一种基于铝电解槽的氧化铝浓度控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于铝电解槽的氧化铝浓度控制方法，包括如下步骤：首先建立模型，然后采集电解液抽样密度以及抽样温度，对抽样密度进行数字滤波，并抽样密度的加权均值后基于温度进行密度补偿，获取等效密度值，控制单元依据所述浓度/密度关系曲线，获取氧化铝浓度值,最后，控制单元依据所述氧化铝浓度，控制槽控机向电解槽投料。本发明提供氧化铝浓度监控新方法，相比于现有技术，可以精确并实时控制物料投入量，并达到精确控制氧化铝浓度的目的。
【专利说明】
一种基于铝电解槽的氧化铝浓度控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及自适应控制领域，特别是涉及一种基于铝电解槽的氧化铝浓度控制方 法。
【背景技术】
[0002] 电能消耗是电解铝生产工艺上能源消耗最大的地方，随着电费价格越来越高，其 在铝成本中的比重越来越大，因此，降低电解铝电耗是全国各个电解铝厂降低铝锭成本、增 加经济效益的有效途径，也是国家重点攻关课题。
[0003] 铝电解过程中伴随着复杂的电化学反应，物质和能量转换复杂，生产环境极其恶 劣，生产过程机理不清楚，难以建立数学模型;而且生产过程具有高度非线性、干扰大、不确 定性强、未知因素多、可在线监测信息量少，这些都增加了生产过程准确控制的难度。
[0004] 现有多种测定氧化铝浓度的方法，包括取样化验法(包括氯化铝溶出法、X-射线衍 射法、测定总氧量法等）、电化学法(包括计时电位法、临界电流密度法、阳极效应电压法、电 动势法等）、槽电阻推算法以及模糊推理控制法。在这些方法中，取样化验法中的氯化铝溶 出法在工业上已广泛应用，其特点是廉价并且方便，其缺点是分析时间长，不能就地及时得 到在线的氧化铝浓度。已有的电化学法一般只是局限于实验室的研究，且误差较大，难以用 于工业电解槽浓度测定。现阶段的铝电解槽一般通过测定槽电阻而间接推算电解槽中的 AI2O3浓度，从而进行自动控制，这种方法存在误差及干扰较大。模糊推理控制法是米集电解 槽工作状态参数并控制进料，这种方法误差较大，不适用于精确控制。
[0005] 此外，在相关密度测量领域，现有密度传感器测量存在误差，存在噪点；同时，现有 数字滤波常规做法为求平均值，在实时变动的数据测量中存在较大测量误差。
【发明内容】
[0006] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于铝电解 槽的氧化铝浓度控制方法，旨在提供氧化铝浓度监控新方法。在该方法中，通过测试电解液 密度，根据密度与浓度的关系曲线换算得到氧化铝浓度，并进行投料控制。此外，密度与浓 度关系曲线的建立以及采集密度的数据处理也是本发明解决的技术问题。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于铝电解槽的氧化铝浓度控制方法，包括 如下步骤：
[0008] S1:模型建立;模型建立包括:建立电解液密度/浓度关系曲线，建立电解液密度/ 温度补偿曲线；
[0009] S2:密度传感器采集电解液的抽样密度并发送至控制单元;温度传感器采集电解 液的抽样温度并发送至控制单元；
[0010] S3:控制单元对所述抽样密度进行数字滤波，过滤异常采集点;计算过滤后的抽样 密度的加权均值;根据密度/温度补偿曲线，获得密度补偿指数;计算密度补偿指数与电解 液密度加权平均值之和，获取等效密度值；
[0011] S4:控制单元依据所述浓度/密度关系曲线，获取氧化铝浓度值；
[0012] S5:控制单元依据所述氧化铝浓度，控制槽控机向电解槽投料。
[0013] 本发明提供了一种基于铝电解槽的氧化铝浓度控制方法，首先获得密度/浓度关 系曲线，密度/温度补偿曲线，然后再通过测试电解液密度，根据密度与浓度的关系曲线换 算得到氧化铝浓度，并进行投料控制。该方法相比较于通过测定槽电阻而间接推算氧化铝 浓度，具有更优的精确性。
[0014] 进一步而言，建立电解液密度/浓度关系曲线的方法为:非通电状态下，向电解槽 投入原料，加热至电解质处于熔融状态，将电解槽溶液控制在第一温度Ti;持续添加氧化 铝，并实时采集氧化铝总投入总量及电解液总质量，实时采集电解液密度，建立在第一温度 下的密度/浓度关系曲线;其中，氧化铝浓度为氧化铝总投入量与电解液总质量的比值；
[0015] 在本发明中，电解液密度/浓度关系曲线的建立是非在线建立的。通过实验测试出 在一定温度下，氧化铝密度和氧化铝浓度关系并拟合出关系曲线。在不同配比的电解原料， 氧化铝密度和浓度关系也不尽相同，故而本发明公开了关系曲线的建立方法，以满足不同 配料比下关系曲线的确定。优选的，本发明构建设备工艺相对较优的工作温度，即第一温 度，构建密度/浓度关系曲线。
[0016] 进一步而言，建立电解液密度/温度补偿曲线的方法为:非通电状态下，将氧化铝 浓度控制在第一浓度下，控制电解槽温度从第二温度IV变化至第三温度T3并实时采集电解 液温度及其电解液密度，建立在第一浓度下电解液密度/温度关系曲线P = g (Τ);建立在第 一浓度下电解液密度/温度补偿曲线ApiMOigUhgUO;其中，Δρ为密度补偿指数， 所述Τ介于Τ2、Τ3之间。
[0017] 由于热胀冷缩，电解液密度与温度相关。在本发明中，提供了基于温度的密度补偿 方法，进一步提高氧化铝浓度测试精度。
[0018] 进一步，在本发明中，还包含有溶剂挥发补偿步骤;溶剂挥发补偿步骤包括：
[0019] SA1:建立电解液挥发指数/温度关系曲线v = f(T);其中，ν为单位表面积、单位时 间内挥发总量，T为温度；
[0020] SA2:控制单元将挥发指数对时间求积分并乘以电解液的表面积，获得电解液挥发 量M?i，M?i = S Jf (T) dt，其中S为所述电解液的表面积；
[0021] SA3:控制单元依据电解液挥发量MTOl，投入需要补偿的溶剂。
[0022] 由于溶剂挥发作用，氧化铝浓度会因挥发而稍有变化。本发明提供了溶剂挥发补 偿的方法，其目的在于:补偿溶剂挥发，进一步提高氧化铝浓度控制。
[0023] 进一步而言，步骤SA1具体为:非通电状态下，将电解液分别在温度 下保持tl时间，分别记录挥发量Mvl、Mv2、Mv3、Mv4、Mv5 ;由挥发量Μ除以时间除以挥发表面积，分 别获取挥发速度^、^、^、^4、^;拟合所述电解液挥发指数与温度数据，获得关系曲线^ = aT4+bT3+cT2+dT3+e;所述a、b、c、d、e为多项式系数，所述a、b、c、d、e为实数。
[0024] 在本发明中，步骤SA1是在不同温度下测试氧化铝测试速率，采用多项式拟合出挥 发速度和温度的关系曲线，该方法可以减少实验测试时间，提高效率。
[0025]进一步而言，步骤S3具体为：
[0026] S31:依次提取最近η个抽样密度Pi，进行数字滤波，
的点过滤;其中， 1.2^k^2a^i^n,n^l0；
[0027] S32:根据数据滤波后抽样密度求加权均值及，
其中，Y为数据滤波后 的数据量，1彡j彡Y彡η，α」为加权系数，a」=r/ +1-j ;
[0028] S33:根据密度/温度关系曲线Ap = h(T)，计算所述密度补偿指数Δρ;
[0029] S34:将加权均值p与密度补偿指数△ ρ求和获得等效密度值ρ，其中，p = /7 + Δρ。
[0030] 在本发明中，步骤S3电解液密度数据处理。一方面传感器因环境及器件因素而产 生测试异常点，数据滤波过滤异常采样点，以提高测试精度。另一方面，电解液密度是连续 变化的，越靠近现在的测试数据更接近现有的密度，其加权系数设置更高，提高测试精度。 [0031 ]本发明的有益效果是:本发明提供氧化铝浓度监控新方法，通过测试电解液密度， 密度与浓度的关系曲线换算得到氧化铝浓度，并进行投料控制。然后根据溶液密度与氧化 铝浓度关系曲线，得到氧化铝浓度，然后再进行投料。相比于现有技术，可以精确并实时控 制物料投入量，并达到精确控制氧化铝浓度的目的。
【附图说明】
[0032]图1是本发明一【具体实施方式】的流程示意图；
[0033 ]图2是本发明一【具体实施方式】中电解液密度/浓度关系曲线；
[0034] 图3是本发明一【具体实施方式】中电解液密度/温度关系曲线；
[0035] 图4是本发明一【具体实施方式】中电解液密度/温度补偿曲线；
[0036] 图5是本发明一【具体实施方式】中电解液挥发指数/温度关系曲线。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
[0038] 如图1所示，在本实施例中提供的一种基于铝电解槽的氧化铝浓度控制方法，包含 如下步骤：
[0039] S1:模型建立;模型建立包括:SI 1建立电解液密度/浓度关系曲线，S12建立电解液 密度/温度补偿曲线;SA1建立挥发指数/温度曲线；
[0040] S2:密度传感器采集电解液的抽样密度并发送至控制单元;温度传感器采集电解 液的抽样温度并发送至控制单元；
[0041] S3:S31控制单元对所述抽样密度进行数字滤波，过滤异常采集点；S32计算过滤后 的抽样密度的加权均值;S33根据密度/温度补偿曲线，获得密度补偿指数;S34计算密度补 偿指数与电解液密度加权平均值之和，获取等效密度值；
[0042] S4:控制单元依据所述浓度/密度关系曲线，获取氧化铝浓度值；
[0043] SA2:控制单元将挥发指数对时间求积分并乘以电解液的表面积，获得电解液挥发 量M?i，M?i = S Jf (T) dt，其中S为所述电解液的表面积；
[0044] SA3及S5:控制单元依据电解液挥发量MTOl，投入需要补偿的溶剂，控制单元依据所 述氧化铝浓度，控制槽控机向电解槽投料。
[0045] 本实施例提供了一种基于铝电解槽的氧化铝浓度控制方法，首先获得密度/浓度 关系曲线、密度/温度补偿曲线、挥发指数/温度补偿曲线，然后再通过测试电解液密度，根 据密度与浓度的关系曲线换算得到氧化铝浓度，同时对挥发进行补偿计算，最后进行投料 控制。该方法相比较于通过测定槽电阻而间接推算氧化铝浓度，具有更优的精确性。
[0046] 下面对各个步骤进行具体说明。
[0047] 在本实施例的S11步骤中，建立电解液密度/浓度关系曲线的方法为:非通电状态 下，向电解槽投入原料，加热至电解质处于熔融状态，将电解槽溶液控制在第一温度Τι;值 得一提的是，原料主要包含:冰晶石、氟化盐、氧化铝，为了绘制出溶液密度和氧化铝浓度关 系曲线，氧化铝一开始投料量低于0.5 %。
[0048] 持续添加氧化铝，并实时采集氧化铝总投入总量及电解液总质量，实时采集电解 液密度，建立在第一温度下的密度/浓度关系曲线;其中，氧化铝浓度为氧化铝总投入量与 电解液总质量的比值；
[0049] 在本发明中，电解液密度/浓度关系曲线的建立是非在线建立的。通过实验测试出 在一定温度下，氧化铝密度和氧化铝浓度关系并拟合出关系曲线。在不同配比的电解原料， 氧化铝密度和浓度关系也不尽相同，故而本发明公开了关系曲线的建立方法，以满足不同 配料比下的关系曲线的确定。优选的，本发明构建设备工艺相对较优的工作温度950Γ，构 建密度/浓度关系曲线，如图2所示。
[0050] 为了避免因氧化铝未溶解而造成实时采集数据的不精确，投料速度可以相应减 慢，在本实施例中，每秒氧化铝的投料量为电解液总质量的〇.〇1%。值得一提的是，冰晶石 会挥发，总量会少，相对于冰晶石氧化铝挥发可以忽略不计，所以用氧化铝总投入量除以电 解液总质量来求解氧化铝浓度。此外，电解槽容器本身具有质量，测量电解液质量时，需扣 除容器本身质量。
[0051] 在本实施例的S12步骤中，建立电解液密度/温度补偿曲线的方法为:非通电状态 下，将氧化铝浓度控制在第一浓度下，控制电解槽温度从第二温度IV变化至第三温度T3并实 时采集电解液温度及其电解液密度，建立在第一浓度下电解液密度/温度关系曲线P = g (T);建立在第一浓度下电解液密度/温度补偿曲线Δ 其中，Δ p为密 度补偿指数，T2〈T〈T3。
[0052] 值得一提的是，在本发明的第一浓度是跟实际生产中的工艺条件有关，即较优的 工艺浓度，第二温度和第三温度的设定也根据实际生产工艺条件。在本实施例中，优选的设 定第一浓度为2%的氧化铝质量浓度，第二温度设定为940 °C，第三温度设定为960 °C。此外， 在本步骤中，由于冰晶石挥发，需要实时添加溶剂，测量保证电解槽质量不变即为氧化铝浓 度不变。如图3为电解液密度/温度关系曲线P = g (T)，如图4为电解液密度/温度补偿曲线Δ p=Mt) 〇
[0053] 由于热胀冷缩，电解液密度与温度相关，在不同温度下电解液密度/浓度关系曲线 也不同。在本实施例中，步骤SA1提供了基于电解液温度的密度补偿方法，进一步提高氧化 铝浓度测试精度。
[0054] 由于溶剂挥发作用，氧化铝浓度会因挥发而稍有变化。本实施例提供了溶剂挥发 补偿的方法，其目的在于:补偿溶剂挥发，进一步提高氧化铝浓度控制。在本实施例的SA1步 骤中，建立挥发指数/温度曲线的方法为:建立电解液挥发指数/温度关系曲线v = f(T);其 中，V为单位表面积、单位时间内挥发总量，T为温度。
[0055]具体而言，SA1是在非通电状态下，将电解液分别在温度。，^^^^^下保持"时 间，分别记录挥发量^1、]\^2、]^3、]^4、]^5;由挥发量輝余以时间除以挥发表面积，，分 另帳取挥发速度VI、V2、V3、V4、V5 〇
[0057] 可得8、13、(3、(1、6值，获得基于电解液挥发指数与温度数据拟合的关系曲线^ = &1'4+1^+(^+(1^+65其中，a、b、c、d、e为多项式系数。此外，在本实施例中，Td950°C，T2为940 °C，T3为960 °C，T4为945 °C，1^为955°C。如图5为本实施例挥发指数与温度的关系曲线。
[0058] 在本实施例中，步骤S2为:密度传感器采集电解液的抽样密度并发送至控制单元， 温度传感器采集电解液的抽样温度并发送至控制单元。传感器可以设定1S~100 s向控制单 元传送采样数据，为了提高测试精度，在本实施例中，采样周期为Is。
[0059] 在本实施例，步骤S3具体为：
[0060] S31:依次提取最近η个抽样密度Pi，进行数字滤波
的点过滤；其中， 1.2^k^2a^i^n,n^l0；
[0061 ] S32:根据数据滤波后抽样密度求加权均值/1， ，其中，Y为数据滤波后 的数据量，为加权系数，c^in'+l-j;值得一提的是，密度传感器每秒采集一 次溶液密度数据，越临近的测量获得的密度值越接近当前时刻密度值，故而权重越大。 [0062] S33:根据密度/温度关系曲线Ap = h(T)，计算所述密度补偿指数Δρ;
[0063] S34:将加权均值Ρ与密度补偿指数△ Ρ求和获得等效密度值Ρ，其中，ρ = /7 + Δρ。 [0064]在本实施例中，步骤S3电解液密度数据处理。一方面传感器因环境及器件因素而 产生测试异常点，数据滤波过滤异常采样点，以提高测试精度。另一方面，电解液密度是连 续变化的，越靠近现在的测试数据更接近现有的密度，其加权系数设置更高，提高测试精 度。
[0065] 在本实施例步骤S4中，根据计算获得等效密度值Ρ以及浓度/密度关系曲线，可以 获取氧化铝浓度值。
[0066] 在本实施例的步骤SA2中，控制单元将挥发指数对时间求积分并乘以电解液的表 面积，获得电解液挥发量1。1，1^。1 = 5灯(1')扣，其中5为所述电解液的表面积；由于实际生产 的电解槽跟模型建立所用电解槽不同，表面积也不同，造成挥发速率也不同，计算电解液挥 发量时，对挥发速度求积分再乘上实际电解槽的表面积。
[0067] 在本实施例步骤SA3及S5:控制单元依据电解液挥发量Μ?ι，投入需要补偿的溶剂， 控制单元依据氧化铝浓度，控制槽控机向电解槽投料。
[0068] 本发明的有益效果是:本发明提供氧化铝浓度监控新方法，通过测试电解液密度， 密度与浓度的关系曲线换算得到氧化铝浓度，并进行投料控制。然后根据溶液密度与氧化 铝浓度关系曲线，得到氧化铝浓度，然后再进行投料。同时，本发明提供的氧化铝浓度控制 方法中还包含有采样密度的数字滤波方法以及电解液挥发补偿方法，相比于现有技术，可 以精确并实时控制物料投入量，并达到精确控制氧化铝浓度的目的。
[0069] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无 需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术 人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的 技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【主权项】
1. 一种基于铝电解槽的氧化铝浓度控制方法，其特征在于，包括如下步骤： S1:模型建立;所述模型建立包括:建立电解液密度/浓度关系曲线，建立电解液密度/ 温度补偿曲线； S2:密度传感器采集所述电解液的抽样密度并发送至控制单元;温度传感器采集所述 电解液的抽样温度并发送至控制单元； S3:所述控制单元对所述抽样密度进行数字滤波，过滤异常采集点;所述控制单元计算 过滤后的所述抽样密度的加权均值;所述控制单元根据所述密度/温度补偿曲线，获得密度 补偿指数;所述控制单元计算所述密度补偿指数与所述电解液密度加权平均值之和，获取 等效密度值； S4:所述控制单元根据所述浓度/密度关系曲线获取氧化铝浓度值； S5:所述控制单元根据所述氧化铝浓度值控制槽控机向铝电解槽投料。2. 如权利要求1所述的一种基于铝电解槽的氧化铝浓度控制方法，其特征在于:所述建 立电解液密度/浓度关系曲线的方法为:非通电状态下，向电解槽投入原料，加热至电解质 处于熔融状态，将所述电解槽溶液控制在第一温度Ti;持续添加氧化铝，并实时采集氧化铝 总投入总量及电解液总质量，实时采集电解液密度，建立在第一温度下的所述密度/浓度关 系曲线;其中，所述氧化铝浓度为氧化铝总投入量与电解液总质量的比值。3. 如权利要求1所述的一种基于铝电解槽的氧化铝浓度控制方法，其特征在于:建立所 述电解液密度/温度补偿曲线的方法为:非通电状态下，将氧化铝浓度控制在第一浓度下， 控制电解槽温度从第二温度IV变化至第三温度T 3并实时采集电解液温度及其电解液密度， 建立在第一浓度下所述电解液密度/温度关系曲线p = g(T);建立在第一浓度下所述电解液 密度/温度补偿曲线Δ p = h(T) =g(T)_g(Ti);所述Δρ为密度补偿指数，所述T介于T2、T3之 间。4. 如权利要求1所述的一种基于铝电解槽的氧化铝浓度控制方法，其特征在于，在所述 方法中还包含有溶剂挥发补偿步骤;所述溶剂挥发补偿步骤包括： SA1:建立电解液挥发指数/温度关系曲线v = f(T);其中，ν为单位表面积、单位时间内 挥发总量，T为温度； SA2:所述控制单元将所述挥发指数对时间求积分并乘以所述电解液的表面积，获得电 解液挥发量M?i，M?i = S Jf (T) dt，其中S为所述电解液的表面积； SA3:控制单元根据电解液挥发量MTOl投入溶剂。5. 如权利要求4所述的一种基于铝电解槽的氧化铝浓度控制方法，其特征在于，所述的 步骤SA1具体为:非通电状态下，将电解液分别在温度h、T 2、T3、T4、T5下保持t时间，分别记 录挥发量Mvl、M v2、Mv3、MV4、Mv5;由挥发量除以时间除以挥发表面积分别获取挥发速度 V1、v2、 V3、V4、V5;拟合所述电解液挥发指数与温度数据，获得关系曲线:v = aT4+bT3+cT2+dT3+e;其 中，a、b、c、d、e为多项式系数。6. 如权利要求1所述的一种基于铝电解槽的氧化铝浓度控制方法，其特征在于:所述步 骤S3具体为： S31:依次提取最近η个抽样密度Pl，进行数字滤波，将A_ 2A的点过滤;其中，1. n /.1 k^2? Ι^?^η,η^ΙΟ； S32:根据数据滤波后抽样密度求加权均值；_中，Y为数据滤波后的数 据量，1彡j彡η，α」为加权系数，a」=1/ +1-j ; S33:根据密度/温度关系曲线△ P = h(T)，计算所述密度补偿指数Δ p; S34:将所述加权均值歹与所述密度补偿指数Δρ求和获得等效密度值P，其中， =ρ + Δρ c
【文档编号】C25C3/20GK105951127SQ201610473639
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】尹刚, 尹艺臻, 李卓蔓, 沈重衡, 尹俊皓, 尹冬, 尹松, 白家扬, 尹平, 尹在之, 张艳怡
【申请人】重庆大学