一種基于鋁電解槽的氧化鋁濃度控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于鋁電解槽的氧化鋁濃度控制方法，包括如下步驟：首先建立模型，然后采集電解液抽樣密度以及抽樣溫度，對抽樣密度進行數字濾波，并抽樣密度的加權均值后基于溫度進行密度補償，獲取等效密度值，控制單元依據所述濃度/密度關系曲線，獲取氧化鋁濃度值,最后，控制單元依據所述氧化鋁濃度，控制槽控機向電解槽投料。本發明提供氧化鋁濃度監控新方法，相比于現有技術，可以精確并實時控制物料投入量，并達到精確控制氧化鋁濃度的目的。
【專利說明】
一種基于鋁電解槽的氧化鋁濃度控制方法
技術領域
[0001] 本發明涉及自適應控制領域，特別是涉及一種基于鋁電解槽的氧化鋁濃度控制方 法。
【背景技術】
[0002] 電能消耗是電解鋁生產工藝上能源消耗最大的地方，隨著電費價格越來越高，其 在鋁成本中的比重越來越大，因此，降低電解鋁電耗是全國各個電解鋁廠降低鋁錠成本、增 加經濟效益的有效途徑，也是國家重點攻關課題。
[0003] 鋁電解過程中伴隨著復雜的電化學反應，物質和能量轉換復雜，生產環境極其惡 劣，生產過程機理不清楚，難以建立數學模型;而且生產過程具有高度非線性、干擾大、不確 定性強、未知因素多、可在線監測信息量少，這些都增加了生產過程準確控制的難度。
[0004] 現有多種測定氧化鋁濃度的方法，包括取樣化驗法(包括氯化鋁溶出法、X-射線衍 射法、測定總氧量法等）、電化學法(包括計時電位法、臨界電流密度法、陽極效應電壓法、電 動勢法等）、槽電阻推算法以及模糊推理控制法。在這些方法中，取樣化驗法中的氯化鋁溶 出法在工業上已廣泛應用，其特點是廉價并且方便，其缺點是分析時間長，不能就地及時得 到在線的氧化鋁濃度。已有的電化學法一般只是局限于實驗室的研究，且誤差較大，難以用 于工業電解槽濃度測定。現階段的鋁電解槽一般通過測定槽電阻而間接推算電解槽中的 AI2O3濃度，從而進行自動控制，這種方法存在誤差及干擾較大。模糊推理控制法是米集電解 槽工作狀態參數并控制進料，這種方法誤差較大，不適用于精確控制。
[0005] 此外，在相關密度測量領域，現有密度傳感器測量存在誤差，存在噪點；同時，現有 數字濾波常規做法為求平均值，在實時變動的數據測量中存在較大測量誤差。

【發明內容】

[0006] 有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種基于鋁電解 槽的氧化鋁濃度控制方法，旨在提供氧化鋁濃度監控新方法。在該方法中，通過測試電解液 密度，根據密度與濃度的關系曲線換算得到氧化鋁濃度，并進行投料控制。此外，密度與濃 度關系曲線的建立以及采集密度的數據處理也是本發明解決的技術問題。
[0007] 為實現上述目的，本發明提供了一種基于鋁電解槽的氧化鋁濃度控制方法，包括 如下步驟：
[0008] S1:模型建立;模型建立包括:建立電解液密度/濃度關系曲線，建立電解液密度/ 溫度補償曲線；
[0009] S2:密度傳感器采集電解液的抽樣密度并發送至控制單元;溫度傳感器采集電解 液的抽樣溫度并發送至控制單元；
[0010] S3:控制單元對所述抽樣密度進行數字濾波，過濾異常采集點;計算過濾后的抽樣 密度的加權均值;根據密度/溫度補償曲線，獲得密度補償指數;計算密度補償指數與電解 液密度加權平均值之和，獲取等效密度值；
[0011] S4:控制單元依據所述濃度/密度關系曲線，獲取氧化鋁濃度值；
[0012] S5:控制單元依據所述氧化鋁濃度，控制槽控機向電解槽投料。
[0013] 本發明提供了一種基于鋁電解槽的氧化鋁濃度控制方法，首先獲得密度/濃度關 系曲線，密度/溫度補償曲線，然后再通過測試電解液密度，根據密度與濃度的關系曲線換 算得到氧化鋁濃度，并進行投料控制。該方法相比較于通過測定槽電阻而間接推算氧化鋁 濃度，具有更優的精確性。
[0014] 進一步而言，建立電解液密度/濃度關系曲線的方法為:非通電狀態下，向電解槽 投入原料，加熱至電解質處于熔融狀態，將電解槽溶液控制在第一溫度Ti;持續添加氧化 鋁，并實時采集氧化鋁總投入總量及電解液總質量，實時采集電解液密度，建立在第一溫度 下的密度/濃度關系曲線;其中，氧化鋁濃度為氧化鋁總投入量與電解液總質量的比值；
[0015] 在本發明中，電解液密度/濃度關系曲線的建立是非在線建立的。通過實驗測試出 在一定溫度下，氧化鋁密度和氧化鋁濃度關系并擬合出關系曲線。在不同配比的電解原料， 氧化鋁密度和濃度關系也不盡相同，故而本發明公開了關系曲線的建立方法，以滿足不同 配料比下關系曲線的確定。優選的，本發明構建設備工藝相對較優的工作溫度，即第一溫 度，構建密度/濃度關系曲線。
[0016] 進一步而言，建立電解液密度/溫度補償曲線的方法為:非通電狀態下，將氧化鋁 濃度控制在第一濃度下，控制電解槽溫度從第二溫度IV變化至第三溫度T3并實時采集電解 液溫度及其電解液密度，建立在第一濃度下電解液密度/溫度關系曲線P = g (Τ);建立在第 一濃度下電解液密度/溫度補償曲線ApiMOigUhgUO;其中，Δρ為密度補償指數， 所述Τ介于Τ2、Τ3之間。
[0017] 由于熱脹冷縮，電解液密度與溫度相關。在本發明中，提供了基于溫度的密度補償 方法，進一步提高氧化鋁濃度測試精度。
[0018] 進一步，在本發明中，還包含有溶劑揮發補償步驟;溶劑揮發補償步驟包括：
[0019] SA1:建立電解液揮發指數/溫度關系曲線v = f(T);其中，ν為單位表面積、單位時 間內揮發總量，T為溫度；
[0020] SA2:控制單元將揮發指數對時間求積分并乘以電解液的表面積，獲得電解液揮發 量M?i，M?i = S Jf (T) dt，其中S為所述電解液的表面積；
[0021] SA3:控制單元依據電解液揮發量MTOl，投入需要補償的溶劑。
[0022] 由于溶劑揮發作用，氧化鋁濃度會因揮發而稍有變化。本發明提供了溶劑揮發補 償的方法，其目的在于:補償溶劑揮發，進一步提高氧化鋁濃度控制。
[0023] 進一步而言，步驟SA1具體為:非通電狀態下，將電解液分別在溫度 下保持tl時間，分別記錄揮發量Mvl、Mv2、Mv3、Mv4、Mv5 ;由揮發量Μ除以時間除以揮發表面積，分 別獲取揮發速度^、^、^、^4、^;擬合所述電解液揮發指數與溫度數據，獲得關系曲線^ = aT4+bT3+cT2+dT3+e;所述a、b、c、d、e為多項式系數，所述a、b、c、d、e為實數。
[0024] 在本發明中，步驟SA1是在不同溫度下測試氧化鋁測試速率，采用多項式擬合出揮 發速度和溫度的關系曲線，該方法可以減少實驗測試時間，提高效率。
[0025]進一步而言，步驟S3具體為：
[0026] S31:依次提取最近η個抽樣密度Pi，進行數字濾波，
的點過濾;其中， 1.2^k^2a^i^n,n^l0；
[0027] S32:根據數據濾波后抽樣密度求加權均值及，
其中，Y為數據濾波后 的數據量，1彡j彡Y彡η，α」為加權系數，a」=r/ +1-j ;
[0028] S33:根據密度/溫度關系曲線Ap = h(T)，計算所述密度補償指數Δρ;
[0029] S34:將加權均值p與密度補償指數△ ρ求和獲得等效密度值ρ，其中，p = /7 + Δρ。
[0030] 在本發明中，步驟S3電解液密度數據處理。一方面傳感器因環境及器件因素而產 生測試異常點，數據濾波過濾異常采樣點，以提高測試精度。另一方面，電解液密度是連續 變化的，越靠近現在的測試數據更接近現有的密度，其加權系數設置更高，提高測試精度。 [0031 ]本發明的有益效果是:本發明提供氧化鋁濃度監控新方法，通過測試電解液密度， 密度與濃度的關系曲線換算得到氧化鋁濃度，并進行投料控制。然后根據溶液密度與氧化 鋁濃度關系曲線，得到氧化鋁濃度，然后再進行投料。相比于現有技術，可以精確并實時控 制物料投入量，并達到精確控制氧化鋁濃度的目的。
【附圖說明】
[0032]圖1是本發明一【具體實施方式】的流程示意圖；
[0033 ]圖2是本發明一【具體實施方式】中電解液密度/濃度關系曲線；
[0034] 圖3是本發明一【具體實施方式】中電解液密度/溫度關系曲線；
[0035] 圖4是本發明一【具體實施方式】中電解液密度/溫度補償曲線；
[0036] 圖5是本發明一【具體實施方式】中電解液揮發指數/溫度關系曲線。
【具體實施方式】
[0037] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明：
[0038] 如圖1所示，在本實施例中提供的一種基于鋁電解槽的氧化鋁濃度控制方法，包含 如下步驟：
[0039] S1:模型建立;模型建立包括:SI 1建立電解液密度/濃度關系曲線，S12建立電解液 密度/溫度補償曲線;SA1建立揮發指數/溫度曲線；
[0040] S2:密度傳感器采集電解液的抽樣密度并發送至控制單元;溫度傳感器采集電解 液的抽樣溫度并發送至控制單元；
[0041] S3:S31控制單元對所述抽樣密度進行數字濾波，過濾異常采集點；S32計算過濾后 的抽樣密度的加權均值;S33根據密度/溫度補償曲線，獲得密度補償指數;S34計算密度補 償指數與電解液密度加權平均值之和，獲取等效密度值；
[0042] S4:控制單元依據所述濃度/密度關系曲線，獲取氧化鋁濃度值；
[0043] SA2:控制單元將揮發指數對時間求積分并乘以電解液的表面積，獲得電解液揮發 量M?i，M?i = S Jf (T) dt，其中S為所述電解液的表面積；
[0044] SA3及S5:控制單元依據電解液揮發量MTOl，投入需要補償的溶劑，控制單元依據所 述氧化鋁濃度，控制槽控機向電解槽投料。
[0045] 本實施例提供了一種基于鋁電解槽的氧化鋁濃度控制方法，首先獲得密度/濃度 關系曲線、密度/溫度補償曲線、揮發指數/溫度補償曲線，然后再通過測試電解液密度，根 據密度與濃度的關系曲線換算得到氧化鋁濃度，同時對揮發進行補償計算，最后進行投料 控制。該方法相比較于通過測定槽電阻而間接推算氧化鋁濃度，具有更優的精確性。
[0046] 下面對各個步驟進行具體說明。
[0047] 在本實施例的S11步驟中，建立電解液密度/濃度關系曲線的方法為:非通電狀態 下，向電解槽投入原料，加熱至電解質處于熔融狀態，將電解槽溶液控制在第一溫度Τι;值 得一提的是，原料主要包含:冰晶石、氟化鹽、氧化鋁，為了繪制出溶液密度和氧化鋁濃度關 系曲線，氧化鋁一開始投料量低于0.5 %。
[0048] 持續添加氧化鋁，并實時采集氧化鋁總投入總量及電解液總質量，實時采集電解 液密度，建立在第一溫度下的密度/濃度關系曲線;其中，氧化鋁濃度為氧化鋁總投入量與 電解液總質量的比值；
[0049] 在本發明中，電解液密度/濃度關系曲線的建立是非在線建立的。通過實驗測試出 在一定溫度下，氧化鋁密度和氧化鋁濃度關系并擬合出關系曲線。在不同配比的電解原料， 氧化鋁密度和濃度關系也不盡相同，故而本發明公開了關系曲線的建立方法，以滿足不同 配料比下的關系曲線的確定。優選的，本發明構建設備工藝相對較優的工作溫度950Γ，構 建密度/濃度關系曲線，如圖2所示。
[0050] 為了避免因氧化鋁未溶解而造成實時采集數據的不精確，投料速度可以相應減 慢，在本實施例中，每秒氧化鋁的投料量為電解液總質量的〇.〇1%。值得一提的是，冰晶石 會揮發，總量會少，相對于冰晶石氧化鋁揮發可以忽略不計，所以用氧化鋁總投入量除以電 解液總質量來求解氧化鋁濃度。此外，電解槽容器本身具有質量，測量電解液質量時，需扣 除容器本身質量。
[0051] 在本實施例的S12步驟中，建立電解液密度/溫度補償曲線的方法為:非通電狀態 下，將氧化鋁濃度控制在第一濃度下，控制電解槽溫度從第二溫度IV變化至第三溫度T3并實 時采集電解液溫度及其電解液密度，建立在第一濃度下電解液密度/溫度關系曲線P = g (T);建立在第一濃度下電解液密度/溫度補償曲線Δ 其中，Δ p為密 度補償指數，T2〈T〈T3。
[0052] 值得一提的是，在本發明的第一濃度是跟實際生產中的工藝條件有關，即較優的 工藝濃度，第二溫度和第三溫度的設定也根據實際生產工藝條件。在本實施例中，優選的設 定第一濃度為2%的氧化鋁質量濃度，第二溫度設定為940 °C，第三溫度設定為960 °C。此外， 在本步驟中，由于冰晶石揮發，需要實時添加溶劑，測量保證電解槽質量不變即為氧化鋁濃 度不變。如圖3為電解液密度/溫度關系曲線P = g (T)，如圖4為電解液密度/溫度補償曲線Δ p=Mt) 〇
[0053] 由于熱脹冷縮，電解液密度與溫度相關，在不同溫度下電解液密度/濃度關系曲線 也不同。在本實施例中，步驟SA1提供了基于電解液溫度的密度補償方法，進一步提高氧化 鋁濃度測試精度。
[0054] 由于溶劑揮發作用，氧化鋁濃度會因揮發而稍有變化。本實施例提供了溶劑揮發 補償的方法，其目的在于:補償溶劑揮發，進一步提高氧化鋁濃度控制。在本實施例的SA1步 驟中，建立揮發指數/溫度曲線的方法為:建立電解液揮發指數/溫度關系曲線v = f(T);其 中，V為單位表面積、單位時間內揮發總量，T為溫度。
[0055]具體而言，SA1是在非通電狀態下，將電解液分別在溫度。，^^^^^下保持"時 間，分別記錄揮發量^1、]\^2、]^3、]^4、]^5;由揮發量輝余以時間除以揮發表面積，，分 另帳取揮發速度VI、V2、V3、V4、V5 〇

[0057] 可得8、13、(3、(1、6值，獲得基于電解液揮發指數與溫度數據擬合的關系曲線^ = &1'4+1^+(^+(1^+65其中，a、b、c、d、e為多項式系數。此外，在本實施例中，Td950°C，T2為940 °C，T3為960 °C，T4為945 °C，1^為955°C。如圖5為本實施例揮發指數與溫度的關系曲線。
[0058] 在本實施例中，步驟S2為:密度傳感器采集電解液的抽樣密度并發送至控制單元， 溫度傳感器采集電解液的抽樣溫度并發送至控制單元。傳感器可以設定1S~100 s向控制單 元傳送采樣數據，為了提高測試精度，在本實施例中，采樣周期為Is。
[0059] 在本實施例，步驟S3具體為：
[0060] S31:依次提取最近η個抽樣密度Pi，進行數字濾波
的點過濾；其中， 1.2^k^2a^i^n,n^l0；
[0061 ] S32:根據數據濾波后抽樣密度求加權均值/1， ，其中，Y為數據濾波后 的數據量，為加權系數，c^in'+l-j;值得一提的是，密度傳感器每秒采集一 次溶液密度數據，越臨近的測量獲得的密度值越接近當前時刻密度值，故而權重越大。 [0062] S33:根據密度/溫度關系曲線Ap = h(T)，計算所述密度補償指數Δρ;
[0063] S34:將加權均值Ρ與密度補償指數△ Ρ求和獲得等效密度值Ρ，其中，ρ = /7 + Δρ。 [0064]在本實施例中，步驟S3電解液密度數據處理。一方面傳感器因環境及器件因素而 產生測試異常點，數據濾波過濾異常采樣點，以提高測試精度。另一方面，電解液密度是連 續變化的，越靠近現在的測試數據更接近現有的密度，其加權系數設置更高，提高測試精 度。
[0065] 在本實施例步驟S4中，根據計算獲得等效密度值Ρ以及濃度/密度關系曲線，可以 獲取氧化鋁濃度值。
[0066] 在本實施例的步驟SA2中，控制單元將揮發指數對時間求積分并乘以電解液的表 面積，獲得電解液揮發量1。1，1^。1 = 5燈(1')扣，其中5為所述電解液的表面積；由于實際生產 的電解槽跟模型建立所用電解槽不同，表面積也不同，造成揮發速率也不同，計算電解液揮 發量時，對揮發速度求積分再乘上實際電解槽的表面積。
[0067] 在本實施例步驟SA3及S5:控制單元依據電解液揮發量Μ?ι，投入需要補償的溶劑， 控制單元依據氧化鋁濃度，控制槽控機向電解槽投料。
[0068] 本發明的有益效果是:本發明提供氧化鋁濃度監控新方法，通過測試電解液密度， 密度與濃度的關系曲線換算得到氧化鋁濃度，并進行投料控制。然后根據溶液密度與氧化 鋁濃度關系曲線，得到氧化鋁濃度，然后再進行投料。同時，本發明提供的氧化鋁濃度控制 方法中還包含有采樣密度的數字濾波方法以及電解液揮發補償方法，相比于現有技術，可 以精確并實時控制物料投入量，并達到精確控制氧化鋁濃度的目的。
[0069] 以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無 需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術 人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的 技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種基于鋁電解槽的氧化鋁濃度控制方法，其特征在于，包括如下步驟： S1:模型建立;所述模型建立包括:建立電解液密度/濃度關系曲線，建立電解液密度/ 溫度補償曲線； S2:密度傳感器采集所述電解液的抽樣密度并發送至控制單元;溫度傳感器采集所述 電解液的抽樣溫度并發送至控制單元； S3:所述控制單元對所述抽樣密度進行數字濾波，過濾異常采集點;所述控制單元計算 過濾后的所述抽樣密度的加權均值;所述控制單元根據所述密度/溫度補償曲線，獲得密度 補償指數;所述控制單元計算所述密度補償指數與所述電解液密度加權平均值之和，獲取 等效密度值； S4:所述控制單元根據所述濃度/密度關系曲線獲取氧化鋁濃度值； S5:所述控制單元根據所述氧化鋁濃度值控制槽控機向鋁電解槽投料。2. 如權利要求1所述的一種基于鋁電解槽的氧化鋁濃度控制方法，其特征在于:所述建 立電解液密度/濃度關系曲線的方法為:非通電狀態下，向電解槽投入原料，加熱至電解質 處于熔融狀態，將所述電解槽溶液控制在第一溫度Ti;持續添加氧化鋁，并實時采集氧化鋁 總投入總量及電解液總質量，實時采集電解液密度，建立在第一溫度下的所述密度/濃度關 系曲線;其中，所述氧化鋁濃度為氧化鋁總投入量與電解液總質量的比值。3. 如權利要求1所述的一種基于鋁電解槽的氧化鋁濃度控制方法，其特征在于:建立所 述電解液密度/溫度補償曲線的方法為:非通電狀態下，將氧化鋁濃度控制在第一濃度下， 控制電解槽溫度從第二溫度IV變化至第三溫度T 3并實時采集電解液溫度及其電解液密度， 建立在第一濃度下所述電解液密度/溫度關系曲線p = g(T);建立在第一濃度下所述電解液 密度/溫度補償曲線Δ p = h(T) =g(T)_g(Ti);所述Δρ為密度補償指數，所述T介于T2、T3之 間。4. 如權利要求1所述的一種基于鋁電解槽的氧化鋁濃度控制方法，其特征在于，在所述 方法中還包含有溶劑揮發補償步驟;所述溶劑揮發補償步驟包括： SA1:建立電解液揮發指數/溫度關系曲線v = f(T);其中，ν為單位表面積、單位時間內 揮發總量，T為溫度； SA2:所述控制單元將所述揮發指數對時間求積分并乘以所述電解液的表面積，獲得電 解液揮發量M?i，M?i = S Jf (T) dt，其中S為所述電解液的表面積； SA3:控制單元根據電解液揮發量MTOl投入溶劑。5. 如權利要求4所述的一種基于鋁電解槽的氧化鋁濃度控制方法，其特征在于，所述的 步驟SA1具體為:非通電狀態下，將電解液分別在溫度h、T 2、T3、T4、T5下保持t時間，分別記 錄揮發量Mvl、M v2、Mv3、MV4、Mv5;由揮發量除以時間除以揮發表面積分別獲取揮發速度 V1、v2、 V3、V4、V5;擬合所述電解液揮發指數與溫度數據，獲得關系曲線:v = aT4+bT3+cT2+dT3+e;其 中，a、b、c、d、e為多項式系數。6. 如權利要求1所述的一種基于鋁電解槽的氧化鋁濃度控制方法，其特征在于:所述步 驟S3具體為： S31:依次提取最近η個抽樣密度Pl，進行數字濾波，將A_ 2A的點過濾;其中，1. n /.1 k^2? Ι^?^η,η^ΙΟ； S32:根據數據濾波后抽樣密度求加權均值；_中，Y為數據濾波后的數 據量，1彡j彡η，α」為加權系數，a」=1/ +1-j ; S33:根據密度/溫度關系曲線△ P = h(T)，計算所述密度補償指數Δ p; S34:將所述加權均值歹與所述密度補償指數Δρ求和獲得等效密度值P，其中， =ρ + Δρ c
【文檔編號】C25C3/20GK105951127SQ201610473639
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月24日
【發明人】尹剛, 尹藝臻, 李卓蔓, 沈重衡, 尹俊皓, 尹冬, 尹松, 白家揚, 尹平, 尹在之, 張艷怡
【申請人】重慶大學