鋁電解過程優化控制的思考

（廣西來賓銀海鋁業有限責任公司，廣西 來賓 546135）

1 鋁電解的過程

1.1 鋁電解工藝的基本原理

當前情況下，霍爾-埃魯特法仍然是鋁電解生產行業中的常用方法。換句話來說，就是采用高溫電解冰晶石的方法來制鋁。在鋁電解的過程中，電解槽長期工作在溫度較高，磁場較強，電流與腐蝕性均較強的環境中。在這個電解槽中，溶劑為熔融狀態的冰晶石，溶質為氧化鋁。陽極為碳素材料，陰極為鋁液[1]。在電解槽中通入直流電，使其溫度始終控制在一個范圍內，此時，電解槽內將會發生復雜的化學反應。其中，陽極會產生二氧化碳氣體，一氧化碳氣體等污染性氣體，還會生成較多的粉塵，污染了環境。陰極的產物為液態的金屬鋁。經過一系列變化，最后被澆筑成鋁錠。據調查顯示，每生產1噸鋁，將會向大氣中排放1500立方米的污染性氣體，消耗500千克的能量，由此可見，鋁電解的生產過程是一個高耗能，高污染的行業[2]。

1.2 鋁電解工藝的操作流程

在鋁電解的生產過程中，氧化鋁的濃度以及電解的溫度都無法進行直接的測量，因此，若想得到一個標準的參數值，就應當從電解槽的電流參數中來獲取。在整個鋁電解的過程中，主要用到的材料有冰晶石、碳陽極、以及氧化鋁等。其中，碳作為陽極，在陽極反應中，主要產生的是二氧化碳氣體。氧化鋁在反應的過程中是關鍵的材料。制作過程中，主要用到的方法為拜耳法。

1.3 鋁電解槽的結構

（1）陽極炭塊組。陽極炭塊組主要由三個部分組成，這三個部分分別為：鋼爪，陽極炭塊，以及鋁導桿。這三個部分中，最重要的就是鋁導桿，它對陽極的母線起到了固定的作用。陽極炭塊主要分為三種。在電解槽內，如果電流變大，那么，陽極的電流密度將變小。若想使電解槽中能生產出更多的鋁，就應當使用較低的電耗進行生產。

（2）碳陰極。在鋁的電解過程中，陰極主要是一種容器，用來盛放熔融狀態下的電解液。陰極主要由四個部分構成，分別為：陰極導電棒，邊部炭塊，碳素內襯以及底部炭塊等。在底部炭塊下，應當放置耐火材料。碳陰極還有一個重要的作用，那就是傳導電流。

（3）側壁。在陽極的鋁電解槽中，側壁是一個重要的組成部分。側壁的組成材料與炭塊的相同，在生產的過程中，側壁應當具有良好的導熱性和絕緣性，在整個電解過程中，側壁主要起到了保護層的作用。

（4）槽殼與導電母線。在鋁的電解過程中，電解槽的槽殼與導電母線之間相互串聯，在電解槽進行通電時，直流電由導電母線傳輸到槽殼中。

2 鋁電解過程優化控制的思考

2.1 行為策略法

（1）拆裂與分塊建模。行為策略法主要分為幾個方面的內容，分別為：連接、拆裂、以及分塊建模。其中，“拆裂”主要在互關聯結構中進行。“分塊建模”主要確定了模塊的方程以及模塊的變量配置。“鏈接”主要約束了互關聯結構。

行為策略法主要由幾個要素組成，這些要素分別為：模塊，端子，互關聯結構，以及顯變量配置等。其中，端子依據鋁電解的類型來決定。端子的類型表明了端子的變量屬性。在模塊中，含有較小數量的端子以及約束端子變量“行為”的系統。在互關聯結構中，含有leaves圖，對這個系統進行建模時，應當充分考慮子系統的內部原則以及互相關聯的性質。在互關聯系統中，模塊的方程和互關聯的約束條件共同決定了“行為”方程。端子變量的“行為”由互關聯方程以及模塊方程來共同決定。并對其進行表述。在整個行為策略法系統中，“全行為”主要由整個系統中的互關聯約束條件，模塊方程以及顯變量控制來共同決定。在行為策略中，受到基本原則的約束，使互關聯層次更趨于標準化以及簡單化，通過模塊來代替模型，去除了模型的復雜性。

（2）互關聯控制。從“行為”的角度來思考問題，對一個系統進行控制，我們稱之為，限制這個系統的“行為”。換句話說，就是將一個系統與一個控制器相關聯。在對系統“行為”的控制中整個被控制的系統中包含兩方面的端子集合體系。其一，端子集合所對應的被控制量；其二，端子集合所對應的控制變量。所謂的控制器，指的是約束變量“行為”的控制系統。在這整個體系中，存在的核心問題是被控變量的“行為”。

2.2 鏈系統控制法

鏈系控制法在鋁電解的優化過程中占有重要的地位。此種方法能解決非常多的為題，包括：非線性系統控制問題，大滯后系統控制問題，多變量系統控制問題等。此種方法為這些問題提供了一個新的思路。無論是在電力行業，還是在化工行業，幾乎在所有的領域中都能將這些領域抽象化的展現出鏈結構模型。在整個系統中，每一個環節中都有不同程度的時滯現象出現。這種時滯現象對整個系統中的變量有著不同程度的影響。在整個系統中，每個環節都存在著程度不同的非線性特性。這種特性為系統的分析與設計都帶來了巨大的困難。這時，應當充分利用系統中的因果鏈結構特性，在局部中分散控制策略。采用這種方法來對整個系統進行控制。將整個系統分為若干個部分，分別解決這些部分的滯后問題和約束問題，從而，解決整個系統中的實際問題。使鋁電解的生產效率有所提高。

2.3 電解溫度與鋁濃度之間的關聯

在鋁電解的整個生產過程中，鋁電解槽的能量平衡與物料平衡，相互影響著，相互作用著。從反應開始，一直到反應結束。整個過程中都應當對其給予高度的關注。從外在表現形式上來看，物料平衡主要體現在氧化鋁的濃度上，能量平衡主要體現在電解的溫度上。

首先，我們對氧化鋁的濃度關聯來進行分析：在鋁電解的過程中，每次投放的物料數量是一樣的，而決定投料數量多少的因素為投料時間間隔的長短。若在規定的時間內，投料的總次數增多，那么，在電解槽中形成的氧化鋁的濃度就會越大。若在規定的時間內，投料的次數減小，那么，在電解槽中形成的氧化鋁的濃度就會越小。在電解槽中，氧化鋁的濃度會隨著電解槽中的電壓變化而變化。在整個鋁電解的過程中，系統中的電流量，氧化鋁的溶解速度，以及出鋁量和電解質的水平都具有互相關聯的特性。

其次，我們對電解的溫度關聯來進行分析：我們可以通過控制電解槽內的電壓來控制鋁電解過程中產生能量的大小。進一步來控制電解的溫度。在整個過程中，系統中的電流量，氧化鋁的溶解速度，以及出鋁量和電解質的水平都具有互相關聯的特性。

3 結語

鋁電解的過程是一個非常復雜的過程，其中有著非常多的物理變化以及化學反映。各種數據相互制約著，本篇文章主要分析了其中的兩個方面，其一，是氧化鋁的濃度，其二，是電解的溫度，并制定出優化控制的措施，以提高鋁電解過程中的生產效率，以及推動節能減排事業的發展。

[1]鈕因健.大力推進鋁電解工業第二次科技創新[J].新材料產業,2016(08):17-20.

[2]盧松濤.重金屬冶煉自動化現狀與發展[J].有色冶金設計與研究,2016(04):21-27+33.