Способ управления процессом электролитического получения алюминия

 

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано для управления процессом электролитического получения алюминия в электролизерах, оборудованных устройствами подачи глинозема в электролит. Техническим результатом изобретения является повышение качества стабилизации концентрации глинозема и увеличение выхода алюминия по току. Способ включает измерение напряжения на электролизере, определение оценки концентрации глинозема, величины управляющего воздействия и изменение скорости подачи глинозема в электролит. Изменение скорости подачи глинозема осуществляют на каждом шаге измерения, причем рассчитывают два управляющих воздействия, из которых одно - пропорциональное отклонению оценки концентрации глинозема от заданного значения, а другое - постоянное по величине в диапазоне 10-50 кг/ч с тем же знаком, что и первое управляющее воздействие, выбирают наибольшее из этих управляющих воздействий и изменяют скорость подачи глинозема в соответствии с выбранным управляющим воздействием. Оценку концентрации глинозема осуществляют на каждом шаге измерений по формулам. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть применено для управления процессом электролитического получения алюминия из глинозема.

В соответствии с технологией процесса растворенный в электролите глинозем под воздействием проходящего постоянного тока разлагается с выделением чистого алюминия на катоде. С течением времени концентрация глинозема в электролите уменьшается и, когда она достигает 0,5-1,5%, возникает “анодный эффект” - особый режим работы электролизера, сопровождающийся снижением технико-экономических показателей.

Периодически в расплав электролита необходимо вносить новые порции глинозема. Это может выполняться с помощью механизмов, состоящих из пробойников и дозаторов. Пробойники взламывают корку электролита, а дозаторы засыпают в расплав определенную порцию глинозема. Частоту подачи порций глинозема подбирают в зависимости от скорости его растворения в электролите и расходования, которые зависят от технологического режима процесса и с течением времени могут меняться.

Известны способы управления процессом электролиза, заключающиеся в стабилизации концентрации глинозема в электролите включением и выключением дозирующих устройств (или изменением частоты подачи порций глинозема) либо по времени (патент Великобритании №4274892, кл. G 3 R, №1270398, кл. С 7 В; США №3622475, 3812024, 4425201, кл. 204-67; патент Франции №2029493, кл. С 22 D 3/00), либо в зависимости от электросопротивления электролизера (патент США №3625842, кл. С 25 С 3/20, 1971), скорости его изменения (патент США №3573179, 4035251, 1971, патент Японии №83-10996, заявка ПНР №259354, 1987), или величины обратной ЭДС (патент США №3629079, кл. С 25 С 3/20, кл. 204-67, 1978).

Недостатком этих способов является низкое качество стабилизации концентрации глинозема в электролите из-за неоднозначной зависимости между концентрацией глинозема и названными параметрами, что приводит к ухудшению технико-экономических показателей работы электролизера.

В качестве прототипа принимаем способ управления, реализованный фирмой “Алюминиум Пешине” (Франция) (Н.Реверди “Опыт эксплуатации и управления электролизной серией”, 5-й международный семинар по электролизу алюминия. Трондхейн, 25-30 мая 1986 г., патент Франции №248738, кл. С 25 С 3/20).

В соответствии с прототипом измеряют на электролизере напряжение и силу тока, определяют величину электрического сопротивления и скорость его изменения, по которой судят об изменении концентрации глинозема в расплаве, и изменяют положение анодного массива пропорционально отклонению сопротивления от его заданного значения. При этом с помощью дозирующих устройств стабилизируют заданную - минимальную или максимальную - частоту подачи порций глинозема. Переход с одной частоты дозирования на другую осуществляют, если скорость изменения электрического сопротивления превышает заданное значение или если регулирование электросопротивления перемещением анода становится неэффективным или по истечении заданного времени работы дозирующих устройств на одной (максимальной или минимальной) частоте.

Недостатком прототипа является низкое качество стабилизации технологического режима, обусловленное тем, что при определении сопротивления на основании измеренного напряжения не удается учесть влияние возмущающих воздействий и измерительных шумов. При этом для изменения заданной частоты дозирования (скорости подачи глинозема в электролит) приходится выжидать значительное время, пока на электролизере не произойдет существенное изменение напряжения и электросопротивления. Неточное управление приводит к увеличению количества и тяжести технологических нарушений и снижению технико-экономических показателей.

Технической задачей предлагаемого способа управления является оперативный учет изменения свойств электролизера в период между двумя последовательными измерениями тока и напряжения, нивелирование измерительных шумов и выявление изменения концентрации глинозема на основании последовательных измерений напряжения и скорости подачи глинозема в электролит.

Поставленная техническая задача решается следующим образом.

В способе управления процессом электролитического получения алюминия в электролизерах, оборудованных устройствами подачи глинозема в электролит, включающем измерение напряжения на электролизере, определение оценки концентрации глинозема, величины управляющего воздействия и изменение скорости подачи глинозема в электролит, изменение скорости подачи глинозема осуществляют на каждом шаге измерения, причем рассчитывают два управляющих воздействия, из которых одно - пропорциональное отклонению оценки концентрации глинозема от заданного значения, а другое - постоянное по величине в диапазоне 10-50 кГ/ч с тем же знаком, что и первое управляющее воздействие, выбирают наибольшее из этих управляющих воздействий и изменяют скорость подачи глинозема в соответствии с выбранным управляющим воздействием, при этом оценку концентрации глинозема осуществляют на каждом шаге измерений по формулам:

Соц(t)=Спр(t)+H(t)*(dU(t)-F(t)*Cпр(t));

Спр(t)=Соц(t-1)+B*dG(t-1),

где H(t)=F(t)*Д/(F²(t)*Д;

F(t)=a*B*dG(t-1);

dU(t)=U(t)-U(t-1);

Здесь: Соц(t) - оценка концентрации в текущий момент времени;

Спр(t) - прогноз концентрации на текущий момент времени;

dU(t) - изменение напряжения электролизера U;

dG(t-1) - управляющее воздействие;

F(t) и H(t) - переменные параметры, зависящие от величины управляющего воздействия.

а, В, Д - константы;

(t) - текущий шаг измерения и управления;

(t-1) - предыдущий шаг измерения и управления.

Изменение скорости подачи глинозема на каждом шаге измерения, выбранное как максимальное по модулю из двух возможных вариантов (постоянное в диапазоне 10-50 кГ/ч значение или значение, зависящее от величины отклонения оценки концентрации от ее заданного значения), позволяет вносить в электролизер изучающие (при небольших отклонениях оценки концентрации от ее заданного значения) или регулирующие (при существенных отклонениях) воздействия. Это позволяет оперативно выявлять неслучайные изменения свойств объекта, нивелировать измерительные шумы и оценить отклик объекта управления и изменение его свойств по каналу - изменение скорости подачи глинозема - изменение напряжения.

При изучающем воздействии, меньшем, чем 10 кГ/ч, реакция электролизера (изменение напряжения) становится значительно меньше уровня естественных помех и не может быть адекватно выделена применяемыми формулами. При воздействии, большем, чем 50 кГ/ч, вносятся значительные возмущения в работу электролизера.

В применяемых формулах производится вычисление оценки концентрации глинозема на текущем шаге измерения Соц(t) на основании прогноза концентрации глинозема Спр(t) на текущее время, выполненного на предыдущем шаге измерения, с учетом изменения напряжения электролизера dU(t) на интервале от предыдущего U(t-1) до текущего U(t) момента измерения напряжения. При этом сам прогноз оценки концентрации на текущий момент времени зависит от значения оценки на предыдущем шаге и управляющего воздействия на предыдущем шаге. Переменные параметры F(t) и H(t) зависят от величины управляющего воздействия и позволяют учитывать “степень достоверности” отклика электролизера на внесенное управляющее воздействие. Чем больше управляющее воздействие, тем больше достоверность того, что измеренное изменение напряжения является следствием внесенного управляющего воздействия.

Система управления, реализующая заявляемый способ управления процессом электролитического получения алюминия, представлена на чертеже.

Электролизер 1 подключен к анодной 2 и катодной 3 ошиновке и снабжен угольным анодом 4. Электролизер оборудован бункером 5 и дозатором 6 для подачи в электролит глинозема. Рабочее напряжение электролизера измеряется измерителем 7. В качестве измерителя напряжения можно применять нормирующий преобразователь, например Е-846. Выход блока 7 соединен со входом вычислительного блока 8, в котором производится вычисление изменения напряжения электролизера dU:

DU=U(t)-U(t-1).

В блоке 9, в котором имеется два входа, производится вычисление прогнозируемого значения концентрации глинозема Спр:

Спр(t)=Соц(t-1)+B*dG(t-1).

Выход блока 9 соединен со входом блока 10, еще на один вход которого подан выход блока 8. В блоке 10 производится вычисление оценки концентрации глинозема Соц:

Соц(t)=Спр(t)+H(t)*(dU(t)-F(t)*Спр(t));

где F(t)=a*B*dG(t-1);

H(t)=F(t)*Д/(F²(t)*Д+1).

Выход блока 10 подключен на вход блока 11, на другой вход которого подано значение заданной концентрации глинозема Сзд.

Еще один выход блока 10 подключен к первому входу блока 9 через блок 12, в котором производится задержка сигнала Соц на время одного шага измерения (управления).

Блок 11 является регулятором концентрации глинозема и в нем производится вычисление необходимого управляющего воздействия dG (изменение скорости подачи глинозема) как максимального значения из dG1 и dG2:

dG1=К1*(Соц-Сзд),

dG2=dG3*Sign*(Cоц-Сзд),

dG=max(dG1, dG2),

где К1 - коэффициент регулятора,

dG3 - постоянное значение из диапазона 10-50 кГ/ч.

Выход блока 11 соединен со входом дозатора 6, реализующего необходимую величину скорости подачи глинозема в виде соответствующей частоты работы дозатора. Еще один выход блока 11 соединен со вторым входом блока 9 через блок 13, в котором производится задержка сигнала dG на время одного шага измерения (управления).

Блоки 9-13 могут быть реализованы программой в микропроцессорном контроллере системы управления электролизером (например, Симатик С7 фирмы Сименс, Германия).

Пример реализации способа

Процесс электролиза ведут при следующих условиях:

Константы: а=0,1; В=0,02; Д=100; К1=150; Сзд=3.0%; dG2=20.

Опробование предлагаемого способа на промышленных электролизерах показало более высокое качество стабилизации концентрации глинозема (отклонение концентрации не превышало 0,6% абсолютных от заданного значения 3,0%) по сравнению с существующими способами (при той же заданной концентрации отклонение составляет 1,3%). При этом выход по току увеличился на 0,3%.

Формула изобретения

Способ управления процессом электролитического получения алюминия в электролизерах, оборудованных устройствами подачи глинозема в электролит, включающий измерение напряжения на электролизере, определение оценки концентрации глинозема, величины управляющего воздействия и изменение скорости подачи глинозема в электролит, отличающийся тем, что изменение скорости подачи глинозема осуществляют на каждом шаге измерения, причем рассчитывают два управляющих воздействия, из которых одно - пропорциональное отклонению оценки концентрации глинозема от заданного значения, а другое - постоянное по величине в диапазоне 10-50 кг/ч с тем же знаком, что и первое управляющее воздействие, выбирают наибольшее из этих управляющих воздействий и изменяют скорость подачи глинозема в соответствии с выбранным управляющим воздействием, при этом оценку концентрации глинозема осуществляют на каждом шаге измерений по формулам

Cоц(t)=Cпр(t)+H(t)·(dU(t)-F(t)·Cпр(t)),

Cпр(t)=Cоц(t-1)+B·dG(t-1),

где H(t)=F(t)·Д/(F²(t)·Д+1);

F(t)=a·B·dG(t-1);

dU(t)=U(t)-U(t-1);

U - напряжение на электролизере;

Соц - оценка концентрации;

Спр - прогнозируемое значение концентрации;

dG(t-1) - управляющее воздействие;

а, В, Д - константы;

(t) - текущий шаг измерения и управления;

(t-1) - предыдущий шаг измерения и управления.

РИСУНКИРисунок 1