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摘要：
根据氧化铝理化特性，以提高铝电解生产工艺电解槽稳定性、改进指标为目的，设计铝电解生产工艺与控制管理系统，并提出铝电解生产过程中异常情况诊断和分析的控制管理体系。
关键词：
氧化铝；指标；控制管理系统
0引言
铝及铝合金是国民经济发展的重要基础原材料，更是国防工业的战略材料，广泛应用于航天航空、交通运输、民用建筑、电力、电子等各部门。2015年中国原铝生产与消费量均突破2200万t，约占世界50%，电解铝行业消耗的电能占全国年总发电量的5.6%。电解铝行业的发展与改革关系国本命脉。
1铝电解生产系统及技术参数的设计
1.1现代铝电解生产工艺
现在原铝生产基本采用Hall-Heroult熔盐电解法，生产所需的原材料为氧化铝、氟化盐和阳极炭块，电解所需的直流电由整流所供给。溶解在电解质中的氧化铝在直流电的作用下发生电解反应，氧在阳极电化学氧化并与活性炭阳极发生去极化反应生成二氧化碳，铝在阴极发生电化学还原，以液态金属铝形式析出。铝电解生产生产工艺系统如图1所示，主要包括氧化铝贮运及输送、电解车间（电解槽）、电解烟气净化、铸造、炭素阳极生产组装等工艺流程。
1.2氧化铝物化性能指标
在铝电解槽中，冶金级氧化铝有三大主要用途：一是作为电解原料，溶解于冰晶石溶剂中，电沉积生产原铝；二是作为电解槽干法烟气净化系统的吸附剂，以循环回收电解槽向外界挥发的氟盐和HF气体；三是以一定比例与冰晶石(主要是电解质破碎料)混合构成电解槽阳极覆盖料，减少电解槽挥发物及热量散失并减少碳阳极氧化损失。因此电解工艺中要求氧化铝，包括干法吸附后的载氟氧化铝不仅要在冰晶石电解质中具有较好的溶解性能，而且要对电解槽烟气中的氟盐等颗粒和氟化氢(HF)气体有良好的吸附能力，同时还要兼顾良好的结壳能力，使覆盖料具有一定的机械强度和良好的保温性能。通过全面分析氧化铝物化性能指标对电解工艺体系的影响，能够预判氧化铝的电解行为，能够为开发氧化铝电解工艺技术体系，建立氧化铝质量标准提供基础数据和理论支撑。铝电解用工业氧化铝的主要性能指标包括粒径分布、安息角、磨损指数、松装密度、灼减（LOI）、孔径分布、物相组成、杂质/微量元素含量等。
1.3输送下料系统
氧化铝的输送大致可分为机械式输送和气力输送两大类。机械式输送又可细分为小车轨道式、皮带式和斗式提升机三种形式。电解铝厂在对氧化铝进行短距离输送时多采用气力输送方式，根据输送条件和输送距离的远近又可细分为稀相输送、浓相输送和超浓相输送。根据氧化铝的理化特性，依据电解系统的技术要求，拟改进氧化铝输送系统及配套装备，实现氧化铝在电解铝装置各系统间的输送。系统设计采用的是超浓相输送技术，超浓相输送是在浓相输送的基础上，通过采用风机低压供风技术和改进风动流槽的设计开发而来，一般用于粉状物料的长距离水平输送。物料在风动流槽中呈流态化向前运动，固气比大于（>100）、运动速度慢、物料不易破碎、系统全密闭、所需风压低、风量小、自动化程度高。氧化铝输送下料系统现已作为先进技术被大部分电解铝厂用于将氧化铝物料从新鲜氧化铝贮仓或干法净器的载氟氧化铝贮仓输送到电解槽料箱中。
1.4烟气净化系统
铝电解槽氟化物挥发，尤其是剧毒氟化氢气体的释放，无论对电解车间操作工人还是外界环境都产生很大风险。在电解铝厂中，通过向电解车间配套烟气净化装置来吸附这些含氟挥发物并将其回收至电解槽中。电解槽的烟气净化装置分为湿法和干法两种。当代电解铝厂一般配备干法烟气净化系统，其主要由两大关键部分构成：反应装置、过滤装置。在反应装置中，氧化铝作为吸附剂逆向喷射进入反应器与电解槽烟气充分混合，与HF气体发生化学吸附反应，同时物理吸附烟气中夹杂的氟盐及其他杂质颗粒，吸附效率达到98%以上。过滤装置采用布袋除尘，以分离气体和固体氧化铝颗粒，分离出的氧化铝随后再次进入净化系统循环或导入电解槽加料仓中。铝电解过程中，反应后的载氟氧化铝和烟气一道进入布袋除尘器进行气固分离。净化后的烟气由主排烟风机送至烟囱排入大气。载氟氧化铝经布袋除尘器收集，一部分作循环吸附剂，另一部分从除尘器下部沸腾床溢流到风动溜槽，并经风动溜槽送至气力提升机，提升到载氟氧化铝贮槽输送到电解槽供电解生产使用。烟气净化系统结构如图2所示。干法净化利用了氧化铝自身良好的吸附性能来回收氟盐挥发物，但烟气中的SO2、PFCs无法被干法净化吸收。有些电解铝厂在干法净化系统后串联一套湿法净化系统，使用水溶液喷雾来除去电解槽烟气中的可溶物质并对溶液进行处理回收，以去除电解铝厂排放烟气中的SO2。氧化铝颗粒具有较大的比表面积，因此能够物理吸附大量的氟盐或其他杂质颗粒。而氧化铝对于HF气体的吸附为化学吸附，除较大的比表面积能够显著增加吸附反应的反应面积外，吸附过程还与湿度有关。氧化铝对HF的吸附反应为表面反应，生成氧氟化物和羟基氟化铝。较大的比表面积和空气湿度(影响表面附着水含量)有利于氧化铝对HF和氟盐颗粒的吸附，而具有较大比表面积的氧化铝往往也具有较多的羟基数目(结晶水含量)，这些羟基或附着水在氧化铝加料后会与冰晶石熔盐发生水解反应生成更多的HF气体，并且在研究中发现由氧化铝向电解槽中带入的水分是引起电解槽HF挥发的主要氢来源。因此，电解槽HF产生量与氧化铝吸附性能存在矛盾与妥协的关系。
2铝电解生产工艺控制与管理系统
在现代的铝电解槽设计时，普遍采用先进的计算机模拟技术，模拟电解槽的热场、电场、磁场、流场，成功开发出大容量、更高效节能的电解槽。在生产工艺控制方面，开发了机械化和自动化相结合的现代化工艺控制和管理系统。电解槽实现了计算机智能控制，该控制技术是基于电阻控制，并与电解槽操作管理经验相结合而开发实现的对氧化铝供料、出铝、阳极母线提升、阳极更换、电压平衡、热平衡、电解质成分等的控制与操作管理。由于铝电解过程的复杂性且很多重要参数很难在线监测，铝电解是一个非线性、多变量、大滞后、强耦合的控制对象。系统利用铝电解生产过程中记录的历史数据进行数据挖掘，结合历史数据和实时数据进行实时推理，根据槽电压曲线的波动走势、振幅和波形突变等指标来提取其信息。该系统是结合了早期检测、槽异常情况诊断、根本原因分析、自动纠错、人工操作的一体化控制系统。从长远来看，该控制系统具有防止过量下料、减少阳极效应等优势，对提高电解槽稳定性、改进指标具有长远影响；从短期来看，该系统的最大优势是能够提前检测异常情况并有效地消除引起异常的根本原因。铝电解槽控制系统控制原理：能够持续检测电解槽运行状态，检测到异常时采用诊断系统分析原因；允许系统处理异常，并将运行情况反馈给电解车间和管理人员。
2.1“四方”系统
在GEN2架构的基础上，采用四种颜色分别代表四种信号分析算法，“四方槽状态指示器”能够有效地指示控制系统异常、人工检测异常和分析异常情况产生的根本原因，并修正措施方面的相互作用。“四方槽状态指示”不仅用可视且有效的方法指示电解槽运行状态，还可用来定期评估控制系统的有效性以改进控制系统的综合功能。“四方”系统主要功能：指示槽状态（检测到异常、在修正、正常运行）；跟踪机制（保持跟踪槽状态）；优先系统（异常情况处理为最优先级别）。
2.2异常情况检测
控制系统中的异常是指一个或一组电解槽运行状态出现了需要进行处理的规定问题，这些问题依次按自动和人工检查明确分类，能更有效地确定产生异常的根本原因，选择最优的纠正措施。这些纠正措施可根据定期反馈进行优化。系统具有嵌入式升级机制，允许优先处理电解槽更严重的问题。当出现严重问题时，系统自动调整一系列自动和人工检查、恰当的纠正措施并告知管理者。系统能使车间管理者在整个电解系列运行状态恶化前获得信息以保证能够尽早地全面控制问题扩大。这一信息策略使管理者具备预先控制能力。系统检测异常情况的核心：下料问题—通过氧化铝溶解、下料设备、覆盖料/电解质转移情况来检测氧化铝的下料问题；噪声问题—影响电解槽运行稳定性的阴极/阳极问题；热平衡问题—通过检测铝液/电解质过热度、电解质组分及温度改变分析电解槽短期热平衡。
3结语
介绍了采用GEN2管理控制系统实现氧化铝铝电解生产工艺、电解槽稳定性及生产效率的策略，为今后氧化铝铝电解工艺的研究和设计打下基础。
参考文献
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作者:徐宏雷 兰立伟 单位:神华准能集团有限责任公司