铝电解质论文

铝电解质论文（共10篇）

铝电解质论文 篇1

摘要：随着近年来国内高品位铝土矿资源的逐渐减少,低品位铝矿石的综合利用技术已广泛应用到工业化氧化铝生产中。但其杂质含量较高,致使国内部分地区的铝土矿生产的氧化铝含有较高的锂、钾等成分,长期使用会导致工业电解质中的锂盐和钾盐的大量富集,电解槽出现效率低、电耗高、难控制、稳定性差等现象。目前,高锂、高钾电解质体系先后在河南、山西等省区的电解铝厂出现,此电解质体系已经影响到该地区电解铝企业的正常生产。基于此,主要介绍河南永登铝业有限公司在应对高锂高钾复杂电解质体系过程中所进行的实践和探索,并就采取的措施进行分析和论证。

关键词：电解质,高锂、高钾氧化铝,分子比

氧化铝是冰晶石溶液铝电解的主要原料,目前国内电解铝厂使用的国产氧化铝,按其产地不同,分为高锂高钾氧化铝和低锂低钾氧化铝。前者一般产自河南、山西等省区,由于该地区铝土矿中的锂、钾杂质含量较多,致使使用这种铝土矿生产的氧化铝中锂和钾的含量偏高,长期使用这种高锂、高钾的氧化铝,其电解质体系中一般都含有较高浓度的氟化锂和氟化钾[1]。众所周知,氟化锂可大幅度降低电解质电阻,为低电压生产创造条件,同时也能降低电解质的初晶温度,提高电流效率,这是高氟化锂电解质体系对生产有利的方面[2]。但锂盐含量过高会导致初晶温度过低,氧化铝溶解性变差,从而造成氧化铝沉淀,甚至出现炉底结壳现象;另外,过低的初晶温度也不利于炉帮的形成,直接影响电解槽的电流效率和整体稳定性。

1 生产工艺背景

河南永登铝业公司在2014年以前,一直沿用传统的“五低、三窄、一高”的生产操作管理模式(即:低温、低电压、低分子比、低过热度与低阳极效应系数;窄物料平衡工作区、窄热平衡工作区、窄磁流体稳定性调节区和高电解质水平),以“五低”追求电解过程的高电效、低电耗和低排放,以“三窄”追求电解过程的平稳性和电解槽长寿命,一高保持电解槽的稳定性。在长期的生产过程中,控制槽工作电压在3.85~3.88V,电流效率基本稳定在91%左右,该生产管理模式曾一度保持了电解槽运行的相对平稳。但从2014年下半年发现电解槽整体炉底压降和电流效率有变差的趋势。为查找分析原因,在2014年11月,公司抽取了具有表性的10台电解槽的电解质试样送专业机构,对电解质的氟化锂、氟化钾、氧化铝浓度和初晶温度进行分析,检测结果如表1所示。

从表1结果可以看出,河南永登铝业有限公司的电解质中氧化铝(Al2O3)浓度为3%左右;氟化锂(Li F)平均含量为6.4%;氟化钾(KF)平均含量为2.3%,电解槽的初晶温度885~894℃。特别是Li F含量已经远远超过了4%的理想水准,最低5.99%,最高7.03%,平均达到了6.43%;氧化铝浓度也超过了2.5%的常规控制标准,此电解质成分属于高锂、高钾、高氧化铝浓度的电解质体系。

2 原因分析

2.1 原材料的因素

国内氧化铝一般以粉状或者中间状态为主,溶解度本身就比较小,该状态的氧化铝需要电解质的溶解能力足够大,但使用高锂高钾含量的氧化铝,在电解过程中氧化锂和氧化钾与氟化铝反应生成Li F、KF,进入到电解质中,并随着生产周期的延长而不断富集,影响氧化铝的溶解度,造成槽底沉淀、结壳的产生。

2.2 电解槽本体的因素

河南永登铝业有限公司电解槽投入生产已接接近9a,槽子槽龄长,大部分炉底出现破损和局部隆起现象,部分槽底结壳较厚,如果仍采用过高的电流密度进行生产,势必影响到电解槽磁场的稳定。根据现场测试结果,由于受磁场、操作等因素的干扰,极下铝水平与出铝口铝水平差距较大,电解槽整体稳定性变差。

2.3 工艺匹配的因素

2.3.1 电流密度控制。

高锂、高钾的电解质体系初晶温度偏低,电解槽炉帮形成困难,在较高的电流密度下,设定电压如不调整就相当于压缩了电解槽有效极距,影响电流效率及槽况的稳定。另外,过高的电流密度也增加了电解槽的热收入,槽体的散热量也随之增多,不仅影响电能利用,更不利于槽帮形成,从而对整个系列造成恶性循环。

2.3.2 过热度控制。

针对电解槽的初晶温度偏低,如果继续保持合适的过热度,槽温就要控制在905℃左右。过低的生产稳定也将直接影响到氧化铝的溶解性和电解槽的稳定性。

3 应对措施

3.1 在线升级槽控机控制系统

河南永登铝业有限公司槽控机经过长期的运行已出现较为严重的设备老化现象,系统软故障频发,控制精度变差,部分控制参数不适宜当前的生产需求。为提高电解槽的控制精准度,2014年6月公司对电解槽槽控系统进行了在线升级,采用当前先进的智能模糊控制设备,该槽控机能够准确地将氧化铝浓度控制在低浓度范围内,为低氧化铝浓度操作创造了条件。

3.2 优化电解工艺

永登铝业电解系列的槽型设计为双阳极横向排列、四端进电的传统散热型电解槽,炉帮不宜形成,加上电解质体系中高锂、高钾的复杂性,炉帮形成就更加困难,电解槽热平衡难以保持,针对此生产现状,提出了在原有技术条件基础上推进“两低两高”的工艺技术路线,即:降低阳极电流密度,降低氧化铝浓度,提高分子比,提高铝水平。

3.2.1 降低电流密度和过热度。

按照整个工艺优化的方案,将系列电流下调15KA,使阳极电流密度由0.773A/cm2下降到0.726A/cm2。电流降低后电解槽热收入减少,槽温由原来的925~935℃降为现在的910~920℃,过热度的降低使槽帮相比原来增加5~8cm;同时电流降低弱化磁场对铝液镜面的影响,出铝口与换极处铝水平差值降低1~2cm。

3.2.2 低氧化铝浓度控制。

针对该电解质体系氧化铝溶解能力差这一现状,只有将氧化铝浓度控制在低浓度范围才能减少槽底沉淀的产生,保证电解槽的长期稳定运行,通过对槽控机基准参数进行调整和优化,在不断的摸索实践下,逐步总结出一套适合河南永登铝业有限公司生产状况的设定参数。参数调整后,电解槽反映出的加料曲线与槽电阻变化关系对应明显。氧化铝低浓度控制取得了一定的成效,根据换极时对电解槽炉底的摸排情况,下料口及阳极底掌下沉淀比原来有明显的减少,电解槽的炉底压降也有所降低。

3.2.3 置换电解质,降低锂钾盐含量。

为改善电解质中的锂、钾成分,公司通过综合分析论证,采用稀释置换电解质的方法,对原有电解槽中的高Li F和KF电解质进行置换。从云南、贵州等省区购置回一部分低锂低钾的电解质面壳块,利用电解车间需要大修的破损槽开设母槽,将低锂、低钾的面壳块添加到需要大修的电解槽中。在进行电解铝生产的同时,产出了一大部分锂钾含量较低的液态电解质,并对正常生产的高锂电解质进行在线置换。经过半年多时间的逐步稀释,河南永登铝业有限公司电解质体系中的锂盐含量从6.43%下降到4.93%。(数据来源于轻研院分析报告单见本表2)。

3.2.4 提高分子比。

河南永登铝业有限公司原来电解质的初晶温度平均在890℃左右,如果继续保持15℃左右的过热度进行生产,电解温度仅有905℃,过低的生产温度容易造成槽底沉淀增加,炉底压降升高等不利局面。为了提高初晶温度,逐步将分子比向上调整,由原来的2.5~2.7提高到2.7~2.9,通过提高分子比提高电解质的初晶温度,增强氧化铝的溶解性。目前,河南永登铝业有限公司槽温控制在910~920℃,在此条件下过热度基本控制在15~20℃。

3.2.5 提高两水平,促使炉帮形成。

为促使炉帮形成,将铝水平由原来24~26cm逐步提高至27~29cm,通过提高铝水平调节了电解槽侧部散热,为逐步形成炉帮、提高电解槽的稳定性创造了条件。同时,提高铝水平有利于减少铝水波动幅度,增加电解槽的稳定性。形成槽帮后能够改善电解槽的热平衡,规整偏小的槽膛还能够提高电流效率。为增加氧化铝的溶解量,将电解质水平由18~20cm提高到19~21cm。

4 取得效果

为验证以上几个措施的效果,2015年6月对2014年11月分析过的10台电解槽的电解质进行了重新取样分析比较,分析结果如表2所示。

根据表2分析结果和表1历史分析数据对比,河南永登铝业有限公司电解质体系通过工艺调整和低锂低钾稀释置换后,KF含量由2.31%降低到了1.36%,平均下降0.95%;Li F含量由6.43%下降到了4.93%,平均降低1.50%,基本接近了4.00%~5.00%的理想范围;氧化铝浓度由3.06%降到了2.02%,达到了1.50%~2.50%的理想控制水准;电解质的初晶温度由889.7℃提升到了900.6℃,初晶温度平均提升10.0℃左右。电解质成分主要变化见图1。

通过近一年时间的工艺调整,河南永登铝业有限公司电解槽的稳定性明显增强,槽况也在逐步改善。具体表现在:系列电流下调15KA后,电流密度降低为0.726A/cm2,有效弱化了电解槽的磁场干扰,缩小极下铝水平与出铝口的差值,系列电解槽运行的稳定性大幅度提高。分子比的提高和系列电解质成分改善后,电解槽的氧化铝溶解性明显增强,初晶温度也显著提高。槽炉底结壳有部分消耗的趋势,经过现场测试比较,炉底压降与调整前下降了28.5mV。在保持设定电压基本不变的前提下,电流效率相比提高约0.50%左右。

5结语

为应对高锂高钾的复杂电解质体系,各企业都在进行着不懈的探索和实践,河南永登铝业有限公司所走的工艺优化之路,只是应对高锂、高钾复杂电解质体系的临时性措施,如果不从根本上改善电解质成分,很难走出这个高能耗的制约瓶颈。从长远考虑,还需从原材料改善上着手,使用低锂、低钾的氧化铝,稳定电解质中锂钾的含量,为走出高锂、高钾复杂电解质生产的困境,迈进节能降耗快速通道铺平道路。

铝电解质论文 篇2

一、安全生产基础知识

二、铝电解生产基础知识

三、电解槽通电、焙烧、启动

四、预焙阳极电解槽换阳极作业

一、安全生产基础知识

1、安全生产

1.1铝电解职业 环境

室内、室外、高温、高空、高压、噪音、粉尘、有毒有害、强电磁场、电弧光等在强电流、系列电压、强磁场、高温、粉尘、氟化氢、沥青烟等有害气体

1.2常见的安全事故

触电、烫伤、爆炸、砸伤、中毒

1.2.1 电解生产过程中电气安全 ▪电解槽绝缘系统

▪多功能机组

1.2.2主要工艺操作安全

▪严格遵循作业规程规，避免作业过程中的安全危害。1.3事故预防及事故管理

▪“事故”是指在生产进行过程中，突发的与人们的意愿相反的情况，使生产进程停止或受到干扰的事件。事故可能造成人身伤害或财产损失。▪事故的预防

▪事故管理

发生事故 →汇报→控制和保护好现场→协助各级事故调查及责任认定→ 落实整改防范措施

2、职业病预防

铝电解职业环境和过程中存在噪音、粉尘、有毒有害、强电流及磁场、电弧光职业危害。为确保职业安全卫生，要做好职业病的预防。

职业病预防要求：

健康适于从事电解生产 ；

从业前接受职业卫生教育，了解岗位职业卫生常

识 ；

职业卫生教育内容包括：生产环境、职业危害因素、防护用品的正确使用、发生伤害时的急救措施和处理程序 ；

定期接受健康检查；

保持通风设备和气体净化设备，散发沥青烟和氟化氢气体的工艺过程采取密闭集气。6．防尘、防毒设备（或设施）不得拆除或挪作它用。7．从业人员必须按规定穿戴好劳动保护用品。8．作业场所中粉尘、有毒有害物质浓度和噪音严重超标的，宜设置隔离并通风良好的休息场所。9．对存在高温的作业场所，应制定并实施防暑降温措施。

3、铝电解生产中的环保治理

1）气态污染物质。

如氟化氢（HF）气体、二氧化硫（SO2）气体、电解质蒸汽、沥青烟气等，是铝电解生产过程中产生的有害气体。2）固态粉尘污染物质。

如氧化铝（Al2O3）粉尘、冰晶石和氟化铝粉尘等，它们是电解生产过程中产生的。3）固态废弃物。

这是铝电解生产过程中排放的废旧碳阴极和碳渣等。思考题：

1、“事故” 的 定义

2、电解生产环境中存在哪些职业危害？

3、铝电解生产中的污染物主要哪几类？

4、简述国家安全方针

5、电解岗位操作工在安全事故管理中的职责有哪些？

二

铝电解生产基础知识

（一）、铝的性质与用途

1）铝是一种银白色的金属。铝的原子序数为13，原子量为26.98154，外层电子排列形式为3S23P1化合价通常为三价，但有时也呈一价、二价。

2）铝密度小，导电性好，抗腐蚀性强，足够的机械强度以及很大的塑性、延展性。这些特性使铝的纯金属和铝基合金具有广泛的用途，在工业上被誉为万能金属。随着世界铝产量不断的增长，铝生产成本的不断降低，铝在现代经济社会中运用领域得到更进一步的拓展，一跃成为仅次于钢铁的第二大金属。

（二）铝电解原理及生产工艺流程

1、主要生产设备：电解槽。

2、铝电解原理：

以冰晶石---氧化铝熔体为电解质，炭素材料为两极，强大的直流电由阳极导入，经过电解质与铝液层从阴极导出，在两极间发生电化学反应，使电解质中的铝离子从阴极上得到电子而析出得到铝液，氧离子则在阳极上放电生成一氧化碳、二氧化碳混合气体的过程。

3、生产工艺流程

（三）铝电解生产中的主要原料

1、溶质——氧化铝。

▪氧化铝是铝电解的主要原料。工业铝电解生产对氧化铝的要求，首先是它的化学纯度，其次是物理性能。

▪在化学纯度方面，要求氧化铝中杂质和水分的含量低。因为氧化铝中那些电位正于铝的元素氧化物，如SiO2、Fe2O3、等，在电解过程中会被铝还原，还原出来的Si和Fe进入铝液中降低铝的品位；而那些电位负于铝的元素的氧化物杂质，如Na2O和CaO会分解冰晶石，还将增加铝液中的氢含量。其它杂质，如P2O5、TiO2、V2O5、Cr2O3等高价杂质元素的循环放电会影响电流效率。

▪铝电解工业生产对氧化铝的物理性能要求：通常要求氧化铝具有较小的吸水性，能够较快地溶解在熔融电解质里，在加料时飞扬损失少，并能够严密地覆盖在炭阳极上，以防止阳极在空气中氧化，同时在凝固的电解质结壳表面上起良好的保温作用。这些物理性能取决于氧化铝晶格的晶型、粒度和几何形状。

2、熔剂——氟化盐

▪铝电解生产用的主要溶剂是冰晶石，氧化铝能够溶解在冰晶石中，在962℃时约能溶解11%的氧化铝。另外还有氟化铝、氟化钙、氟化镁、氟化锂。

▪冰晶石 ：冰晶石性质：属于单斜晶系，是一种无色或白色晶体，其密度为2.95g/㎝³，熔点为1008℃。

氧化铝能够溶解在熔融冰晶石里，构成的冰晶石—氧化铝熔体，这种熔体基本能够满足铝电解的需要：

a．纯冰晶石里不含有电位顺序比铝更正电性的金属杂质，因而可以保证产品铝的质量。

b．熔融冰晶石能够较好地溶解氧化铝，而且所构成的冰晶石—氧化铝溶液可以在冰晶石的熔点1008℃以下进行电解。

c．在此电解温度之下，冰晶石—氧化铝溶液的密度比铝液的密度小10%，因此电解出来的铝液能沉积在电解质液下的阴极上，这就能够减少铝的氧化损失，而且更为重要的是可以大大简化电解槽的结构。

d．这种电解质具有相当良好的导电性。此外，冰晶石—氧化铝溶液基本上不吸水，在电解温度下它的蒸汽压不高，这就能保证电解质成分相对稳定。

2、熔剂——氟化盐。▪氟化铝

：氟化铝可用来降低电解质分子比，改善电解质性质，目前在铝工业上得到广泛运用。作为冰晶石—氧化铝溶液的一种添加剂，它既可以弥补电解质中氟化铝的损失，又可以降低电解质的分子比，降低电解质温度。工业氟化铝是一种白色粉末，其粒度比氧化铝稍大，不粘手。它在常压下加热时不熔化，但在高温下升华（不经过液态直接气化），1200℃时蒸汽压达到760mmHg。

（四）铝电解生产主要技术经济指标

1、原铝产量。

电解槽系列铝产量是指电解条件下所生产的原铝量。铝产量与电流强度、电流效率和运行的槽昼夜总数有关。通过提高电流强度、电流效率和增加运行的槽昼夜总数，都能够增加铝产量。

P=0.3356×I×η×24×10-3, 公斤/日

式中：P——单槽实际日产量

I——平均电流强度（A）

η——电流效率（%）

0.3356——铝的电化学当量（g/A.h）

2、电流效率

铝电解的电流效率是指阴极上实际产出的铝量相对依照法拉第定律计算的理论产铝量之间的百分比。电解电流效率是铝电解生产的一项重要技术经济指标，在其它条件不变的情况下与铝产量、物耗、能耗密切相关。

3、直流电耗率

直流电耗率是用于表示电能利用效率的一项重要指标。它是指铝电解产出单位金属铝量所消耗的电能量。理论上电解铝所需的最低电能，称为理论电能消耗量。

4、原铝质量

铝的质量通常按铝中杂质金属的含量来评定，铝中金属杂质有二十多种，其中最主要的是Si、Fe、Cu等，此外铝中还有非金属杂质，如氢、氧化铝、炭化铝等。按GB/T1196—2002可将重熔用铝锭分为Al99.90、Al99.85、Al99.70A、Al99.70、Al99.60、Al99.50、Al99.00等七个质量等级。

原铝中的主要的杂质是硅和铁，同时，还存在其它如：钠、钙、磷、硼、钛、钡、锌、镓等杂质金属。他们绝大部分随氧化铝、冰晶石等原料带入原铝中。进入原铝的非金属杂质主要有：氢、氧化铝、炭化铝等。

由于存在于电解原铝中的杂质，均会给原铝质量和性能造成不同程度的影响，因此，在生产中要积极采取措施，努力提高原铝质量，树立坚定的质量意识。

5、原材料消耗

氧化铝消耗

氟化盐单耗

炭阳极消耗

（五）铝电解槽基本结构

1、电解槽发展

▪在20世纪20年代，挪威开始使用侧棒自焙阳极铝电解槽型，槽容量随之扩大，电流强度达到2.5kA，电流效率约80%，1kg铝电耗20kw·h。这种型式的铝电解槽很快在全世界范围推广使用，槽容量也增大到135kA。

▪由于侧插自焙阳极铝电解槽的电流分布不均匀，阳极操作复杂，不易实现机械化。在20世纪40年代，法国成功研制出上插自焙阳极铝电解槽，这种槽型在阳极结构上增设了集气罩，用以收集阳极气体，提高了烟气中氟的浓度，使烟气易于净化和易于氟的回收，最大电流强度达到了150-160kA。

▪由于世界各国对环境保护要求日趋严格；炭素生产技术日益发展，成功制造出大规格预焙阳极炭块；同时，随着氧化铝产量的日益增长，在20世纪60年代开始开发运用大型预焙阳极电解槽，槽中央部位实现自动下料，电流强度达到了230-500kA，电流效率94%-95%，1kg铝电耗降到13 kw·h以下.2、槽型及其特点

工业铝电解槽槽型有侧插棒自焙阳极铝电解槽、上插棒自焙阳极铝电解槽和预焙阳极铝电解槽三大类，三者各具特点。

（五）铝电解槽基本结构

3、基本结构

4、电解槽使用寿命

▪铝电解槽的阴极内衬在使用一段时期后就会破损，这时需停槽大修。现代预焙阳极电解槽的平均寿命可达4~6年，有的甚至达到10年以上。

▪电解槽破损的主要标志是槽内铝液中铁含量连续不断的增加，表明炭阴极已发生破损，钢质阴极棒已被铝液侵蚀、熔解。

▪为了延长槽寿命，需要从多方面采取措施。在设计时应充分考虑热场和磁场分布的合理性。建造时要采用高质量的砌炉材料和进行精细的施工，操作上要采用合理的焙烧和启动方法，并建立平稳的正常运行工艺制度等。

（六）铝电解主要工艺技术参数

1、电解质成份

我们通常所说的电解质成份是指电解质的分子比情况和Ca含量情况，以及AL2O3的含量等。冰晶石分子式为Na3AlF6，可写成3 Na F。AlF3，其熔点为1008℃，在电解温度为950度时，氧化铝体系的熔液密度为2.1克/厘米3，而同一条件下的铝液密度为2.3克/厘米3，因此出现自然的分层现象。1.1 分子比

分子比是指电解质中的NaF与ALF3的分子个数之比。而我们目前所用的是重量比，又称浴比，是指电解质中NaF与ALF3的重量之比。

分子比≈2倍重量比

电解质温度 = 初品温度+过热度

1.2

CaF2含量

CaF2，氟化钙能降低电解质的熔点，作用是对炉帮的形成有好处，可以形成比较坚固的炉帮，在我们实际生产上一般作矿化剂使用，多数情况下在启动前装炉使用，之后靠氧化铝中的钙含量来维持，要求控制在3—6%。1.3 氧化铝浓度

保持较低的氧化铝浓度对稳定生产和提高电流效率有益。主要是低氧化铝浓度可以长期稳定保持良好的炉底情况；保持电阻曲线对浓度的敏感，提高控制的精确度；在低氧化铝浓度可以获得较高的电流效率；但保持低氧化铝浓度需要缩短加工间隔，以防止阳极效应的发生。

从实际生产上来看，低于1%时就有可能发生阳极效应，在不同的槽运行温度下，发生效应的浓度也存在差异，槽运行温度高，效应时浓度就相对较低，槽运行温度低，效应时浓度就相对较高，如果保持较高的氧化铝浓度，炉底情况在电解温度变化时，发生恶化的可能性增加，不利于长期稳定生产。特别是在氧化铝浓度模糊控制下，存在着过—欠加工过程，氧化铝浓度过低，易发生突发效应和诱发性效应，氧化铝浓度过高，氧化铝的溶解速度减小，在下料口处容易出现沉淀，可见氧化铝应保持在一个合理范围，一般在2—3%为益。

极距

极距是指阳极底掌到阴极铝液镜面之间的垂直距离。

是电解过程中的电化学反应区域，又是维持电解温度的热源中心，极距大小对电解温度和电流效率有着直接的影响。提高极距会减少铝的溶解损失（二次反应），提高电流效率，同时使电压升高。缩短极距可以降低槽电压，并达到节能的目的，但过低的极距则使二次反应加剧，电流效率降低。所以极距的确定以保持稳定的热平衡出发，在不明显影响电流效率的前提下，尽可能保持低的极距，以便节约电能。由于预焙阳极电解槽的阳极较多，很难使每块阳极都保持在同一水平线上，所以一般情况下预焙阳极电解槽的极距比较高，要求在5—6.5CM。当出现有极距较低的碳块时，就会引起电流分布不均，造成局部过热，出现电压摆，降低电流效率。

电解温度

电解温度指的是电解质温度。直接影响电流效率的高低，电解温度越高，电流效率越低，相反则电流效率越高，一般情况下，电解温度每升高10℃，电流效率则降低1%。

电解温度=电解质初晶温度+过热度

▪电解温度过低的影响？ ▪电解温度过高的影响？ 4

电压

电压分成设定电压、工作电压和平均电压

▪设定电压——人为设定，根据槽况设定单槽理想的控制电压，是计算机对电压实施控制的基准值。这一数值的确定取决于管理者对槽况的了解程度和判断的准确程度；以及对槽况的走势预测情况。

▪工作电压——电解槽在正常生产时所保持的电压。它由极化电压、电解质压降、阴极压降、阳极压降、槽周围母线压降所组成。

▪平均电压——是包含效应分摊电压在内的日平均电压。

平均电压=工作电压+效应分摊电压 5 电解质水平和铝水平

电解质：

铝： 6 阴极压降

阳极效应系数

极上保温料

炉膛内型

（七）相关知识

电解生产中常用工器具、原材料名称与用途： ㈠ 操炉工具及用途：

1．炉前耙：用于换极捞块。

2．勾子：用于槽内勾块和摸炉底。

3．炉前滤：在换极时把电解槽中间炭渣扒至边部。4．铝耙：用于扒极上料。

5．风动毛刷：用于清刷水平大母线与阳极导杆的接触面。6．铁锹：用于撮料。

7．扫把：用于打扫地面卫生。

8．90度测定棒：在换极时用于测量铝液和电解质水平。9．呆扳手：用于复紧卡具。

10．钢丝刷：用于清理阳极铝导杆。11．粉笔：用于画线进行阳极高度标识。12．阳极卡尺：用于设置阳极高度。

13．空气软管：用于出铝，吹扫卫生，冷却槽壳发红部位的温度。14．漏铲：用于打捞炭渣。15．铁碓：用于壳面打洞。

16．大锤：用于出铝时敲打台包盖和破碎大块物料。17．扳手：用于松紧螺栓连接。

18．风镐：用于清理用过的台包和大修槽炉面。19．钢丝绳：用于吊运重物。

20．连接紧固螺杆：用于停开槽固定母线用。21．螺栓和螺母：用于吸出管、短路口等的连接。22．半月耙：用于出铝后的台包清理。

23．铁钎：用于清理台包，处理卡打击头，壳面打洞。24．铁箱：用于装炭渣和舀出来的电解质。25．手推车：用于推物料。

26．大勺：用于电解质和停槽后残铝的舀取。

27．风动扳手：用于停开槽短路口连接螺栓的松卸、紧固。28．溜槽：用于向电解槽灌注电解质和铝水。

㈡ 测量用工器具及用途

1．数字万用表：用于电解槽上各部位压降的测量。

2．便携式红外非接触式测温仪：用于非接触方式介质表面温度的测量，比如：测量槽壳表面温度。

3．数字式测温仪：用于显示电解质温度的测量结果。

4．插杆式热电偶：插入电解质中测量电解质温度或电解槽焙烧温度。5．补偿导线：用于连接测量仪表和测量工具。

6．热电偶保护陶套管：用于保护电解槽焙烧期埋设的测温热电偶。7．耐火纤维圆锥：用于保护电解槽焙烧期埋设的测温热电偶

8．炉膛形状测定棒：用于炉膛形状的测量。9．炉底隆起测定棒：用于炉底隆起的测量。

10．阳极电流分布测定棒：用于阳极电流分布的测量。

11．带线测定棒：用于阴极电流分布、阳极压降和阴极压降等的测量。12．极距测量棒：用于极距的测量。

13．阳极压降测量棒：用于阳极压降的测量。14．刻度尺：用于高度和长度的测量。

15．水平仪：在测量两水平、炉膛形状和炉底隆起时，进行测定水平面的校准。16．毫伏表：用于阳极电流分布的测量。

㈢ 常用原材料的名称与用途：

1．氧化铝：电解生产的主要原料，其分子式为Al2O3。2．冰晶石：电解生产的主要溶剂，其分子式为Na3AlF6。3．氟化铝：调节降低电解质分子比的一种主要添加剂，分子式为AlF3。4．炭酸钠：调节提高电解质分子比的一种主要添加剂，分子式为Na2CO3。5．炭阳极块：电解生产的主要原料，主要成分是碳。6．氟化钙：用于调整电解质成份，分子式为CaF2。7．氟化镁：用于调整电解质成份，分子式为MgF2。三

电解槽通电、焙烧、启动

一、学习目的

通过学习，了解电解槽通电、焙烧、启动作业程序，掌握短路片操作，能进行点动抬阳极，安装和拆卸分流器、软连接，能对卡具进行复紧、手动打壳下料。

二、焦粒焙烧作业程序及操作步骤 准备焙烧启动工器具、原料。

将电解槽阴极炭块表面清扫干净。

铺设煅后焦、石墨粉混合料。挂阳极。安装软连接。安装分流片。砌炉。

设置热电偶。联系停电。

三

电解槽通电、焙烧、启动 操作短路口。联系通电。

通电后进行相关测试。拆除分流片。拆除软连接。灌电解质启动。灌铝。联机。记录。

㈠ 通电短路片操作

1．确认停电后，用风动扳手松开短路片紧固螺栓，并将短路片撬开。

2．插入短路绝缘片，若绝缘片插入困难，应检查短路片是否松开、软带部位间隙是否过小，若为间隙过小，应用木楔子插入，使间隙增大。

3．先取出紧固螺栓，检查绝缘套管有无损坏，若有损坏，立即更换并重新安装、紧固，取下上、下两段螺杆，收拾备用。

㈡ 点动抬阳极

1．在焙烧槽需要进行点动阳极提升时，作业人员必须接受明确的作业指示，方能开始操作。2．以1mm为提升单位，按规定的时间间隔进行阳极提升。3．每抬一次阳极记录一次回转计读数及槽电压。

4．在抬阳极过程中发生效应，应采取人工手动点降电压，并将大面、阳极上的冰晶石推入槽内的方法熄灭效应。

㈢ 软连接、分流片的连接与拆卸 1．安装软连接的目的

安装软连接的目的是在电解槽焙烧前每块阳极电流通路上附加一套软连接装置，如图2-1所示，以使电解槽内靠自重放置在焦粒上的每一块阳极电流通路畅通，确保槽内阳极电流分布均匀。

2．软连接的安装

① 准备软连接装置。检查装置各部件是否完整，螺口有无滑丝现象，清洗压接面，修复装置的缺失。

② 铺垫上槽用于攀登的槽罩，确保稳当。

③ 两人配合，一人抱软连接装置上槽，另一人抵紧槽罩做好安全监护。④ 将软连接的各连接端头分别与导杆和水平母线相连，紧固连接螺杆。⑤ 重复以上步骤，将电解槽中所有阳极通过软连接装置与水平母线相连接。⑥ 将所有软连接的接点再紧固一遍，确保通电后阳极电流分布均匀。⑦ 收拾工具，记录工作完成情况。3．软连接的拆卸

当电解槽具备启动条件后，进行软连接拆除。拆卸步骤：

① 在拆除软连接前通过各部位温度测量确定电解槽已具备启动温度条件。② 紧固阳极卡具。

③ 铺垫攀爬上槽的槽罩，确保稳妥。

④ 两人配合，一人上槽，另一人抵紧槽罩，做好安全监护和工具传递。⑤ 逐一将软连接的连接螺杆扭松。⑥ 将拆卸下的软连接传递下槽。⑦ 收拾工具，软连接归位。⑧ 人工复紧卡具。

4．安装分流片的作用

分流片的作用是在用焦粉焙烧电解槽之初，通过分流器将部分电流导入阴极，减少通过电解槽内的电流量。分流方式有从每一块阳极向阴极钢棒的分流，通过焊接，将分流片两端连接在阳极钢爪和阴极钢棒上。这种分流方式，存在连接上的不便和分流片的不可重复使用等问题，但连接处的接点压降较小。目前生产中多采用母线分流的方法进行电流分流，即直接将部分电流从母线的正极导入负极。这种连接方式较前一种分流方式，有连接操作简单，且分流器可重复使用，利于降低电解槽焙烧成本的优势，但存在机械接点压降大的问题，分流片出现发红甚至烧断的现象。

5．分流片安装步骤

① 准备分流装置。检查分流装置是否存在缺失损坏，清洗压接面，修复分流装置各部件功能。② 根据规程选择分流器的安装位置。

③ 将分流装置的两端分别连接在电解槽的进电母线及其相应阴极母线上。原则上电解槽各个进电端的分流量要均等。④ 紧固各连接点。

⑤ 收拾工具，做好记录。

6．分流片的拆卸

根据电解槽升温速率控制要求，在电解槽通电后逐片拆除分流片，逐步提高焙烧电流，直至全部拆除分流片，使焙烧电流升至全电流。分流片的拆卸步骤： ① 松开要拆除分流片的相应连接点，逐一拆除分流片，直至全部拆除，使焙烧电流达到全电流。② 待全部分流片断开后，卸下分流装置与母线的连接。③ 收拾工具，分流器归位。④ 做好相关记录。

㈣ 人工复紧卡具

在电解槽焙烧后启动前，应先拧紧卡具再拆除软连接，在提升阳极前，必须再次复紧卡具。复紧卡具的操作要求如下：

1．检查用于攀登的槽罩是否稳当，如不稳当要重新盖稳当。

2．操作时两人配合，一人上槽，一人在槽下进行监护，用脚抵紧上槽人踩的槽罩。3．将扳手卡住卡具螺杆，一手扶住相邻阳极导杆，一手拉动扳手旋转扳手拧紧。4．确认拧紧后，进行阳极水平的标识。

5．作业完毕后，上槽者将扳手递交给监护人，沿槽罩下槽。㈤ 手动打壳下料

1．在作业前检查各阀门是否正常。

2．将烟道端槽罩拉开一个缝隙，便于操作人员一边手动操作下料，一边观察打击头动作、下料情况，发现异常及时加以处理。

3．将槽控机置于手动，操作手动下料阀进行人工打壳下料操作。4．加工时控制好下料量。

5．在手动下料作业时，通过观察打击头动作、倾听打击下料的声音，判断下料是否正常。如存在下料不畅、打击头不动作等异常情况，应立即联系处理。

三、相关知识

㈠ 电解槽通电、焙烧、启动作业的目的及意义

电解槽由安装内衬后的冷态过渡到具备正常生产运行条件（含槽膛状况在内），并具有一定自调节能力，达到效率稳定的产铝槽，都要经历预热（亦即焙烧）、启动和启动后期管理这一非正常期管理。

对于预焙槽，此间的主要任务是：

1．排除砌体水分，加热熔池；焦化熔池内炭块之间和阴极钢棒周围的糊料；使阴极达到正常作业热平衡下的温度分布。

2．自然形成规整、坚实的炉帮。3．达到正常生产的技术条件。

4．熔池内炭素材料对碱性物质的充分吸收。

四 预焙阳极电解槽换阳极作业

（一）学习目标

通过本节学习能读懂换极周期表，确认换极槽号、极号；能对阳极导杆和水平母线的接触面进行清刷；明确作业前必须将槽控机转入阳极交换状态；能将槽内的结壳块勾出，进行炭渣打捞；通过观察判断残极是否有裂纹、碎脱、化爪；对换极处进行收边整形。

（二）作业步骤 工器具准备。

确认换极的槽号、极号，并在残极导杆上进行高度标识。

准备好阳极块，并用钢丝刷等打磨工具、清刷与阳极水平母线接触处的铝导杆。准备好换极处需加入的结壳块及混合料。切换风量阀，开大电解槽的排风量。

操作槽控箱上阳极交换键，将槽控箱控制置于阳极交换状态。揭开换极处炉盖，扒净极面上的浮料。

指挥多功能机组在大面开口。同时，打开与交换残极相邻极的间缝。

四 预焙阳极电解槽换阳极作业

指挥多功能机组提起残极，用钩子、氧化铝耙把松动的结壳块勾出大面。

指挥吊出残极，检查残极状况，是否有裂纹、碎脱、化爪等情况。并标记设置高度。钩出槽内的结壳、阳极碎块，将槽内炭渣扒到炉帮边、捞净。

使用钩子摸炉底，检查沉淀、结壳和伸腿情况，邻极状况以及炉底是否破损。测量槽内铝水平和电解质水平。打磨阳极导杆。

多功能机组吊运、安装新极前，进行阳极高度设置，通常比残极高设1～3cm。

（二）作业步骤

多功能机组扎完大面后，用铁锹将碎块结壳撮到两块极里端的低凹处垒墙，高度按规程要求进行控制。

用碎块堵两极间的缝隙，撮混合料堆于阳极中缝处，用氧化铝耙推混合料，以填满中缝和内侧结壳缝隙为准。

撮碎块堵外侧的阳极极端口，添加极上保温料。对槽大面进行收边整形，要求平整，氧化铝高度适宜，使阳极外侧边沿与炉面形成一自然坡度，留出炉面边部的散热带。盖好炉盖，风量阀复位。

人工复紧卡具，在阳极导杆上进行高度标识。清理作业现场、记录。

（三）炭渣打捞 1．作业前准备 ⑴ 预热打捞工具。

⑵ 揭开槽罩，打开捞炭渣的洞。2．打捞操作

⑴ 用漏铲将带有电解质的结壳块捞出，放置在两侧阳极上。

⑵ 将漏铲伸入槽内，捞出电解质液表面的炭渣，并将其放入炭渣箱内。重复数次，以尽可能打捞干净为止。

⑶ 打捞干净后，清理现场。

3．对电解槽进行炭渣打捞的要求

⑴ 交接班炭渣打捞在出铝端进行，必要时也在烟道端打开壳面进行。⑵ 熄灭效应后打捞炭渣在出铝端进行。⑶ 换阳极在阳极交换处进行。⑷ 出铝前打捞炭渣在出铝端进行。

⑸ 扎大面打捞炭渣在出铝端分多次进行。

（四）相关知识

1、阳极交换的排序。

为了减小阳极更换作业对电解槽行程的影响，大体保证阳极各区域的残极重量相等，电流分布均衡。因此对电解槽上阳极的更换，按一定的规律进行排列，形成该槽的阳极更换顺序表。评价一个换极表的好坏，通常是：能否均匀分散换极对电流分布产生的干扰；能否保证挂在阳极母线上阳极块的对称、均衡。

阳极交换排序坚持“均匀分散换极对电流分布产生的干扰和保证挂在阳极母线上阳极块的重量对称、均衡”性原则，以160kA的24块阳极排列为例进行排序如下：

⑴ 一天交换一块阳极，每槽24块阳极，以25天为一个周期（第25天休息，不换极）。

⑵ 换完第六块阳极，要在两天后再换第七块，至于其它相邻的阳极，交换日期相差4天，以此作为交换顺序。

⑶ A、B侧的阳极交替更换，如：今天换A面的阳极，明天就换B面的阳极。

⑴ 新开槽一般从启动后第二天开始换极。

⑵ 开始交换的第一块阳极号，就是相邻槽前一天交换的阳极号（如：昨天101#换A3，新开槽102#今天换的第一块极为A3）。

（五）注意事项

1．阳极交换是人工操作与机械操作交叉的作业，同时作业面较窄，因此作业过程中应注意人与多功能机组的配合。

2．打捞炭渣时漏铲发红严重，或出现化铁时，应更换漏铲或待其冷却后再使用，以免影响原铝质量。

铝电解质论文 篇3

关键词:铝电解多功能机组;自重载荷;起升载荷;冲击载荷

中图分类号:TF821 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)10-0104-01

铝电解多功能机组能完成铝电解生产中的打壳、换极、下料、清渣、出铝、辅助提升阳极母线、吊运电解槽和其机构零星吊运作业。再加上其工作环境本身具有高温高磁场,粉尘大等特点。因此铝电解多功能机组的金属结构所受的载荷非常复杂。

铝电解多功能机组的金属结构始终所受和经常作用的载荷,包括自重载荷、起升载荷、冲击载荷和惯性载荷等属基本载荷。机组正常工作状态下受到的不经常作用在金属结构上的载荷,包括风载荷、工艺性载荷、机组偏斜运行侧向力载荷以及由于温度磁场造成的载荷等将其归属到附加载荷;由于试验载荷,安装、地震及碰撞载荷出现几率较低,只在特殊情况下出现,属特殊载荷。

1自重载荷

自重载荷包括铝电解多功能机组大车小车的金属结构重量、配套件重量、料箱里物料的重量。配套件的自重载荷可由配套厂商提供的产品样本查询, 按均布载荷处理。

例如:计算一大车主梁受的自重均布载荷qj:

主梁的自重G1,主梁上布置的固定电葫芦G2,主梁上方电控箱G3,主梁上栏杆等总重G4。

大车主梁自重按均布载荷处理,其值为:qj=,式中 L为主梁跨度。

2起升载荷

出铝车吊运铝包,抓斗捞渣,固定电葫芦吊运电解槽,提升阳极母线都可按其起升所承受重量计算载荷。

例如,出铝车钢丝绳所受的最大拉力:Smax = 。

式中,Q为额定起重量,kg;GD为吊钩组重量,kg; M为滑轮组倍率;ηh为机械效率。

根据所选钢丝绳型号查相关手册确定钢丝绳的最小断裂载荷 F0,钢丝绳的安全系数 n =。

根据用户提供的多功能机组的工作制度,计算的工作循环总数以及相关经验来确定整机和起升机构工作级别,根据工作级别来确定最小的安全系数 [n] ,我们要求n>[n]。

工作循环总数N=。

N为工作循环总数;Y为起重机使用寿命,年;A1、A2为30年;A3、A4、A5为25年;A6、A7为20年。

D为起重机一年工作天数;H为起重机每天工作小时数,h;T为起重机一个工作循环的时间,s。

3冲击载荷

起升冲击系数1。

当机组起升机构变速升降重物时,金属结构受到垂直方向的冲击作用,使结构重量发生变化,通常用起升冲击系数乘以自重载荷来表示: 0.9 -11.1;

动载系数。

当起升机构做变速升降运动时,金属结构将产生振动,起升载荷静力值增大,增大后值用动载系数×纯静力值表示,动载系数可由理论和试验研究获得,与起升速度、操作情况、结构质量和刚度、起升质量和钢丝绳的弹性都有关系确定起来十分麻烦。通常按起升物品离地时的工况根据动态理论分析得物品悬挂点动载系数2,2==1+cv+。

V为额定起升速度(m/s);C为操作系数,出铝起升取0.25,零星吊运和阳极提升取0.5,抓斗捞渣取0.75;G为重力加速度;为物品离地时起升载荷对结构的物品悬挂点和起升钢丝绳滑轮组产生的静位移之和,0=0+0。对于出铝车,0近似按公式0=(～)L,L为大车跨度;d为金属结构计算点动位移;为结构质量影响系数。

对于多功能机组出铝车,离地起升比下降制动2要大一些,突然离地和点动升降2值更大,出铝车和固定电葫芦一般用简化式2=1+0.7计算,一般不大于1.4。

突然卸载冲击系数3。

突然卸载冲击系数小于1,用下面公式计算:

3=1-(1+3)。

m为突然卸掉的质量;m2为起升质量;3为卸载系数。

运行冲击系数4。

机组沿车间轨道运行时,由于轨道接头的影响对结构产生垂直方向的冲击作用。冲击力用4×自重载荷来计算,4=1.1+0.058。

式中,V为运行速度;H为轨道接头高度差;机组大车运行速度0～1 m/s;工具小车运行速度0～0.5 m/s;出铝小车运行速度0～0.5 m/s。通常的工况下运行速度都小于1,4根据经验取1即可满足。

4惯性载荷

机组的惯性载荷主要由大车运行,小车运行和工具小车回转产生水平惯性力PH,运行制动产生的的水平惯性力PH=1.5Ma,M和a根据不同工况来确定。

例如,当求出铝小车水平惯性力时,大车不动,工具小车不动,单出铝车吊着铝包水平运行。

M为出铝车总重加上铝水和包的重量;a为出铝小车水平运行平均加速度。

当求大车水平运行时机组水平惯性力时,M 为机组总重,a为机组水平运行平均加速度。水平惯性力不得大于滑动摩擦力即PHPZ。

PZ为轮子静轮压之和;为滑动摩擦系数。

工具小车回转采用的沿回转轨道运行,产生水平惯性力PH也可用上式计算。

5侧向力载荷

机组运行过程中,由于轨道不直、跨度不准、车轮安装不正以及两边运行阻力不同等原因,使一侧车轮超前,造成偏斜运行,形成作用于水平轮的侧向力P5,在桥架水平面内形成力偶P5B0(图1),并与超前牵引力力偶PWL相平衡。

P5=P

式中,P为发生侧向力一端的端梁上与有效;轴距有关的相应车轮静压之和;为侧向力系数,按L/B0的值取;L为机组跨度;B0为有效轴距等于水平导向轮的间距。

6碰撞载荷

机组在刹车失灵状况下,缓冲器碰撞产生碰撞载荷Pa。

碰撞动能:E=mjp2;

缓冲器做功:W=Pas。

式中,mj为碰撞计算质量,看工况来定机组空载时为机组总重。出铝小车负载时,等于机组总重加上负载的计算质量m 。因出铝小车出铝行程全部在垂直导向架行程内,起升质量影响系数=1;m为起升质量;p为碰撞时的实际碰撞速度;S为碰撞制动距离;为碰撞系数,根据缓冲器类型而定,选用弹簧、橡胶缓冲器时=0.5;选用液压缓冲器时=1.0。

根据能量守恒原理E=W,则=Pamjp2。

7结语

计算机组合金属结构时,应根据不同的工况对各种载荷进行合理的组合。结构强度和疲劳强度计算时只需将基本载荷组合即可;结构的强度、刚度和稳定性计算需同时考虑基本载荷和附加载荷;验算机组抗倾覆稳定性时,必须计算特殊载荷。设计机组时根据用户提供的条件合理组合载荷,既保证机组的安全性,又要兼顾经济和适用性。

参考文献:

铝电解质论文 篇4

在铝电解槽里磁场和电流的相互作用产生作用于熔体的电磁力,导致产生静电作用和电动作用[1]。静电作用使铝液表面产生圆拱形变形,而电动作用则产生旋涡运动并改变电解质与铝液界面的波动。由于电解槽水平面尺寸一般为4 m×10 m,而极距和铝液高度分别仅4.5～6 cm和10～20 cm,所以极距的轻微变化将会引起铝液中电流

的再分布。铝液中存在的磁场必然会引起电磁力的变化,电磁力反过来又会造成铝液界面的不稳定,降低电流效率,严重时会造成极间短路。这就要求极距必须保持足够大和足够稳定,才能保持铝电解槽的稳定性和较高的电流效率,但这样也同时增大了槽电压,增加了欧姆热损失[2]。因此,如何在降低极距减少能耗和增加极距提高电流效率之间寻求一个平衡点,或如何通过调整极距降低能耗是研究铝电解槽节能的重要途径。而研究铝液波动可加深对铝电解槽内非稳定特性的认识,并可进一步提高槽子稳定性和降低能耗,进而研究铝液波动、极距变化、阳极电流波动等铝电解槽动态信息之间的内在联系,这是实现其可视化的必要条件[3]。

国内普遍采用测量槽电压的办法来判断电解槽的稳定状态。但是,铝液界面的波动与槽电压波动之间并不存在线性关系。因此,根据槽电压的波动这一单一参数来评估铝液界面波动就存在一定的弊端。国外J Descloux等人通过对阳极电流的快速傅里叶分析得到阳极电流波动的频率,然后利用数值技术求出铝液重力波的波动频率,通过对比这两种频率发现阳极电流波动的频率和铝液重力波的波动频率相一致,这使找出铝液波动和阳极电流波动的关系变为可能[4]。J Antille等人找出了阳极电流波动和铝液流速之间的关系,不用求解铝液流动的N-S方程,可直接通过阳极电流求得铝液流速,节省了计算时间,为铝液流速的实时在线显示提供了可能,并且发现铝液波动的频率和阳极电流波动频率一致,并利用阳极电流波动找出了病槽发生的原因,这些研究找到了阳极电流波动频率和铝液波动、铝液流动的关系,证明了阳极电流确实可以反映部分槽况[5]。但以上方法不能将测量结果在线显示,所以应用性不强,不能在线指导生产,应用范围狭窄,可以捕捉、解决的问题非常有限。Aureliu Panaitescu等提出了监测阳极钢爪等距压降可以反映槽内铝液液面波动,建立了等距压降在线显示系统[6],但是,该系统只能测量单个阳极钢爪等距压降,同步性不好,并且操作难度较大。为了实现对铝电解槽阴极铝液波动参数的在线测量,进而分析铝液波动的机理,以便采取措施抑制铝液波动的波幅,从而实现通过降低槽电压来降低直流能耗的目标,东北大学冯乃祥教授研发了一种铝电解槽阴极铝液液面波动实时监测系统,并在重庆某铝厂系列电流强度为168 kA的电解槽上进行工业实验。实验表明,该系统能在线显示同一时刻全部阳极导杆等距压降实时波动状况,很好地反映出了铝液波动状况。

1 铝液波动监测系统的原理

由于铝电解槽中的电解质熔体有较大的电阻,因此极距的改变会使铝液面与阳极底掌之间的电阻、电流以及电场的分布变化非常大。当每个阳极底掌下的铝液面出现波峰时,局部极距变短,阳极导杆上的电流就会增大;相反当铝液面出现波谷时,阳极导杆上的电流就会变小。当电解槽的极距相同时,阳极导杆内电流波动的幅值越小,阳极底掌下铝液面波动的幅度(波峰和波谷)就越小。极距变小时,如果阳极导杆电流波动幅度与极距大时一样,则说明前者有较小的铝液波动;如果阳极导杆电流波动幅度比极距大时小,则说明这种情况下的电解槽阴极铝液面的波动幅度更小。因此,阳极导杆电流变化可以反映铝电解槽内阴极铝液液面波动情况。同步测量每个铝电解槽全部阳极导杆同一时间段的电流变化难度很大,但是,由于阳极导杆温度是一个慢时变的量,因此在温度一定的情况下,阳极导杆等距压降是阳极电流的单值函数,那么就可以通过每根阳极导杆上两根探针之间的电压降间接地反映出电流的变化情况。

2 阳极导杆等距压降测量系统设计

2.1 硬件组成

本研究采用在电解槽阳极母线下的每个阳极导杆上安装等距离的两个探针,同步监测每个阳极导杆上的电压降变化情况。测量系统由数据采集系统、数据处理系统以及显示输出系统组成。每根阳极导杆上的探针通过可屏蔽导线,与自行研发的电压采集处理集成电路板相连,采集到的电压信号经过A/D转换后由单片机进行数据处理,再传送到上位机中。本系统每秒钟采集10组数据,可以实时监控阳极导杆电压降的变化曲线,并记录数据。图1为阳极导杆等距压降测量系统组成框图。

2.2 探针间距的选择

由于铝电阻率很小,铝导杆压降一般在30 mV以内,因此如果探针间距过短,则测量的等距压降值很小,无疑会增大测量误差。为了减小测量误差,工厂里测量等距压降时探针间距一般选取30～50 cm。另外铝的电阻率对温度较为敏感,探针间距越大,两端温度差异越大,电阻率也会变得难以确定。本系统对导杆电阻计算精度要求较高,因此过长的间距并不合适,另外过长的采集距离给系统的安装运行和现场的正常生产也带来了不便。综合考虑两方面因素,最后确定探针间距为20 cm,这样取得的电压值便于采集,也不会影响正常生产。经过测量,这段距离内导杆温差较小,约为5 ℃。

2.3 传输方案的选择

传输较小的mV信号时,要考虑几个问题,一般来说,传输距离越长信号衰减得越明显。其次要避免磁场干扰,还要尽可能节约导线、降低成本。由于铝电解车间磁场较强且温度较高,因此将采集系统安装在车间办公室,然后选用具有耐高温的磁屏蔽线作为采集数据的传输线,并且考虑到铝电解槽上部温度不高,所以将数据传输线安装在槽子的上部,并用热绝缘套管进行保护,然后将导线一端固定在导杆上,另一端引到车间办公室和采集系统相连。

2.4 数据采集系统配置

(1)仪表放大器

本系统选用AD公司的AD623仪表放大器,此产品是一种低功耗、低价位仪表放大器,仅用一只外接电阻设置增益,而且采用8脚工业标准封装,使用极为方便。输入共模范围很宽,能够放大-150 mV的共模信号[7,8]。主要技术指标如下:输入通道数为4;工作方式为单电源(3～12 V)或双电源(±2.5～±6 V);放大倍数为1～1 000;输入失调电压最大值为200 μV;输入偏置电流最大值为25 nA。

(2)单片机选型

本系统选用新华龙公司生产的C8051F206型号的单片机,此类型单片机内部集成了一个12 b A/D转换器,该ADC具有32路输入通道,符合本系统同时测量铝电解槽上全部阳极导杆等距电压降的要求。

2.5 系统软件设计

2.5.1 系统软件开发

利用C语言编写数据采集与数据处理系统软件,然后使用新华龙公司生产的C8051F单片机程序烧录器将程序固化在单片机内存中,图2为数据采集与数据处理系统程序流程图。屏幕显示界面程序则利用Visual Basic语言编写,将显示器屏幕划分为12个子界面,每个子界面显示2根阳极导杆等距压降波动曲线,在12个子界面右侧显示每根阳极导杆等距电压降数值。

2.5.2 数据采集程序函数

数据采集程序是本系统控制软件的核心部分,主要包含以下9个模块:(1)驱动程序初始化函数 用于初始化采集系统硬件。(2)开始多缓冲区模式的采集函数 本函数启动多缓冲区工作方式,指定缓冲区的大小、采样频率以及放大器的放大倍数。(3)停止采集函数 此函数停止单缓冲区或多缓冲区方式的采集。(4)查询多缓冲区方式下采集缓冲区数目的函数 用于返回多缓冲区方式下已有采集结果的缓冲区数目。(5)取多缓冲区方式下一个采集块和最新采集块函数 用于在多缓冲区方式下把最先(旧)的一个有采集结果的缓冲区内容拷贝到用户数组中,并释放当前缓冲区。(6)多缓冲区方式注册缓冲区满的消息函数 用于设置或取消提示消息。(7)返回实际采样频率函数 用于返回每个通道的准确采样频率。(8)获取驱动程序配置信息函数 返回采集系统硬件及驱动程序的各种配置信息。(9)按字节读硬件端口函数 读取各硬件端口数据。

3 实验结果与分析

选取重庆某铝厂预焙电解槽作为铝液界面波动的测量对象,系列电流强度为168 kA,每个加工面上有12块阳极,每个阳极块上安装一个阳极导杆,因此整个电解槽共有24根阳极导杆。在测量前先将阳极导杆按顺序编号,铝电解槽进电侧为A侧,出电侧为B侧,每侧阳极导杆编号由出铝端

至烟道端排列依次为1～12。

3.1 电解槽稳定运行时阴极铝液液面波动状况

利用本系统对重庆某铝厂116#电解槽(槽电压4.10 V)进行实时监测(如图3所示),得出铝液波的波形具有如下特征:(1) 基波为低频正弦波,每个波的周期基本相等,周期约为50 s;(2) 相邻阳极下铝液波形相位差约为undefined。

从图中可以看出,波中叠加有许多尖脉冲,这是幅值不等的气泡、漂移碳块所形成的强度不大的噪声。

3.2 缩小极距对阴极铝液液面波动的影响

当把116#槽槽电压降到3.95 V时,槽内铝液阳极导杆等距电压降波动如图4所示。从图中可以看出铝液液面波动非常大,阳极导杆电压波幅高达900 μV,电解槽处于不稳定运行状态。

当槽电压由4.10 V降到3.95 V时,相当于缩小了极距,此时阳极电流急剧上升,槽内作用于铝液的电磁力发生变化,铝液波动剧烈,如果铝液波幅过大,穿透电解质层,甚至会造成短路。

3.3 外界扰动对阴极铝液液面波动的影响

3.3.1 换极作业

换极操作是预焙阳极电解槽不可缺少的一道工序,也是公认的大扰动作业,主要表现在:

(1)残极被提出电解槽时,所有的阳极电流必然会重新分布。

(2)新极装入后在冷阳极表面迅速形成一层电解质冷凝层,1～2 h后冷凝层开始熔化,阳极开始导电,随着碳块温度的上升,通过的电流不断增加,24 h左右达到正常值。

(3)换极操作本身就是一种物理扰动。

更换阳极对于电解槽内铝液波动影响很大。如图5所示,换极前后电解槽内阴极铝液液面波动较大,在换极之前B4阳极导杆电压降波动曲线的波幅为250 μV,周期为50 s;而换极后B4阳极导杆电压降波动曲线波幅明显增大,达到650 μV,周期为56 s。由此可见,更换阳极对铝液液面波动影响较大,换极后铝液液面波动频率发生改变。

对于换极作业影响铝液波动的原因,分析如下。

基于浅水模型二维铝液表面波动方程

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边界条件

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扰动电位方程

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边界条件

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上述式中,h1,h2分别为铝液和电解质厚度;Δρ=ρ1-ρ2,ρ1,ρ2分别为铝液和电解质的密度;ζ为铝液表面扰动波高;g为重力加速度;φ为扰动电位;σ1,σ2分别为铝液和电解质的电导率;J,Bz分别为稳态电流密度和垂直方向磁感应强度;n为相界面上法向朝外的单位向量;nx,ny分别为相界面上法向朝外的单位向量的x和y轴分量。

方程式(1)～(4)被称为MHD方程,根据MHD方程的表达形式,铝液一方面受电磁力的推动,另一方面又受到流体的重力、黏性阻力的反作用,正常情况下,这二种力相互平衡,铝液就以波的方式,以一定的水平速度和垂直变形在一定范围内波动。当残极被提出电解槽时,所有的阳极电流必然会重新分布,MHD方程的参数发生变化,这种平衡就被暂时破坏而发生振荡。

3.3.2 出铝作业

图6给出了出铝前后A5阳极导杆电压降波动,由图可以看出,出铝前后槽内铝液波动状况基本没有变化,稳定性没有受到影响。只要操作水平比较高,铝水平控制合理,正常的出铝作业一般情况下对铝液液面的波动影响较小。

3.3.3 阳极效应

图7给出了电解槽发生阳极效应时A5阳极导杆电压波动,由图可以看出前85 s是铝电解槽平稳运行时阳极导杆等距压降变化曲线,在第86 s时发生阳极效应,电压呈不规则波动,电压极差很大。由于电解质被击穿具有突然性,因此发生阳极效应时阳极导杆电压波动曲线的显著特征是具有波形尖脉冲,这也从另一个角度表明当阳极效应发生时,铝电解槽处于不稳定的运行状态。

4 结论

(1)对于传统预焙阳极电解槽来说,大幅度地降低极距会引起阴极铝液液面大幅度地波动,导致铝电解槽不稳定,甚至会造成极间短路。因此,若要降低铝电解能耗,还需对电解槽阴极结构进行改进。

(2)加深了对铝电解槽不稳定因素的认识,以便总结出一套规范化的换极操作。

(3)本系统经过工业实验,具有良好的抗干扰性,便于现场安装,界面操作简单,能够直观地、实时地监测电解槽内的单振源及多振源波动,测得系列电流强度为168 kA的电解槽阴极铝液液面波动周期为50 s,相邻阳极下铝液波形相位差约为undefined。

摘要：为了能够在线监测铝电解槽内阴极铝液液面波动状况,设计了一种能够对铝电解槽阴极铝液液面波动进行实时监测的系统。本系统以C8051单片机为核心,采集全部阳极导杆等距压降,对数据采集电路的信号进行处理、拟合,由上位机存储数据并显示铝液液面波动曲线。工业实验表明本系统能够直观地反映电解槽内的单振源及多振源波动,能够及时有效地发现由于阳极移动而激发的噪声,以便采取针对性抑制措施。本系统具有良好的抗干扰性,便于技术人员操作。

关键词：铝液液面波动,单片机,实时监测,阳极导杆电压降

参考文献

[1]Cherchi S.工业铝电解槽中铝液波动的试验研究[J].轻金属,1985(3):32-35.Cherchi S.Research on the surface oscillation of liquidmetal in aluminum reduction cells[J].Light Metals,1985(3):32-35.

[2]唐骞,曾凤,李贺松,等.铝电解槽铝液界面波动模型及数值模拟[J].系统仿真学报,2008,20(6):1 413-1 419.TANG Qian,ZENG Feng,LI He-song,et al.Numericalmodeling of metal wave for aluminum reduction cells[J].Journal of System Simulation,2008,20(6):1 413-1 419.

[3]Mori K,Shiota K,Urata N,et al.The surface oscillationof liquid metal in aluminum reduction cells[C]//LightMetals.New York:TMS,1976:78-95.

[4]Descloux J,Romerio MV.On the analysis by perturbationmethod of the anode current fluctuation in an electrolyticcell for aluminum[C]//Light Metals.Pennsylvania:TMS,1989:237-243.

[5]Antille J,Flueck M,Romerio M V.Steady velocity fieldin aluminum reduction cells derived from measurements ofthe anode current fluctuations[C]//Light Metals.Penn-sylvania:TMS,1994:305-312.

[6]Aureliu Panaitescu,Augustin Moraru.Research on theinstabilities in the aluminum electrolysis cell[C]//LightMetals.Pennsylvania:TMS,2003:359-365.

[7]张君,赵杰.仪表放大器AD623的性能与应用[J].仪表技术,2002(6):45-46.ZHANG Jun,ZHAO Jie.The performance and applica-tions of instrument amplifier AD623[J].InstrumentTechnology,2002(6):45-46.

铝电解质论文 篇5

智研数据研究中心网讯：

内容提要：建议国家有关部门将高效节能铝制挂车产业化列入支持制造业转型升级的有关项目，并研究制定更为严格的汽车平均燃油效率标准和环保回收等法律法规，在保障运输安全的同时，为大面积推广应用高效节能铝制挂车创造环境。同时，设立“推进铝应用重大专项”，纳入有关支持制造业转型升级和节能减排的专项计划或目录，从金融、市场、标准等方面，重点支持开发贴近生活、量大面广、节能减排的民用产品，鼓励全铝半挂车等民用产品的推广应用。

去年以来，我国电解铝行业化解产能过剩已经取得明显进展，但还存在一些突出问题。部分过剩产能退出渠道仍不畅通，涉及企业债务、银行贷款、人员安置等历史遗留问题；各地电价政策有差异，阻碍优胜劣汰的实现。当前，最根本的是要用改革的办法继续推进。一方面，要充分发挥市场的决定性作用和行业自律机制的作用，建立由政府、企业、行业组织共同参与的行业自律平台，实行差别化的电价和金融政策，同企业自律行为挂钩，鼓励电解铝企业主动压缩产能，变“要我关”为“我要关”。另一方面，要着力扩大铝应用，通过扩大需求这个根本办法化解过剩产能。

今年以来电解铝行业形势日趋困难

电解铝是化解过剩产能的重点行业之一，2013年以来，全国化解电解铝产能过剩已经取得明显进展。2013年和今年一季度，全国电解铝已停产和减产产能337.6万吨，其中176.3万吨永久退出市场。较有代表性的河南省已关闭产能100万吨以上，全省运行产能从485万吨下降到380万吨，电解铝企业从23家减少到8家。但是，由于过剩产能长期积累、需求变化和经济下行压力加大等原因，今年以来电解铝行业形势日趋严峻。今年1月至2月，全国电解铝行业亏损29亿元，比去年同期增亏20亿元。企业普遍反映资金困难，不少企业面临现金流断裂危险。河南有中孚、伊川、神火等五大骨干电解铝企业，已经连续亏损两年，现金流很紧张。有的企业反映，企业想方设法压成本，工人平均工资已经降到2000元左右，已经没有压低成本的空间了。

造成企业普遍经营困难的原因有：一是市场价格自2012年以来连续下降。2012年以来，铝价始终低于国内的平均成本线。2013年，国内市场铝现货平均价为14556元/吨，同比下降7.1%。今年一季度铝价又大幅下降，3月份已下降到12700元/吨，比平均成本低约1500元。二是长期积累的产能仍未充分化解。2010年，全国电解铝产能约2100万吨，2013年达到3100万吨，在行业不景气的情况下，三年之内又增加了40%以上，仍需进一步化解。三是银行对产能过剩行业收紧银根，据河南的电解铝企业反映，银行对企业“以旧贷新”，贷款规模一般削减10%—20%，再加上前几年电解铝企业扩张过快导致资金沉淀，造成资金紧张。

铝是有色金属工业的主要品种之一。电解铝行业运营困难，带动有色金属工业指标下降。一季度十种有色金属产量为1015万吨，同比增长6.7%，增幅比去年同期回落3.9个百分点。全行业累计完成固定资产投资918亿元，同比增长

11.5%，增幅比去年同期下降 13.8个百分点，比全国平均水平低6.1个百分点，这是近年来有色金属投资首次低于全国平均水平。8776家规模以上企业实现利润246.5亿元，同比下降14.7%；亏损企业2213家，亏损面达25.2%。

这些状况的出现，一定程度上有利于形成倒逼机制，进一步化解过剩产能。但同时也要看到，电解铝行业的困难已经是全行业的普遍现象，不少技术工艺水平高、节能减排条件好的企业，也同样面临困难。在河南这样的省份，铝行业是支柱产业，电解铝产量占全国15%，用电量占河南工业用电量25%，涉及直接就业近8万人，相关产业20万人，贷款余额580亿元左右，而且普遍存在企业之间互相担保的情况，铝工业增加值近4000亿元，贡献河南GDP的6%左右。如果行业运行的困难状况继续下去，可能使得整个行业发展跌破底线，影响经济增长和社会稳定，需要引起重视。

化解产能过剩进入攻坚阶段面临的新情况

去年以来，电解铝行业化解的330多万吨产能，大都是缺乏竞争力、长期经营困难、相对容易关闭的企业，当前留下的企业，总的来说是质量和技术标准较高的企业，继续关停的难度增大，也需要有新的办法。当前，化解产能过剩面临的新情况主要体现在两个方面：

一方面，部分过剩产能的退出渠道仍不畅通。主要涉及到企业债务、银行贷款、人员安置、财政收入以及历史遗留问题等。部分产能是这几年形成的，尚未盈利，债务无法偿还，中国有色金属工业协会预计过剩产能涉及债务余额约300亿元。部分产能所在地区基本已形成电力—电解铝—铝加工产业链的能力配套，将产业链中部的电解铝产能关闭势必影响该地区整个工业体系的生存与发展。如河南一家铝厂，产能25万吨，企业早就想关闭，但是由于它们是所在市的纳税大户，政府很难下决心关闭。中铝公司去年千方百计才分流了1.8万人，今年减产还将影响4万人就业，分流压力很大。一些地方已经形成煤炭—电力—电解铝—铝加工的完整产业链，电解铝一关闭，上游影响资源能源企业，下游影响加工应用企业，左右影响银行和电网，还影响地方的收入、就业和社会稳定。地方政府反映，对于人员如何安置、化解产能之后损失的财政收入如何弥补、资产和债务如何处置，缺乏可操作性的配套措施。

另一方面，各地电价政策差异，阻碍企业优胜劣汰的实现。当前各地主流电解铝企业，在装备水平、环保节能达标能力、产品质量等方面都差不多，唯有电价各地差异较大。争取电价优惠，已经成为电解铝行业成本竞争的主要手段。以自备电厂的并网费为例，河南平均是6.6分，而有的省份是1分、2分或3分，个别企业甚至是零。电价差1分，一吨成本就差140元左右。由于电力成本约占电解铝生产成本的45%左右，这就形成了在电解铝行业一个优势（低电价）可以掩盖所有劣势（如管理、技术、装备），一个劣势可以抹杀所有优势的局面。如河南是电价比较高的地区，每吨铝成本比周边地区高出700元—800元。这就导

致在电价比较低的地区，一些企业还有投资冲动。而没有电价优势的地区，一些有技术和管理优势的企业也面临困难。关于电价，不少企业提出，希望在当前基础上进一步降低电价，给企业喘息机会，或实行全国统一电价。还有的企业希望在全国推广部分省份已经实行的局域电网。这些办法固然短期内能够缓解企业面临的困难，但长期来看并不利于化解过剩产能，还将造成电力领域的重复建设。

用改革的办法化解产能过剩的建议

根据电解铝行业的实际情况，当前要继续化解产能过剩矛盾，最根本的还是要用改革的办法继续推进。一方面，要充分发挥市场的决定性作用和行业自律机制的作用，鼓励电解铝企业主动压缩产能，变“要我关”为“我要关”。另一方面，要着力扩大铝应用，通过扩大需求这个根本办法化解产能。

第一，建立由政府、企业、行业组织共同参与的行业自律平台。电解铝成为产能过剩严重的行业，同铝工业产业集中度不高、行业自律有待加强有关。当前，电解铝行业的产能过剩主要已经不是低水平产能过剩，而是高水平产能过剩。仅仅靠环保、节能、质量等标准，已经不足以控制产能。当前，面临全行业运营困难的局面，大部分企业都迫切希望尽快扭转这种状况，从而有可能推动行业自律机制的形成。建议在政府有关部门指导下，建立由行业组织牵头、企业自愿参与的行业自律平台。企业自愿参加，主动减产，维护行业利益，接受政府和行业监督。在政府指导下，在综合考虑质量标准、节能减排和市场需求、价格等因素的基础上，由行业组织协调企业进行协商，确定电解铝产能和产量控制目标，鼓励企业主动减少产能和产量。建立由政府、行业组织和企业共同参与的监督机制，共同监督企业的自律行为。

第二，实行差别化的电价和金融政策，同企业自律行为挂钩。在政府有关部门指导下，建立企业“白名单”和“黑名单”。对于主动控制产量的企业，列入“白名单”，由行业组织和企业同电网、金融机构进行集体协商，对列入“白名单”的企业实行优惠的电价和金融政策，适当降低电价和并网费，提高贷款授信额度，支持这些企业转型升级，早日找到新的出路。对于继续扩大产能、不符合转型升级方向的企业，实行惩罚性的电价和金融政策。“白名单”和“黑名单”需根据实际情况定期调整。这些设想，有利于调动企业积极性，低成本化解产能过剩，能够给企业提供喘息机会，鼓励企业加快结构调整，符合市场化改革和转变政府职能的方向。

第三，继续为产能化解提供配套政策支持。坚决控制新增产能，新建成但尚未投产产能暂缓投产，对于确实缺乏竞争力的生产能力，尽快建立缺乏竞争力产能退出机制。研究出台落实“四个一批”（消化一批、转移一批、整合一批、淘汰一批）的实施细则，鼓励过剩产能退出。像当年国有企业政策性破产那样，对债务、职工、设备出台一揽子解决的方案。

第四，以交通运输等领域为重点，着力扩大铝应用。尽管生产铝消耗大量能源，但铝的循环利用性能突出，可多次循环利用，自身重量轻、性能优越。在交通运输领域实行“以铝带钢”，是实现节能减排的有效抓手。目前我国载重挂车保有

铝电解质论文 篇6

1 铝电解槽破损的原因

1.1 侧部破损原因

电解槽侧部是比较容易发生破损的部位, 出现这一现象的原因主要是侧部的炉帮面积比较小, 其他部位都有炭块形成的炉帮, 而电解槽的形状由于比较特殊, 在侧面不易形成炉帮, 溶解后的电解质会逐渐渗透炭块, 铝电解生产中, 由于会产生钠离子, 而钠离子与碳离子比较容易结合, 会出现碳化反应, 聪聪碳-钠化合物, 这会使炭块更容易疏松, 还会使电解槽侧部炭块更容易被侵蚀, 据调查显示, 铝电解生产的过程中, 每天会侵蚀厚度为1mm的炭块, 会使电解槽出现磨损, 还会造成槽壳过热现象, 有的槽壳会出现烧红, 还会发生漏槽事故, 造成停槽问题的发生, 缩短了电解槽的寿命。电解槽侧部炉帮不易形成是造成电解槽破损的主要原因, 而侧部炉帮不易形成的原因主要有三点:首先, 电解槽侧部散热能力在槽壳温度基本恒定的情况下, 决定于周围环境温度和空气流动情况。虽然电解槽设计采用侧部散热型, 即侧部只有一层碳化硅砖的结构, 目的是保证在电解槽四周形成自然炉帮。然而, 我国绝大多数200KA、300KA电解槽槽壳仍采用了传统带二翼板的结构, 并且槽壳与地面的距离较短, 不利于散热通风, 严重影响侧部炉帮的形成。其次, 使用的氧化铝原料质量不均匀及打料系统缺陷, 造成效应受控率低。电解槽打料系统故障等原因, 阳极效应受控率较低, 效应系数高, 导致槽温在短时间内骤然上升30℃~40℃, 实践表明, 槽温升高越多, 恢复到正常生产温度所需时间越长。

1.2 电解槽底部出现破损

电解槽在焙烧的过程中, 由于电流分布不够均匀, 所以炭块局部会出现过热或过冷现象, 在电流分布比较密集的地方, 一般温度比较高, 电流分布不均匀会导致电解槽裂缝。在铝电解生产的过程中, 阴极会产生较多的钠离子, 其通过裂缝渗透到炭块中, 会与碳离子结合, 形成新的化合物, 这会增加碳缝的大小, 还会在磁场的影响下出现漩涡反应, 会增加铝液渗漏的速度, 容易造成电解槽破损等重大质量问题。当裂缝与电解槽阴极相通后, 必须做停槽处理, 这会缩短电解槽的寿命。电解槽底部破损主要是由温差原因及磁场设计两个方面引起的, 当焙烧温度没有得到有效控制, 会导致底部出现裂缝, 而裂缝与阴极炭块相通后, 有会导致铝液渗漏。电解槽磁场设计不合理, 会导致电流分布不均匀, 或者不平衡等问题, 会使炉帮不易形成, 导致电解槽出现严重的破损问题。

2 铝电解生产中延长电解槽寿命的新措施

2.1 优化焙烧流程, 提高加工工艺

铝电解槽在焙烧的过程中, 要科学的优化焙烧流程, 还要提高加工工艺, 这对电解槽的寿命有着较大的影响作用。电解槽焙烧一般采用的是焦粒法, 这与铝液焙烧法相比, 可以降低温度对焙烧质量的影响。在高温的影响下, 铝液会与碳素结合, 温度骤降后, 会使碳素出现裂缝, 当铝水侵入碳素裂缝处, 会大大缩减电解槽的寿命。为了避免这一问题的发生, 必须对焙烧过程进行严格的控制, 要合理调节阳极电流分布, 还要保证炉底均匀受热, 在焙烧的过程中不能出现温度突变等现象。要在恰当的时间启动电解槽, 还要采取有效的措施防止碳块脱落等现象出现。

2.2 严格控制生产技术条件, 保持稳定的热平衡和槽膛内形

电解槽的技术条件主要有电流强度、铝水平、电解质水平、电解槽温度、项技术条件选定后, 只有在运行中严格控制, 才能确保电解槽具有良好的热平衡和物料平衡。当槽温过高, 炉帮会熔化, 破坏槽膛内形;若槽温过低, 和电解质水平、铝液水平保持不好, 会造成炉底沉淀, 电流分布不均匀, 槽况恶化, 引发病槽。无论是降低电流还是增加电流生产, 都会影响电解槽的热收入, 原有的炉膛会发生较大的变化, 从而破坏电解槽原有的热平衡, 所以必须调整其它技术条件, 如电压、铝水平、分子比等才能适应新电流条件下的热平衡, 来维持电解槽的平稳运行。另外, 降低电流生产时会使得先前渗入阴极炭块中的电解质凝固, 导致阴极炭块产生裂缝, 促使炭块破损;而增加电流后, 由于增加了阴极炭块表面的电流密度, 阴极炭块本身温度会升高, 将会缩短已经破损炭块的寿命。

2.3 阳极质量的稳定性

阳极是铝电解槽的心脏, 只有良好的炭块质量才能保证电解槽长期稳定运行。质量羞的炭块用到后期容易出现开裂现象, 更为严重的是在更换阳极时出现炭块脱落情况;表面存在裂纹的炭块用于电解时, 高温电解质渗入裂纹中, 炭块就会出现断裂、局部掉块现象, 这些碎块不及时捞出, 它们将随着电解质运动到炭块底掌下, 影响阳极电流分布;或是由于炭块抗氧化性差出现掉渣现象, 据资料介绍, 当电解质中碳含量达到0.6%时, 电导率约降低10%, 并且由于大量炭渣与电解质分离不好, 不仅增加电解质的粘度, 而且促使电解槽增加效应, 因此可以说, 优良的阳极是电解槽稳定生产的重要因素, 也是降低效应系数的重要条件。

3 结论

电解槽在焙烧的过程中, 焙烧流程以及工艺对其使用寿命有着较大影响, 为了延长电解槽的寿命, 必须针对我国电解槽焙烧及使用过程中存在的问题进行处理。电解槽的寿命还与材料的材质有着较大的关系, 在焙烧时, 要注意控制生产条件, 操作要规范, 还要优化筑炉工艺, 这样才能保证铝电解生产的效率与效益。铝电解槽的寿命与企业的经济效益有着密切的关系, 本文对延长电解槽寿命的建议与对策进行了探讨, 希望对相关企业提供一定帮助, 正确使用电解槽, 避免其出现破损。

参考文献

[1]黄贵平, 马波.铝电解整流装置保护配置及信号采集和控制理念改进[J].中国高新技术企业, 2014 (30) .

[2]韩伟.合理调整稳流深度确保电解系统平稳经济节能运行[J].电子世界, 2014 (14) .

低温熔盐铝电解的研究进展 篇7

关键词：低温铝电解,氧化铝,铝盐,电解质,直接电化学还原

铝电解一直采用霍尔埃鲁法。该方法是以Al2O3为原料、冰晶石或冰晶石基混合熔盐为电解质,高温条件下电解溶解的Al2O3制备出金属铝的生产方法。霍尔埃鲁法的优越性使其从开始应用到现在已经有100多年的历史了。然而实际上,它还存在着一个无法克服的弊端,那就是电解温度高(通常为950~970℃)。高温导致大量的能量消耗(电耗高达15kW·h/kg Al[1])、副反应多、能量利用率低(50%)。同时,也使惰性阳极材料(主要由陶瓷或金属基陶瓷构成)无法应用,造成大量优质碳素材料被消耗(大约500kg/t Al),而且严重污染环境。为了节约能源和保护环境,人们一直在努力寻找制备铝材料的新方法。低温熔盐铝电解(电解温度在900℃以下)能够有效提高电流效率,降低能耗,提高原铝纯度,延长电解槽寿命,有利于惰性电极材料和绝缘侧衬材料的应用。因而,低温熔盐铝电解是当今世界铝业界最活跃的研究课题之一。

多年来,低温铝电解一直围绕在先获得铝离子及铝络合离子,再进行电解的传统思路上。研究多集中在电解质的改善和改变及相关物理化学性质的认知和实践上。

传统低温熔盐铝电解研究按照使用铝原料可分为2类:一类是以Al2O3为原料,将其直接溶解到熔融盐(如钠冰晶石体系、锂冰晶石体系、钾冰晶石体系等电解质)中,低温条件下进行电解;另一类是以铝盐为原料(如氯化铝、硫化铝等),在无机熔盐、有机熔盐和非水溶液溶剂中进行低温电解。近年来,一种将固态Al2O3在低温熔盐中直接电化学还原制备金属铝的研究逐渐活跃起来,该方法以工艺简单、温度低、对环境友好而受到关注。

1 以Al2O3为原料的传统低温铝电解

1.1 钠冰晶石电解质体系低温铝电解

钠冰晶石电解质体系低温铝电解熔盐的基本成分为Na3AlF6+AlF3+Al2O3。该体系通过调整熔盐组成降低体系熔点来实现低温铝电解。调整熔盐组成通常采用2种方法:(1)添加碱金属和/或碱土金属卤化物添加剂[2],如MgF2、NaCl、CaF2、LiF、KF、BaCl2等;(2)增加基本成分中AlF3的含量,降低分子比,提高电解质的酸度[3]。然而,在改变钠冰晶石电解质体系电解质成分降低熔点的同时,电解质的其他物理化学性质(如电导率、密度、蒸气压、界面张力和粘度,氧化铝、铝在其中的溶解度和溶解速度等)也发生了改变。研究者最关注的是电解质液相线温、氧化铝的溶解度、溶解速度及电解质电导率等的变化。

研究发现,在添加剂中除KF外,其他添加剂均使Al2O3的溶解度和溶解速度降低了,这就限制了添加剂的量,使依靠添加添加剂来达到降低电解质熔点的效果有限。另外,增加AlF3的含量能大幅度降低电解质的熔点,但体系Al2O3 的溶解度和电导率等也降低了。因此,对钠冰晶石电解质体系低温铝电解的研究通常是将以上2种方法同时使用[4]。

对钠冰晶石体系的研究很早。1985 年Grjotheim 在《Metall》上[5]就对该体系中低熔点电解质的物理化学性质进行了较为全面的综述,包括液相线温度、铝的溶解度、氧化铝的溶解度和溶解速度、电导率、蒸气压、密度、界面张力和粘度,结果见表1(液相线温度以上20℃)。

注:括号内的数值为外推值

表1使人们对钠冰晶石体系电解质有了基本认识。随着电解质分子比的降低,铝的溶解度、氧化铝的溶解度和电导率明显下降,而蒸气压、界面张力和密度差值基本上是增大的。Al2O3的加入降低了电解质液相线温度。在10%的添加量范围内,以钠冰晶石的熔点1010℃为基准,各种添加剂降低电解质液相线温度的平均值(ΔT) (℃/1%添加剂) 见表2。

任凤莲等[6]对液相线温度进行了研究;Solheim等[7] 给出了具有较高精度的Na3AlF6-AlF3-LiF-CaF2-MgF2-KF-Al2O3体系液相线温度回归方程经验式,如式(1)所示:

t/℃=1011+0.05[AlF3]-0.13[AlF3]2.2-

3.45[CaF2]/(1+0.0173[CaF2])+

0.124[CaF2][AlF3]-0.00542([CaF2]·[AlF3])1.5-

7.93[Al2O3]/(1+0.936[Al2O3]-

0.0017[Al2O3]2-0.0023[AlF3]·[Al2O3])-

8.90[LiF]/(1+0.0047[LiF]+0.0010[AlF3]2)-

3.95[MgF2]-3.95[KF] (1)

式中:t为温度,℃;[]内为质量分数。

Foster等[8]对钠冰晶石中氧化铝的溶解度和溶解速度进行了研究,并给出了Na3AlF6-AlF3-Al2O3三元共晶点的温度及Al2O3溶解度的数据(见表3)。

可见,在700℃左右,分子比为1.2的熔体中,Al2O3的溶解度可达3%(质量分数)以上。

Skybakmoen等[9]利用旋转盘方法测定了添加不同量AlF3、CaF2、LiF等添加剂的钠冰晶石体系低熔点电解质中Al2O3的溶解度,针对Na3AlF6-Al2O3 (饱和)-AlF3-CaF2-MgF2-LiF熔盐体系给出了具有较高计算精确度的经验式(见式(2)-(4)):

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(4)

式中:[]内为质量分数:t为温度,℃。该方程在850~1050℃内,计算值与实际测量的Al2O3溶解度相差±0.2%(质量分数)。

电导率是电解质非常重要的物理化学性质,是铝电解技术的关键指标之一,它直接影响铝电解生产的电能消耗。因此,电导率是评价低熔点电解质的重要参数,其研究备受重视。Híveš等[10]对钠冰晶石体系的电导率进行了深入研究,采用CVCC技术获得了Na3AlF6-AlF3-CaF2-MgF2-LiF-KF-Al2O3体系的电导率[11]回归方程式:

lnk=1.977-0.0200[Al2O3]-0.0131[AlF3]-

0.0060[CaF2]-0.0106[MgF2]-

0.0019[KF]+0.0121[LiF]-1204.3/T

(5)

式中:k为电导率,Ω-1·cm-1;T为温度,K,范围从液相线温度至1090℃;[]内为质量分数,取值范围为[Al2O3]0%~11%,[AlF3](过剩AlF3)0%~28%,[CaF2]0%~14%,[MgF2]0%~14%,[KF]0%~15%,[LiF]0%~34%。

电解质密度直接影响到液态铝与熔盐分离,同时也能间接反映出电解质的结构,是熔盐非常重要的一种物理化学性质。Rolseth[12]等对电解质密度进行了研究。

1.2 锂冰晶石电解质体系低温铝电解

锂冰晶石电解质体系低温铝电解熔盐的基本成分为Na3AlF6+Li3AlF6+AlF3 +Al2O3。该体系存在着宽的低温区域,电解质的电导率很高。研究者经常通过添加CaF2和MgF2等添加剂来提高体系的某些物理化学性质。对该体系的液相线温度、氧化铝的溶解度和溶解速度、电导率、铝的溶解度等物理性质的研究也比较多。然而,锂冰晶石电解质体系的缺点是溶解氧化铝能力差(Al2O3的溶解度小于2%(质量分数)),电解质材料比较昂贵,从而限制了其大规模应用。

在研究锂冰晶石电解质体系液相线温度的基础上,Rostum等[13]发表了Na3AlF6-Li3AlF6-AlF3-CaF2-Al2O3体系液相线温度计算式:

t=1011+0.14[AlF3]-0.072[AlF3]2.5+

0.0051[AlF3]3-10[LiF]+0.736[Li]1.3+

0.063{[AlF3]·[LiF]}1.1-3.19[CaF2]+

0.03[CaF2]2+0.27 {[AlF3]·[CaF2]}0.7-

12.2[Al2O3]+4.75[Al2O3]1.2 (6)

式中:t为温度,℃,计算有效范围为800~1011℃;[]内为质量分数,取值范围为[AlF3](过剩AlF3) 0%~30%,[LiF]0%~28%,[CaF2]0%~7%,[Al2O3]0%~5%。

Skybakmoen等[14]研究了Na3AlF6-Li3AlF6-AlF3-Al2O3体系氧化铝的溶解度,并给出了回归方程:

[Al2O3]饱和 = exp{A+B(1000t-1)} (7)

A=2.464-0.007[AlF3]-1.13×10-5[AlF3]3-

0.0385[Li3AlF6]0.74-0.032[CaF2]-

0.040[MgF2]+0.0046([AlF3][Li3AlF6])0.5

(8)

B=-5.01+0.11[AlF3]-4×10-5[AlF3]3-

0.0732[Li3AlF6]0.4+0.085([AlF3]·[Li3AlF6])0.5 (9)

式中:[]内为质量分数。

P. Fellner等[15]主要研究了Na3AlF6-Li3AlF6、Na3AlF6-Li3AlF6-AlF3体系的电导率以及Al2O3、CaF2和MgF2作为添加剂对该体系电导率的影响,认为添加剂的加入对测定Na3AlF6-Li3AlF6-AlF3体系的电率导准确度有影响。

1.3 钾冰晶石电解质体系低温铝电解

钾冰晶石电解质体系低温铝电解熔盐的基本成分为Na3AlF6+K3AlF6 +Al2O3。由于Al2O3在纯K3AlF6中有较大的溶解度,20世纪50年代前苏联一些学者就进行了用钾盐取代钠冰晶石的研究,以解决在钠冰晶石体系中低温电解时Al2O3溶解度小的问题。Belyaev对有关相图和物化性质进行了研究,发现钾盐对碳素材料的渗透力非常强,大约是钠盐的数十倍,这对以碳素材料为电极和槽衬的霍尔埃鲁法来说无疑是致命的。此后人们对钾盐的研究非常少。近年来,由于惰性阳极、阴极和绝缘侧衬材料的研究不断取得进展,惰性电极和绝缘槽衬的双极性电解槽已有可能实现,这为应用钾盐创造了客观条件。钾盐作为低温铝电解体系的研究再次受到重视[16,17,18]。Sterten等[19]在组成(质量分数)为Na3AlF6 38.5%、Li3AlF6 29.7%、K3AlF6 23.8%、CaF2 5%和Al2O3 3%的电解质中进行了低温铝电解实验,制备出了铝。该研究的电解温度为850℃,在电流密度为0.5A/cm2时,电流效率达82%,指出电流效率低是石墨作电极造成大量碳化铝生成所致。周传华等[20]实验测定了Na3AlF6-AlF3 (物质的量比1∶1)、K3AlF6-AlF3(物质的量比1∶1)体系在850℃及Na3AlF6-K3AlF6-AlF3 (物质的量比0.5∶0.5∶1) 体系在825℃、850℃和900℃的Al2O3的溶解度和溶解速度,同时也对加入5%(质量分数)和10%(质量分数)LiF的Na3AlF6-K3AlF6-AlF3体系进行了研究。结果表明Al2O3在钾冰晶石熔体中的溶解速度很快,5~10min内基本上达到饱和。然而,LiF降低了Al2O3的溶解度和溶解速度。低温体系中其加入量不宜超过5%(质量分数)。

Yang Jianhong等[21]基于KF-AlF3-Al2O3体系,以铜铝合金为惰性阳极进行了低温铝电解实验,在阳极电流密度为0.45A/cm2,电流为10A、20A 和100A条件下进行了100h的电解实验。研究结果表明采用TiB2-C作阴极时,电流效率可达85%左右,铝纯度达99.5%(质量分数)以上,铜含量低于0.2%(质量分数)。他们还研究了添加NaF对电解的影响[22],并预见采用此惰性阳极进行1000A电解是可能的。在对650~800℃Al2O3的溶解度进行研究时[23]发现,在700℃时Al2O3的溶解度随着KF-AlF3物质的量比的增加而增大,最高可达4.1%(摩尔分数)。Zaikov等[24]以KF-AlF3-Al2O3和KF-AlF3-LiF-Al2O3体系为电解质,750℃对惰性阳极材料进行筛选研究,确认Al-Cu、Cu-Cu2O和SnO2可作为低温铝电解最佳的阳极惰性材料。

与钠冰晶石体系相比,钾冰晶石体系的优点是Al2O3的溶解度大,缺点是电导率有所下降。

2 以铝盐为原料的传统低温铝电解

2.1 熔融氯化铝低温铝电解

熔融氯化铝低温铝电解的原理是以AlCl3为原料,在碱金属和或碱土金属氯化物或氟化物融盐混合物中电解提取铝[25]。此法取代了原料Al2O3,电解温度低,只有700℃。早在1854 年,德国的Bunsen和法国的Deville就已分别进行了电解熔融NaCl·AlCl3的研究,制得了金属铝。即使在霍尔埃鲁法成为铝工业应用主流的情况下,对AlCl3熔融电解的研究也没有停止过。Alcoa(美国铝业公司)公司曾对该法进行了大规模工业实验。

Alcoa公司的氯化铝电解法可分3个步骤:

铝土矿undefined

即首先生产出很纯的氧化铝,然后与碳和氯气反应生成氯化铝,氯化铝熔化电解得到铝和氯气。Alcoa公司采用的电解质的基本成分是AlCl3+NaCl+LiCl。实验采用的电解质组成(质量分数,下同)是(5%±2%)AlCl3+53%NaCl+42%LiCl,电解质中其它少量杂质是0.2%MgCl2、0.5%KCl和1%CaCl2等,电解温度是(700±30)℃。Dow化学公司也对AlCl3融盐电解进行了研究,采用的氟氯化物电解质的组成是18.3%CaF2+71.4%CaCl2+10.3%AlCl3,熔点低于700℃。U. Gesenhues等[26]测定了AlCl3-LiCl、AlCl3-NaCl和AlCl3-KCl总蒸气压,其中碱金属氯化物过量,结果表明含LiCl电解质比含NaCl和KCl的蒸气压高很多,气相中AlCl3含量比化合物MeAlCl4(Me为碱金属)中的高。

与霍尔埃鲁法相比,该法的优点是: (1)电解温度低,接近Al 的熔点; (2)不消耗碳阳极; (3)在氯化物熔体中发生阳极效应的临界电流密度大,可采用较大的电流密度(高达2.5A/cm2); (4)采用多室槽和较小的极距,电耗明显下降; (5)大大减弱甚至免除了强磁场的影响。缺点是: (1)需要一个额外的氯化工序,增大能耗; (2)氯化物对设备的腐蚀性强,特别是氯化工序; (3)AlCl3的吸水性强,容易在槽内生成;(4)电解质挥发严重。以上4个问题限制了AlCl3融盐电解法在工业上的应用,因此Alcoa和Dow化学公司后来相继停止了实验。

2.2 有机溶剂中的AlCl3低温铝电解

此方法以AlCl3为原料,将其溶解到有机溶剂[27,28](N-溴代琥珀酰亚胺体系、四氢呋喃、芳香族类碳氢化合物、二甲砜体系等)或有机熔盐[29,30](N-烷基吡啶等)中进行低温电解,优点是能耗低、得到高纯铝、电解质没有腐蚀性、不用碳材料、简化了电解槽结构,缺点是原料成本高、电解质导电率和电流密度以及单位阴极面积上铝的产出率都很低、电解质及析出物具有可燃性、需要特殊保护安全设施、原料也不宜储备。该法仅用于电镀工业或用于制备少量的超高纯铝,无法进行大规模工业生产制铝。

2.3 熔融硫化铝低温铝电解

以硫化铝为原料制备金属铝的方法可分为直接炭热还原(属于高温范畴)和低温熔盐电解2种方法。

硫化铝熔盐电解法是以硫化铝为原料,在碱金属和碱土金属氟化物(或氯化物) 中进行融盐电解制取纯铝的方法。在1892年Bucherer就提出了该方法。Minh等将Al2S3溶解在MgCl2-NaCl-KCl 熔盐中进行电解制得了金属铝[31]。在750℃、电流密度200mA/cm2 时,电流效率达80%,电极上还得到副产品硫。该法的优点是Al2S3的分解电压低(1V)、碳阳极不消耗、电解温度低,缺点是Al2S3在自然界不存在、人工合成制备困难,且污染环境、成本高。因此,在这方面的研究不多。

3 固态Al2O3低温熔盐直接电化学还原制备金属铝的新思路

固态金属氧化物熔盐中直接电化学还原制备金属的方法称为FFC法,该方法于2000年[32]开始受到人们关注,研究人员应用该方法进行了多种金属和合金的制备研究[33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44]。将FFC法应用到低温熔盐铝电解的研究是近几年活跃起来的,相关研究还比较少。该方法采用氯化钙基氯化物电解质体系,将Al2O3压块烧结制成阴极,在熔盐中施加高于Al2O3而低于电解质分解的电压,将固态Al2O3在低温条件下直接电化学还原,在阳极除去氧,在阴极制得金属铝[45,46]。该方法不要求Al2O3溶解到熔盐中,Al2O3在熔盐电解质中的溶解速度、溶解度等物理化学性质对电解的影响有限,从而避开了困扰传统的以Al2O3为原料进行低温熔盐铝电解研究中由于低温Al2O3在熔盐中溶解度、溶解速度降低等问题。操作温度范围也可以根据需要通过调整熔盐组成来控制。该方法为低温铝电解的研究提供了新思路。

4 结语

尽管研究低温铝电解的方法很多,但从发表的研究结果来看,钠冰晶石体系低温铝电解仍是研究的主流。对该体系低温铝电解的研究,我国处于世界领先地位。今后的趋势是继续降低分子比,但还存在许多问题:(1)随电解质分子比的减小和温度的降低,熔液的电导率减小;(2)Al2O3的溶解度和溶解速度随电解质分子比和温度的降低而降低;(3)电解槽阴极发生固体结壳现象;(4)电解温度仍在800℃以上。

固态Al2O3低温熔盐直接电化学还原制备金属铝的方法为低温铝电解的研究带来了新思路,但电解速率慢。只要解决好增大熔盐、Al2O3、导电体三者之间的接触面积以提高电解速率的问题,该方法才会有很好的应用前景。

铝电解槽故障诊断方法 篇8

电解槽中常见的电解过程故障有如下几种情况:阳极效应、冷槽、热槽、病槽、铝液波动、阳极长苞、粘连、槽电压越限、异常的系列电流等。铝电解槽作为一种时变和大时滞、非线性和多变量耦合的工业体系, 上述诸多因素导致铝电解设备在工作中的故障原因种类多且复杂, 往往不是单一因素导致故障或者单一因素引起其他影响因素进而导致电解槽故障, 这些均使我们更难准确快速的诊断并排除故障。

一、电解铝故障诊断方法

随着数学和现代计算机科学技术的高速发展, 现代铝电解工业常用的故障诊断方法已经有很多种, 详述如下:

1基于解析模型的诊断方法

解析模型诊断方法也被称为基于数学模型的诊断方法, 要求我们预先建立精确的被诊断对象的数学模型, 然后利用相关数学方法诊断处理被测信息。此类诊断方法主要包括状态估计、等价空间和参数估计等。先对系统状态进行预判, 再结合所测得的适当的参数和数学模型对系统故障诊断。李界家等利用参数估计诊断方法对故障预报, 其基本思想是:将铝电解正常工作时的参数作为预设值, 建立正常工作状态的数学模型, 实时对输入输出数据进行检测, 并利用最小二乘辨识算法, 实时辨识对比正常工作的模型参数和预设模型参数, 计算并记录模型参数的变化特征和两者之间的偏差, 最后对故障进行判断并分类, 自动上报诊断信息。利用对比辨识、逻辑推理也能够说明系统存在故障, 是一个可行的方法。

2基于信号处理的故障诊断方法

如果诊断对象较难建立数学模型, 通常会采用此基于信号处理的故障方法, 主要包括:小波分析法、傅里叶分析法 (FFT) 、相关分析法和谱分析法。傅里叶分析的前提是假设信号平稳, 但时变信号和瞬时信号是铝电解槽控制系统故障信号的主要特征, 利用此方法已不能得到理想的诊断结果, 而全新的时-频分析方法 (也叫小波分析方法) , 对时-频域的信号局部特征能很好地表征。将铝电解槽中的槽电阻波动变化引起的低频信号采样然后用FFT求谱, 然后对所得到的有故障运行状态、铝电解槽正常运行状态下的信号频域特征进行频谱分析对比, 可以看出正常槽电阻信号主谱峰明显低于异常的槽电阻信号。铝电解槽故障不同, 会导致不同的振幅变化和槽电阻波形频率差异。阳极异常和铝液波动过大都会导致不同的槽电阻不同频率和幅度的变化, 通过这些特征, 采用BP神经网络来识别电解槽工作状况。

3基于知识的故障诊断方法

此方法引入了诊断对象的许多信息而不需要系统的定量数学模型, 适合被用在非线性系统故障诊断领域。此诊断方法一般分为两大类, 一类是基于症状的诊断方法, 专家模糊推理方法、系统方法、神经网络方法和模式识别方法等属于此类方法;另一类主要包括知识观测器、定性仿真和定性观测器等, 是基于定性模型的诊断方法。

(1) 基于专家系统的方法

铝电解槽是一个大滞后、非线性、多变量、时变的复杂系统, 采取模糊控制而不关注被诊断对象的数学模型, 采用一线工人积累的大量现场控制经验, 编制成模糊规则库, 模拟人类专家时刻监测、控制铝电解槽工况。专家系统包括以下几大模块:模糊控制槽控机模块、监控站模块、数据库模块、模糊专家系统模块。这些部件之间相互分工协作, 共同构成铝电解槽的计算机智能控制系统。

(2) 基于神经网络的方法

神经元是神经网络的基本单元, 通过大量的神经元相互连接而构成神经网络, 而人工神经网络则是通过模拟人脑神经元的活动, 同时利用神经元之间的联结与权值的分布来表示特定的信息。具备较强容错性、自适应学习和非线性映射的特点, 可以有效的应对多变的生产过程。典型结构的神经网络包括径向基函数 (RBF) 网络、反向传播 (BP) 网络、Ho Pfield网络、递归神经网络、自组织特征映射网络等。其中BP网络应用相对比较广泛。

二、铝电解槽故障诊断发展方向

1多种故障诊断方法相结合

铝电解槽是一个复杂多变系统, 将各种不同的故障诊断方法有机的结合在一起应用于铝电解槽的故障诊断, 可以充分的取长补短, 全面获取和利用相关知识, 提升故障诊断系统性能。 (1) 充分利用人工神经网络, 模糊逻辑的各自优点, 将两者有机结合, 构造模糊神经网络; (2) 神经网络与遗传算法相结合, 构造遗传神经网络。此外, 还有故障树与模糊理论的结合、专家系统技术与模糊推理技术相结合等结合方法。

2新方法的应用

由于计算机控制技术、现代的故障诊断技术的发展趋势是回归连续变化的模拟信号, 混合可拓神经网络正是顺应这种时代发展趋势的产物。虽然此诊断方法的可预测性、有效性都表现不错, 但还是存在着一定的问题等待着解决和发展。

近年来, 因为控制论研究、人工智能研发、信号学等学科的发展, 铝电解故障诊断技术得到了持续发展, 并被应用于很多工程实践中。而系统的灵敏性、自适应性和鲁棒性等问题仍然尚待解决。保证铝电解过程的安全高效生产是我们继续深入研究铝电解槽诊断方法的动力和目标。

摘要：电解槽作为铝电解生产过程中的重要设备, 对其运行状态中出现的故障及时进行检测, 进而将故障排除对企业具有十分重要的价值。本文综述了对于铝电解槽的各种故障诊断方法的发展现状, 并对几种重要的故障诊断方法的特点和适用情况进行了探讨。最后提出了故障诊断方法的发展方向。

关键词：铝电解槽,故障诊断方法,发展方向

参考文献

[1]李界家, 吴成东, 朱栋华, 阎焕忠.最小二乘辨识算法在故障诊断检测中的应用研究[J].自动化仪表, 2003, 24 (04) :19-22.

研讨电解铝厂铝母线加工工艺 篇9

随着社会经济与工业技术的不断发展,我国铝电解行业的相关技术也得到了发展,正因如此,致使我国铝电解市场面临着巨大的竞争压力,与铝电解相关的各类企业对铝电解的质量要求也水涨船高,直接促使了铝电解工业技术的更新与发展。铝母线装置作为铝电解工作车间的重要组成部分,对这个铝电解作业的顺利完成有着重要的影响,因此与铝电解行业相关的各类企业,在努力提高市场占有份额的过程中,还应该关注铝母线的加工工艺,保证企业的经济指数能够无压力处于不断提升状态。但是应该注意的是,由于铝母线的加工工艺复杂,并且对于加工质量、加工时间和加工数额要求较高,因而在铝母线的加工制作中不仅需要严把质量关,还应该对加工工艺有严格要求,免得造成铝母线加工成品变废品的恶劣情状。

1 电解铝厂铝母线加工工艺

1.1 铝母线加工工艺步骤

根据我国现今使用的铝母线加工工艺,粗略来说可勾画为以下步骤 :验尺及外观审查→母线矫直→画线→铣端面→画线切锯→画线→打孔→平面加工→质量检测→措施保护→进入仓库→输出厂区→现场安装

1.2 铝母线对于加工原材料的严格要求

1.2.1用来制作铝母线的原材料,其化学性质必须相对稳定,并且符合GBl 196—88所提出的标准,并且其电阻率在不同状态下必须保持相应标准。

1.2.2铝母线原材料必须平整完好,不得出现气泡、残渣以及严重缩孔等缺陷,铝母线的内外质量必须严保密封。

1.2.3制造铝母线的横截面尺寸公差,必须严格控制,力求达到电解铝行业要求的最小尺寸公差标准。

总的来说,用以制造铝母线的原材料必须经过相关质量机构质检合格,并且在加工过程中符合相应的设计要求、验收规范,具备原材料出产厂家的材料合格书与质检报告等等,方才符合铝母线对于加工原材料的严格要求。

1.3 铝母线加工完成的存储

关于铝母线加工完成之后的存储,应具备以下几点要求 :

1.3.1进行铝母线的装卸与吊装时,必须采用专业的吊装工具,不得利用以钢丝为主要材质的链条进行铝母线的捆裹,实在受条件限制的话,也需要采用质地较柔和的木板、橡胶板等物件进行底衬保护。同时,吊装点和卸载点的选择应该比较科学,装卸过程尽量保持轻拿轻放,避免人为的刮伤与碰撞而造成不必要的损耗。

1.3.2在铝母线的运输中,必须时刻保持警惕意识,切勿因个人松懈而导致运输车辆的翻覆,或者在运输过程中造成母线的变形。

1.3.3在母线存储地段的选择上,应尽量选择平坦、厚实的地面,最好可以在地面上放置一定厚度的木板。保证母线的存储位置安全并具有足够地耐力 ;最好按照规格、尺寸、型号进行分类摆放,保证铝母线在后期的存取中避免受到影响 ;对于形状比较特殊的铝母线,应该特殊情况特殊对待,采用妥善的手段进行存储。

1.3.4铝母线即将入库时,应进行详细情况的登记录入,并且将此次录入结果与原材料录入结果一并保存,做好铝母线质量的严格把关。

1.4 铝母线加工工艺详细步骤介绍

1.4.1铝母线的外观审查

关于铝母线的外观,必须保证铝母线材料表面平整,无气泡、夹渣等缺陷,且还应该符合以下具体标准 :

1) 垂直于母线电流方向铸造冷隔≤1.5mm,其长度 <300mm

2) 平行电流方向裂纹 :

裂纹深度 < 3mm,宽度 < 1mm。且当母线长度≤5000mm时,裂纹长度应该 <300mm ; 当母线长 度 >5000mm时,裂纹长度 小于母线 长度10%,且不能>1200mm。

1.4.2验尺

进行铝母线的验尺时,应严格执行以下标准 :

1) 制作铝母 线的长度 许可偏差+3 ~ +10mm,大平面对角线差≤5mm。

2)用于制造铝母线的材料不得扭曲,并且其平面许可极小偏差

3)进出于端头、中间的母线长度许可偏差±5mm,大平面对角线差≤7mm。

4) 铝母线的合格品,其高与宽均许可偏差 -4 ~ +2mm

1.4.3铝母线的矫直及切面铣削加工

铝母线的正式加工,应该是在图纸的确定和会审之后,并且准备好用于加工和计量的工具。

1)铝母线的矫直

铝母线的矫直,一般意义上均利用液压传动技术对母线进行压力矫正,与机械压力法相比,其压力的动力与速度均可以在要求范围内进行调整,操作起来较为灵活,与其它操作装置进行配合时也能迅速接配。同时,母线矫直工作进行之时应避免与矫直工具上的金属物件相碰撞,以免出现擦上或者损耗,哪怕有小范围的刮伤,其表面划痕许可深度 <1.5mm,校直后母线表面局部被压限深度应 <2mm,面积<100mm×100mm,矫直后的铝母线直线度与平面度应符合以下标准,如下图示 :

附 :矫直后的铝母线应合理存储,避免损耗

2) 铝母线切面铣削加工

经矫直后的铝母线,需要再利用自制母线平头机铣削母线端头平面,并其垂直度许可偏差高、宽为±2mm。利用自制的专用母线平头机进行铝母线的端头进行切面铣削加工后,不仅质量好,而且效率高,具体加工步骤为 :第一遍为粗铣,第二遍为半精铣,第三遍为精铣。

1.4.4立体母线、短路母线等异性母线加工

1) 由于铝母线的加工程序复杂,并且对于尺寸、接触面的平整度、眼孔相对尺寸要求偏高,所以在加工工艺上,应该严格控制制作质量,使得加工而成的铝母线合格品绝对符合要求标准,在没有明确具体要求的情况之下,也应该严格遵守施工要求及规范,保证铝母线制作的合格率。

2)切锯后的钻孔,应该要和标准孔径、孔径垂直度和孔中心距离等相关尺寸相契合,即使有误差也应该保持在误差许可范围内,然后在母线接触面的整平加工中,进行第一遍为粗铣、第二遍为半精铣、第三遍为精铣的加工步骤,使得铣削后铝母线表面粗糙度接近3.2mm,平面度为0.05mm, 应该不厌其烦的进行刮铣直到达到设计要求为止 , 对于所有经加工后的铝母线应加以保护 , 不能有碰伤或划有伤痕。

2 研讨铝母线加工工艺结论

电解铝母线加工工艺,从加工步骤的外观质量检查开始,经过验尺、母线的校直及端面铣削加工等等多层步骤的加工,才能制造出合格的铝母线产品,同时由于电解铝母线加工工艺复杂的特点,对于质量、尺寸、材质要求还偏高,所以在母线加工制作时要认真读图,严格控制电解铝母线加工工艺的每一道工序,做到真正的铝母线加工有效控制流程,满足铝电解行业的铝母线加工工艺的细致与适用。

摘要：电解铝厂基本均利用铝母线输送电流或者低电压直流电,因此铝母线的加工工艺就显得尤为重要,关乎电解铝厂的正常运作。本文偏重研讨电解铝厂铝母线加工工艺,保证了铝母线在加工过程中的制造质量,确保所有投入使用的铝母线均为工作流程之中的合格零件,以促进我国铝电解工业的发展为最终目的。

铝电解计算机远程监控系统 篇10

随着信息技术的不断发展, 国内外各大铝厂对铝电解控制的需求也不断的变化。鉴于铝电解自动控制系统是电解铝生产过程中最重要的自控系统之一, 其运行效果的好坏直接影响到电解生产能否稳定运行。

2. 系统总体结构及功能

2.1 数据传递模式

铝电解远程监控系统的基本数据传递模式是:槽控机通过光纤向接口机传递数据信息, 接口机将数据存入后台数据库, 完成数据的“写”操作;管理机通过网络与数据接口, 将数据库中的相关数据取出, 进行统计、汇总, 从而完成数据的“读”操作。作为系统的终端, 要具备管理机功能, 即完成将数据从数据库中实时的读出。

2.2 网络结构

网络结构系统中的网络构成包括局域网和CAN通讯网。CAN通讯总线协议, 是德国奔驰汽车公司自行研制开发的通讯处理方式, 现已广泛的应用于现场控制。CAN卡的主要作用是完成工控机与现场控制设备的通讯处理与输送, 是工业控制过程中不可或缺的通讯设备。

2.3 软件结构及功能描述

现阶段, 铝电解铝电解远程监控系统由三大部分组成, 分别是后台数据库、接口机子系统、管理机子系统。

1) 后台数据库负责数据的存储和部分应用逻辑的实现, 根据行业需要, 能满足生产需要的大型数据库主要是ORACLE与SQL SERVER两种, 我公司在实践过程用所应用的数据库是SQL SERVER。

2) 接口机子系统

接口机子系统处于后台数据库和CAN总线之间, 重点完成下位机数据的及时反馈和设定参数的准确下发。如果在数据库无法正常工作的状况下, 接口机能够独立完成数据的存储与下发功能, 保证了生产的正常进行。

3) 管理机子系统

管理机子系统是铝电解远程监控系统的最高层, 负责综合监控、语音报警、报表打印等功能的实现, 特别是对生产数据的各项汇总与计算以及历史数据查询与分析。

2.4 参数管理

参数管理模块的功能是实现所有的与生产密切相关的各种参数的查询、修改和存储。参数设置的好坏, 直接关系到槽子的运行情况与控制效果。

2.5 系统设置

系统设置模块主要对系统运行的一些必要配置信息进行设置, 确保上位机系统运行的稳定性, 以及语音报警系统的正常工作。

2.6 系统操作

系统操作模块完成各种监控界面的切换, 以及槽控机的控制面板的仿真显示。

2.7 报表管理

报表管理模块以组态的方式向用户提供了单槽和系列槽的各种报表, 方便用户进行各种考核和分析, 并进行生产成本的有效控制;同时, 通过故障报表, 用户可以详细了解电解槽的运行状态, 对各类故障进行有效的防范, 减少风险。

2.8 权限管理

主要是为了加强上位机系统的安全和管理而设置。

2.9 实用工具

是为了定期对数据库数据进行清理, 保障系统通讯的稳定;通讯测试是帮助维修人员及时解决通讯故障。

3. 系统的设计与实现

铝电解监控系统以局域网和CAN网作为数据传输的基础环境, 引入了大型的关系型数据库SQL SERVER;同时采用了数据仓库的思想, 实现历史数据的存储和查询。

3.1 运行环境

服务器操作系统:Microsoft Windows 2000 Server中文标准版。客户端操作系统:Microsoft Windows 2000中文版。后台数据库:SQL SERVER。

3.2 监控表的建立

监控表是铝电解厂生产过程中所需要的各种监控数据, 电解槽生产情况的好坏、监控系统的控制效果的好坏, 直接来源于监控表的信息采集。

在铝电解生产中, 每个系列的生产情况各异, 其电解槽的台数和槽号分布各不相同, 监控表的建立也千差万别。基于这种实际情况, 采用了动态建表的方式, 每个系列可以根据自己的实际情况完成监控表的建立过程。这种动态建表的应用逻辑, 主要由后台数据库来完成。

3.3 数据的采集与提取

数据的采集与提取, 主要负责两个功能:接收CAN网来的实时采样信息, 并进行解析;将需要下发的各种参数和控制信息进行反向解析, 转换成符合CAN标准的信号, 发送至CAN总线。

3.4 数据的组织与存储

数据的组织与存储是系统另一个核心问题, 数据结构设计的好坏、数据库性能的优化与否, 将直接对网络客户产生影响, 因此我们采用了大型的关系型数据库SQL SERVER。对于历史数据, 则采用数据仓库进行处理。

3.5 信息的显示

信息的显示, 是系统与用户交互的主要部分。信息显示主要由显示面板、动态曲线、历史曲线和报表输出四部分组成。

3.6 基于网络的信息的传输

基于网络的铝电解监控系统的设计, 需要考虑网络信息的传输, 这主要包括动态数据、管理数据和控制数据。

4. 结论

铝电解监控系统作为铝电解生产过程中不可缺少的一部分, 它的设计直接关系到生产的好坏。本文讨论了基于网络、大型数据库和数据仓库思想的铝电解监控系统平台的设计与实现技术。铝电解远程系统运行安全、稳定、可靠, 节约了成本, 提高了管理水平, 可以为电解铝工业生产行业带来丰厚经济效益。

参考文献

[1]黄永忠、王化章、王平甫等《铝电解生产》中南工业大学, 1994年10月

[2]邹忠、张文根、周诗国等《32位预焙铝电解槽控制系统上位机监控软件开发》中南工业大学学报, 2001.3, 255-258

[3]陈湘涛、车铁强《网络用户使用手册》中南大学业翔公司, 2004年12月

[4]黄永忠, 王化章, 王平甫, 等《铝电解生产》长沙:中南工业大学出版社, 1994.

[5]王飞虹, 朱妍, 王冬顺《2002年铝市场回顾与2003年展望》世界有色金属, 2003, 3:22-26.