戴寶紅 張寶業(yè)

(中國(guó)鋁業(yè)青海分公司電解廠， 青海 大通 810108)

0 前言

電解槽陽(yáng)極效應(yīng)是指陽(yáng)極和電解質(zhì)之間電流的傳輸受到抑制而產(chǎn)生的阻塞現(xiàn)象[1]。陽(yáng)極效應(yīng)的產(chǎn)生有利也有弊，有利的是陽(yáng)極效應(yīng)可融化槽底沉淀，使碳渣分離；不利的是槽電壓升高、能耗增加，影響系列供電平穩(wěn)，增加職工勞動(dòng)強(qiáng)度[2]。顯然，陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生弊大于利，因此，在鋁電解生產(chǎn)中，應(yīng)盡可能減少電解槽陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生[3]。從鋁冶煉生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，電解槽陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生通常與電解質(zhì)缺乏氧化鋁有密切的關(guān)系。一般發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)，必須及時(shí)向電解槽補(bǔ)充適當(dāng)?shù)难趸X，同時(shí)檢查各下料點(diǎn)是否正常，如果不正常須及時(shí)處理，防止下一個(gè)陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生。從日常操作經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，電解槽氧化鋁供應(yīng)的異常不僅與電解槽打殼下料系統(tǒng)有關(guān)，如打殼氣缸不動(dòng)作、打殼無(wú)力、錘頭過(guò)小、下料器故障等；也與電解槽技術(shù)條件有一定的關(guān)系，如槽溫低、電解質(zhì)水平低等[4]。因此，電解槽氧化鋁供料是否正常是電解槽發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)的主要因素之一，需要人工經(jīng)常巡視檢查電解槽打殼下料系統(tǒng)。

電解槽上部結(jié)構(gòu)設(shè)有自動(dòng)點(diǎn)式打殼下料系統(tǒng)負(fù)責(zé)電解槽日常氧化鋁的供料工作，一般每臺(tái)電解槽設(shè)有4～6個(gè)打殼下料點(diǎn)，正常狀態(tài)下電解槽的打殼下料均由槽控機(jī)控制。當(dāng)槽控機(jī)發(fā)出指令，對(duì)應(yīng)某點(diǎn)的打殼氣缸先動(dòng)作打開下料點(diǎn)火眼，延時(shí)4～5 s后，該點(diǎn)處的下料氣缸工作將一定量的氧化鋁下到打開的火眼中，確保氧化鋁進(jìn)入電解質(zhì)溶液中，如此周而復(fù)始，經(jīng)歷120 s左右完成一個(gè)打殼下料周期(電解槽過(guò)欠量、氧化鋁濃度不同周期也不相同)，保證電解槽電解質(zhì)中Al2O3的濃度控制在2%～3%[5]，獲得最高的電流效率。但是當(dāng)打殼氣缸打殼無(wú)力、電解質(zhì)和鋁液水平較低及槽溫偏低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致打殼下料處火眼封死，造成定量供應(yīng)的氧化鋁無(wú)法進(jìn)入電解槽，在火眼周圍形成氧化鋁堆料(簡(jiǎn)稱大堆料)，造成電解槽氧化鋁濃度發(fā)生變化，從而誘發(fā)陽(yáng)極效應(yīng)。

大堆料是電解槽供料異常的最常見(jiàn)表現(xiàn)之一，也是電解槽操作人員日常巡檢內(nèi)容，一旦發(fā)現(xiàn)電解槽某下料點(diǎn)出現(xiàn)大堆料現(xiàn)象，必須及時(shí)進(jìn)行處理保證氧化鋁能夠及時(shí)進(jìn)入電解槽，確保氧化鋁濃度保持在合理的范圍之內(nèi)，防止陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生。處理大堆料時(shí)，首先關(guān)閉該點(diǎn)打殼下料系統(tǒng)，用拔鏟拔取火眼周圍氧化鋁積料(防止氧化鋁過(guò)多進(jìn)入形成沉淀)，反復(fù)手動(dòng)操作打殼電磁閥打殼、用長(zhǎng)鎬釬捅開火眼或?qū)⒋驓飧讓㈠N頭壓在殼面上用力捶打打殼錘桿，利用錘桿左右擺動(dòng)打開火眼。大堆料的形成不僅影響電解槽氧化鋁的正常供應(yīng)，而且在處理過(guò)程中強(qiáng)行敲打打殼氣缸錘桿等操作，容易造成打殼氣缸密封的損壞，增加跑冒滴漏和維修成本；另外，在大堆料處理過(guò)程拔出的氧化鋁雖然作為保溫料被利用，但也在一定程度上增加了電解槽氧化鋁物料的消耗，增加生產(chǎn)成本；最根本的是，如果堆料處理不及時(shí)導(dǎo)致電解槽陽(yáng)極效應(yīng)，會(huì)增加電解槽能耗、影響系列供電平穩(wěn)、增加人工勞動(dòng)強(qiáng)度等，是鋁電解生產(chǎn)中要極力避免亟待解決的問(wèn)題。因此，本文介紹了一種新型電解槽氧化鋁大堆料自動(dòng)檢測(cè)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及實(shí)施情況，以減少陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生，進(jìn)而降低電解槽能耗和工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 大堆料自動(dòng)檢測(cè)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及主要電氣線路工作原理

1.1 設(shè)計(jì)思路

在電解槽氧化鋁大堆料處理過(guò)程中，如果將打殼錘桿、電解質(zhì)、槽殼看作某一導(dǎo)電回路，當(dāng)打殼火眼開孔正常，錘桿、錘頭與電解質(zhì)接觸時(shí)，錘桿與電解槽槽殼形成“回路”，即導(dǎo)電狀態(tài)；相反，如果因大堆料錘頭無(wú)法進(jìn)入電解槽電解質(zhì)中，則錘桿與電解槽槽殼無(wú)法形成“回路”，即斷電狀態(tài)。因此可以通過(guò)打殼錘桿與槽殼之間是否形成“回路”來(lái)判斷打殼點(diǎn)是否有堆料產(chǎn)生，從而控制電解槽氣控柜電磁閥自動(dòng)打殼處理。基于上述思考，我們?cè)O(shè)計(jì)一套由檢測(cè)電路、隔離電路(信號(hào)放大)、PLC、人機(jī)界面、輸出執(zhí)行等五部分組成的電解槽大堆料智能檢測(cè)處理系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)打殼點(diǎn)氧化鋁堆料的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)打殼處理、自動(dòng)報(bào)警等功能，消除電解槽打殼下料系統(tǒng)大堆料現(xiàn)象，從而達(dá)到控制陽(yáng)極效應(yīng)的目的。電解槽氧化鋁大堆料自動(dòng)檢測(cè)處理系統(tǒng)如圖1所示。

1-打殼錘頭； 2-錘桿絕緣； 3-打殼錘桿； 4-氣缸； 5-檢測(cè)線路； 6-隔離電路； 7-PLC； 8-人機(jī)界面； 9-二位四通電磁閥圖1 電解槽氧化鋁大堆料自動(dòng)檢測(cè)處理系統(tǒng)

1.2 主要電氣線路工作原理

1.2.1 堆料檢測(cè)電路

檢測(cè)電路由電阻、光電耦合器、可控硅等電子原件組成。第一點(diǎn)打殼檢測(cè)線路如圖2所示，其它三點(diǎn)相同。檢測(cè)點(diǎn)用1×2.5 m2耐高溫電纜從打殼錘桿及槽殼引出。當(dāng)打殼下料正常，打殼錘頭進(jìn)入電解質(zhì)液體中時(shí)形成導(dǎo)電回路時(shí)，由Q2、R2、R3組成的恒流源輸入電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，電耦合MOC3063發(fā)光二極管導(dǎo)通LED燈亮，光電耦合輸出端VT1可控硅被觸發(fā)導(dǎo)通，接通交流繼電器J1(LY2NJ)。

圖2 堆料第一點(diǎn)打殼檢測(cè)線路工作原理

1.2.2 放大隔離電路

放大隔離電路由中間繼電器電子元件組成，負(fù)責(zé)將檢測(cè)電路的信號(hào)進(jìn)行隔離放大。工作原理如圖3所示：當(dāng)檢測(cè)線路中的交流繼電器J1接通后，放大管理電路中相應(yīng)的J1由交流信號(hào)接通，此時(shí)一路常開觸電將直流24 V電源接通控制人機(jī)界面面板LED1指示燈亮，另一路進(jìn)入PLC輸入端。

圖3 放大隔離電路工作原理

1.2.3 PLC

PLC選用西門子S7- 200，對(duì)放大隔離電路出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行編程控制，接線圖如圖4所示。電解氣控柜電磁閥控制優(yōu)先由槽控機(jī)控制，一旦隔離電路發(fā)出大堆料信號(hào)，則轉(zhuǎn)換為PLC控制，按照事先編號(hào)的堆料清除程序，控制氣控柜電磁閥進(jìn)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清理。

圖4 PLC接線圖

1.2.4 人機(jī)界面

人機(jī)界面(圖5)由觸摸屏、控制旋轉(zhuǎn)按鈕、信號(hào)指示燈、復(fù)位按鈕、報(bào)警器等電氣元件組成，觸摸屏可修改PLC內(nèi)部控制參數(shù)，如打殼間隔時(shí)間、打殼次數(shù)、記錄時(shí)間等。

圖5 人機(jī)界面

1.2.5 輸出執(zhí)行

電解槽氣控柜內(nèi)原有的DFL24- 12二位四通電磁閥在接到PLC發(fā)出的指令后，將控制電解槽氣控柜的打殼電磁閥進(jìn)行打殼作業(yè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打殼處理。

2 大堆料自動(dòng)檢測(cè)處理系統(tǒng)方案的實(shí)施及效果

2.1 方案的實(shí)施

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，將檢查線路、隔離電路、PLC、人機(jī)界面等組裝成控制柜安裝在電解槽煙道端。

1)在柜體安裝前，先根據(jù)電解槽打殼實(shí)際操作設(shè)計(jì)自動(dòng)檢測(cè)處理系統(tǒng)流程圖(圖6)：當(dāng)選擇開關(guān)選擇到智能模式時(shí)，電解槽正常狀態(tài)打殼時(shí)將觸發(fā)相應(yīng)的傳感器，相應(yīng)打殼到位指示燈將會(huì)閃亮；當(dāng)傳感器檢測(cè)到有堆料現(xiàn)象時(shí)，將自動(dòng)啟動(dòng)堆料清除程序，自動(dòng)堆料清除程序默認(rèn)為每次連續(xù)打殼5次間隔時(shí)間為20秒、共打殼30次(打殼時(shí)間間隔及次數(shù)可在線修改)；若因打殼無(wú)力、殼面硬等原因，30次后若還沒(méi)有清除堆料，將觸發(fā)報(bào)警請(qǐng)求人工幫助，由人工輔助及時(shí)清理。

圖6 電解槽氧化鋁大堆料自動(dòng)檢測(cè)處理系統(tǒng)控制流程

2)根據(jù)這個(gè)流程圖將編制好的PLC控制程序輸入到PLC中。

3)柜體安裝到位后將控制柜輸入部分從打殼錘桿和槽殼接入，輸出部分與電解槽現(xiàn)有氣控柜電磁閥連接，最后接通控制柜220 V電源，將智能打殼控制柜面板按鈕切換到智能模式，智能打殼進(jìn)入自動(dòng)檢測(cè)處理工作狀態(tài)。控制柜面板顯示打殼狀態(tài)是否到位，并通過(guò)觸摸屏檢查打殼記錄和修改參數(shù)。

2.2 方案的實(shí)施效果

通過(guò)在一臺(tái)電解槽長(zhǎng)達(dá)3個(gè)多月的運(yùn)行檢驗(yàn)，該系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，基本實(shí)現(xiàn)了氧化鋁堆料的檢測(cè)與處理，與原來(lái)的人工巡視檢查處理大堆料相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)可實(shí)現(xiàn)大堆料的自動(dòng)檢測(cè)，無(wú)需職工巡視檢查大堆料；

2)可實(shí)現(xiàn)大堆料的自動(dòng)打殼處理，減少職工處理堆料勞動(dòng)強(qiáng)度；

3)在設(shè)定參數(shù)內(nèi)無(wú)法清理的可實(shí)現(xiàn)報(bào)警，提醒職工注意及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除堆料。

在經(jīng)濟(jì)效益方面，該系統(tǒng)的電解槽氧化鋁堆料的檢測(cè)率達(dá)到100%、堆料清除率達(dá)95%。其控制裝置中電子傳感器與PLC程序自主研發(fā)設(shè)計(jì)，單臺(tái)槽檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)電路、隔離電路、PLC、人機(jī)界面等全部自行制作成本在2 000元左右。對(duì)安裝運(yùn)行一個(gè)月的電解槽大堆料自動(dòng)檢查處理系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，該槽有效疏通次數(shù)為1 215次，按每次打殼30次計(jì)算，則處理大堆料40次，即有效減少大堆料陽(yáng)極效應(yīng)40次，按效應(yīng)電壓30～40 V、設(shè)定電壓4 V、電流205 kA、效應(yīng)持續(xù)時(shí)間3 min計(jì)算，同時(shí)電價(jià)按省內(nèi)優(yōu)惠電價(jià)0.32元/kWh計(jì)算，則該臺(tái)槽每月節(jié)約因大堆料產(chǎn)生陽(yáng)極效應(yīng)的電耗成本為：(30-4)×205×3/60×40×0.32=3 411.2元，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 結(jié)束語(yǔ)

陽(yáng)極效應(yīng)的控制是電解生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)難題，效應(yīng)的產(chǎn)生原因很多，如電解槽技術(shù)條件、供料的穩(wěn)定性、大堆料等，經(jīng)生產(chǎn)部QC活動(dòng)小組統(tǒng)計(jì)，在電解槽陽(yáng)極效應(yīng)產(chǎn)生的因素中，技術(shù)條件因素約占54%，堆料因素約占38%。雖然大堆料占陽(yáng)極效應(yīng)產(chǎn)生因素的第二位，但基于電解槽技術(shù)條件控制是一個(gè)長(zhǎng)期、復(fù)雜的工藝過(guò)程，而大堆料的處理相對(duì)簡(jiǎn)單有效，因此通過(guò)大堆料的自動(dòng)檢測(cè)和處理減少陽(yáng)極效應(yīng)次數(shù)是一個(gè)優(yōu)先選擇的方案。氧化鋁大堆料自動(dòng)檢測(cè)處理系統(tǒng)的研發(fā)與實(shí)施將有效減少電解槽陽(yáng)極效應(yīng)次數(shù)，對(duì)降低鋁電解生產(chǎn)電耗和降低職工勞動(dòng)強(qiáng)度方面有很大的意義，有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。另外該檢測(cè)處理系統(tǒng)自動(dòng)控制部分也可與現(xiàn)有槽控機(jī)對(duì)接，只要擴(kuò)展現(xiàn)有槽控機(jī)的功能，可組合為含氧化鋁大堆料檢測(cè)的新型槽控機(jī)在鋁電解行業(yè)推廣使用，衍生一種新型槽控機(jī)，有助于槽控機(jī)產(chǎn)品的開發(fā)。