СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ В ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЕ
METHOD FOR MAKING ALUMINIUM IN ELECTROLYSIS UNIT

Область изобретения
Это изобретение относится к производству алюминия посредством электролиза в электролизере. Более конкретно, изобретение относится к точному управлению количеством глинозема, содержащегося в электролитической ванне электролизера, предназначенного для производства алюминия пироэлектролизом.
Уровень техники
В соответствии с процессом Холла-Эру, который широко применяется в промышленности в настоящее время, алюминий производят в электролизерах электролитическим восстановлением глинозема, растворенного в расплавленной солевой ванне.
Основное требование для обеспечения нормального функционирования электролизера состоит в том, чтобы глинозем, расходуемый в процессе электролиза, должным образом восполнялся глиноземом, добавляемым в электролизер.
Недостаток содержания глинозема в электролитической ванне приводит к возникновению так называемых анодных эффектов, т.е. резких и сильных скачков падения напряжения на электролизере. Возникновение анодных эффектов уменьшает выход по току электролизера, увеличивает потребление им энергии и приводит к образованию фторсодержащих соединений, которые вредны для окружающей среды.
Наоборот, излишек в подаче глинозема способствует накоплению глинозема на катоде электролизера, который может превратиться в твердые отложения, электрически изолирующие часть катода. Это явление создает нестабильности в работе электролизера, наводя горизонтальные электрические токи в жидком металле, получаемом в ходе электролитического процесса, причем эти токи взаимодействуют с магнитными полями, перемешивая жидкий металл и возмущая границу раздела "ванна-металл".
3
Необходимость поддерживать концентрации глинозема в электролитической ванне в точных и относительно узких пределах привела к разработке автоматических способов питания. Это требование стало обязательным при использовании так называемых "кислых" электролитических ванн, т.е. электролитических ванн с избыточными количествами фторида алюминия (AlF) по сравнению с содержанием фторида натрия. В действительности, высокие уровни выхода по току, типично превышающие 90%, и низкие уровни потребления энергии на тонну произведенного алюминия получали за счет использования кислых электролитических ванн и за счет работы электролизеров при относительно низких температурах, типично между 920° и 970°С, и низких концентрациях глинозема в электролитической ванне, типично между 1% и 3,5%.
Для достижения этой цели предложены несколько способов регулирования, такие как описанные в патентах США №№ 4431491, 4654129 и 6033550, выданных на имя Aluminium Pechiney.
Точное управление подачей глинозема также стало возможным за счет разработки так называемых «точечных питателей», таких как описанные в патенте США № 4431491, которые позволяют автоматически подавать точные количества порошка глинозема в конкретные места в электролизере.
Несмотря на заслуживающие внимания эксплуатационные характеристики, достигаемые с некоторыми из известных способов регулирования, все еще существует пространство для усовершенствования, особенно принимая во внимание постоянное повышение силы тока в электролизерах и ужесточение национальных нормативных актов, касающихся окружающей среды. В действительности, увеличение тока электролиза типично приводит к увеличению частоты возникновения анодных эффектов, в то время как от множества производственных предприятий требуют снизить уровень их выбросов фторсодержащих отходов. Кроме того, в настоящее время имеет место тенденция к существенному подъему силы тока в электролизерах по сравнению с количеством содержащейся в электролизерах электролитической ванны, т.е. увеличению отношений силы тока к весу электролита. Например, при использовании технологии АР отношение силы тока к весу электролита сдвинулось от значений между примерно 30 и 35 кА/тонну к значениям выше примерно 50 кА/тонну. Более высокие отношения силы тока к весу электролита приводят к более быстрым и, возможно, более сильным колебаниям концентрации глинозема в электролитической ванне, в результате чего более низкие частоты возникновения анодных эффектов, которых можно было достигнуть при известных способах регулирования, уже не достижимы.
Поэтому заявитель искал экономически и технически приемлемые решения для устранения недостатков известных способов регулирования, с учетом сохранения выхода по току на высоких уровнях и частоты анодных эффектов на низких уровнях.
Описание изобретения
Это изобретение относится к способу производства алюминия в электролизере, содержащем электролизную ванну, множество анодов и по меньшей мере одно устройство подачи глинозема, способное доставлять количества порошка глинозема в электролизер, причем электролизер содержит электролитическую ванну, содержащую растворенный в ней глинозем, а аноды и электролитическая ванна покрыты защитным слоем, состоящим из содержащего глинозем порошкового материала, и этот способ включает в себя следующие этапы:
вызывают протекание электрического тока с силой I через электролизер с тем, чтобы восстановить глинозем и тем самым получить жидкий алюминий;
выполняют операции обслуживания на электролизере;
выбирают электрический параметр ЕР для электролизера, чувствительный к концентрации глинозема в электролитической ванне;
задают последовательность периодов управления с длительностью Т;
измеряют электрический параметр ЕР во время каждого периода управления;
определяют скорость P(k) изменения электрического параметра ЕР во время по меньшей мере одного предыдущего периода k управления;
s
f
выбирают по меньшей мере скорость B медленной подачи и скорость B быстрой подачи;
f
о
s
определяют скорость B(k') подачи при регулировании для последующего периода k' управления путем задания скорости B(k') подачи при регулировании равной скорости B быстрой подачи, если скорость P(k) изменения превысила контрольное значение Р изменения, и равной скорости B медленной подачи, когда удовлетворен критерий недостаточного питания;
добавляют глинозем с установленной скоростью SR(k') подачи во время последующего периода k' управления,
при этом способ дополнительно включает в себя следующие этапы:
идентифицируют возмущающие операции обслуживания на электролизере, которые могут привносить лишний глинозем в электролитическую ванну;
p
отмечают периоды k управления, во время которых на электролизере инициирована любая из возмущающих операций обслуживания;
задают установленную скорость SR(k') подачи равной M(k') × B(k'), где M(k') представляет собой заранее определенный коэффициент модуляции, который модулирует скорость B(k') подачи при регулировании так, чтобы учесть уменьшение потребностей электролизера, вызванное лишним глиноземом.
Обнаружено, что некоторые операций обслуживания добавляют значительные количества лишнего глинозема в электролитическую ванну и тем самым значительно уменьшают наблюдаемые потребности электролизера. Как результат, электролизер демонстрирует наблюдаемую скорость расходования значительно ниже его обычной скорости расходования некоторое время после начала возмущающих операций обслуживания.
Заявители заметили, что способ управления питанием, который может быть очень эффективным в ситуации устойчивого режима, может не быть достаточно эффективным в возмущенной ситуации, особенно во время последействия основных операций обслуживания, таких как операции замены анода или, в меньшей степени, выпуска жидкого металла из электролизера.
s
s
Заявители также заметили, что регулирование питания глиноземом является намного более надежным, если точка отсчета для определения скорости подачи, которая типично представляет собой скорость базовой подачи, близка к реальным потребностям электролизера. В противном случае, регулирование имеет тенденцию приводить к фактической скорости недостаточного питания электролизера, которая значительно отклоняется от скорости B медленной подачи, которую используют при регулировании. Например, было обнаружено, что скорость B медленной подачи, которую можно было бы задать равной значению на 25% ниже скорости базового расходования глинозема в электролизере в ситуации устойчивого режима, привела бы в результате к фактической скорости недостаточного питания, которая типично могла бы варьироваться в диапазоне между 10% и 40% ниже скорости базового расходования глинозема в электролизере в возмущенной ситуации. Заявители заметили, что это варьирование значительно увеличивает вероятность возникновения анодных эффектов.
Заявители также обнаружили, что наблюдаемая скорость расходования глинозема в электролизере меняется со временем по довольно воспроизводимой схеме и, в частности, остается значительно ниже скорости расходования при устойчивом режиме электролизера в течение довольно воспроизводимого периода времени после начала возмущающих операций обслуживания.
Заявители также заметили, что наблюдаемую скорость расходования можно было бы эффективно учитывать путем должного модулирования контрольной скорости подачи при регулировании. Коэффициент M(k') модуляции типично определяют заранее эмпирическим путем, отслеживая наблюдаемую скорость расходования в конкретном электролизере при последействии инициирования выбранных возмущающих операций обслуживания. Коэффициент M(k') модуляции может быть преимущественно определен путем эксплуатации данного электролизера или аналогичного электролизера, регистрации результирующих потребностей Q(t) электролизера как функции времени (до, во время и после выбранных возмущающих операций обслуживания) и задания M(k') равным математической функции, которая позволяет обеспечить по существу совпадение с результирующими потребностями Q(t) во время и после выполнения возмущающих операций обслуживания.
Заявители также заметили, что способ согласно изобретению, который учитывает возмущающие влияния некоторых основных операций обслуживания, может быть использован для того, чтобы улучшить управление содержанием глинозема в электролизере и, таким образом, уменьшить частоту возникновения анодных эффектов.
Заявители также заметили, что скорость подачи при регулировании можно было бы преимущественно корректировать таким образом, чтобы учитывать реальные потребности отдельных электролизеров в серии электролизеров.
Далее изобретение описано более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
Фигура 1 иллюстрирует вид в поперечном разрезе типичного электролизера, предназначенного для производства алюминия;
Фигура 2 иллюстрирует типичное устройство подачи, подходящее для реализации изобретения;
Фигура 3 показывает типичное среднее изменение реальных потребностей питания глиноземом электролизера, обусловленное возмущающими операциями обслуживания;
Фигуры 4, 5 и 6 иллюстрируют возможные варианты реализации способа согласно изобретению;
Фигура 7 иллюстрирует возможный компонент коэффициента модуляции согласно изобретению; и
Фигура 8 иллюстрирует возможный коэффициент модуляции согласно изобретению.
Как изображено на Фигуре 1, электролизер (1), предназначенный для производства алюминия пироэлектролизом, содержит электролизную ванну (2) и стальной кожух (3), футерованный огнеупорным материалом (4, 4'). Электролизная ванна (2) является в целом прямоугольной, если смотреть сверху.
Электролизная ванна (2) дополнительно включает в себя катодный узел (5) и множество токоотводящих стержней (6), изготовленных из электропроводного материала, такого как сталь, или комбинации проводящих элементов, таких как стальные и медные элементы. Катодный узел (5) типично включает в себя множество углеродистых катодных блоков, которые образуют дно в электролизной ванне. Токоотводящие стержни (6) выступают из электролизной ванны (2) и, более конкретно, из кожуха (3), для электрического подсоединения к ним.
Как далее изображено на Фигуре 1, электролизер (1) также включает в себя множество анодов (10, 10'), которые типично изготовлены из углеродистого материала, обычно - предварительно обожженного углеродистого материала. Аноды (10, 10') соединены с внешними электрическими проводниками (не показаны) с использованием анодных штанг (11, 11'), заделанных в аноды и прикрепленных к общим проводникам (12, 12'), называемым анодными балками, с использованием съемных соединителей (не показаны).
3
3
6
3
3
Когда электролизер эксплуатируют, электролизная ванна (2) содержит электролитическую ванну (7), которая типично включает фториды натрия и алюминия, обычно нестехиометрический криолит, и, возможно, добавки, такие как фторид кальция. В большинстве промышленных установок электролитическая ванна (7) обычно кислая в том смысле, что она содержит избыточные количества фторида алюминия (AlF) по сравнению со стехиометрическими количествами, соответствующими химической формуле криолита, а именно, NaAlF или 3∙NaF-AlF. Избыточные количества фторида алюминия (AlF) типично составляют между 9 и 13 вес.%. При работе электролитическая ванна (7) также содержит растворенный в ней глинозем.
Аноды (10, 10') частично погружены в электролитическую ванну (7) и защищены от окисления защитным слоем (9), который содержит глинозем и, возможно, также дробленый электролит. Защитный слой (9) состоит из порошкового материала, который введен в электролизер и образует корку над анодами и электролитом, действующую как покров.
При работе через электролизер и, в частности, между анодами (10, 10') и катодным узлом (5), вызывают протекание электрического тока с силой I с тем, чтобы восстановить содержащийся в электролитической ванне (7) глинозем и тем самым получить жидкий алюминий за счет электрохимических процессов. Полученный таким образом жидкий алюминий постепенно накапливается на дне электролизной ванны с образованием слоя (8), называемого подушкой, на верхней поверхности катодного узла (5). Жидкий алюминий регулярно извлекают из электролизера для последующей обработки, такой как легирование и/или литье. Извлечение жидкого алюминия из электролизера обычно называют операцией выпуска металла.
Так как содержащийся в электролитической ванне (7) глинозем постепенно расходуется в процессе электролиза, глинозем необходимо регулярно добавлять в электролизер с тем, чтобы поддерживать концентрацию глинозема в электролите. В промышленной практике большинство способов регулирования нацелено на поддержание концентрации растворенного в электролитической ванне глинозема в пределах установленного диапазона значений. Концентрация глинозема в электролите типично составляет между 1 и 3,5 вес.%, а предпочтительно - между 1,2 и 2,0 вес.%. Глинозем добавляется в порошковой форме и, возможно, может содержать адсорбированный в нем фтор.
Типично, глинозем загружают в электролитическую ванну (7) согласно способу, включающему формирование по меньшей мере одного отверстия (13) в защитном слое (9) в определенных местах в электролизере и добавление определенных количеств глинозема в электролитическую ванну (7) через это отверстие (13).
В настоящее время глинозем загружают в электролизер и подают в электролитическую ванну (7), используя устройства (20) подачи (известные как точечные питатели), которые способны доставлять ограниченные количества порошка глинозема в определенное место в электролизере. Точечные питатели (20) типично доставляют установленные количества (по объему или весу) глинозема. Как показано на Фигуре 2, питатель (20) обычно включает в себя бункер (30) и разрушитель (40) корки.
Бункер (30) включает в себя резервуар (31), желоб или лоток (32), дозатор (33) и первый привод (34), который типично представляет собой пневмоцилиндр. Дозатор (33) является средством отмеривания, которое поставляет установленные количества порошкового материала, поступающего из резервуара (31), при приведении в действие первого привода (34), типично по электрической и/или пневматической команде.
Разрушитель (40) корки включает в себя пробойник (41) и второй привод (42), который типично представляет собой пневмоцилиндр. Пробойник (41) перемещают вниз, чтобы сформировать или сохранить отверстие (13) в защитном слое (9), и вверх, чтобы оставить пространство для ввода глинозема в электролитическую ванну (7) через отверстие (13). На Фигуре 2 пробойник (41) показан в своем верхнем положении (сплошные линии) и своем нижнем положении (штрихпунктирные линии).
Приведение в действие первого и второго приводов (34, 42) преимущественно выполняют автоматически, используя систему управления.
Электролизер обычно содержит установленное число N питателей (20), где N типично составляет между 1 и 10 включительно.
Глинозем добавляют в электролитическую ванну (7) со скоростью подачи, которую корректируют так, чтобы компенсировать скорость восстановления глинозема до металлического алюминия. Скорость подачи соответствует количеству глинозема, добавляемого в электролитическую ванну (7) электролизера (1) в единицу времени, и типично выражается в виде среднего объема или средней массы глинозема, добавляемого в электролизер в единицу времени.
Кроме того, электролизер обычно подвергается различным операциям обслуживания без прерывания тока, таким как добавление или извлечение электролита, изменение положения анодов, замена изношенных анодов новыми и своевременное извлечение жидкого алюминия.
Аноды (10, 10') расходуются во время электролитического восстановления глинозема до алюминия. Постепенное расходование анодов требует замены изношенных анодов новыми анодами. Операция замены анода типично включает в себя разрушение защитного слоя (9) вокруг изношенного анода, удаление изношенного анода из электролизера и вставку заменяющего анода в электролизер. Операция замены анода заканчивается восстановлением защитного слоя (9) путем добавления содержащего глинозем порошкового материала на заменяющий анод и вокруг него.
Извлечение жидкого алюминия из электролизера также является частью обычных операций обслуживания, которые выполняют на электролизере. Извлечение типично осуществляют путем выпуска жидкого алюминия с использованием сифона или ковша. Точнее, ковш, снабженный трубой, подводят близко к электролизеру, свободный конец трубы погружают в подушку жидкого алюминия (8), и жидкий алюминий отсасывают из электролизера и переносят в ковш по трубе.
o
Наблюдаемые потребности питания электролизеров сокращаются во время некоторых возмущающих операций обслуживания, таких как операции замены анода, операции восстановления защитного слоя или выпуска металла, и при последействии этих операций. В действительности, возмущающие операции обслуживания вызывают падение некоторых количеств твердого глинозема из защитного слоя (9) в электролитическую ванну (7). Этот избыточный глинозем снижает потребности электролизера на некоторое время после его введения в ванну. Заявители заметили, что эти количества избыточного глинозема имеют важное значение и существенно влияют на функционирование электролизеров, и попытались количественно определить эти мешающие явления. В частности, заявители регистрировали наблюдаемые потребности нескольких электролизеров и обнаружили, что они следуют по типичным кривым, являющимся функцией времени t, таким как кривая, показанная на Фигуре 3. Эта фигура показывает, что наблюдаемые потребности AN питания снижаются на короткое время после замены изношенного анода (АС), после восстановления защитного слоя вокруг нового анода (LR) и после выпуска жидкого алюминия из электролизера (МТ). Фигура 3 также показывает, что наблюдаемые потребности питания имеют тенденцию постепенного приближения к нормальной скорости AN подачи после этих возмущающих операций обслуживания, и это означает, что лишний глинозем, добавленный в электролизер во время возмущающих операций обслуживания, постепенно расходуется и что потребности электролизера постепенно возвращаются к нормальным потребностям питания.
Согласно изобретению способ производства алюминия в электролизере включает в себя идентификацию возмущающих операций обслуживания на электролизере (1), которые могут привнести лишний глинозем в электролитическую ванну (7).
Для того чтобы управлять концентрацией глинозема в электролитической ванне (7), способ производства алюминия согласно изобретению включает в себя задание последовательности периодов управления с длительностью Т. Длительность Т периодов управления предпочтительно одинакова для всех периодов с тем, чтобы упростить реализацию способа на практике. Длительность Т предпочтительно составляет между 1 и 300 секундами, а типично - между 10 и 100 секундами.
Глинозем добавляют во время каждого периода управления со скоростью SR подачи, которую устанавливают для каждого периода управления. Точнее, для последующего периода k' управления скорость SR(k') подачи определяют, используя собранную информацию и/или измерений, выполненные во время по меньшей мере одного предыдущего периода k управления, т.е. во время по меньшей мере одного из предыдущих периодов управления k' - 1, k' - 2, k' - 3,…, которые предшествуют этому последующему периоду k' управления.
Последующий период k' управления обычно представляет собой период управления, который непосредственно следует за предыдущим периодом управления, т.е. k'=k+1. Как только последующий период управления истек, этот последующий период k' управления обычно становится предыдущим периодом k управления для следующего этапа процесса регулирования.
o
o
o
o
o
o
Когда в электролизер загружают глинозем с использованием точечных питателей (20), способ типично включает в себя инициирование доставки количества Q глинозема каждым питателем (20) в следующие друг за другом временные интервалы δt (таким образом, в электролизер во время каждого временного интервала δt доставляется суммарное количество Q=N×Q, где N - число точечных питателей (20) в электролизере), так чтобы возникла эффективная скорость подачи (равная N×Q/δt), которая эквивалентна упомянутой установленной скорости SR(k') подачи. Точечные питатели (20) типично обеспечивают все количество Q глинозема за одну засыпку. N питателей (20) могут быть приведены в действие одновременно или поочередно или друг за другом во время каждого временного интервала δt, поскольку они все приводятся в действие в течение каждого временного интервала δt. Временные интервалы δt типично составляют между 10 и 200 секундами. Количество Q глинозема типично составляет между 0,5 и 5 кг, а предпочтительно - между 1 и 2 кг. Типично, временной интервал δt, используемый во время последующего периода k' управления, задают равным N×Q/SR(k').
o
o
o
o
Заявители обнаружили, что количество Q глинозема не обязательно должно быть точным или строго воспроизводимым значением, так как способ по изобретению автоматически адаптирует питание под реальные количества глинозема, доставляемые точечными питателями. Эта толерантность способа позволяет должным образом регулировать питание электролизеров даже тогда, когда количество Q точно не известно или не является постоянной величиной, например, когда неизвестен точный объем или вес доставленного питателями глинозема или когда плотность порошка глинозема меняется со временем. Следовательно, хотя количество Q обычно является установленным количеством, оно также может быть номинальным количеством. Преимущественно, в последнем случае способ по изобретению включает в себя непосредственную корректировку длительности временного интервала δt, используемого во время последующего периода k' управления. Другими словами, в последнем случае скорость подачи преимущественно выражают в терминах засыпок в единицу времени, а не количеств (массовых или объемных) в единицу времени, как если бы номинальное количество Q было постоянным и точно известным параметром, и способ обходит определение установленной скорости SR(k') подачи и применяет схему регулирования непосредственно к длительности временного интервала δt.
Способ регулирования предпочтительно учитывает реальную концентрацию глинозема в электролитической ванне. Так как концентрацию глинозема нельзя просто измерить непосредственным образом, большинство промышленных способов основываются на выполняемом на электролизере измерении электрического параметра ЕР с целью косвенной оценки концентрации и управления ею. Способ согласно изобретению основывается на электрическом параметре ЕР электролизера, который чувствителен к концентрации глинозема в электролитической ванне (7) и может быть использован для ее отслеживания. Следовательно, способ согласно изобретению включает в себя выбор электрического параметра ЕР, который чувствителен к концентрации глинозема в электролитической ванне (7).
Электрический параметр ЕР типично представляет собой падение напряжения U на электролизере или электрическое сопротивление R, приписанное электролизеру. Падение напряжения U типично измеряют между анодной балкой (12, 12') или соединенными с ней проводниками и токоотводящими стержнями (6) катодного узла (5) или соединенными с ними проводниками. В качестве возможной альтернативы, также определяют или измеряют протекающий в нем ток I, и электрическое сопротивление R вычисляют с использованием конкретного соотношения между падением напряжения U и силой тока I. Электрическое сопротивление преимущественно задано следующим соотношением: R=(U-E)/I, где Е - обратная электродвижущая сила (противо-ЭДС). Силу I тока можно измерять или определять во время каждого периода k. Обратная электродвижущая сила Е типично задается равной значению между 1,5 В и 1,9 В. Установлено, что, при данном расстоянии между анодами (10, 10') и подушкой жидкого алюминия (8), падение напряжения U или электрическое сопротивление R являются функцией реальной концентрации глинозема в электролитической ванне (7). Эта функция быстро снижается, когда концентрация составляет между примерно 1 вес.% и примерно 3 вес.%, достигает минимума при примерно 3,5 вес.% и медленно увеличивается выше 3,5 вес.%.
m
m
m
m
Электрический параметр ЕР измеряют, по меньшей мере один раз, во время каждого периода управления, а скорость Р(k) изменения электрического параметра ЕР определяют во время по меньшей мере одного предыдущего периода k управления. Скорость P(k) изменения определяют, используя по меньшей мере измерения электрического параметра ЕР, сделанные во время периода k управления, который непосредственно предшествовал последующему периоду k' управления, т.е. во время периода k=k'-1. Типично, скорость P(k) изменения определяют, используя измерения электрического параметра ЕР, сделанные во время установленного числа N периодов управления, которые непосредственно предшествовали последующему периоду k' управления, т.е. во время периодов управления k'-1', k'-2, …, k'-N, где N типично составляет между 1 и 60 включительно. Установленное количество N периодов управления обычно выбирают так, чтобы оно охватывало период времени, который типично составляет между 5 и 60 минутами.
p
Чтобы учесть влияние операций обслуживания, способ по изобретению дополнительно включает в себя отмечание выполнения возмущающих операций обслуживания на электролизере (1). Точнее, способ включает в себя отмечание тех периодов k управления, во время которых предполагается инициировать на электролизере (1) любую из возмущающих операций обслуживания.
Согласно изобретению глинозем добавляют во время каждого последующего периода k' с установленной скоростью SR(k') подачи, которую задают равной M(k')×B(k'), где B(k') - скорость подачи при регулировании, которая соответствует скорости подачи в устойчивом режиме, т.е. скорости подачи, подходящей в отсутствие возмущающих операций, а M(k') - коэффициент модуляции, который компенсирует возмущения в электролизере, вызванные выбранными операциями обслуживания. Коэффициент M(k') модуляции позволяет распознавать и учитывать те по существу стабильные ситуации, при которых достаточно долго нет возмущающих операций обслуживания, и те возмущенные ситуации, при которых последние возмущающие операции обслуживания добавили в электролизер избыточные количества глинозема, такие как операции замены анода, операции восстановления защитного слоя или выпуска металла, которые обычно привносят значительные количества глинозема в электролитическую ванну. Операции замены анода включают в себя разрушение защитного слоя вокруг изношенного анода, удаление изношенного анода и вставку заменяющего анода. После замены анода защитный слой вокруг заменяющего анода восстанавливают.
Скорость B(k') подачи при регулировании и коэффициент M(k') модуляции определяют для каждого последующего периода k' управления.
s
f
f
s
s
f
Чтобы точно управлять концентрацией глинозема в электролитической ванне (7), скорость B(k') подачи при регулировании чередуется между по меньшей мере скоростью медленной подачи, которая соответствует недостаточному питанию электролизера («недоподаче»), и скоростью быстрой подачи, которая соответствует избыточному питанию электролизера («переподаче»). Точнее, способ по изобретению включает в себя выбор по меньшей мере скорости B медленной подачи и скорости B быстрой подачи, а также определение скорости B(k') подачи при регулировании для последующего периода k' управления путем задания скорости B(k') подачи при регулировании равной скорости B быстрой подачи, когда удовлетворен критерий избыточного питания, и равной скорости B медленной подачи, когда удовлетворен критерий недостаточного питания. Типично, скорость B медленной подачи устанавливают на значение, которое составляет между 10% и 50%, более типично - между 20% и 35%, а предпочтительно - между 20% и 30% включительно, ниже скорости базового расходования глинозема в электролизере, в то время как скорость B быстрой подачи устанавливают на значение, которое составляет между 10% и 50%, более типично - между 20% и 35%, а предпочтительно - между 20% и 30% включительно, выше скорости базового расходования глинозема в электролизере. Скорость базового расходования глинозема в электролизере обычно задают равной реальным потребностям электролизера, которые типично определяют путем регистрации суммарного количества Qt глинозема, добавленного в электролизер во время по меньшей мере одного установленного периода времени, и путем расчета соответствующей средней или серединной скорости (т.е. количества глинозема в единицу времени).
Модуляция скорости подачи согласно изобретению позволяет корректировать скорость B(k') подачи при регулировании так, чтобы лучше соответствовать реальным потребностям электролизера при сохранении чередования скорости B(k') подачи при регулировании между по меньшей мере скоростью медленной подачи и скоростью быстрой подачи. Заявители обнаружили, что такой подход гарантирует точное управление эффективной скоростью подачи в электролизер и эффективно уменьшает частоту возникновения анодных эффектов благодаря строгому контролю за полным диапазоном колебаний концентрации глинозема в ванне, особенно во время фаз недостаточного питания.
s
Способ по изобретению типично включает в себя инициирование последовательности периодов управления путем задания скорости B(1) подачи при регулировании первого периода управления равной B.
Преимущественно, способ включает в себя следующие этапы:
o
определяют скорость B базовой подачи;
s
s
s
o
s
выбирают по меньшей мере коэффициент K скорости медленной подачи, который меньше единицы (т.е. K<1), и задают скорость B медленной подачи равной B×K;
f
f
f
o
f
выбирают коэффициент K скорости быстрой подачи, который больше единицы (т.е. K>1), и задают скорость B быстрой подачи равной B×K.
s
f
Коэффициент K скорости медленной подачи типично составляет между 0,5 и 0,9, более типично - между 0,65 и 0,8, а предпочтительно - между 0,7 и 0,8 включительно. Коэффициент K скорости быстрой подачи типично составляет между 1,1 и 1,5, более типично - между 1,2 и 1,35, а предпочтительно - между 1,2 и 1,3 включительно.
o
o
s
s
f
f
Скорость B(k') подачи при регулировании нормально соответствует избыточному питанию электролизера, когда она больше B, и недостаточному питанию электролизера, когда она меньше B. Коэффициент К скорости подачи и, таким образом, скорость B(k') подачи при регулировании обычно чередуется между по меньшей мере фазой (ph1) недостаточного питания, во время которой коэффициент К скорости подачи равен коэффициенту K скорости медленной подачи (и во время которой скорость B(k') подачи при регулировании равна скорости B медленной подачи), и фазы (ph2) избыточного питания, во время которой коэффициент К скорости подачи равен коэффициенту K скорости быстрой подачи (и во время которой скорость B(k') подачи при регулировании равна скорости B быстрой подачи). Число периодов управления, включенных в эти фазы, заранее не определено: оно зависит от применения схемы принятия решений.
s
f
o
s
f
o
Когда используют точечные питатели и вместо скорости подачи непосредственно корректируют длительность временного интервала δt, т.е. когда скорость подачи выражена в засыпках в единицу времени, скорость B медленной подачи, скорость B быстрой подачи и скорость B базовой подачи могут быть заменены, соответственно, временным интервалом δt медленной подачи, временным интервалом δt быстрой подачи и временным интервалом δt базовой подачи.
o
o
o
o
o
Фигура 4 иллюстрирует возможный вариант реализации изобретения. Согласно этому варианту устанавливают следующие друг за другом временные интервалы δt и добавляют количество Q глинозема каждым устройством-питателем (20) в каждый установленный временной интервал δt так, чтобы возникла эффективная скорость подачи, равная N×Q/ δt (Фигура 4(А)). Для удобства способ включает в себя задание контрольного временного интервала δt и задание реального временного интервала δt равным δt/K, где К - коэффициент корректировки времени (Фигура 4(В)). Контрольный временной интервал δt типично составляет между 10 и 200 секундами. Коэффициент К корректировки времени соответствует коэффициентам скорости подачи, которые выбирают для вычисления скорости B(k') подачи при регулировании.
o
s
o
s
o
f
o
f
o
o
o
i
i
Как показано на Фигуре 4(А), 4(В) и 4(С), скорость подачи при регулировании чередуется между скоростью медленной подачи с δt=δt/K (соответствующей B(k')=B×K) и скоростью быстрой подачи с δt = δt/K (соответствующей B(k')=B×K), где B=N×Q/δt. Как показано на Фигуре 4С, этот возможный вариант реализации создает серию циклов RC регулирования, причем каждый цикл содержит первую фазу ph1 и вторую фазу ph2, и каждая фаза включает в себя по меньшей мере один период управления (в примере, представленном на Фигуре 4(С), каждая из фаз включает в себя три периода управления). Суммарная длительность RT цикла регулирования зависит от процесса регулирования.
s
s
f
f
Преимущественно, коэффициент скорости подачи при регулировании или коэффициент К корректировки времени выбирают из ограниченного числа значений. Например, коэффициент К скорости подачи при регулировании преимущественно выбирают из группы, состоящей из по меньшей мере одного коэффициента K скорости медленной подачи, при K<1, и по меньшей мере одного коэффициента K скорости быстрой подачи, при K>1.
o
o
o
o
o
o
Скорость B базовой подачи предпочтительно равна оцененному значению потребностей электролизера, которое может быть определено с использованием закона Фарадея (который предусматривает, что B примерно равна 1,06×I× выход по току (кг глинозема/мин), где сила I тока задана в 100 кА). Скорость B базовой подачи может быть постоянной величиной. Предпочтительно, однако, скорость B базовой подачи корректируют так, чтобы она была по существу равна величине, соответствующей реальным потребностям электролизера, которые предпочтительно оценивают, когда за последнее время отсутствовали возмущающие операции обслуживания. Процессы корректировки скорости B базовой подачи описаны ниже. Заявители заметили, что корректировка скорости B базовой подачи позволяет дополнительно улучшить управление глиноземом и, таким образом, дополнительно сократить число анодных эффектов.
o
o
o
o
o
o
o
Когда вместо скорости подачи непосредственно корректируют временной интервал δt, скорректированный временной интервал δt базовой подачи можно определить по скорректированной скорости B базовой подачи, используя соотношение δt=N×Q/B, где Q - номинальное количество Q глинозема, обеспечиваемое каждым точечным питателем.
d
o
d
o
d
Предпочтительно, способ по изобретению включает в себя выбор конкретного числа N периодов управления, определение скорости B базовой подачи согласно первой схеме, когда ни одна из упомянутых возмущающих операций обслуживания не была инициирована менее чем за конкретное число N периодов управления перед данным последующим периодом k' управления, и определение скорости B базовой подачи согласно второй схеме, когда одна из упомянутых возмущающих операций обслуживания была инициирована менее чем за конкретное число N периодов управления перед данным последующим периодом k' управления.
o
o
d
p
o
o
d
o
o
p
Согласно преимущественному варианту реализации изобретения скорость B базовой подачи задают равной постоянному значению β во время конкретного числа N периодов управления, следующих за периодом k управления, во время которого на электролизере (1) инициируют любую из возмущающих операций обслуживания. Другими словами, скорость B базовой подачи задают равной постоянному значению β во время возмущенных периодов, которые считают длящимися N×Т периодов управления. Этот вариант реализации нацелен на избежание существенного отклонения скорости B(k') подачи при регулировании в течение возмущенных временных интервалов, следующих за инициированием возмущающих операций обслуживания. Постоянное значение β типично задают равным значению B, которое было определено для использования во время периода k управления.
o
o
Процесс корректировки может состоять в регистрации реальных потребностей электролизера. Типично, скорость B базовой подачи определяют путем регистрации суммарного количества Qt глинозема, добавленного в электролизер во время по меньшей мере одного контрольного периода А длительностью D, и задания скорости B базовой подачи равной Qt/D или среднему или серединному значению Qt/D. Контрольный период А предпочтительно выбирают в спокойный период процесса регулирования с тем, чтобы избежать влияния возмущающих операций обслуживания на оценку потребностей электролизера.
o
В соответствии с другим процессом корректировки скорости базовой подачи, эффективную скорость B подачи вычисляют для по меньшей мере одного контрольного периода А и задают скорость B базовой подачи равной сглаженному значению β эффективных скоростей В подачи, полученных для одного или более контрольных периодов А.
В преимущественном варианте реализации, который использовали в сравнительных испытаниях, о которых сообщено ниже, способ по изобретению включает в себя следующие этапы:
a
j
d
j
выбирают конкретное число N контрольных периодов A в по меньшей мере одном периоде времени, когда не было инициировано ни одной из упомянутых возмущающих операций обслуживания за менее чем конкретное число N периодов управления перед любым из контрольных периодов A;
j
j
определяют длительность D каждого контрольного периода A;
j
j
определяют суммарное количество Q глинозема, добавленного в электролизер (1) во время каждого из контрольных периодов A;
j
j
j
j
j
вычисляют эффективную скорость B подачи для каждого контрольного периода A с помощью соотношения B=Q/D; и
o
j
j
задают скорость B базовой подачи равной сглаженному значению β эффективных скоростей B подачи, полученных для каждого контрольного периода A.
o
a
j
Вычисленную таким образом скорость B базовой подачи типично используют во время всего контрольного периода, который следует непосредственно за конкретным числом N контрольных периодов A.
j
Контрольный период A типично соответствует периодам управления, включенным между концом фазы (ph1) недостаточного питания и концом следующей фазы (ph1') недостаточного питания, как показано на Фигуре 4(С).
d
op
op
op
op
Конкретное число N периодов управления равно T/T, где T - длительность, приписанная эффектам любой из упомянутых возмущающих операций обслуживания. Длительность T типично составляет между 3 и 12 часами. Длительность T обычно определяют путем измерений. Длительность возмущающих операций обслуживания обычно значительно меньше длительности, приписываемой их эффектам, т.е. возмущающие операции обслуживания заканчивают вскоре после их инициирования, если сравнивать с длительностью, приписываемой их эффектам.
a
j
j
a
j
j
-1
-6
0
Конкретное число N контрольных периодов A типично соответствует полным контрольным периодам A, которые непосредственно предшествуют последующему периоду k' управления. Фигура 5(А) иллюстрирует такой случай, в котором конкретное число N контрольных периодов A равно 6 и образует непрерывную группу G контрольных периодов для вычисления сглаженного значения β эффективных скоростей B подачи, а именно, контрольных периодов с А по А. Контрольный период А, который включает в себя последующий период k' управления, не является частью этой группы.
a
j
d
j
j
j
a
j
j
-1
-2
-3
-23
-24
-25
d
-4
-22
j
0
Когда конкретное число N контрольных периодов A перекрывает операцию обслуживания (PO) или период времени, когда по меньшей мере одна возмущающая операция обслуживания (РО) была инициирована менее чем за конкретное число N периодов управления перед любым из контрольных периодов A, то соответствующие контрольные периоды A исключают из вычисления и, предпочтительно, заменяют соответствующим числом контрольных периодов A, которые непосредственно предшествуют инициированию этой возмущающей операции обслуживания. Фигура 5(В) иллюстрирует такой случай, в котором конкретное число N контрольных периодов A равно 6 и разбито на две непрерывных группы контрольных периодов (G1 и G2) для вычисления сглаженного значения β эффективных скоростей B подачи: группа G1 включает в себя контрольные периоды А, А и А, а группа G2 включает в себя контрольные периоды А, А и А. Эти две группы разделены операцией обслуживания (РО) и соответствующим возмущенным периодом, который длится N периодов управления. Контрольные периоды А, …, А, которые перекрывают возмущенный период, не учитывают при вычислении сглаженного значения β эффективных скоростей B подачи. Контрольный период А, который включает в себя последующий период k' управления, не является частью группы.
j
j
j
j
o
j
j
o
Чтобы учесть возможные вариации силы I тока, протекающего через электролизер, способ по изобретению преимущественно включает в себя определение среднего значения <I> для силы I тока во время каждого контрольного периода A и вычисление эффективной скорости B подачи для каждого контрольного периода A с использованием соотношения B=(<I>/I)×(Q/D), где I - контрольная сила тока.
j
j
o
1
2
Na
a
1
1
2
2
Na
Na
a
1
1
1
2
2
2
Na
Na
Na
a
j
a
j
o
j
a
j
o
j
o
a
j
o
j
a
j
a
j
a
j
Сглаженное значение β типично представляет собой среднее значение или серединное значение эффективных скоростей B подачи, полученных для каждого контрольного периода A. Например, в случае среднего значения, используемая скорость B базовой подачи может быть задана равной β=(B+B+…+B)/N=(Q/D+Q/D+…+Q/D)/N, где B=Q/D представляет собой эффективную скорость подачи, вычисленную для j=1, B=Q/D - эффективную скорость подачи, вычисленную для j=2, …, и B=Q/D - эффективную скорость подачи, вычисленную для j=N. Например, в случае серединного значения, значения B сортируют и располагают в ряд возрастающих значений: если конкретное число N контрольных периодов A является нечетным, то скорость B базовой подачи может быть задана равной значению B, которое находится в положении (N+1)/2 в этом ряду (тогда число значений B, которые меньше B, равно числу значений B, которые больше B); если конкретное число N контрольных периодов A является четным, то скорость B базовой подачи может быть задана равной алгебраическому среднему значения B, которое находится в положении N/2, и значения B, которое находится в положении (N/2)+1, т.е. среднему значению двух следующих друг за другом значений B, которые находятся в середине ряда. Конкретное число N контрольных периодов A больше или равно единице и предпочтительно составляет от 3 до 30, типично от 4 до 12 включительно.
j
j
a
j
a
a
o
В преимущественной модификации изобретения способ дополнительно включает в себя вычисление первого дополнительного сглаженного значения β' эффективных скоростей B подачи, полученных для каждого контрольного периода A в течение первого дополнительного числа N' контрольных периодов A, где N'>N. Первое дополнительное сглаженное значение β' преимущественно используют как контрольное значение в безопасном диапазоне для допустимых значений скорости B базовой подачи. Точнее, способ преимущественно включает в себя следующие этапы:
j
j
a
j
определяют первое дополнительное сглаженное значение β' эффективных скоростей B подачи, полученных для каждого контрольного периода A в течение первого дополнительного числа N' контрольных периодов A;
max
min
выбирают первую полуширину W и вторую полуширину W для безопасного диапазона;
o
max
o
max
задают скорость B базовой подачи равной β'+W, если значение, полученное для B, больше β'+W;
o
min
o
min
задают скорость B базовой подачи равной β'-W, если значение, полученное для B, меньше β'-W.
a
j
a
j
a
j
Предпочтительно, первое дополнительное число N' контрольных периодов A является очень большим, типично между 1000 и 5000, с тем чтобы обеспечить долгосрочную оценку потребностей электролизера. Тогда первое дополнительное сглаженное значение β' и первое дополнительное число N' контрольных периодов A можно назвать долгосрочным сглаженным значением β' и долгосрочным числом N' контрольных периодов A соответственно.
max
min
Первая полуширина W типично составляет между 0% и 15%, а более типично - между 5% и 12%, от первого дополнительного сглаженного значения β', а вторая полуширина W типично составляет между 0% и 15%, а более типично - между 5% и 12%, от первого дополнительного сглаженного значения β', причем значение 0% используется только для одной из полуширин в одно и то же время.
В другой преимущественной модификации изобретения способ дополнительно включает в себя следующие этапы:
a
j
выбирают второе дополнительное число N" контрольных периодов A;
выбирают разницу ΔВ нормального отклонения для скорости подачи;
j
j
определяют длительность D каждого контрольного периода A;
j
j
определяют суммарное количество Q глинозема, добавленного в электролизер (1) во время каждого из контрольных периодов A;
j
j
j
j
j
вычисляют эффективную скорость B подачи для каждого контрольного периода A с помощью соотношения B=Q/D;
a
j
вычисляют второе дополнительное сглаженное значение β" с использованием N" контрольных периодов A, которые непосредственно предшествуют последующему периоду k' управления;
o
o
признают, что имеет место аномалия питания, если разница между вторым дополнительным сглаженным значением β" и произведением B×M(k') больше разницы ΔВ нормального отклонения, т.е. если β"-B×M(k')>ΔВ.
a
j
a
j
a
j
Второе дополнительное число N" контрольных периодов A предпочтительно составляет между 1 и 5 включительно. Тогда второе дополнительное сглаженное значение β" и второе дополнительное число N" контрольных периодов A можно назвать краткосрочным сглаженным значением β" и краткосрочным числом N" контрольных периодов A соответственно.
j
j
j
d
j
Второе дополнительное сглаженное значение β" типично представляет собой среднее значение или серединное значение для эффективных скоростей B подачи, полученных для каждого контрольного периода A. Следовательно, второе дополнительное сглаженное значение β" можно вычислить, используя те же алгоритмы, что и сглаженное значение β. Однако вычисление второго дополнительного сглаженного значения β" может включать в себя контрольные периоды A, которые перекрывают операцию обслуживания, или период времени, когда по меньшей мере одна возмущающая операция обслуживания была инициирована менее чем за конкретное число N периодов управления перед любым из контрольных периодов A. Другими словами, в противоположность вычислению сглаженного значения β, вычисление второго дополнительного сглаженного значения β" не исключает возмущенных периодов.
Предпочтительно, когда питание признано аномальным, способ включает в себя корректирующие меры, нацеленные на устранение причины или причин аномального поведения. Типично, способ включает в себя питание электролизера с вычисленной установленной скоростью SR(k') подачи, которая может быть задана равной второму дополнительному сглаженному значению β" или некоторому другому удобному значению, и инспектирование электролизера для определения причины или причин аномального поведения.
Было обнаружено, что эта модификация дополнительно ограничивает возникновение анодных эффектов, позволяя идентифицировать аномальный характер питания электролизера и устранить источник аномалии. Типично, такая аномалия возникает из-за неправильной работы точечного питателя или засорения питающего отверстия (13) в защитном слое (9).
o
Разница ΔВ нормального отклонения типично составляет между 5% и 30%, а более типично - между 10% и 15%, от произведения B × M(k').
f
f
f
f
s
f
f
f
f
s
f
f
В основе критерия недостаточного питания типично лежит время. Для удобства время, которое прошло, задают числом N периодов управления, которые были завершены с момента появления скорости B быстрой подачи. Точнее, способ по изобретению включает в себя подсчет числа N периодов управления, прошедших с того момента, как скорость B(k') подачи при регулировании была последний раз задана равной B, и задание скорости B(k') подачи при регулировании равной B, если N×Т больше установленного периода времени T избыточного питания. Согласно этому варианту реализации скорость B(k') подачи при регулировании поддерживают равной скорости B быстрой подачи в течение установленного периода времени T избыточного питания и задают равной скорости B медленной подачи, когда установленный период времени T избыточного питания истек. Установленный период времени T избыточного питания типично составляет между 10 и 60 минутами.
f
o
s
o
f
o
o
В основе критерия избыточного питания лежит по меньшей мере один электрический параметр ЕР. Согласно изобретению скорость B(k') подачи при регулировании задают равной скорости B быстрой подачи, когда скорость P(k) изменения превысила контрольное значение P изменения. Другими словами, скорость B(k') подачи при регулировании поддерживают равной скорости B медленной подачи до тех пор, пока скорость P(k) изменения электрического параметра ЕР меньше контрольного значения P изменения, и задают равной скорости B быстрой подачи, когда скорость P(k) изменения электрического параметра ЕР достигла или превысила контрольное значение P изменения. Скорость P(k) изменения соответствует наклону. Контрольное значение P изменения типично составляет между 10 и 200 пкОм/с, если электрический параметр ЕР выражают в виде сопротивления электролизера, и типично составляет между 5 и 50 мкВ/с, более типично - между 10 и 30 мкВ/с, когда электрический параметр ЕР выражают в виде напряжения электролизера.
Согласно преимущественной модификации изобретения способ дополнительно включает в себя следующие этапы:
c
выбирают критическую длительность D;
sf
s
регистрируют время T, прошедшее с того момента, как скорость B(k') подачи при регулировании была последний раз задана равной скорости B медленной подачи;
c
s
sf
c
o
задают скорость B(k') подачи при регулировании равной уменьшенному значению B, которое меньше скорости B медленной подачи, по меньшей мере один раз, если T больше D и если скорость P(k) изменения электрического параметра ЕР по-прежнему меньше контрольного значения P изменения.
c
c
s
Критическая длительность D типично составляет между 15 и 60 минутами. Уменьшенное значение B типично составляет между 1% и 10% от B включительно.
i
Эта модификация позволяет сохранить длительность циклов RC регулирования в пределах приемлемого диапазона и устраняет сильные колебания этой длительности.
c
s
В предпочтительном варианте этой модификации значение B, меньшее, чем скорость B медленной подачи, постепенно снижается со временем, типично линейно или пошаговым образом. Например, способ согласно этой модификации может преимущественно включать в себя следующие этапы:
c
выбирают критическую длительность D;
c
выбирают временное приращение D' длительности;
s
выбирают приращение ΔB параметра недостаточного питания;
sf
s
регистрируют время T, прошедшее с того момента, как скорость B(k') подачи при регулировании была последний раз задана равной скорости B медленной подачи;
s
c
s
sf
c
c
c
c
c
c
o
c
задают скорость B(k') подачи при регулировании равной B-(N+1)×ΔB, если T больше, чем D+N×D', и меньше, чем D+(N+1)×D', и если скорость P(k') изменения электрического параметра ЕР по-прежнему меньше контрольного значения P изменения, где N - любое целое число, большее или равное нулю.
c
s
s
Временное приращение D' длительности типично составляет между 5 и 10 минутами включительно. Приращение ΔB параметра недостаточного питания типично составляет между 1% и 3% от B включительно.
i
Этот вариант реализации дополнительно способствует сокращению длительности циклов RC регулирования.
s
o
s
c
s
s
o
c
s
s
o
c
f
Как показано на Фигуре 6(А), этот вариант реализации дает пошаговое снижение скорости B(k') подачи при регулировании со снижающим приращением, равным ΔB. В этом примере, который дополнительно проиллюстрирован на Фигурах 6(В) и 6(С), скорость P(k) изменения электрического параметра ЕР еще не превысила контрольного значения P изменения, когда время, прошедшее с момента переключения на скорость B медленной подачи, превышает критическую длительность D. Тогда скорость B(k') подачи при регулировании задают равной B-ΔB. Так как скорость P(k) изменения электрического параметра ЕР по-прежнему не превысила контрольного значения P изменения, когда прошло еще некоторое время, равное временному приращению D' длительности, то скорость B(k') подачи при регулировании задают равной B-2×ΔB. С того момента, как скорость P(k) изменения электрического параметра ЕР превысила контрольное значение P изменения перед тем, как истекло еще некоторое время, равное временному приращению D' длительности, скорость B(k') подачи при регулировании переключают на скорость B быстрой подачи в конце того периода управления, во время которого произошел этот переход.
min
s
Предпочтительно, уменьшение скорости B(k') подачи при регулировании ограничивают безопасным минимумом B, который типично составляет между 88% и 95% от B.
c
c
dc
dc
dc
c
dc
c
Критическую длительность D и временное приращение D' длительности можно выразить в терминах числа периодов управления N и N' соответственно, используя соотношения N=D/T и N'=D'/T.
Коэффициент M(k') модуляции выбирают так, чтобы обеспечивалась итоговая по существу постоянная загрузка глинозема в электролизер, несмотря на лишний глинозем, добавленный в электролизер (1) при возмущающих операциях обслуживания. Тем самым установленную скорость SR(k') подачи уменьшают во время и после выполнения возмущающих операций обслуживания до тех пор, пока лишний глинозем не будет по существу израсходован электролизером (1). Конечным результатом является фактическое недостаточное питание, остающееся стабильным и близким к недостаточному питанию, выбранному для регулирования, несмотря на появление возмущающих операций обслуживания.
s
f
j
Коэффициент M(k') модуляции типично составляет между 0,80 и 0,95 включительно для операции замены анода и для восстановления защитного слоя, типично составляет между 0,90 и 1,00 включительно для операции выпуска металла и для удобства равен единице, когда никакие возмущающие операции обслуживания не должны учитываться. Следовательно, модуляция создает эффективные скорости медленной и быстрой подачи, которые уменьшены по сравнению с выбранными скоростями медленной и быстрой подачи (B и B), причем это уменьшение типично меньше или равно 20%. Такая заранее определенная и умеренная модуляция чередующихся скоростей подачи позволяет сократить длительность контрольных периодов A и ограничить нарушения в температуре ванны из-за колебаний количеств добавляемого глинозема.
g
g
g
g
g
g
g
o
g
g
g
g
g
o
g
В принципе способ по изобретению создает конкретный коэффициент M(k') модуляции для каждой следующей возмущающей операции обслуживания. Как следствие, коэффициент M(k') модуляции может представлять собой комбинацию конкретных коэффициентов M(k') модуляции. Чтобы учесть ограниченное число предшествующих возмущающих операций обслуживания и, таким образом, избежать накопления постоянно увеличивающегося числа корректирующих членов, конкретный коэффициент M(k') модуляции для любой возмущающей операции обслуживания предпочтительно ограничивают по длительности. Точнее, учитывают только те возмущающие операции обслуживания, которые были инициированы менее чем за N периодов управления перед последующим периодом k' управления, где N - пороговое число периодов, приписанное каждой возмущающей операции обслуживания, выполняемой на электролизере. N периодов управления перед последующим периодом k' управления соответствуют периодам с k'-N по k'-1=k, которые предшествуют периоду k' управления. Коэффициент M(k') модуляции предпочтительно задают равным постоянному значению M, когда ни одной возмущающей операции обслуживания не было инициировано менее чем за пороговое число N периодов управления перед последующим периодом k' управления. Другими словами, каждая конкретная функция M(k') представляет собой заранее определенную функцию от k' между начальным периодом k и конечным периодом k+N и предпочтительно равна M в любой другой период. Таким образом, возмущающие операции обслуживания, которые были выполнены до своего порогового числа N периодов, больше не учитывают, так как их влияние по существу исчезло.
g
g
g
g
d
Пороговое число N периодов типично таково, что N×Т составляет между 2 и 10 часами для операций замены анода, между 2 и 10 часами для операций восстановления защитного слоя и между 1 и 6 часами для операций выпуска металла. Пороговое число N периодов, таким образом, задает значение для числа периодов, во время которых применяется модуляция скорости подачи. Пороговое число N периодов типично равно конкретному числу N периодов управления.
o
g
o
Использование постоянного значения M, когда ни одна возмущающая операция обслуживания не инициирована менее чем за N периодов управления перед последующим периодом k' управления, упрощает реализацию способа согласно изобретению на практике. Постоянное значение M типично равно единице, так что установленная скорость SR(k') подачи равна скорости B(k') подачи при регулировании, когда влияние возмущающих операций обслуживания по существу исчезло.
g
Коэффициент M(k') модуляции преимущественно равен установленной функции M(k'), которая соответствует самой последней из возмущающих операций обслуживания. Другими словами, коэффициент M(k') модуляции, соответствующий самой последней возмущающей операции обслуживания, заменяет собой предыдущие. Этот вариант упрощает реализацию изобретения на практике и, как было обнаружено, является достаточным в большинстве случаев.
g
g
g
g
Установленную функцию M(k') типично заранее определяют путем отслеживания, обычно статистическим образом, наблюдаемой скорости расходования для данного электролизера при последействии инициирования возмущающих операций обслуживания. Наблюдаемая скорость расходования типично представляет собой сильно изменяющуюся функцию времени в течение тех нескольких часов, которые следуют за возмущающей операцией обслуживания. Заявители заметили, что наблюдаемая скорость расходования следует довольно воспроизводимым функциям времени и что для представления этих функций в способе по изобретению можно было бы эффективно использовать упрощенную среднюю кривую. Установленная функция M(k') может преимущественно быть определена заранее путем эксплуатации электролизера (1) или аналогичного ему электролизера, регистрации результирующих потребностей Q(t) электролизера как функции времени (до и после выбранных возмущающих операций обслуживания) и задания M(k') равной математической функции, которая позволяет обеспечить по существу совпадение с результирующими потребностями Q(t) во время и после выполнения возмущающих операций обслуживания. Установленная функция M(k') типично представляет собой сильно изменяющуюся функцию от k'.
g
g
g
Заявители обнаружили, что измеренные установленные функции M(k') можно было бы выгодно заменить заранее заданными математическими функциями F(k') и по-прежнему получить по существу то же улучшение управления глиноземом. Чтобы упростить реализацию изобретения на практике, заранее заданные математические функции F(k') могут содержать один или более линейных участков.
g
В частности, эффективными оказались следующие математические функции F(k'):
g
o
p
F(k')=M для k'<k;
g
o
o
o
p
g
p
p
g
F(k')=M×(F+(1-F)×(k'-k)/N) для k≤k'≤k+N;
g
o
p
g
F(k')=M для k'>k+N,
o
где F - постоянная.
p
o
o
o
g
o
o
o
Эта функция, которая показана на Фигуре 7, приводит к этапу, когда, в период k управления, во время которого предполагается инициировать возмущающие операции обслуживания, она достигает минимального значения F×M и линейно увеличивается обратно до M во время N последующих периодов управления. Минимальное значение F для операции замены анода типично выбирают между 0,80 и 0,95. Минимальное значение F для восстановления защитного слоя типично выбирают между 0,80 и 0,95 включительно. Минимальное значение F для операции выпуска металла типично выбирают между 0,90 и 1,00 включительно.
На Фигуре 8 приведен типичный коэффициент M(k') модуляции, который можно использовать, когда способ нацелен на компенсацию следующих друг за другом добавлений лишнего глинозема в электролитическую ванну (7), вызванных заменой изношенного анода (АС), которая включает в себя разрушение защитного слоя (9) вокруг изношенного анода, восстановление защитного слоя (9) путем добавления содержащего глинозем порошкового материала на новый анод и вокруг него (LR) и выпуск жидкого алюминия из электролизера (МТ), что понижает верхнюю поверхность электролитической ванны и тем самым ослабляет части защитного слоя (9).
o
o
p
g
g
Как показано на Фигуре 8, коэффициент M(k') модуляции обычно характеризует последовательность режимов питания, которая содержит режимы m спокойного питания, в которых никакая возмущающая операция обслуживания не влияет на скорость подачи и для коэффициента M(k') модуляции используют постоянное значение M, и возмущенные режимы m, в которых по меньшей мере одна возмущающая операция обслуживания влияет на скорость подачи и учитывается посредством установленных функций M(k'), которые преимущественно заменяют математическими функциями F(k').
o
1
1
2
2
o
g2
2
3
3
o
g3
3
1
1
2
2
3
3
2
3
2
o
3
3
2
g1
3
2
g1
В этом примере коэффициент M(k') модуляции равен M незадолго до последовательности возмущающих операций обслуживания, задают равным первой функции F(k') в период k, когда выполняют замену анода, задают равным второй функции F(k') в период k, когда выполняют восстановление защитного слоя вокруг нового анода, задают равным M, когда истекли N периодов управления с момента появления F(k'), задают равным третьей функции F(k') в период k, когда выполняют выпуск жидкого алюминия из электролизера, и задают снова равным M, когда истекли N периодов управления с момента появления F(k'). Первая функция F(k') имеет минимальное значение М, вторая функция F(k') имеет минимальное значение М, а третья функция F(k') имеет минимальное значение М. В этом примере корректирующие функции F(k') и F(k') настолько близки по времени, что F(k') еще не вернулась к M, когда применяют F(k'), т.е. число периодов управления между k и k меньше N(разница по времени между k и k короче, чем N×Т).
Модуляция скорости подачи при регулировании посредством использования коэффициента M(k') модуляции согласно изобретению обеспечивает глобальную коррекцию скорости подачи, которая эффективно учитывает лишний глинозем, добавляемый в электролизеры выбранными возмущающими операциями обслуживания, в то время как корректировка скорости подачи в электролизеры при регулировании согласно изобретению обеспечивает дополнительную коррекцию скорости подачи, которая эффективно учитывает реальные потребности каждого отдельного электролизера в серии электролизеров.
Испытания
Чтобы оценить влияние способа согласно изобретению на эксплуатационные характеристики алюминиевых электролизеров, были проведены сравнительные испытания. Эти испытания включали наблюдения за определенными электролизерами и измерения на них в то время, когда их эксплуатировали с использованием способа, который сначала содержал процесс питания глиноземом, соответствующий уровню техники, и который был впоследствии модифицирован для его соответствия изобретению.
s
f
f
o
s
f
Во всех испытаниях способ включал чередование скорости подачи между по меньшей мере скоростью B медленной подачи и скоростью B быстрой подачи. Точнее, скорость B(k') подачи при регулировании задавали равной скорости B быстрой подачи, если скорость P(k') изменения электрического сопротивления электролизера превышала контрольное значение P изменения, и задавали равной скорости B медленной подачи, когда скорость B быстрой подачи применялась до этого в течение установленного периода времени.
s
f
s
f
Электролизеры сначала работали в соответствии со способом регулирования питания глиноземом, которым использовалось чередование между скоростью B медленной подачи и скоростью B быстрой подачи без какой-либо модуляции скорости B(k') подачи при регулировании. Другими словами, установленная скорость SR(k') подачи была равна скорости B(k') подачи при регулировании, которая чередовалась между скоростью B медленной подачи и скоростью B быстрой подачи без какого-либо коэффициента модуляции.
Способ был после этого модифицирован таким образом, чтобы включать в себя модуляцию скорости подачи согласно изобретению. Точнее, установленную скорость SR(k') подачи задавали равной M(k')×B(k'), где M(k') - заранее определенный коэффициент модуляции, который задавали равным заранее определенной функции от времени, когда одна или более возмущающих операций обслуживания были инициированы во время любого из конкретного числа периодов управления, предшествующих периоду k' управления, и задавали равным единице в ином случае.
o
g
g
g
o
o
1
2
3
1
2
3
В описанных ниже испытаниях коэффициент M(k') модуляции был аналогичен коэффициенту, показанному на Фигурах 7 и 8. Коэффициент M(k') модуляции был одним и тем же для всех электролизеров. M был задан равным единице. Длительность Т периодов управления была равна 15 секундам. Пороговое число N периодов управления было выбрано так, что N×Т=6 часов для операций замены анода и для восстановлений защитного слоя и N×Т=3 часа для операций выпуска металла. Минимальное значение M×F(= M, M или M) было задано равным 0,91 для операций замены анода АС (т.е. M) и для восстановления защитного слоя LR (т.е. M) и задано равным 0,98 для операций выпуска металла МТ (т.е. M).
o
a
j
d
g
o
j
j
j
j
j
Способ дополнительно был модифицирован так, чтобы включать в себя корректировку скорости B базовой подачи согласно изобретению. Конкретное число N контрольных периодов A было равным 6, а конкретное число N периодов управления было равным N. Скорость B базовой подачи была задана равной сглаженному значению β эффективных скоростей B подачи, полученных для каждого из выбранных 6 контрольных периодов A, которые предшествовали периоду k' управления. Сглаженное значение β было серединным значением из 6 эффективных скоростей B подачи. Как показано на Фигуре 5(А), эти 6 контрольных периодов A представляли собой следующие друг за другом контрольные периоды, когда не имело место никаких возмущающих операций обслуживания во время контрольных периодов. Как показано на Фигуре 5(В), эти 6 контрольных периодов A были разбиты на две непрерывных группы, когда контрольные периоды перекрывали операцию обслуживания.
Испытание № 1
В течение двух лет с использованием описанного выше способа эксплуатировали серию из трех опытных электролизеров, которые были "разогнаны" до примерно 500 кА. Отношение силы тока к весу электролита составляло 62,5 кА/тонну. Электролизеры были оборудованы устройствами подачи глинозема.
s
f
s
f
Электролизеры работали с использованием стандартного способа регулирования питания глиноземом, содержащего скорость B медленной подачи и скорость B быстрой подачи. Скорость медленной подачи была примерно на 25% ниже средней потребности электролизеров (т.е. K=0,75), а скорость быстрой подачи была примерно на 25% выше средней потребности электролизеров (т.е. K=1,25).
Средняя частота анодных эффектов оказалась составляющей примерно 0,1 анодный эффект на электролизер в день (АЭ/электролизер/день).
Затем скорость подачи глинозема была модифицирована, как подробно описано выше, чтобы ввести механизм модуляции согласно изобретению, при сохранении скорости медленной подачи на уровне примерно на 25% ниже средней потребности электролизеров и скорости быстрой подачи на уровне примерно на 25% выше средней потребности электролизеров. Механизм модуляции учитывал влияние операций замены анода и операций выпуска металла.
Тогда средняя частота анодных эффектов оказалось быстро снижающейся до значений ниже 0,01 АЭ/электролизер/день. Кроме того, результаты продемонстрировали интервал времени в 179 дней без какого-либо анодного эффекта, что соответствует частоте анодных эффектов, равной 0,006 АЭ/электролизер/день.
Испытание № 2
s
f
Группу из 120 электролизеров АР30 эксплуатировали в соответствии со стандартным способом регулирования питания глиноземом, в котором использовались скорость B медленной подачи и скорость B быстрой подачи. Электролизеры были оборудованы устройствами подачи глинозема. Скорость медленной подачи была примерно на 25% ниже средней потребности электролизеров, а скорость быстрой подачи была примерно на 25% выше средней потребности электролизеров.
Сила тока составляла 320 кА. Отношение силы тока к весу электролита составляло 50 кА/тонну.
Затем скорость подачи глинозема была модифицирована, как подробно описано выше, чтобы ввести механизм модуляции согласно изобретению, при сохранении скорости медленной подачи на уровне примерно на 25% ниже средней потребности электролизеров и скорости быстрой подачи на уровне примерно на 25% выше средней потребности электролизеров. Механизм модуляции учитывал влияние операций замены анода и операций выпуска металла.
В обеих ситуациях определяли и регистрировали соответствующую эффективную скорость недостаточного питания во время невозмущенных периодов и во время возмущенных периодов для каждого электролизера.
Это испытание выявило, что эффективные скорости недостаточного питания были довольно одинаковыми от электролизера к электролизеру во время невозмущенных периодов, но значительно менялись от электролизера к электролизеру во время возмущенных периодов. Реализация на практике механизма модуляции согласно изобретению значительно снизила среднее отклонение скоростей недостаточного питания во время возмущенных периодов (среднее отклонение сместилось от значения примерно 12% к значению примерно 6%).
Испытание далее продемонстрировало, что базовое расходование глинозема электролизерами, которое было определено во время невозмущенных периодов, сильно менялось от электролизера к электролизеру и что механизм корректировки скорости B(k') подачи при регулировании согласно изобретению позволяет учесть конкретные потребности каждого электролизера.
Испытание № 3
Из серии электролизеров АР30 завода по производству алюминия выбрали группу из 140 электролизеров для испытания, которое длилось несколько месяцев. Электролизеры содержали устройства подачи глинозема. Средняя сила тока, протекавшего в электролизерах, составляла примерно 355 кА. Отношение силы тока к весу электролита составляло 55 кА/тонну.
s
f
f
o
Скорость B медленной подачи была примерно на 30% ниже средней потребности электролизеров, а скорость B быстрой подачи была примерно на 30% выше средней потребности электролизеров. Конкретный период времени для применения скорости B быстрой подачи был равен 1500 секундам. Электрический параметр ЕР был выражен сопротивлением электролизера, а контрольное значение P его изменения было задано равным 63 пкОм/с.
s
f
Электролизеры сначала работали в соответствии со способом регулирования питания глиноземом, в котором использовалось чередование между скоростью B медленной подачи и скоростью B быстрой подачи без какой-либо модуляции скорости B(k') подачи при регулировании.
Затем группа из 140 электролизеров была разделена на первую подгруппу и вторую подгруппу. Каждая подгруппа включала 70 электролизеров. Электролизеры первой подгруппы «переплетали» с электролизерами второй подгруппы так, чтобы сделать две подгруппы в основном эквивалентными (точнее, каждый второй электролизер был назначен во вторую подгруппу).
Способ регулирования первой подгруппы был сохранен неизменным.
Способ регулирования второй подгруппы был модифицирован так, чтобы он включал модуляцию скорости подачи согласно изобретению, как подробно описано выше.
Для всех электролизеров группы возникновение анодных эффектов, силу тока, количества добавляемого в электролизеры глинозема, количество произведенного электролизерами алюминия и выход по току определяли и регистрировали с течением времени до и после модификации способа регулирования во второй подгруппе электролизеров. Период времени до модификации (далее называемый "первым периодом времени") длился примерно 6 месяцев до модификации способа регулирования во второй подгруппе электролизеров, а период времени после модификации (далее называемый "вторым периодом времени") длился примерно 4 месяца после того, как способ регулирования был модифицирован и полностью реализован согласно изобретению во второй подгруппе электролизеров.
Результаты, полученные для электролизеров до и после модификации способа регулирования, были проанализированы статистически для того, чтобы уменьшить влияние внешних возмущений, таких как изменения в окружающей температуре вокруг электролизеров и периоды образования углеродной пыли. Статистический анализ показал, что:
Средняя частота возникновения анодных эффектов, полученная во второй подгруппе электролизеров за второй период времени, была на 45% ниже, чем в полной первоначальной группе электролизеров за первый период времени. Средний выход по току во второй подгруппе электролизеров за второй период времени был на 0,47% выше, чем в первой подгруппе электролизеров за тот же период времени, и на 0,43% выше, чем в полной первоначальной группе электролизеров за первый период времени. Следовательно, реализация на практике способа регулирования согласно изобретению значительно снизила частоту возникновения анодных эффектов и одновременно значительно увеличила выход по току.
s
s
До модификации способа регулирования второй подгруппы средняя эффективная скорость недостаточного питания постепенно сместилась от максимума, составлявшего примерно на 7,5% ниже выбранной скорости B медленной подачи (т.е. -22,5%) вскоре после замены анода, до значения на между 1% и 3% ниже примененной скорости B медленной подачи (т.е. между -28% и -29%) через 12 часов после замены анода, с колебаниями порядка 1% из-за других событий, таких как операции выпуска металла. Таким образом, по сравнению с заданным значением на 30% ниже средней потребности электролизеров, средняя эффективная скорость недостаточного питания количественно соответствовала отклонению, которое постепенно сместилось от примерно 25% (т.е. 7,5%/30%) до между примерно 3% и 10% (1%/30% и 3%/30%) со средним значением 8% для всего цикла замены анода в целом.
s
s
После модификации способа регулирования второй подгруппы коррекция, обусловленная модуляцией скорости B(k') подачи при регулировании, постепенно сместилась от максимума, составлявшего примерно на 6,5% ниже выбранной скорости B медленной подачи (т.е. -23,5%) вскоре после замены анода, до значения на между 0,5% и 2% ниже примененной скорости B медленной подачи (т.е. между -28% и -29,5%) через 10 часов после замены анода, с колебаниями менее 0,5%. По сравнению с заданным значением на 30% ниже средней потребности электролизеров, коррекция привела к уменьшению отклонения до значений менее 7% (т.е. 2%/30%) со средним значением 2% для всего цикла замены анода в целом.
До модификации способа регулирования второй подгруппы стандартное отклонение в разбросе эффективной скорости недостаточного питания в этой подгруппе было равно примерно 2%. Таким образом, 95% электролизеров показали эффективную скорость недостаточного питания, которая находилась в пределах ±4% от средней эффективной скорости недостаточного питания второй подгруппы электролизеров. Это количественно соответствовало колебаниям от электролизера к электролизеру, составлявшим примерно ±13% (т.е. ±4%/30%).
o
После модификации способа регулирования второй подгруппы коррекция скорости подачи в каждом электролизере второй подгруппы, обусловленная индивидуальной корректировкой скорости B базовой подачи, снизила стандартное отклонение до примерно 0,9%, что количественно соответствовало колебаниям от электролизера к электролизеру, составлявшим примерно ±6% (т.е. ±1,8%/30%).
o
Следовательно, коррекция, обусловленная модуляцией скорости B(k') подачи при регулировании, доминирует для всех электролизеров при последействии замены анода, в то время как коррекция, обусловленная индивидуальной корректировкой скорости B базовой подачи, позволяет уменьшить число выпадающих из общей картины электролизеров.
Ссылочные обозначения
1 Электролизер
2 Электролизная ванна
3 Кожух
4, 4' Огнеупорный материал
5 Катодный узел
6 Токоотводящий стержень
7 Электролитическая ванна
8 Подушка жидкого алюминия
9 Защитный слой
10, 10' Аноды
11, 11' Анодная штанга
12, 12' Анодная балка
13 Отверстие
20 Устройство подачи (питатель)
30 Бункер
31 Резервуар
32 Желоб или лоток
33 Дозатор
34 Первый привод
40 Разрушитель корки
41 Пробойник
42 Второй привод