基于數(shù)學(xué)模型的鋁電解槽動(dòng)態(tài)過程及其預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究.pdf

1、現(xiàn)代鋁電解槽普遍趨向于采用低電壓、低過熱度、低效應(yīng)系數(shù)的操作模式，這就對鋁電解槽的能量平衡與物料平衡控制提出了更高的要求。而當(dāng)前鋁電解過程的生產(chǎn)管理與控制過多地依靠專家經(jīng)驗(yàn)與控制算法，往往忽略鋁電解過程的動(dòng)態(tài)特性，因此已難以滿足對電解工藝過程實(shí)施精細(xì)控制的要求。而基于鋁電解槽動(dòng)態(tài)過程數(shù)學(xué)模型的控制理念則從機(jī)理上追蹤鋁電解過程，是鋁電解技術(shù)的重要發(fā)展方向。
　　 鋁電解過程具有能量與物料輸入-輸出不平衡的特征，因而具有動(dòng)態(tài)特性。本

2、文以某200kA電解槽為研究對象，在大量查閱中外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，深入分析了可能影響鋁電解槽能量平衡與物料平衡狀態(tài)的每一個(gè)過程，并分別建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而通過編程將這些分散的數(shù)學(xué)模型集成為軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對鋁電解槽槽況與發(fā)展趨勢的動(dòng)態(tài)預(yù)測。主要研究內(nèi)容與創(chuàng)新性成果如下：
　　 1)總結(jié)了鋁電解槽電-熱平衡理論，詳細(xì)歸納了槽體輸入、輸出能量的理論計(jì)算方法；以某200kA鋁電解槽為研究對象，采用理論計(jì)算與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，建立

3、了其能量平衡的理論模型，確定了鋁電解槽內(nèi)的主要傳熱系數(shù)。研究了換極與下料操作對鋁電解槽能量與物料平衡的影響與傳熱不平衡造成的電解質(zhì)成分變化及其數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)歸納了各種電解質(zhì)損失及其數(shù)學(xué)模型。
　　 2)在總結(jié)氧化鋁溶解研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，深入討論了氧化鋁溶解過程及其溶解機(jī)理，針對氧化鋁溶解過程的復(fù)雜性以及影響因素眾多的特征，將氧化鋁溶解過程分成相對獨(dú)立的兩步進(jìn)行研究：建立了下料量與氧化鋁物性參數(shù)對氧化鋁擴(kuò)散特性影響的數(shù)學(xué)模型，并

4、依此對氧化鋁結(jié)塊的數(shù)目與尺寸進(jìn)行了計(jì)算；提出了氧化鋁溶解的傳質(zhì)與傳熱控制模型，以此求解不同大小氧化鋁粒子的溶解速率。經(jīng)此兩步，首次建立了鋁電解槽內(nèi)氧化鋁溶解的數(shù)學(xué)模型，并采用數(shù)值方法實(shí)現(xiàn)了模型的求解，得到了實(shí)驗(yàn)槽的氧化鋁溶解曲線。研究結(jié)果表明，此溶解模型是有效可靠的。
　　 3)深入討論了氣泡夾帶機(jī)理，借鑒文獻(xiàn)給出的氣流夾帶模型，使用統(tǒng)計(jì)方法建立了以液滴尺寸分布與液滴速度分布為待定量的氣泡夾帶關(guān)系式。由于液滴的尺寸分布難以獲得，

5、因此引入?yún)?shù)E0(Ddr，DB)(表示當(dāng)氣泡大小一定時(shí)直徑小于Ddr的液滴組成的夾帶率)來代替液滴尺寸分布，并使用文獻(xiàn)給出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納了E0(Ddr，DB)的無量綱表達(dá)式；又通過擬合文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，建立了液滴夾帶的初速度與母體氣泡直徑以及液體物性參數(shù)的通用無量綱關(guān)系式；還得到了氣泡臨界直徑與氣泡夾帶產(chǎn)生的液滴特性(直徑、數(shù)目、初速度等)的無量綱表達(dá)式。據(jù)此首次建立了氣泡夾帶的通用預(yù)測模型，以預(yù)測不同氣-液系統(tǒng)中氣泡夾帶的夾帶率。以此為基礎(chǔ)，

6、定量地計(jì)算得到某200kA鋁電解槽中，由于氣泡夾帶造成的電解質(zhì)損失約為3.2kg/h，而這些電解質(zhì)主要被覆蓋層所吸收。
　　 4)在深入討論鋁電解槽頂部覆蓋層與結(jié)殼的形成與退化機(jī)理的基礎(chǔ)上，以鋁電解槽頂部覆蓋層為Na3AlF6-AlF3-Al2O3三元系，通過相平衡分析，創(chuàng)造性地提出了描述鋁電解槽覆蓋層的加熱、電解質(zhì)滲透與熔化過程以及相應(yīng)成分變化的數(shù)學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)對鋁電解槽覆蓋層的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了有限元分析。計(jì)算結(jié)果表明，鋁

7、電解槽覆蓋層的電解質(zhì)滲透與成分變化主要受其溫度場(傳熱)控制；200kA實(shí)驗(yàn)槽的新極從安裝到完全通電約需要14小時(shí)，隨著時(shí)間的推移，鋁電解槽頂部覆蓋層逐漸變??；覆蓋層的退化速率與與文獻(xiàn)給出的實(shí)測結(jié)果基本吻合；陽極中縫處的覆蓋層退化速率(約1.2 mm/h)略快于側(cè)部(約0.8 mm/h)；從新極初裝到安裝后約24小時(shí)，約有60kg電解質(zhì)滲入覆蓋層，這段時(shí)間內(nèi)覆蓋層升溫速率較快，電解質(zhì)的滲透速率較高；隨著時(shí)間的推移，覆蓋層的溫度逐漸穩(wěn)定，

8、電解質(zhì)的滲透速率逐漸減少，直到維持在一個(gè)較低的水平：每塊陽極對應(yīng)的覆蓋層每小時(shí)約吸收0.25kg電解層；對于一臺有28組陽極的200kA鋁電解槽，由覆蓋層滲透造成的電解質(zhì)損失約為7kg/h，這種電解質(zhì)損失僅影響鋁電解槽中電解質(zhì)的重量，而對其成分影響不大。
　　 5)使用MATLAB軟件將電解過程所涉及的數(shù)學(xué)模型集成為鋁電解過程動(dòng)態(tài)預(yù)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)輸入、初始求解、計(jì)算、數(shù)據(jù)輸出等幾個(gè)部分組成，可以跟蹤預(yù)測鋁電解過程中各個(gè)參數(shù)

9、的變化，從而實(shí)現(xiàn)了鋁電解過程的監(jiān)測。對某200kA實(shí)驗(yàn)鋁電解槽中電解質(zhì)成分的預(yù)測結(jié)果表明，當(dāng)氧化鋁原料中的AlF3量從1％(wt)降到0％(wt)時(shí)，每天消耗的AlF3從28.8kg增加到56.7kg以上。預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比表明，此模型對電解質(zhì)溫度的預(yù)測誤差小于0.6％，對分子比的預(yù)測誤差小于5.5％，而且隨著預(yù)測周期的減少，預(yù)測精度還有進(jìn)一步提升的空間。表明本文研究和開發(fā)的鋁電解過程動(dòng)態(tài)預(yù)測系統(tǒng)基本具備了工業(yè)應(yīng)用所要求的功能和精度