Спосіб керування процесом електролітичного одержання алюмінію в електролізері

Настоящее изобретение относится к области цветной металлургии и может быть применено для управления процессами получения алюминия из глинозема электролитическим методом. В соответствии с технологией процесса растворенный в электролите глинозем под воздействием проходящего постоянного тока разлагается с выделением чистого алюминия. С течением времени концентрация глинозема в электролите уменьшается, и когда она достигает 0,5-1,5% возникает особый режим работы электролизера (анодный эффект), сопровождающийся снижением техникоэкономических показателей. Периодически в расплав электролита необходимо вносить новые порции глинозема. Это может выполняться с помощью устройств, состоящи х из пробойника и дозатора. Пробойником взламывают корку на поверхности электролита, а дозатором вводят в расплав определенную порцию глинозема. Частоту подачи порций глинозема подбирают в зависимости от скорости растворения глинозема в расплаве и скорости его расходования, которые зависят от те хнологического режима и с течением времени могут меняться. В качестве прототипа принят способ управления, реализованный фирмой "Алюминиум Пешине" [1]. В соответствии с прототипом измеряют напряжение на электролизере и силу тока, определяют величину электрического сопротивления и изменяют положение анодного массива пропорционально отклонению сопротивления от его заданного значения. При этом стабилизируют заданную - минимальную или максимальную частоту подачи порций глинозема с помощью дозирующи х устройств. Переход с одной частоты дозирования на другую (с минимальной на максимальную) осуществляют, если скорость изменения электрического сопротивления электролизера повышает заданное значение или, если регулирование электросопротивления перемещением анода становится не эффективным. Недостатком прототипа является низкое качество стабилизации энергетического и технологического режимов в электролизере, обусловленное тем, что при определении сопротивления не учитывается его зависимость от изменения температуры и, особенно, концентрации глинозема. Неточное управление приводит к увеличению количества и тяжести технологических нарушений, снижению технико-экономических показателей: выхода по току, качества металла и производительности труда. Добиться с помощью способа-прототипа хорошего качества стабилизации одновременно и энергетического и концентрационного режима невозможно, поскольку в обоих контурах управления (контур управления тепловым режимом изменением положения анодного массива и контур управления концентрацией глинозема изменением частоты работы дозирующих устройств) используется, по существу, один и тот же входной параметр-электросопротивление. Предлагаемый способ управления процессом электролитического получения алюминия свободен от вышеперечисленных недостатков. Целью предлагаемого способа является повышение выхода по току и снижение удельного расхода электроэнергии за счет повышения качества стабилизации энергетического и технологического режимов в электролизерах. Указанная цель достигается тем, что в известном способе управления процессом электролитического получения алюминия в электролизере, включающем измерение напряжения (U) на электролизере, силы проходящего через него тока (I), определение сопротивления (R) электролизера, изменение положения анодного массива и частоты подачи порций глинозема с заданного по технологии минимального значения на максимальное в зависимости от текущего содержания глинозема в расплаве, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода по току и снижения удельных затрат электроэнергии и фторсолей за счет стабилизации энергетического и технологического режима процесса электролиза, дополнительно измеряют количество (G) загружаемого в электролизер глинозема, определяют приращения тока (DIn), напряжения (DUn) и количества (DGn) загружаемого глинозема на каждом такте (n) измерения, вычисляют с учетом DIn, DUn, DGn - по математической модели значения междуполюсного расстояния (ln), температуры (Τn) расплава и концентрации (Сn) в нем глинозема, изменяют положение анодного массива зависимости от вычисленных (ln и Τn) и заданных (І3 и Т3) по технологии значений, при этом заданное по технологии значение концентрации глинозема изменяют с минимального значения на максимальное при снижении концентрации глинозема ниже нижнего предельного по технологии значения и изменяют заданное по технологии значение концентрации глинозема с максимального значения на минимальное при повышении концентрации глинозема выше верхнего предельного по технологии значения, причем математическую модель для вычисления С п корректируют при наличии анодного эффекта и Сn 1,5%. Дополнительное измерение количества загружаемого глинозема, а также приращений тока, напряжения и количества загружаемого глинозема на каждом такте измерений позволяет организовать массив синхронно измеренных значений этих величин, по которому одновременно и с малой погрешностью с использованием математической модели электролизера определяют три непосредственно неизмеряемых режимных параметра: величину междуполюсного расстояния, температуру электролита и концентрацию глинозема в нем. Изменение положения анодного массива пропорционально отклонению величины междуполюсного расстояния от его заданного значения с коррекцией по отклонению температуры расплава от его заданного значения ведет к стабилизации энергетического режима работы электролизера на оптимальном уровне, а следовательно, и повышения выхода по току и снижению удельного расхода электроэнергии. Изменение частоты подачи порций глинозема пропорционально отклонению концентрации глинозема в расплаве от ее заданного значения позволяет поддерживать в электролизере оптимальную концентрацию глинозема, не допуская осаждения излишнего глинозема на дно электролизера или слишком большого обеднения расплава глиноземом, приводящим к увеличению частоты анодных эффектов, повышению расхода фторсолей и трудозатрат на обслуживание электролизеров. Оперативное изменение величины заданного значения концентрации глинозема в расплаве с минимального значения на максимальное при снижении концентрации глинозема ниже нижнего предельного значения и изменению величины заданного значения концентрации глинозема в расплаве с максимального значения на минимальное при повышении концентрации глинозема выше верхнего предельного значения позволяет более точно оценивать концентрацию глинозема в электролите. Это приводит к стабилизации состава электролита, снижению удельного расхода электроэнергии и фтористых солей. Корректировка модели электролизера в моменты, когда концентрация глинозема при анодном эффекте выходит из диапазона 0,8-1,5%, позволяет компенсировать действие медленно изменяющихся неконтролируемых возмущений на процесс электролиза и повысить точность определения величины междуполюсного расстояния, температуры расплава и концентрации глинозема. По массиву син хронно измеренных значений тока, напряжения, количества подаваемого глинозема и их приращений на каждом такте измерения можно более точно, чем известными методами, с применением математической модели определить важные, но непосредственно не измеряемые, режимные параметры процесса электролиза - величину междуполюсного расстояния, температур у электролита и концентрацию в нем глинозема, а во-вторых, сделать это одновременно, независимо от их взаимного влияния друг от др уга. Такой прием позволяет, по существу, разделить контуры управления электролизером по входной информации, причем каждый контур стабилизирует "свой" параметр (один контур стабилизирует величину МПР, а др угой - концентрацию глинозема). Стабилизация величины междуполюсного расстояния с учетом изменения температуры, стабилизация заданного значения концентрации глинозема с соответствующим изменением этого заданного значения, позволяет поддерживать в электролизере на оптимальном уровне как баланс между подводящим теплом и его потерями, так и баланс между подаваемым в электролизер глиноземом и его потреблением в процессе электролиза. На фиг.1 показана система управления, реализующая заявляемый способ управления процессом электролитического получения алюминия; на фиг.2 - график изменения заданного значения концентрации глинозема в электролите. Электролизер 1 (на фиг.1) подключен к анодной 2 и катодной 3 ошиновке и снабжен угольным анодом 4 и устройством 5 для порционной подачи глинозема. Величина подаваемой дозы глинозема определяется конструкцией устройства 5 и обычно постоянна, а частота подачи порций меняется. Рабочее напряжение электролизера измеряется измерителем 6, сила тока – измерителем 7. В качестве измерителя напряжения можно применять, например, нормирующие преобразователи типа Е-846, в качестве измерителя тока - шун ты с нормирующими преобразователями типа Е-826. Выходы измерителей 6,7 соединены со входами вычислительного блока 8, реализующего математическую модель электролизера. На один из входов блока 8 подают сигнал о количестве подаваемого глинозема, например, сигнал о срабатывании дозатора глинозема с известным объемом дозы. В блоке 8 происходит определение приращений измеренных величин и определение величины междуполюсного расстояния, температуры расплава и концентрации в нем глинозема, например, по следующим рекуррентным соотношениям где I,с,Т, DΤ - оцениваемые значения соответственно МПР, концентрации глинозема, температуры и ее отклонения; R,E,G - соответственно сопротивление электролизера, обратная ЭДС и расход загружаемого глинозема; - напряжение, ток и их приращения; r - удельное сопротивление электролита; PI, РT, РC , Κ1 , Κ 2 — коэффициенты модели; индекс НОМ - относится к номинальному значению; n, n-1 - относится к n-му, (n-1)-му такту измерения (управления) Коэффициенты модели Κι и Кг определяются по литературным данным с чувствительности обратной ЭДС к температуре и концентрации глинозема [Беляев А.И., Рапопорт М.Б., Фирсанова Л.А. Электрометаллургия алюминия. - М.: Изд-во лит-ры по черной и цветной металлургии, 1953, с.116-124] и для принятого на отечественных заводах те хнологического регламента равны: Κ1 = 3 10 -3 В/°К; К 2 = 2,5 x 10 -2 В 4/(%) К2 . Удельное сопротивление электролита О также определяется по литературным данным (см.там же, с.92). Коэффициенты РT, PI, РC вычисляются через время усреднения Туер, результатов измерений тока и напряжения, например, по формулам: Где D1 - дисперсия колебаний тока (определяется по экспериментальным данным и обычно составляет 36% от номинального значения тока); d G - заданный диапазон изменения расхода загружаемого глинозема (зависит от конструкции электролизера). Время усреднения Туcр, выбирается из диапазона 0,2-0,6 часа и уточняется при настройке системы. Один из выходов вычислительного блока 8 соединен с входом блока 9, в котором производится определение заданного значения концентрации глинозема в расплаве. Блоки 10, 11 и 12 являются блоками сравнения и подключены к выходам блока 8. В блоке 8 сравнения 10 происходит сравнение величины междуполюсного расстояния In с его заданным значением I3, поступающим от задатчика 13, В блоке сравнения 11, на который также подключен выход вычислительного блока 8, происходит сравнение температуры Тn с ее заданным значением Т3, поступающим от задатчика 14. В блоке сравнения 12 происходит сравнение концентрации глинозема в электролите С n с заданным значением С 3, поступающим из блока 9. Входы блока 9 соединены с выходами вычислительного блока 8 и задатчиков 15 и 16 нижнего и верхнего предельного значения концентрации глинозема. Блоки 17,18 являются регуляторами. В регуляторе 17, на который, подключены выходы блоков сравнения 10 и 11, происходит определение необходимой величины перемещения DI анодного массива 4 с помощью двигателя 19. Величина перемещения может определяться с помощью двигателя 19. Величина перемещения может определяться как: где Κ3 - настроечный коэффициент регулятора. В регуляторе 18, на который подключен выход блока сравнения 12, производится определение необходимого изменения частоты подачи постоянных порций глинозема, например, по закону где Κ4 - коэффициент регулятора. Коэффициенты передачи регуляторов Κ3 и Κ4 определяются известными методами настройки общепромышленных регуляторов [Ротач В.Я., Крузин В.Ф., Клюев А.С. и др. Автоматизация настройки систем управления. М., Энергоатомиздат, 1984, с.61-70]. В качестве первоначальных значений этих коэффициентов можно принять Команда на изменение частоты подачи порций глинозема поступает в устройство 5, а сигнал с срабатывании устройства 5 -на один из входов вычислительного блока 8. Блок 9 в зависимости от определенного в блоке 8 значения концентрации глинозема С n (фиг.2) устанавливают заданное значение концентрации глинозема в электролите С 3, которое должно быть выдержано при управлении. При снижении концентрации глинозема С n ниже нижнего предельного значения Сн заданное значение концентрации устанавливают на максимальном значении С 3mах, а при повышении концентрации глинозема выше верхнего предельного значения С в заданное значение концентрации устанавливают на минимальном значении С3min, что реализуется следующим алгоритмом: где индекс t относится к текущему, a (t+1) -к последующему такту управления. В момент возникновения анодного эффекта (что выясняется по анализу величины Un, например, при Un ³ 8 В) в блоке 20 происходит запоминание величины Сn, Входы блока 20 соединены с выходами блока 6 и вычислительного блока 8. В блоке 20 производится также изменение коэффициента Ρ с математической модели электролизера (1) в том случае, если С n ¹ 0,8-1,5% при анодном эффекте. При этом вычисленное по формуле (2) значение Рc принимается за исходное, а его корректировку можно осуществлять, например, Блоки 8-18, 20 могут Быть реализованы с помощью программы в ЭВМ, например, типа СМ-2М, имеющей аналоговые вводы для приема сигналов тока и напряжения, дискретные вводы для приема сигналов срабатывания дозаторов и дискретные выводы для управления механизации перемещения анода и изменения частоты работы дозирующи х устройств. Πример 1. Работа по способу-прототипу. Процесс электролитического разложения глинозема проводят в электролизерах типа С-175 МЗ с предварительно обожженными анодами на силу тока 175 кА. Частота измерения тока и напряжения - 1 раз в 2 секунды. Средние за 20 минут значения тока и напряжения: Заданное значение сопротивления Rзадан. = 15 МК Ом. Сопротивление электролизера (при величине обратной ЭДС Ε ном. = 1,6 В) равно: Регулирующее воздействие – перемещение анодного массива вверх состави т: где Κ6 ~ коэффициент передачи объекта, Κ6 = 6 мм/мк Ом. Частота подачи постоянных порций глинозема с помощью 4-х питателей точечного типа с массой дозы 1,7 кг была установлена f1 - 1 раз в 3 минуты. При каждом срабатывании дозирующи х устройств в электролизер поступает 4x1,7 = 6,8 кг глинозема. Другая фиксированная частота срабатывания дозирующих устройств составляла f2 = 1 раз в 6 минут. В первый момент времени была установлена редкая частота работы дозирующего устройства (f2). На следующем такте управления (через 20 минут) получили: Регулирующее воздействие: DI2 = 6 (15,0-15,9) = -5,4мм - перемещение вниз. Скорость изменения сопротивления: где D Рзадан. = 1 мк Ом/20 мин - заданная скорость изменения сопротивления. Поскольку D R > D Rзадан, то произошло переключение частоты срабатывания устройств с f2 на f1. Технологические результаты работы электролизера по способу прототипу (за интервал времени 3 суток); выход по току - 85%; расход электроэнергии – 17000 изменение температуры электролита: 955°С-978°С; изменение концентрации глинозема в расплаве: 0,5%-8,5%; частота анодных эффектов: 3,0 раза в сутки на ванну; расход фторсолей » 45,0 кг/т. Πример 2. Работа по предлагаемому способу. Процесс электролиза проводят в те х же электролизерах и при тех же условиях, что и в примере 1. По массиву измеренных за 20 минут значений тока І1 = 170 кА, напряжения (U1 =4,1 В) и расхода глинозема (G1 = 28 кг/20 минут) были определены с помощью математической модели (1) электролизера: -приращения этих параметров: (здесь l0, U0 ~ изменение на предыдущем такте управления значения тока и напряжения); - значение междуполюсного расстояния: где Ι0 , R0 - значения I,R на предыдущем такте управления где Тном. -номинальное значение- температуры электролита; С0 - значение обратной ЭДС на предыдущем такте управления; где С0 - значение концентрации, определенное на предыдущем такте управления где 0,1 мм/°С- коэффициент регулятора Κ3. Расчет регулир ующе го воздействия по частоте подачи порций глинозема: С3 = С3min = 2.0%; f0 = 1 раз в 5 минут (1 раз в 300 секунд) - частота срабатывания дозирующих устройств на предыдущем такте управления. На следующем такте регулирования: т.е. 1 раз в 290 секунд. На одном из тактов регулирования было определено Сn = 1.9%. При этом глинозема с C3min = 2,0% на С 3mах = 3,0%. Еще на одном такте управления получили: произошло изменение заданного значения концентрации Технологические результаты работы электролизера по предлагаемому способу (в течение трех суток): выход по току 85,7%; расход электроэнергии изменение температуры электролита -958°С-971°С: изменение концентрации глинозема -0,5%-4,5%; частота анодных эффектов - 1,0 раз в сутки на ванну; расход фторсолей - 43,2 кг/т. Применение предлагаемого способа управления позволяет снизить удельный расход электроэнергии на 500 кВт.ч/т, что для электролизной серии с производительностью 60 тыс.т алюминия в год позволяет получить экономический эффект в размере 80 x 500 x 10-3 x 6,00 = 240 тыс.руб. в год, где 6,00 - цена электроэнергии постоянного тока, руб/1000 кВт ч.