铝电解过程优化控制的思考

2018-01-29

世界有色金属 2018年1期

（广西来宾银海铝业有限责任公司，广西来宾 546135）

1 铝电解的过程

1.1 铝电解工艺的基本原理

当前情况下，霍尔-埃鲁特法仍然是铝电解生产行业中的常用方法。换句话来说，就是采用高温电解冰晶石的方法来制铝。在铝电解的过程中，电解槽长期工作在温度较高，磁场较强，电流与腐蚀性均较强的环境中。在这个电解槽中，溶剂为熔融状态的冰晶石，溶质为氧化铝。阳极为碳素材料，阴极为铝液[1]。在电解槽中通入直流电，使其温度始终控制在一个范围内，此时，电解槽内将会发生复杂的化学反应。其中，阳极会产生二氧化碳气体，一氧化碳气体等污染性气体，还会生成较多的粉尘，污染了环境。阴极的产物为液态的金属铝。经过一系列变化，最后被浇筑成铝锭。据调查显示，每生产1吨铝，将会向大气中排放1500立方米的污染性气体，消耗500千克的能量，由此可见，铝电解的生产过程是一个高耗能，高污染的行业[2]。

1.2 铝电解工艺的操作流程

在铝电解的生产过程中，氧化铝的浓度以及电解的温度都无法进行直接的测量，因此，若想得到一个标准的参数值，就应当从电解槽的电流参数中来获取。在整个铝电解的过程中，主要用到的材料有冰晶石、碳阳极、以及氧化铝等。其中，碳作为阳极，在阳极反应中，主要产生的是二氧化碳气体。氧化铝在反应的过程中是关键的材料。制作过程中，主要用到的方法为拜耳法。

1.3 铝电解槽的结构

（1）阳极炭块组。阳极炭块组主要由三个部分组成，这三个部分分别为：钢爪，阳极炭块，以及铝导杆。这三个部分中，最重要的就是铝导杆，它对阳极的母线起到了固定的作用。阳极炭块主要分为三种。在电解槽内，如果电流变大，那么，阳极的电流密度将变小。若想使电解槽中能生产出更多的铝，就应当使用较低的电耗进行生产。

（2）碳阴极。在铝的电解过程中，阴极主要是一种容器，用来盛放熔融状态下的电解液。阴极主要由四个部分构成，分别为：阴极导电棒，边部炭块，碳素内衬以及底部炭块等。在底部炭块下，应当放置耐火材料。碳阴极还有一个重要的作用，那就是传导电流。

（3）侧壁。在阳极的铝电解槽中，侧壁是一个重要的组成部分。侧壁的组成材料与炭块的相同，在生产的过程中，侧壁应当具有良好的导热性和绝缘性，在整个电解过程中，侧壁主要起到了保护层的作用。

（4）槽壳与导电母线。在铝的电解过程中，电解槽的槽壳与导电母线之间相互串联，在电解槽进行通电时，直流电由导电母线传输到槽壳中。

2 铝电解过程优化控制的思考

2.1 行为策略法

（1）拆裂与分块建模。行为策略法主要分为几个方面的内容，分别为：连接、拆裂、以及分块建模。其中，“拆裂”主要在互关联结构中进行。“分块建模”主要确定了模块的方程以及模块的变量配置。“链接”主要约束了互关联结构。

行为策略法主要由几个要素组成，这些要素分别为：模块，端子，互关联结构，以及显变量配置等。其中，端子依据铝电解的类型来决定。端子的类型表明了端子的变量属性。在模块中，含有较小数量的端子以及约束端子变量“行为”的系统。在互关联结构中，含有leaves图，对这个系统进行建模时，应当充分考虑子系统的内部原则以及互相关联的性质。在互关联系统中，模块的方程和互关联的约束条件共同决定了“行为”方程。端子变量的“行为”由互关联方程以及模块方程来共同决定。并对其进行表述。在整个行为策略法系统中，“全行为”主要由整个系统中的互关联约束条件，模块方程以及显变量控制来共同决定。在行为策略中，受到基本原则的约束，使互关联层次更趋于标准化以及简单化，通过模块来代替模型，去除了模型的复杂性。

（2）互关联控制。从“行为”的角度来思考问题，对一个系统进行控制，我们称之为，限制这个系统的“行为”。换句话说，就是将一个系统与一个控制器相关联。在对系统“行为”的控制中整个被控制的系统中包含两方面的端子集合体系。其一，端子集合所对应的被控制量；其二，端子集合所对应的控制变量。所谓的控制器，指的是约束变量“行为”的控制系统。在这整个体系中，存在的核心问题是被控变量的“行为”。

2.2 链系统控制法

链系控制法在铝电解的优化过程中占有重要的地位。此种方法能解决非常多的为题，包括：非线性系统控制问题，大滞后系统控制问题，多变量系统控制问题等。此种方法为这些问题提供了一个新的思路。无论是在电力行业，还是在化工行业，几乎在所有的领域中都能将这些领域抽象化的展现出链结构模型。在整个系统中，每一个环节中都有不同程度的时滞现象出现。这种时滞现象对整个系统中的变量有着不同程度的影响。在整个系统中，每个环节都存在着程度不同的非线性特性。这种特性为系统的分析与设计都带来了巨大的困难。这时，应当充分利用系统中的因果链结构特性，在局部中分散控制策略。采用这种方法来对整个系统进行控制。将整个系统分为若干个部分，分别解决这些部分的滞后问题和约束问题，从而，解决整个系统中的实际问题。使铝电解的生产效率有所提高。

2.3 电解温度与铝浓度之间的关联

在铝电解的整个生产过程中，铝电解槽的能量平衡与物料平衡，相互影响着，相互作用着。从反应开始，一直到反应结束。整个过程中都应当对其给予高度的关注。从外在表现形式上来看，物料平衡主要体现在氧化铝的浓度上，能量平衡主要体现在电解的温度上。

首先，我们对氧化铝的浓度关联来进行分析：在铝电解的过程中，每次投放的物料数量是一样的，而决定投料数量多少的因素为投料时间间隔的长短。若在规定的时间内，投料的总次数增多，那么，在电解槽中形成的氧化铝的浓度就会越大。若在规定的时间内，投料的次数减小，那么，在电解槽中形成的氧化铝的浓度就会越小。在电解槽中，氧化铝的浓度会随着电解槽中的电压变化而变化。在整个铝电解的过程中，系统中的电流量，氧化铝的溶解速度，以及出铝量和电解质的水平都具有互相关联的特性。

其次，我们对电解的温度关联来进行分析：我们可以通过控制电解槽内的电压来控制铝电解过程中产生能量的大小。进一步来控制电解的温度。在整个过程中，系统中的电流量，氧化铝的溶解速度，以及出铝量和电解质的水平都具有互相关联的特性。