АППРОКСИМАЦИЯ ЗАВИСИМОСТИ ОБРАТНОЙ ЭДС ОТ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИЗА АЛЮМИНИЯ

УДК 681.5

Тишкин А.С.¹, Фирсов А.Ю.²

¹ аспирант, ² к.т.н., доцент, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

АППРОКСИМАЦИЯ ЗАВИСИМОСТИ ОБРАТНОЙ ЭДС ОТ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИЗА АЛЮМИНИЯ

Аннотация

В данной работе рассмотрена зависимость обратной ЭДС от параметров процесса, полученная обработкой экспериментальных данных. Были сопоставлены рассчитанные и экспериментальные значения обратной ЭДС в зависимости от температуры расплава Т при плотности тока, межполюсным расстоянии, величине КО и концентрации глинозема по данным разных авторов.

Ключевые слова: электролиз, обратная ЭДС, алюминий,  криолитовое отношение, межполюсное расстояние.

Tishkin A.S.¹, Firsov A.Ju.²

¹ Postgraduate student, ² PhD in Engineering, Associate professor, National Mineral Resources University

APPROXIMATION OF THE BACKWARD EMF ON THE PROCESS PARAMETERS OF ALUMINUM ELECTROLYSIS

Abstract

The dependence of backward emf obtained by experimental data processing was considered in this paper. The experimental values backward EMF were computed and compared as function of the melt temperature T at a current density, pole distance, size, criolyte ratio and concentration of alumina according to different authors.

Keywords: reduction, backward emf, aluminum, criolyte ratio, interpolar distance.

В настоящее время практически весь алюминий получают электролизом криолит-глинозёмного расплава по способу Эру-Холла. Технико-экономические показатели (ТЭП) производства алюминия в значительной степени зависят от технологических параметров работы электролизёра. В промышленных условиях под воздействием различных факторов состояние электролизера может быть не стабильным, что приводит к технологическим отклонениям. Эти нарушения повышают расход электроэнергии, снижают производительность и увеличивают долю затрат ручного труда.

На сегодняшний день проблема заключается в том, что информации о технологическом процессе недостаточно для качественного управления. Например, применение новых датчиков невозможно из-за агрессивной электро-химически активной и высокотемпературной среды, это делает невозможным проведение постоянных измерений в электролите, поэтому многие параметры данного объекта приходится измерять косвенно по другим показателям [1].

Что касается контроля за технологическим режимом процесса, то непрерывному автоматическому контролю в промышленных условиях доступны лишь напряжение и ток, а также два управляющих воздействия на электролизер, способных оперативно регулировать эти показатели, а именно изменение межполюсного расстояния перемещением анода и изменение расхода загружаемого в электролизную ванну глинозема.

Поэтому основные направления совершенствования систем управления в алгоритмическом аспекте сводятся к поиску методов косвенного оценивания непосредственно не измеряемых параметров процесса электролиза по результатам измерений напряжения U, тока I на ванне и изменений межполюсного расстояния, работы АПГ.

Автоматическому контролю доступны напряжение на электролизере U и ток, проходящий через него, I. Эти электрические параметры связаны с переменными состояния электролизера не непосредственно, а через его сопротивление R и обратную ЭДС Е:

;                                                    (1)

;                                     (2a)

.                                     (2b)

Если подставить в (1) выражения для R и E, то получим явную зависимость:

 ,                                         (3)

которую можно трактовать как уравнение косвенных измерений переменных состояния электролизера.

На сегодняшний день произведены исследования разными авторами зависимости проводимости электролита от разных пераметров, но такой показатель, как обратная ЭДС, и зависимость его от разных составляющих процесса электролиза полностью неизучен.

В работе автора Тормода Дренгстига [4, с. 208] было предложено выражение для обратной ЭДС в зависимости от температуры и концентрации глинозема.

 (4)

 (5)

Где  - ионная активность Al2O3;  - концентрация Al2O3 (wt,%);  - концентрация насыщения глинозема (wt,%); T_k- температура электролиза (K).

На заре развития алюминиевой промышленности были проведены некоторыми авторами экспериментальные работы по определению зависимости обратной ЭДС от различных параметров процесса. В связи с тем, что данные работы проводились в различных по типу экспериментальных ячейках, с разными по составу электролитами, а так же электродами и т.п., полученые зависимости обратной ЭДС у разных авторов имели расхождения.

На основе полученных данных экспериментальным путем был проведенный регрессионный анализ для получения зависимостей обратной ЭДС от различных параметров.

На рисунке №1 представлены результаты аппроксимации экспериментальных данных и сопоставлены с обратной ЭДС (E ,В) в зависимости от температуры расплава T при плотности тока 1 А/см2, межполюсном расстоянии 1 см, величине криолитового отношения равной 3 и концентрации глинозема 12 %(вес) и экспериментальные значения обратной ЭДС (E ,В) в зависимости от межполюсноого расстояния (L, см)  при плотности тока 0.5 А/см2, величине криолитового отношения равной 3 и концентрации глинозема 12 %(вес) по данным автора П. Дроссбаха [2, с.34].

Экспериментальные точки представлены на графиках в виде квадратиков, а расчетные -линией.

Рис.1. а) зависимость обратной ЭДС Е от температуры; б) зависимость обратной ЭДС от межполюсного расстояния

По экспериментальным данным С.В. Карпачева [3, с. 422], которые были аппроксимированы по формуле (6), и получены расчетные значения обратной ЭДС (E ,В) в зависимости от плотности тока (D,А/см2) для различного состава расплава при температуре 970-980 С и МПР 2.5см, результаты представлены на рисунке №2

Рис.2. - зависимость обратной ЭДС от плотности тока

Экспериментальные и расчетные значения обратной ЭДС (E ,В) в зависимости от плотности тока (D,А/см2) и состава расплава при температуре 985-995 С и МПР 2.5 см  по данным С.В. Карпачева представлены на рисунке 3.

      Рис. 3

Данная обработка экспериментальных зависимостей обратной ЭДС различных авторов показала, что их можно обобщить с помощью представленной ниже зависимостью (6) с точностью до постоянного аддитивного коэффициента kE0, неизменного в пределах экспериментальной серии, но изменяющегося в зависимости от условий эксперимента, осуществленного разными авторами.

(6)

Где E-обратная ЭДС, В; C-концентрация Al2O3 в расплаве, % (вес); T-температура расплава, С; L-межполюсное расстояние, см; KO- криолитовое отношение, дол. ед.; D- анодная плотность тока, A/см²; kE0-константа, численно равная E номинальному при принятых номинальных значениях перечисленных выше параметров. Коэффициент kE0 равен соответственно 1.66, 1.71, 1.63, 1.275 [2, 3] В. по 4 сериям экспериментальных данных разных авторов.

При сопоставлении расчитанных данных по формуле (6) и экспериментальных значения обратной ЭДС в зависимости от температуры расплава Т при плотности тока, межполюсным расстоянии, величине КО и концентрации глинозема относительная погрешность аппроксимации составила не более 3,5%.

Литература

1. Bearne, G. P. The development of aluminium reduction cell process control / G. P. Bearne // Journal of metals, May 1999. - P. 16 - 22.
2. П. Дроссбах. Цайтшрифт фюр Электрохеми, 34, 205, 1928
3. Карпачев С. В., Ремпель С. И., Иордан Е. Ф. — Исследование анодного перенапряжения в расплавленных смесях криолита с окисью алюминия. Журнал физической химии, XIII, вып. 4, 422, 1949
4. Drengstig, T. The impact of varying conductivity on the control of aluminium electrolysis cells / T. Drengstig, S. Kolas, T. Store. // Modeling, identification and control, Vol. 24, No 4, 2003, pp. 205-216.

References

1. Bearne, G. P. The development of aluminium reduction cell process control / G. P. Bearne // Journal of metals, May 1999. - P. 16 - 22.
2. Drossbah. Cajtshrift fjur Jelektrohemi, 34, 205, 1928
3. Karpachev S. V., Rempel' S. I., Iordan E. F. — Issledovanie anodnogo perenaprjazhenija v rasplavlennyh smesjah kriolita s okis'ju aljuminija. Zhurnal fizicheskoj himii, XIII, vyp. 4, 422, 1949
4. Drengstig, T. The impact of varying conductivity on the control of aluminium electrolysis cells / T. Drengstig, S. Kolas, T. Store. // Modeling, identification and control, Vol. 24, No 4, 2003, pp. 205-216.