Управление энергетическим режимом электролизеров для производства алюминия

УДК 621.879

УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ

© И.А. Сысоев1, В.А. Ершов2, В.В. Кондратьев3

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Дан краткий анализ возможных подходов к регулированию энергетического режима электролизеров и состава электролита. Приведены результаты исследований влияния различных факторов на температурные характеристики электролитов при производстве алюминия. Целью выполненной работы было определение оптимальных параметров и создание алгоритма управления энергетическим режимом электролизеров путем контроля и автоматического поддержания в заданных пределах рабочего напряжения и структуры температур электролита. Результаты работы можно использовать при разработке и внедрении технологии автоматизированного управления электролизеров для получения алюминия. Ил. 6. Табл. 1. Библиогр. 10 назв.

Ключевые слова: электролизер; алюминий; электролит; температура; напряжение; ток; электроэнергия; управление энергетическим режимом.

CONTROLLING ELECTROLYZER ENERGY REGIME FOR ALUMINUM PRODUCTION I.A. Sysoev, V.A. Ershov, V.V. Kondratyev

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.

The article briefly analyzes possible approaches to control the energy regime of electrolyzers and the electrolyte composition. The authors study the effects of various factors on the electrolyte thermal response when producing aluminum. The work objective is to determine optimal parameters and create an algorithm to control the energy regime of electrolyzers by monitoring and automated maintaining of the operation voltage and the electrolyte temperature structure within the specified limits. The study results can be used in developing and implementing the technology of electrolyzer automated control for aluminum production. 6 figures. 1 table. 10 sources.

Key words: electrolyzer; aluminum; electrolyte; temperature; voltage; current; electric power; controlling energy regime.

Электролитическое получение алюминия - один из наиболее энергоемких промышленных процессов. Например, для получения одной тонны алюминия методом Эру-Холла в зависимости от типа электролизера требуется затратить 13,2-16,0 тыс. кВт*час электроэнергии. На сегодняшний день развитие отечественной алюминиевой промышленности происходит в двух направлениях: модернизация действующего производства и строительство новых заводов, укомплектованных самым передовым оборудованием и отвечающих современным требованиям экологии, безопасности труда и эффективности, таких как Хакасский алюминиевый завод и пятая серия Иркутского алюминиевого завода. В связи с ужесточением требований к энерго- и ресурсосбережению, актуальными являются исследования по созданию энергосберегающей технологии получения алюминия.

В статье дан краткий анализ возможных подходов к регулированию энергетического режима электролизеров и состава электролита, рассматривается опыт создания и использования алгоритма управления

энергорежимом электролизеров для увеличения технико-экономических показателей электролиза алюминия, базирующегося на типовом производственном оборудовании.

В настоящее время в мировой практике для контроля и управления энергетическим режимом электролизера используются разные подходы. Одни основаны на поддержании необходимой величины криоли-тового отношения [8]. Другие регулируют содержание фтористого алюминия в электролите, используя алгоритм по принципу «й^у-логики» [7]. На некоторых предприятиях инженерно-технический персонал самостоятельно разрабатывает стратегию управления энергетическим состоянием электролизеров. Обзор контролируемых параметров процесса представлен в [6].

Для управления энергорежимом электролизера компанией «РесЫпеу» разработано устройство автоматического измерения температуры и уровня электролита [5]. Основными техническими преимуществами этой системы являются:

1Сысоев Иван Алексеевич, магистрант, тел.: (3952) 405769, e-mail: Ivansys@istu.edu Sysoev Ivan, undergraduate, tel.: (3952) 405769, е-mail: Ivansys@istu.edu

2Ершов Владимир Александрович, магистрант, тел.: (3952) 405519, е-mail: V.ershov@mail.ru Ershov Vladimir, undergraduate, tel.: (3952) 405519, е-mail: V.ershov@mail.ru

3Кондратьев Виктор Викторович, кандидат технических наук, начальник отдела инновационных технологий, тел.: (3952) 405906, е-mail: Kvv@istu.edu

Kondratyev Victor, Candidate of technical sciences, Head of the Department of Innovative Technologies, tel.: (3952) 405906, е-mail: Kvv@istu.edu

- возможность выбирать время и ситуацию проведения измерений;

- возможность увеличения частоты измерений, что позволяет улучшить статистическую обработку для минимизации отклонения расчетных значений от фактических;

- повышение точности результатов в сравнении с измерениями вручную.

К недостаткам устройства относят налипание электролита на рабочий орган устройства, что, в свою очередь, повышает трудозатраты на обслуживание и со временем приводит к искажению измеренных значений температур электролита и концентрации фтористого алюминия.

В настоящее время на большинстве российских алюминиевых заводов управление процессом сводится к корректировке химического состава электролита с целью поддержания заданного криолитового отношения. На некоторых заводах разрабатываются и внедряются программы управления на основе сведений о химическом составе электролита и температуры ликвидус.

Известна программа управлением электролизера, основанная на регулярных измерениях температуры ликвидуса электролита прибором МИТЭЛИК. За основу алгоритма управления принята концепция применения «fuzzy-логики» [1]. Недостатками являются невысокий срок службы самих термопар и низкая воспроизводимость измеренных значений температур в сравнении с термопарами «Cry-O-Therm». Измерительный комплекс «Cry-O-Therm» фирмы «Heraeus Electro-Nite» считается наиболее достоверным и оперативным способом определения температуры его расплава и температуры плавления.

За рубежом для управлением энергетическим режимом используется программа «9-box» фирмы «Heraeus Electro-Nite». Ключевым моментом алгоритма является определение температуры ликвидуса и перегрева с помощью высокоточных одноразовых термопар «Cry-O-Therm». Данная система контроля внедрена уже в течение длительного времени на зарубежных заводах Trimet Essen, Германия; Kubal Sundsvall, Швеция; Corus Delfzijl, Нидерланды, а также Henan Shenhuo, КНДР и др. Новая концепция управления процессом электролиза базируется на следующих положениях:

- контроль «кислотности» ванны основывается на измерении температуры ликвидус термопарами системы «Cry-O-Therm» без определения химического состава электролита; изменение добавки фтористого алюминия не регулируется по криолитовому отношению, а производится в том случае, когда фактическая температура ликвидус отличается от целевого значения;

- контроль над структурой температур электролита основывается на величине перегрева, а не на рабочей температуре. Рабочая температура изменяется лишь тогда, когда будет определено предельное ее значение по отношению к целевому значению.

В [9] представлен опыт применения вышеуказанной методики управления. Внедрение данной техноло-

гии управления, по сообщению авторов, привело к увеличению выхода по току на 1%, снижению расхода электроэнергии на 0,6 кВч/кг Al.

Основным недостатком данной концепции управления является высокая стоимость одноразовых термопар, что препятствует серийному применению на российских алюминиевых заводах. В связи с этим, в отечественной практике термопары используются в основном для оперативной диагностики теплового режима работы электролизера, а также для проведения научных исследований.

Таким образом, согласно представленным литературным данным, актуальным остается вопрос разработки малозатратного и эффективного способа управления энергетическим режимом работы электролизера. Перспективным направлением в управлении энергорежимом электролизера, по нашему мнению, является использование температуры ликвидус, полученной расчетным способом, т.к. данный метод более прост и не требует материальных затрат.

Известно, что энергетический режим каждой ванны индивидуален и зависит от многих параметров: типа и конструкции электролизера, срока его службы, формы рабочего пространства (ФРП) и влияния технологических факторов. При этом химический состав электролита, определяющий температуру ликвидус и перегрев, в свою очередь, зависит от выбранных алгоритмов управления химической композицией расплава с помощью автоматизированных систем подачи фтористого алюминия и глинозема [2; 3].

Перегрев электролита (TSH - от англ. «superheat» - перегрев) определяется разностью между температурой процесса (TW) и температурой ликвидус (TL) или его кристаллизации:

Tsh= Tw - Tl.

Известно, что правильно подобранная температура электролита и величина пе-регрева являются важными составляющими стабильности энергетического режима электролизера. Если температура электролита опустится ниже заданного предела, то снизится растворимость глинозема. Если температура электролита становится слишком высокой, то возникают другие отрицательные последствия - снижается выход по току, уменьшается толщина корки электролита. Слишком высокий перегрев вызывает расплавление бортового гарнисажа и настыли, вследствие чего может произойти изменение химического состава и объема электролита, а материал бортовой футеровки способен подвергаться коррозии электролитом. Недостаточная температура перегрева снижает растворимость глинозема, что становится причиной образования осадка, повышает удельное электросопротивление электролита, вызывает увеличение гарнисажа, образование на катоде электролизера настыли, способствующей появлению горизонтальных токов, усложняются операции по обслуживанию электролизера, например, по замене анодов, вследствие более твердой корки электролита, а также происходит изменение объема и химического состава электролита. Из вышесказанного следует, что в случае стабилизации оптимальных целевых значений структуры температур

в границах заданного уровня и снижения их отклонения от цели, удастся свести к минимуму термическую нагрузку на теплоотдающие элементы катодного кожуха, создать оптимальную ФРП, уменьшить потери фтористых солей, улучшить растворимость глинозема и образование глиноземного осадка на подине электролизера, при этом увеличить выход по току и снизить расход электроэнергии.

Авторами данной работы был разработан собственный алгоритм управления энергорежимом электролизера, учитывающий вышеперечисленные факторы и основанный на оценке температурного режима электролизера путем ежедневных измерений рабочей температуры электролита и определении перегрева и температуры ликвидуса расчетным способом путем регулярного химического анализа проб электролита.

С целью построения корреляционных зависимостей использовалось изучение влияния криолитового отношения, выражающего величину мольного отношения фторида натрия к фториду алюминия (в зарубежной практике - избыток AlF3 (%)), концентрации MgF2 и CaF2. Дополнительный анализ показал, что концентрация фторида лития, попадающего в электролит с сырьем, величина условно постоянная. Анализ проб электролита проводился рентгенофлуорес-центным спектрометром ARL9800 TAXA. Всего было проведено более 1000 анализов проб электролита, которые отбирались совместно с определением рабочей температуры электролита, температуры ликвидус и перегрева с помощью системы «Cry-O-Therm» фирмы «Heraeus Electro-Nite». На рис. 1, 2 представлены термопары (зонды) системы и регистрирующий прибор «Multi-Lab-2». Датчик «Cry-O-Therm» представляет собой зонд из калиброванной Pt-Pt10%Rh термопары, заключенной в защитный V-образный кварцевый наконечник в керамическом корпусе, окруженном защитной картонной трубкой. Температура ликвидус определяется системой методом дифференциального термического анализа посредством измерения термо-ЭДС.

С помощью метода регрессионного анализа была определена следующая зависимость:

Tl = 863,2 + 49,2 * КО - 3,6 * CaF2 - 3,8 * MgF2,

где KO - криолитовое отношение, дол.ед; CaF2, MgF2 - экспериментально определенные содержания фтористого кальция и магния в электролите, %.

Рис. 1. Термопара «Cry-O-Therm»

Рис. 2. Регистрирующий прибор «Multi-Lab-2»

Хотя выражение (2) намного проще зависимости (3), например предложенной группой исследователей [9]:

и =1011 - 0,072(%AlF3) + 0,0051(%AlF3) + 0,14(%AlF3) -10%(.Щ = 0,736(%LiF) +

0.063.

тем не менее, оно с высокой степенью достоверности повторяет значения температуры ликвидуса, полученные с помощью зондов «Сгу-0-Т11егт». Это обусловлено тем, что используемые в нем коэффициенты выведены на основе данных одной лаборатории для одного типа ванн и изменяющихся в составе электролита в узком диапазоне концентраций.

С целью проведения дальнейших исследований были выполнены эксперименты по определению степени влияния на структуру температур (рабочую, ликвидуса и перегрева) электролита технологических факторов: варьирования рабочего напряжения, анодных эффектов, а также операций «выливка металла» и «перестановка анодов». Подробно методика проведения экспериментов описана в [4].

По результатам проведенных исследований были сделаны следующие выводы:

1. Было установлено, что электролизеры имеют достаточный запас тепловой стабильности. При отработанном алгоритме смены уставок АПГ электролизер за период проведения измерений имеет низкие пределы колебаний величины перегрева (обычный уровень - 5+6°С). Однако было определено, что разовый отбор пробы электролита не является точной характеристикой средней концентрации глинозема, например, в течение суток. Поэтому, при разработке и применении формулы расчета температуры ликвидуса условно принималась средняя концентрация глинозема за весь период проведения испытаний. Это позволило устранить недостатки одномоментного измерения температуры ликвидуса зондом «Сгу-0-Т11егт».

2. Выведены уравнения, описывающие динамику изменения температуры лик-видус и перегрева при изменении величины уставочного напряжения. Определено, что при увеличении напряжения на 100 мВ температура электролита повышается на 7,9°С, величина перегрева повышается на 5,14°С. При снижении напряжения на 100 мВ температура электролита снижается на 9,2°С, величина перегрева - на 3,5°С.

5. Установлено, что в зависимости от различных технологических факторов, время, которое требуется

электролизеру для возвращения температур к первоначальному уровню, может составлять от 2 до 5 часов. Установлено, что замена анодов в большей степени влияет на снижение температуры ликвидус, чем на рабочую температуру, что объясняется компенсацией потерь тепла за счет вольт-добавки к уставочно-му напряжению.

6. Установлено, что время от начала выполнения операции «выливка металла» до возращения температуры электролита в исходное состояние составляет от 1,5 до 4 часов. При этом изменение температуры электролита незначительно, поэтому увеличения напряжения при выливке не требуется.

7. Установлено, что при возникновении анодного эффекта температура электролита восстанавливается за 2,5-3 часа, температура ликвидус - за 0,5-1,5 часа, в зависимости от исходного перегрева электролита.

8. Было определено, что время между операцией «замена анодов» и проведением измерения перегрева электролита зондом «Сгу-0-Т11егт» должно составлять не менее 8 часов. Замеры должны проходить спустя 3 часа после возникновения анодного эффекта либо операции «выливка металла».

С целью дальнейшей интенсификации процесса и поддержания оптимального энергетического режима было принято решение о разработке алгоритма и внедрении программы автоматизированного управления энергетическим режимом электролизеров по структуре температур (электролита, ликвидуса и перегреву).

Важной особенностью алгоритма является поддержание структуры температур электролита с использованием следующих правил:

1. Температура ликвидус рассчитывается по выражению (2):

Т1 = 863,2 + 49,2 * КО - 3,6 * ОвР2 -3,8 * МдР2.

2. Приведенное значение температуры ликвидуса рассчитывается по выражению (1), но с использованием значения криолитового отношения, выбранного в качестве целевого (КОВА5Е):

Т0 = 863,2 + 49,2 * КОВА5Е - 3,6 * ОэР2 -3,8 * МдР2,

где Тца - приведенная к целевому значению КО температура ликвидуса, °С; КОВА5Е - целевое значение криолитового отношения, дол. Ед.

3. Приведенное значение рабочей температуры рассчитывается с использованием базового значения перегрева по формуле

Тт = Т10 + Тзн.

где Ти0 - приведенная к целевому значению КО рабочая температура, °С; Тэн - температура перегрева, °С.

После определения входных данных с помощью вышеуказанных правил, управление по программе осуществляется на основе разработанного алгоритма «36-блочной матрицы». В графическом виде «матрица» представляет собой квадрат, разбитый на 9 основных блоков (рис. 3). В свою очередь, каждая ячейка разбита на 4 подблока (итого 36 ячеек), которым соответствует определенный диапазон температур.

Управляющее воздействие каждого подблока различается по степени удаления от центральной точки «Ь> по системе из 36 правил. Кроме того, рекомендации дополнительно корректируются в зависимости от вторичных факторов (например, наличия нештатных ситуаций или изменения порции фтористого алюминия в дозаторе фторсолей).

Рис. 3. Графическая схема алгоритма управления энергорежимом

Важнейшей отличительной особенностью алгоритма является то, что выбор целевых значений рабочей температуры и ликвидуса происходит каждый раз при анализе пробы электролита на химический состав. Таким образом, чем чаще производится отбор проб, тем с большей долей вероятности исключен фактор негативного влияния резкого изменения концентрации химических компонентов электролита (например роста содержания кальция), которые могут искажать выбранные целевые значения рабочей температуры и ликвидуса. Это позволяет не использовать проведение дополнительных измерений для корректировки уставочных переменных, а также снизить влияние человеческого фактора при их субъективном определении.

Одним из достоинств разработанного алгоритма является применение приведенных к базовому крио-литовому отношению значений структуры температур, что позволяет поддерживать низкие значения стандартного отклонения криолитового отношения.

Преимуществом алгоритма является неограниченная база данных и возможность его быстрой модификации, т.к. программа реализована на программном языке Visual Basic в оболочке пакета Microsoft Office «Excel».

Для внедрения предложенного алгоритма на производстве было разработано компьютерное приложение в среде Excell. Уставочные параметры, ежедневно вводимые значения и полученные результаты хранятся на листах Excell в форме таблиц. Сама программа написана на языке Visual Basic. На рис. 4 представлена форма для ежедневного ввода значений и получения результатов.

На основании данных о температурном режиме программа управления, установленная на технологи-

Рис. 4. Рабочая форма программы управления энергорежимом электролизеров

ческий компьютер, выдает рекомендации по поддержанию заданного перегрева изменением на электролизерах рабочего напряжения и ежесуточной дозы фтористого алюминия. Рекомендации программы применялись на двух опытных электролизерах в течение 3-х месяцев.

Известно, что ряд анализируемых признаков может указывать на нарушение стабильного теплового режима электролизера. Например, температурный режим электролизера должен обеспечивать наличие гарнисажа достаточной толщины (5-10 см), крутопадающий профиль настыли, не заходящей под анод, и приемлемую температуру бортовой стенки катодного кожуха, не превышающую 300-350оС. Для оценки влияния применения программы управления энергетическим режимом электролизера были проведены измерения ФРП и температур поверхности верхнего пояса электролизеров.

На рис. 5, 6 представлен средний профиль ФРП опытного электролизера до и соответственно после применения программы управления энергорежимом. Из рисунков следует, что толщина гарнисажа в начале испытаний составила до 2-3 см. По истечении 3 месяцев, несмотря на общее увеличение температуры окружающей среды на 12оС, толщина гарнисажа составила 5-7 см.

Рис. 6. ФРП опытного электролизера после применения программы управления

В таблице приведены средние значения температуры верхнего пояса катодного пояса.

Из таблицы следует, что поддержание заданного значения перегрева обеспечивает толщину гарнисажа близкую к оптимальному значению, а также снижение температур внешней стенки входной и выходной стороны (по ходу тока) электролизера.

Заключение. Определение температуры ликвидус расчетным способом является малозатратным и позволяет контролировать химическую композицию электролита с целью устранения резкого изменения его состава.

Первые испытания разработанного алгоритма и программы управления энергорежимом на опытных электролизерах показали положительные результаты. Основная задача по стабилизации перегрева электролита была успешно реализована. По данным замеров применение программы управления помогло оптимизировать форму рабочего пространства и обеспечить оптимальные тепловые параметры электролизеров: наличие гарнисажа достаточной толщины (около 5 см), крутопадающий профиль настыли и приемлемую

температуру бортовой стенки катодного кожуха, не Рис. 5. ФРП опытного электролизера до применения гюевышающую 350оС программы управления р .

Температуры (°С) верхнего пояса катодного пояса опытных электролизеров

До применения программы После применения программы

№ п/п управления управления

Входная Выходная Среднее Входная Выходная Среднее

сторона сторона по сторонам сторона сторона по сторонам

1 311,9 331,6 321,8 312,2 315,5 313,8

2 318,1 328,1 323,1 292,6 315,4 304,0

Среднее 315,2 342,1 328,7 302,7 329,2 315,9

Для выявления влияния применения программы управления энергорежимом на технико-экономические показатели процесса необходимо проведение более длительных экспериментов на большей группе опытных электролизеров.

В перспективе планируется дополнительно оптимизировать алгоритм управления энергорежимом на основе результатов его внедрения, а также выявить оптимальный интервал изменения уставочных значений рабочей температуры и температуры ликвидус с целью уменьшения числа отбора проб электролита для химического анализа. Кроме того, существует необходимость дополнительного проведения регрес-

сионного анализа факторов, влияющих на температурный режим. Хотя в литературе имеются такие данные, целью планируемого исследования является их уточнение для конкретной группы ванн.

После проведения дополнительных исследований и сбора экспериментальных результатов, разработанная программа может внедряться на производстве для поддержания оптимального температурного режима электролизеров различных типов и конструкций. Алгоритм программы может быть совместим с установленными автоматизированными системами управления процессом электролиза, используемыми на действующем производстве.

Библиографический список

1. Управление технологией электролиза по перегреву электролита / А.И. Березин [и др.] // Конференция Алюминий Сибири. Иркутск, 2006.

2. Влияние коэффициентов фильтрации на достоверность прогноза изменения напряжения алюминиевого электролизера / В.А.Ершов [и др.] // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2010. №5. C.184-187.

3. Управление концентрацией глинозема в электролите при производстве алюминия / В.А.Ершов [и др.] // Металлург. 2011. №11. C. 96-101.

4. Исследование влияния технологических факторов на температурные характеристики электролитов при производстве алюминия / И.А.Сысоев [и др.] // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2010. №2. C.193-198.

5. Bonnardel, O., Homsi P. The Pechiney Semi-Continuous & Automatic Measurement Device (CMD), A New Tool For Auto-

matic Measurements // Light Metals. 1999. P.303-309.

6. McFadden F.J.S., Bearne G.P., Austin P.C., Welch B.J. Application of advanced procces control to aluminium reduction cells - a review // Light Metals 2001, p.1233.

7. Meghlaoui A., N. Aljabri. Aluminum Fluoride control Strategy Improvement // Light Metals 2003, p.425.

8. Paulino L., Yamamoto J., Camilli R.A., Araujo J.C. Bath ratio control improvements at Alcoa posos de caldas - Brazil // Light Metals 2005, p.419.

9. Rieck, T. Iffert M., White P., Rodrigo R., Kelchtermans R. Increased Current Efficiency and Energy Consumption at the TRITMENT Smelter Essen using 9 Box Matrix Control // Light Metals. 2003. P. .449-456.

10. Solheim, A., Rolseth, S., Skybakmoen, E., St0en, L., Sterten, A. and St0re, T. / Liquidus Temperature and Alumina Solubility in the System Na3AlF6-AlF3-LiF-CaF2-MgF2, // Light Metals 1995, 451-460.