекращения питания избыточное питание подают в электролизер, когда скорость изменения приведенного

0

напряжения во времени становится больше заданной..

5. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что фиксируют момент прекращения питания, подсчитывают интервал времени, прошедший с этого момента, сравнивают его с заданной величиной и подают избыточное питание, когда фактическое значение интервала времени, прошедшего с момента прекращения питания, становится больше заданного.

Изобретение относится к цветной металлургии. Способ заключается в чередовании режимов избыточного и недостаточного питания электролизеров глиноземом и прекращении питания (переходе в режим тестирования), если в режиме недостаточного питания отфильтрованное значение приведенного напряжения за заданное время не достигает заданного значения. Режим тестирования сменяется режимом избыточного питания, когда приведенное напряжение, либо скорость его изменения во времени, либо оценка концентрации глинозема в электролите достигают наперед заданной величины или же истекает предельно допустимое время тестирования. В результате стабилизируют концентрацию глинозема в электролите в оптимальном диапазоне, исключают выпадение глиноземистых осадков, уменьшают частоту и длительность анодных эффектов, увеличивают выход по току на 0,2-0,4%, уменьшают удельный расход электроэнергии и трудозатраты. 4 з.п.ф-лы, 5 ил. Ё

Частые Оптимальный яэ | диапазон

15

Таблица 1

Та бл и ца 2

Глиноземистые осадки

Сг %

&

(Ноооло

ybrnQnoStQ исход- уых значений Гус. , Т$, Тт™, fmLn, /так, fy.fr,

Уц, Ф

ftogotewe mecmooffitieflOM- Pjtcowff v бьтисяение L S

Д HWMtaoo i/ лрицин п&рёклюц.

/ктуму, оиоднык фр ехтоЗ/.Ml, нслщив гм- нз&мис.пь/и осодкоо

Фиг.5 (продолжение)

v

15 5Q

i cvНПН rtlj

Ц

Cj -«

о о

3 J

4i

I

tj

I I

Ј

I

C:

(ч

Kl %n ьи

%Y