氧化鋁下料控制系統的設計

胡榮頤 陳振勇 梁喬曉

一、氧化鋁生產方法

酸法，堿法和電路熔煉法都可以從鋁土礦中得到氧化鋁的方法。目前酸法和電路熔煉法生產氧化鋁在經濟上無法和堿法競爭，因此，在大規模工業生產氧化鋁當中使用的是堿法生產。

堿法生產氧化鋁又分為拜耳法、燒結法和聯合法三種工藝流程，下面將逐一介紹這三種方法的工藝流程。

二、堿法生產氧化鋁工藝介紹

2.1拜耳法：

生產氧化鋁的方法大致可以分為四類：堿法、酸法、酸堿聯合法與熱法。目前大多數工業生產采用的是堿法生產。堿法主要是拜耳法、燒結法和拜耳燒結聯合法等。

拜耳法的原理是基于氧化鋁在可興建溶液中溶解度的變化以及過氧化鈉溶液和溫度的關系。高溫和高濃度的鋁酸鈉溶液處于比較穩定的狀態，而在溫度和濃度降低時則自發分解析出氫氧化鋁沉淀，拜耳法便是建立在這樣性質的基礎上的。主要化學方程式

拜耳法生產氧化鋁的主要工序有原礦漿制備，高壓溶出，壓煮礦漿和稀釋及赤泥分離和洗滌，晶種分解，氫氧化鋁的分級與洗滌分解，氫氧化鋁焙燒，母液蒸發和蘇打茍性化。

2.1.1原礦漿制備。

首先將鋁土礦破碎到符合要求的粒度與含有游離的NaOH的循環母液按一定的比例配合一道送入濕磨內進行細磨，制成合格的原礦漿，并在礦漿槽內貯存和預熱。

2.1.2高壓溶出。

原礦漿經預熱后進入管道溶出器設備，在高壓下溶出。鋁土礦內所含氧化鋁溶解成鋁酸鈉進入溶液，而氧化鈦以及大部分的二氧化硅等雜質進入固相殘渣即赤泥中。溶出所得礦漿稱壓煮礦漿，經自蒸發器減壓降溫后送入緩沖槽。

2.1.3壓煮礦漿和稀釋及赤泥分離和洗滌。

壓煮礦漿含氧化鋁濃度高，為了便于赤泥沉降分離和下一步的晶種分解，首先加入赤泥洗液將壓煮礦漿進行稀釋（稱赤泥漿液），然后利用沉降槽進行赤泥與鋁酸鈉溶液的分離。分離后的赤泥經過幾次洗滌回收所含的附堿后排至赤泥場（國外有排入深海的），赤泥洗液用來稀釋下一批壓煮礦漿。

2.1.4晶種分解。

分離赤泥后的鋁酸鈉溶液（生產上稱粗液）經過進上步過濾凈化后制得精液，經過熱交器冷卻到一定的溫度，在添加晶種的條伯下進行分解，結晶析出氫氧化鋁。

2.1.5氫氧化鈉的分離與洗滌。

氫氧化鋁的分級與洗滌分解后所得氫氧化鋁漿液送去沉降分離，并按氧化鋁顆粒大小進行分級，細粒作晶種，粗粒經洗滌后送焙燒制得氧化鋁。分離氧氧化鋁后的種分母液和氫氧化鋁洗液（統稱母液）經熱交換器預熱后送去蒸發。

2.1.6氫氧化鋁焙燒。

氫氧化鋁含有部分附著水和結晶水，在回轉窯內經過高溫焙燒脫水并進行一系列的晶相轉變制得含有一定γ—Al2O3和α—Al2O3的產品氧化鋁。

2.1.7母液蒸發和蘇打苛性化。

預熱后的母液經蒸發器濃縮后得到合乎濃度要求的循環母液，補加NaOH后又返回濕磨，準備溶出下一批礦石。在母液蒸發過程中會有一部分Na2CO3·H2O與水溶解后加石灰進行苛化使之變成NaOH用來溶出下批鋁土礦。

2.1.8 電解產生原副材料

2.2原料：氧化鋁

氧化鋁是一種白色粉狀物，熔點為2050℃，沸點為3000℃，真密度為3.6g/cm3，假密度為1g/ cm3。它的流動性很好，不溶于水，能溶于冰晶石熔體中，它是鋁電解生產中的主原料。工業用氧化鋁是由氧化鋁廠從鋁礦石中提取出來的。通常要求氧化鋁具有吸水性小，活性大，粒度適宜，在電解質中溶解性好等，同時要求能夠嚴密地覆蓋陽極，以防止陽極暴露于空氣中被氧化，保溫性能要。氧化鋁的物理性能可分為三類：砂狀、粉狀、和中間狀。

2.3副原料——氟化鹽

鋁電解生產中所用氟化鹽主要是冰晶石和氟化鋁，其次有一些用來調整和改善電解質性質的添加劑，如氟化鈣、氟化鎂、氟化鈉和碳酸鈉。

（1）冰晶石：由于天然冰晶石在自然界中儲量很少，不能滿足工業之用，故鋁工業均采用人造冰晶石。

（2）氟化鋁：氟化鋁是一種添加劑，主要用于降低熔體的分子比，降低電解溫度，也是一種人工合成產品。

（3）氟化鈣：鋁工業常用的氟化鈣是一種天然礦石，用它作為添加劑以改善電解質的物理化學性質。

（4）氟化鎂：一種工業合成品，鋁電解質的一種重要的良好添加劑，其作用與氟化鈣相似，但在降低電解溫度、改善電解質性質方面比氟化鈣更為明顯。

（5）氟化鈉：一種添加劑，主要用于新槽開動初期調整分子比。

（6）碳酸鈉：電解質的添加劑之一，其作用與氟化鈉相同，用以提高電解質的分子比。由于碳酸鈉比氟化鈉更易溶解，價格低廉，所以在工業中多用碳酸鈉。

三、氧化鋁下料控制系統

根據工業上氧化鋁生產的技術和要求，對氧化鋁下料控制系統設計了以下方案。

在氧化鋁生產過程中，鍋爐溫度控制是氧化鋁生產質量的關鍵，而下料控制則是另一個關鍵。程焙燒爐是焙燒原料氫氧化鋁被高溫煅燒生成氧化鋁的場所。氫氧化鋁原料由小料倉投放，經過皮帶送入干燥器，經過三級預熱，進入焙燒爐。空氣由 ID 風機抽入，經過換熱過程（氧化鋁與空氣換熱達到冷卻目的）后，溫度升高，在焙燒爐下方與煤氣混合進入焙燒爐并燃燒產生大量熱，對氫氧化鋁進行焙燒，得到氧化鋁。產生的煙氣進入預熱段，經收塵器處理后外排，氧化鋁則往下進入冷卻段，最后由風動溜槽送入大倉進行存儲。

定義實時數據庫，使動畫組態窗口與生產設備連接起來，以完成生產過程的實時監測與控制。實時數據庫是MCGS工程的數據交換和數據處理中心，數據變量是構成實時數據庫的基本單元，建立實時數據庫的過程也是定義數據變量的過程。定義數據變量的內容主要包括指定變量名稱、類型、初始值和數值范圍，確定與數據變量存盤相關的參數。

四、下料時間間隔實時顯示

在氧化鋁實際生產過程中，由于現場生產環節的復雜性，且在參數之間也存在相互影響性，下料系統在履帶的作用往鍋爐離下料，是不可能獨立于其他參數而單一存在的，許多參數如溫度、電壓平等，都會通過影響下料速度的變化、機器等因素而間接影響下料系統的穩定性。為了更直觀的了解下料速度以及為了更有效的了解下料系統的穩定性，我們的控制界面中需設計參數與下料時間間隔實時曲線以及各參數變化趨勢。

五、槽電阻與下料速度的趨勢曲線

下料速度與電壓相關，而槽電壓與槽電阻密不可分。槽工作電壓，簡稱槽電壓，是指電解槽的進電端與出電端之間的電壓降。現代預焙槽的槽電壓一般在4.0～4.4V之間。在系列電流基本恒定的情況下，電解槽的電壓高低直接決定著電解槽的能量收入，因此，調整槽電壓是調整電解槽能量收入的最直接和最主要的手段。根據設計方案，我們采集實際工程中槽電壓及系列電流，通過電壓電流關系及安培定律可算得槽電阻，明確槽電壓與槽電阻之間的聯系。

下料系統在履帶的作用往鍋爐離下料，是不可能獨立于其他參數而單一存在的，許多參數如溫度、電壓平等，都會通過影響下料速度的變化、機器等因素而間接影響下料系統的穩定性。為了更直觀的了解下料速度以及為了更有效的了解下料系統的穩定性，我們的控制界面中需設計參數，槽電阻與下料速度的趨勢曲線以及各參數變化趨勢。

六、總結

氧化鋁下料控制系統主要是在軟件MCGS組態環境與運行環境找那個進行檢測界面和系統的設計，整個實訓大致完成了實訓任務。包括氧化鋁下料控制系統組態、下料間隔時間實時顯示、槽電阻與下料速度的趨勢曲線等。完成了實際生產過程中的控制監控任務。

參考文獻：

[1]氧化鋁工藝、電解鋁生產工藝、焙燒工段回路分析、焙燒工段介紹等.

[2]王再英、劉懷霞、陳毅靜.過程控制系統與儀表.

作者簡介：

胡榮頤，出生年月：1997、11、19，性別：男，民族：壯族，籍貫（精確到市）：廣西欽州，當前職務：學生，當前職稱：學生，學歷：本科，研究方向：過程控制.