Автоматизированное управление работой АПГ

Основная задача системы управления АПГ состоит в поддержании заданной концентрации глинозёма в электролите и регулировании частоты анодных эффектов.

Современная стратегия контроля Al₂O₃ в электролите основана на мониторинге псевдосопротивления электролизёра. Этот параметр зависит от величины МПР и концентрации глинозёма, будучи функцией обоих этих величин. Поэтому показатель сопротивления ванны не может быть использован для определения концентрации Al₂O₃ напрямую. Такое определение может быть сделано только при постоянном значении МПР или с соответствующей корректировкой.

Основа управления работой наиболее распространённых АПГ клапанного и секторного типа построена на нескольких скоростях питания глинозёмом. На самом деле, доза глинозёма, подаваемая питателем, всегда одна, изменяется только частота срабатывания дозатора: при наращивании концентрации глинозёма в электролите («перепитка») подача идёт с большей частотой, при снижении концентрации («недопитка») частота срабатывания дозатора замедляется.

Алгоритмы, на которых строится система управления автоматическим питанием ванн, базируются на известной зависимости напряжения от концентрации глинозёма. В 1965 году B.Welch определил зависимость приведенного напряжения на электролизёре от концентрации глинозёма в электролите (рис. 9.12.).

Рис.9.12. Зависимость напряжения на ванне от концентрации глинозёма в электролите

Алгоритм управления основывается на оценке рабочего напряжения ванны. По результатам измерения рассчитывается приведенное напряжение, далее путем математической обработки производится фильтрация напряжения, т.е. определяется тенденция изменения напряжения по времени. На основании этих данных рассчитывается градиент напряжения dU/dt. Если градиент напряжения отрицательный (напряжение снижается по времени), то работа идёт в области правой ветви кривой Вельха. Если измерительная система фиксирует рост напряжения, то работа ванны идёт в области левой ветви. По представленной кривой можно определить зону наименьшего напряжения на ванне при неких значениях концентрации глинозёма.

Зависимость напряжения от концентрации глинозёма в левой части графика ярко выражена, поэтому управление в области низких концентраций наиболее эффективно (используется термин «управление по левой ветви»). Тем не менее, работа в крайней левой части ветви сопровождается повышенным напряжением и повышенной температурой электролита. Поэтому рациональнее планировать работу в зоне минимального напряжения на ванне, как это показано на рис.9.12, т.е. в области концентраций глинозёма от 2,5 до 3,5%, в том числе для электролизёров с самообжигающимися анодами в пределах 3,0-4,5%.

По характеру зависимости на рис.9.12 видно, что попытки регулировать МПР, когда электролизёр работает в области малой концентрации глинозёма 1,5-2,0% (например, перед наступлением анодного эффекта), приводят к негативному результату, так как рост напряжения относительно заданного значения (уставки) вызван в большей степени снижением концентрации глинозёма, чем МПР.

Поэтому регулирование МПР допускается в области более высоких концентраций, т.е. 2,5-4,0 %, где влияние концентрации на отклонение напряжения относительно заданного существенно меньше, а влияние МПР максимально.

Если допустить, что на определённом отрезке времени все параметры, кроме концентрации глинозёма, остаются неизменными, то в таком случае изменение напряжения на электролизёре обусловлено только ростом или снижением концентрации глинозёма. Это составляет основной принцип построения алгоритма управления работой электролизёра с использованием АПГ.

Целью управляющих алгоритмов следует считать поддержание заданной концентрации глинозёма в электролите, например от 2 до 3,5%. Работа с более низкой концентрацией глинозёма нежелательна также из-за опасности выхода на анодный эффект, а с более высокой – из-за возможности образования осадков. И в том, и в другом случае нарушается наиболее продуктивная работа электролизёра и возрастает расход электроэнергии.

Алгоритм управления по концентрации может включать следующие режимы работы: «Базовое питание», «Насыщение-1», «Насыщение-2», «Голодание-1», «Голодание-2». В режиме «Базовое питание» на ванну подаётся технологически необходимое количество глинозёма (ТНК). Этот режим используется как основной для дальнейшего выбора режима питания. Режимы насыщения и голодания отличаются от базового питания на коэффициенты учащения или сокращения питания. Согласно предложению «ТоксСофт» рекомендуются следующие коэффициенты:

Однако из-за большого количества факторов расчет точных значений этих коэффициентов затруднён, и они уточняются путём анализа работы ванн и АПГ.

Оценка концентрации глинозема в электролите начинается включением режима «Голодание» (недостаточное питание), при котором электролит обедняется по глинозёму. Данный режим завершается при достижении повышенной скорости роста приведенного напряжения. Если по завершении режима «Голодание» такая скорость не установлена, то работа АПГ переходит в режим очень редкой подачи глинозема - «Тест». По окончании этих режимов и появлении признаков резкого возрастания напряжения алгоритм управления предусматривает включение режима «насыщение» (избыточного питания), продолжительность которого устанавливается с учётом стратегии алгоритма управления.

Режимы «Голодание-1» и «Голодание-2» могут чередоваться до момента, когда градиент не превысит заданного значения, которое однозначно говорит о том, что концентрация сдвинулась в левую сторону ветви. Рост приведенного напряжения можно считать признаком снижения концентрации глинозёма.

Стратегия управляющего алгоритма направлена на то, чтобы не «перекормить» ванну, т.е. избежать работы на правой ветви кривой «напряжение-концентрация». При этом для перехода на другой режим питания используется оценка изменения сопротивления. Когда питание производится на базовом уровне, сопротивление ванны будет оставаться практически постоянным. В этот период производятся все перемещения анода с целью регулирования МПР. Для исключения перемещения анода в момент измерения приведенного напряжения вводится дополнительная «полоса нечувствительности». Этим ограничивается количество перемещений анода при изменении режима питания.

В системе управления АПГ вводится понятие «уставка АПГ». Уставка АПГ – это временной интервал между подачами глинозёма системой АПГ. Базовая уставка соответствует режиму «Базовое питание» и должна обеспечивать подачу технологически необходимого количества глинозёма (ТНК) в ванну. Базовая уставка, измененная в соответствие с другим режимом, носит название текущей уставки АПГ. Текущую уставку АПГ рассчитывают по базовой уставке с учётом коэффициентов учащения или сокращения питания, как указывалось выше.

При осуществлении раздельной подачи сигнала на пробойники и дозаторы появляется возможность подбора частоты и приоритетности срабатывания каждой составляющей системы АПГ. На практике это реализуется с помощью так называемых циклограмм, в которые возможно заложить любую последовательность и длительность работы механизмов АПГ. Циклограмму задают в соответствии с возможностями АСУТП и АПГ, исходя из одного из приведенных ниже условий работы дозаторов и пробойников:

- подача глинозёма дозатором – пауза – пробивка корки пробойником; этот цикл применяется при повышенной влажности глинозёма, если необходимо подогреть и подсушить глинозём;

- пробивка корки пробойником – подача глинозёма дозатором; этот цикл применяют при больших дозах и сухом глинозёме, с расчётом, что глинозём в точке питания частично останется до следующего цикла АПГ; такой способ помогает герметизировать ванну глинозёмом;

-подача нескольких доз глинозёма в открытое отверстие в корке – периодическая (через 5-10 мин) пробивка корки пробойником, т.е. полностью асинхронная работа дозаторов и пробойников; этот цикл применяется при подаче глинозёма малыми дозами и существенно снижает расход сжатого воздуха.

Стратегия питания сводится к использованию одного из следующих режимов:

- питание «по пробойнику», при котором пробойник проталкивает дозу глинозёма в электролит; этот способ требует точного соответствия величины дозы, диаметра пробиваемого отверстия в корке и технологических параметров электролизёра, соответствующих хорошей растворимости глинозёма (уровня и температуры электролита, его состава и температуры перегрева);

- питание в режиме «малых доз», при котором появляется возможность питания ванн по дозаторам; подавая малые дозы в отверстие в корке, удаётся избежать переохлаждения электролита, что позволяет подавать несколько доз глинозёма в открытое отверстие, а пробойник «открывает» отверстие через каждые 5-10 минут.

Если разовая доза очень большая и глинозём не может раствориться и образует корку в точке питания, то производят ещё один или два пробоя без подачи глинозёма. Если разовая проба растворяется полностью, не образуя прочной корки, то появляется возможность подать одну-две дозы на открытую поверхность электролита, сэкономив на этом сжатый воздух на пробое. При высокой скорости растворения можно применять большие дозы с редкой их подачей в ванну. При низкой скорости – малые дозы с учащенной подачей.

Работа в режиме «малых доз» имеет ещё одно немаловажное преимущество. В этом режиме есть возможность организовать конвейерность в работе пробойников как на одной ванне, так и на группе ванн, т.е. разнести по времени работу пневмоцилиндров пробойников, тем самым упорядочить работу сети сжатого воздуха.

Условием хорошего растворения глинозёма можно считать циркуляцию электролита, которая зависит от конструкции электролизёра и технологических параметров её работы. Точка питания должна быть расположена в местах интенсивной (но не чрезмерно) циркуляции. Если конструкция АПГ не позволяет расположить точки питания соразмерно циркуляции, то можно распределить питание по точкам с помощью циклограммы, подавая разное количество глинозёма в разные точки (ТоксСофт: Демыкин П.А., Консур Е.П., Купцов А.Н.).

Для ванн ВТ имеется дополнительное условие - необходимо регламентированное положение газосборного колокола относительно расплава. При завышении этого расстояния пространство под колоколом будет забиваться глиноземом и застывшим электролитом, режим питания ванны нарушится.

Как отмечалось ранее, циклограммы задаются и в соответствие с режимом питания. Так в режиме «Насыщение» задаётся учащенная работа пробойников и дозаторов, а в режиме «Голодание» - более редкая. Тем самым регулируется скорость изменения концентрации глинозёма. Работоспособность АПГ напрямую зависит от выбранной циклограммы и позволяет работать системам АПГ с глинозёмами различного качества.

Для иллюстрации работы электролизёра ОА в режиме автоматического управления АПГ приводим диаграмму учёта доз и приведенного напряжения на ванне, рис.9.13. Из этого графика можно судить также о стабильности перегрева электролита относительно температуры ликвидуса при надлежащем чередовании режимов «Голодание» - «Насыщение» и при стабильном токе на серии. В конечном счёте, перечисленные факторы позволяют удерживать ванну в стабильном режиме, работать с устойчивыми бортовыми настылями и без осадков, с постоянным составом электролита и замедлить реакции вторичного окисления металла.

Рис.9.13. Диаграмма работы электролизёра ОА в режиме автоматизированного управления подачи глинозёма

Дозированное питание ванн глинозёмом на основе мониторинга сопротивления может давать заметные погрешности и сбои, если не учитывать дополнительную подпитку электролита глинозёмом из осадков. Такую подпитку принято называть вторичной. Схематическое изображение подпитки такого рода приведено на

рис. 9.14.

Подпитка электролита глинозёмом может происходить со стороны периферийных осадков. Так как жидкий металл смачивается электролитом, то Al₂O₃-содержащая плёнка будет перемещаться между металлом и бортовой настылью под воздействием циркуляции и разности градиентов плотности к электролиту, как показано на рисунке. Однако контактная поверхность между осадком и ненасыщенным по глинозёму электролиту относительно мала. Поэтому поступление глинозёма из осадков ограничивается преимущественно контактной поверхностью, способствуя также растворению осадков.

Рис.9.14. Подпитка электролита глинозёмом за счёт осадков (D.Whitfield и др., Comalco)

На электролизёрах ОА осадок может также присутствовать в заметных количествах в центре ванны непосредственно под точками АПГ. Такие осадки (если они выше уровня металла) находятся в постоянном контакте с электролитом, либо оказываются в контакте периодически в результате волнения металла. Массоперенос будет зависеть от скорости растворения глинозёма электролитом. В таких случаях источник вторичной подпитки может оказаться довольно значительным.

Глинозёмсодержащая прослойка, близкая по составу к осадку, может образоваться в граничном слое металл-электролит, как показано на рис 9.14. Прослойка образуется в результате агрессивной подпитки электролита повышенной дозировкой глинозёма. Эта плавающая прослойка оказывает влияние не только на выход по току и сопротивление ванны, но и служит значительным источником подпитки электролита глинозёмом. По сравнению с подовыми осадками Al₂O₃-содержащая плёнка подвержена приоритетному растворению в электролите. Если такой слой образуется, то площадь массопереноса на границе будет несравнимо больше, чем у контакта бортовой осадок-электролит, а воздействие на градиент концентрации глинозёма в электролите окажется весьма существенным.

Плёнка создаёт повышенное сопротивление ванны, которое постепенно снижается по мере растворения промежуточного слоя. Однако это накладывает след на классическую кривую сопротивление-концентрация (см. рис. 9.12) и приводит к её искажению, образуя гистерезис в период между режимами голодания и насыщения. Эта отклонение должно быть учтено в программном обеспечении системы управления АПГ в автоматизированном режиме (D.Whitfield, B.Welch и др., Comalco).

9.4.4.Управление питанием электролизёра при

выполнении других технологических операций

Одной из задач управления работой АПГ можно считать планирование частоты анодных эффектов и предотвращение самопроизвольных (не запланированных) вспышек. Технологически необходимые анодные эффекты вызываются режимом «Голодание» или полным прекращением подачи глинозема.

Вызов анодного эффекта производится персоналом корпуса с учётом технологического состояния электролизёра. С этой целью режим АПГ переводится на уставку «Голодание», работающую до возникновения анодного эффекта или прогноза анодного эффекта. Контроль концентрации глинозёма производится по времени работы в режиме «Голодания»: например, если результат получен в течение часа – концентрация низкая, если больше 2,5 часов – высокая.

Существующие алгоритмы управления АПГ позволяют в течение суток планировать индивидуально для каждого электролизёра время начала режима «Голодание» в зависимости от технологической необходимости.

В системе управления АПГ предусмотрены также энергосберегающие алгоритмы. Во избежание возникновения анодных эффектов в часы ограничения потребляемой мощности за час или более до начала ограничения устанавливаются «запреты голодания».

Для достижения «ясных» вспышек и снижения количества электролизёров с повышенной концентрацией глинозёма в электролите и глинозёмными осадками также предусмотрено использование уставки «Голодание». При неудовлетворительном завершении режима голодания (превышена максимальная продолжительность) или «тусклом» анодном эффекте автоматически устанавливается новое более высокое значение уставки «Голодание». Эта уставка остаётся до появления «ясной» вспышки.

Для вывода ванн из области высоких концентраций глинозёма предусмотрен алгоритм «Неэффективная перепитка». При возникновении нескольких неэффективных перепиток в течение последних, например, 6 часов делается вывод о высокой концентрации глинозёма в электролите. Для выхода из этой ситуации работа системы АПГ по концентрации приостанавливается и включается работа по таймеру. Режим работы по таймеру предусматривает подачу глинозема от дозаторов АПГ с постоянно заданной частотой. Установка на частоту подачи дается с учётом технологического состояния электролизера и массы одной подаваемой дозы.

В начале каждой смены у всех электролизёров, закреплённых за вновь заступающей сменой, проверяется время возникновения последнего анодного эффекта. Если время с возникновения последней вспышки больше, чем уставка «Голодание» минус 6 часов (продолжительность смены), то этот электролизёр включается в список заданий на «технологическую обработку». Если анодный эффект на том или ином электролизёре произошёл до включения режима «Голодание», то задание автоматически удаляется из списка заданий. Можно заказать режим «Голодание» за несколько суток вперёд. Для этого необходимо выбрать в меню «Задание» пункт «Добавить», установить требуемый номер ванны, дату, смену и час.

При возникновении анодного эффекта используется алгоритм сопровождения. Его действие может состоять из двух последовательных перемещений анодного массива вверх по «хх» секунд каждое, если текущее напряжение анодного эффекта меньше 35 В. Алгоритм «Гашение» может состоять из ряда отдельных команд:

– перемещение анодного массива вниз, вверх или в начальное положение в течение «хх» секунд;

– выполнение цикла подачи глинозёма при помощи АПГ и другие команды.

Работа системы АПГ при выливке металла имеет целью поддержание заданной концентрации глинозёма и недопущение вспышки в период выливки. После включения режима «Выливка» анализируется прирост фильтрованного напряжения. Если оно больше заданного значения, то задаётся цикл усиленного питания и режим переключается в таймер.

Целью алгоритма «Замена анода» является сопровождение операции замены анодов. Алгоритм активируется при выборе режима «Замена». При этом к заданному напряжению электролизёра устанавливается «Добавка замены анодов». После замены анодов режим «Питание» переключается в таймер, а затем возобновляется работа по концентрации. Если происходит анодный эффект, то режим «Замена анода» выключается и система переходит в режим «Сопровождение анодного эффекта». Регулирование напряжения запрещается после введения уставки «Добавка замены анода» и разрешается через час после завершения действия этой уставки. Аналогичным образом производится сопровождение операции перестановки штырей на электролизёрах с самообжигающимися анодами.

В случае выхода из строя системы АПГ или отсутствия глинозема в бункерах АПГ производится переход на обработку продольных сторон технологическим краном или напольной техникой. Если установлено образование осадка на подине электролизера в зоне питателя, то уменьшается время между плановыми анодными эффектами. Питатель отключается. После уточнения дозировки по каждому питателю и периодичности их срабатывания, а также после удаления осадка на подине АПГ подключается снова.