浅谈低电压生产下铝电解槽的控制方法

仲佳德 李 贤

(青海桥头铝电股份有限公司, 青海 西宁 810100)

浅谈低电压生产下铝电解槽的控制方法

仲佳德 李 贤

(青海桥头铝电股份有限公司, 青海 西宁 810100)

铝电解槽要在低电压生产中取得较理想的能耗及指标，其工作的持续稳定及有效的控制方法变得尤为重要。本文通过在生产实践中摸索，总结了铝电解低电压生产下达到高效稳定运行的一种控制方法。

低电压； 能量补偿； 氧化铝浓度； 控制方法

0 前言

随着电解铝行业产能过剩加剧及铝价在低位徘徊，低成本战略成为电解铝企业的根本选择。在铝电解过程中电力成本最高，约占总成本的 47%，因而进行低成本战略就是实现最佳的吨铝电耗，即深度挖潜降低电压，从而降低能耗成本。因此，铝电解槽低电压生产已在国家降低产业能耗的大背景下悄然推行。

铝电解生产的电力能耗主要由电流效率和槽电压决定。槽电压主要由阴、阳极压降、极化压降、电解质压降和连接母线压降组成，而电解质压降是槽电压中最活跃的因素，是节能降耗的关键环节[1]。电解质压降由电解质成分和极距决定，在极距接近电解槽极限极距的条件下，盲目降低极距可能会导致生产能耗不降反升的恶性后果。由于电解质成分和极距都与电流效率密切相关，故低电压生产不能一味降低极距，整个生产过程必须保持电流效率不明显降低及槽电压的稳定。本文结合生产实际总结了能量补偿及氧化铝浓度平衡方法，有利于低电压生产下电解槽的持续稳定管理。

1 低电压生产下铝电解槽运行存在的问题

随着槽电压的降低，电解槽热收入明显不足，从而出现一些问题影响着电解槽的稳定运行，这些问题如下：

(1)出现了电解槽角部伸腿肥大的现象，电解槽稳定性逐渐变差，电压摆明显增多。

(2)出现电解质水平偏低，难以保持合适的电解质高度，电解质水平和氧化铝的熔解能力降低，增加了突发效应的发生，甚至出现了炉底沉淀，导致氧化铝浓度不易控制。

(3)电解质水平偏低，经常出现壳头包、卡壳头、大堆料等现象，增加了操作人员的劳动强度。

(4)电解槽壳面厚度增大，更换阳极等操作时增大了操作难度和管理难度，并且在操作时增加一些器具，增加了生产的大宗材料费用。

(5)电解槽运行稳定性变差，异常电压明显增多，阳极效应增多，导致槽电压升高，电流效率降低，造成了直流电耗大幅升高。

针对以上情况，提出了能量补偿及氧化铝浓度控制策略，以保证铝电解槽在低电压下正常稳定工作。

2 能量补偿及氧化铝浓度平衡控制策略

在低电压生产模式下，电解槽的敏感度明显增加，抗干扰能力下降。更换阳极、阳极频繁动作和氧化铝浓度异常对电解槽况的影响较大。提高电解槽在换极、各类加工等特殊作业时的抗干扰能力，增强电解槽稳定性，并结合季节性特点制定一套合理有效的能量补偿及氧化铝浓度平衡策略是进行铝电解低电压生产的一项重要管理技术。

2.1 能量补偿控制策略

2.1.1 更换阳极后能量补偿

因为更换阳极过程中部分氧化铝敷料及结块掉入电解质中，而低电压生产时的工作电压不能熔解掉入的氧化铝。一般附加控制结束后经常出现电压摆，浓度不受控，针摆严重等不良槽况，某公司现更换阳极后的控制逻辑是将目标电压抬高90 mV，保持1 h左右，然后降低至60 mV保持1 h左右，再降低至30 mV保持1 h左右后退出附加能量补偿。采用三档分梯度附加模式的目的是补偿更换阳极带走的能量。通过试验，分梯度附加模式需3～4 h才能基本保证电解槽稳定，具体时间还要结合外部环境温度综合考虑。换极附加能量控制见图1。

图1 换极附加能量控制

2.1.2 阳极频繁动作的能量补偿

由于大多企业都追求较高的电流效率，即使降低了电解槽的工作电压也未将相应的分子比提高，导致电解槽的针摆增大，按传统的控制逻辑将会出现阳极频繁动作，浓度控制失真，严重影响电解槽的稳定性。因此，必须探索一种新的控制逻辑，在保证适当过热度的前提下尽量避免频繁动阳极。当电解槽噪声即针摆较大时，电解质电阻变化也比较敏感，每次动阳极电解质电阻都变化较大，容易出现超调，之后向相反方向调整，但不易调整到目标区域，如图2所示。

图2 针摆严重频繁调整阳极

针对此类现象，一方面可以加大电压不调区范围，如可将电压敏感区上下限调整为上50 mV，下30 mV，从而减少自动控制情况下频繁调整极距；另一方面可考虑优化RC控制策略，即在不调区只根据电解槽的目标电阻来进行阳极调整，重新引入正常加工。一般情况下只有在正常加工时才允许调整阳极，过加工和欠加工过程中除电压严重偏高或偏低都禁止动阳极，减少阳极动作次数，并且当在正常加工过程中动阳极时，只要当前电压调整到目标电压附近(约正30 mV负20 mV)就立刻进入浓度控制，无需等待，因为等待过程中电压很容易超出调整区域然后又继续升降阳极，影响正常的浓度控制。

2.2 氧化铝浓度平衡控制策略

在生产实践中，由于受现有技术条件、人工操作质量、原辅材料质量以及辅助工序等各种相关因素的影响，导致电解质体系成分复杂多样且不同成分之间浓度比例不易控制，特别是氧化铝浓度难以控制到最佳状态。氧化铝浓度平均达到3.3% 以上，且波动较大，电解质流动性、导电性及熔解氧化铝的性能较差，浓度平衡很难建立[2]，严重影响了铝电解槽电流效率的提高和能耗的降低，也在很大程度上制约了铝电解生产的进一步发展。

2.2.1 更换阳极后氧化铝浓度平衡控制策略

更换阳极后能量附加过程中要改变一直以来的欠加工方式，整个附加控制过程采用氧化铝浓度自动控制，实现过加工与欠加工依据电阻斜率变化情况而相互转换，确保氧化铝浓度为1.5%～2.5%。

2.2.2 氧化铝浓度走反后修正策略

低电压下氧化铝浓度变化比高电压下敏感，因而浓度控制比较容易走反。当氧化铝浓度走反后，传统的控制方法不是继续进行浓度控制，而是采取先压极距，再进行浓度控制。由于低电压生产下极距本来就很小，再压极距将会大大降低电解质部分的工作电压，导致能量收入不足，影响电解槽的正常生产。且如果连续3～4 h都进行欠加工，氧化铝浓度将会越来越低导致发生效应，电耗增加，电流效率降低。在氧化铝浓度控制过程中，槽控机检测到过加工时电压上升，欠加工时电压下降，应判断氧化铝浓度控制走入反区即高浓度区，需要及时修正，其做法是将目标电压抬高，抬高的幅度由当前电压与目标电压的偏差来决定，然后继续进行欠加工，欠加工的幅度由大到小以尽快使氧化铝浓度恢复到正常控制区域为准；当氧化铝浓度恢复到正常控制区域后将目标电压调回到浓度异常时的目标电压，进入到正常的控制过程[3]。氧化铝浓度控制走反修正见图3。

图3 氧化铝浓度控制走反修正

2.2.3 人工操作质量对于控制氧化铝浓度平衡的影响

人工操作质量主要体现在：(1)换极质量不高，新极16 h合格率≤ 90%；(2)换极操作时间过长且操作对电解槽的干扰较大。(3)下料点打壳开孔率≤78%，严重影响向电解槽下料。换阳极带来的问题不得不通过能量附加策略弥补解决。而因打壳口堵塞带来的氧化铝浓度破坏问题，在现有的设备基础上唯有通过细化管理措施，实时监控跟踪下料口现状及料量情况，真正实践人机最佳配合，才能将其影响降至最低。目前最先进的技术是通过在打壳锤头上埋设电磁感应线圈，通过下料时感应电流的大小变化适时监控其下料口开口情况及料量情况。

3 控制效果分析

通过一年多的摸索、总结、优化电解槽控制策略，电解槽在低电压下运行稳定性有了大幅提高，氧化铝浓度控制和炉底压降方面取得了良好的效果。

3.1 氧化铝浓度抽样分析

优化电解槽控制方法后，随机选择了几台电解槽对氧化铝浓度进行了抽样分析，分析结果见表1。

表1 电解槽控制方法优化后氧化铝浓度分析 单位：%

从表1可知，氧化铝浓度控制的范围较窄，最高浓度为2.47%，最低浓度为2.11%，平均浓度2.31%，已达到国内先进的铝电解企业氧化铝浓度范围(1.8%～2.5%)。

3.2 炉底压降测量分析

电解槽控制方法优化前后，分别选择几台电解槽对炉底压降进行了测量。对于每台被测槽，在A、B面出铝端和烟道段各取两个测量点，测量结果见表2。

表2 电解槽控制方法优化前后炉底压降测量结果 单位：mV

优化电解槽控制方法后，对电解槽炉底进行探测，发现炉底基本干净，大部分电解槽只有稀少的沉淀，阳极效应系数控制在0.005次/槽·d，实现了电解槽在低电压下的稳定运行，并使炉底压降降低了19～40 mV，降压效果明显。

4 结论

(1)针对电解铝生产中换极操作对电解槽影响严重的问题，采取在低电压模式下3档3 h能量补偿，增加能量收入，平衡电解槽热损失及稳定性差的问题。

(2)为了保持氧化铝浓度持续平衡，必须采用氧化铝浓度跟踪修正技术，确保各种条件下氧化铝浓度满足低电压生产工艺要求。

(3)逐步优化控制策略，减少针摆严重情况下自动升降阳极的干预，合理设置RC控制参数有助于电解槽稳定工作。

(4)在现行工艺装备和条件下，精细化管理可提高操作质量和料口开口率，降低对氧化铝浓度的影响程度。

[1] 邱竹贤.预焙槽炼铝(第3版)[M].北京：冶金工业出版社， 2005.

[2] 冯乃祥. 铝电解[M]. 北京：化学工业出版社，2006.

[3] 曾水平，张秋萍，赵国鑫.铝电解槽氧化铝浓度的模糊控制[J].冶金自动化， 2001(5):9-11.

Discussion on Controlling Methods of Low Voltage Production in Aluminum Reduction Cell

ZHONG Jia-de, LI Xian

To achieve the ideal energy consumption and indicator, the sustainability and stability, and effective control method become particularly important in low voltage production of Aluminum reduction cell. Through production practice, this paper summarizes a control method to achieve efficient and stable operation of the cell under low voltage.

low voltage; energy compensation; alumina concentration; controlling method

2014-04-16

青海省高新技术研究与发展计划项目(项目编号：2013- J- 206)

仲佳德(1980—)，男，甘肃威武人，大学本科，助理工程师，主要从事铝电解槽计算机控制管理工作。

TF821

B

1008-5122(2014)04-0012-04