用于由電解法生產(chǎn)鋁的陽極中焦油含量的控制方法

專利名稱:用于由電解法生產(chǎn)鋁的陽極中焦油含量的控制方法
本發(fā)明涉及一種在用電解法和霍爾-赫路爾特(Hall-Heroulf)法生產(chǎn)鋁時，控制陽極中焦油含量的方法。
所謂的“預(yù)焙燒”陽極是這樣獲得的把粒料(常為焦炭)和粘結(jié)劑(常為焦油)加熱混合，再用振動固化、加壓或振動加壓的方法使獲得的碳糊成形，最后在高溫下焙燒(1100～1200℃)。
陽極的質(zhì)量對電解法的導(dǎo)電好壞和能量效率有決定性的影響。一個長期困擾著操作者的問題就是陽極生產(chǎn)的最優(yōu)化，尤其是，在焙燒產(chǎn)品中獲得最大的密度。這主要是關(guān)系到延長陽極在電解槽中的壽命周期，同時在耗炭量一定時減少所需生產(chǎn)的陽極塊數(shù)目。
焙燒產(chǎn)品的密度基本上是三個參量的函數(shù)原產(chǎn)品的干密度，粘結(jié)劑的成焦效率和焙燒過程中產(chǎn)生的體積變化。
這三個參數(shù)不是獨(dú)立的，而是原產(chǎn)品中粘結(jié)劑含量的函數(shù)。
經(jīng)驗表明，對于給定的兩種原料(焦炭，焦油)，給定的生產(chǎn)條件(粒化、混合等)和碳糊成形，作為粘結(jié)劑含量的函數(shù)，焙燒密度曲線通過一個最大值;在與此最大值相應(yīng)的含量下，可能在原產(chǎn)品中獲得最大干密度。
土力學(xué)對碳化陽極結(jié)構(gòu)的研究有很大的影響。
在多相介質(zhì)力學(xué)中，眾所周知，壓縮一塊含水量可變的土壤所形成的干密度曲線有一個最大值。干密度定義為受壓介質(zhì)中干物質(zhì)的密度。
當(dāng)壓應(yīng)力(穩(wěn)態(tài)壓力或動態(tài)壓力)增加時，密度最大值升高，同時相應(yīng)的含水量下降。
這個結(jié)果可以用飽和含水量來解釋。對于給定的壓應(yīng)力，如果含水量超過了飽和含水量，密度水平就會降低，這是由于固體基體中的顆粒為液體所分開的緣故。
總之，改變壓應(yīng)力所獲得的曲線都落在一條稱為飽和曲線的包絡(luò)線內(nèi)。在對給定的含水量這條飽和曲線確定了可能獲得的最大密度值(SUBBARAO，Doctorate論文，Grenoble1972，“介質(zhì)的連續(xù)壓縮和力學(xué)”)。
可以用土壤的模擬來處理碳化產(chǎn)物的壓縮問題，因為它們也同樣有氣態(tài)介質(zhì)空氣液態(tài)介質(zhì)碳化粘結(jié)劑(焦油，樹脂，瀝青)固態(tài)介質(zhì)碳化基體(汽油焦，焦炭，無煙煤等)然而在固體粒料的多孔結(jié)構(gòu)中存在著一個重要的不同點(diǎn)。
這種多孔介質(zhì)的氣孔率是隨壓應(yīng)力而變化的。這種現(xiàn)象使得飽和曲線失去單一性。簡單地說就是，在焦油含量給定時，增加壓應(yīng)力可以增大產(chǎn)物的飽和密度，然而與粘結(jié)劑含量的影響相比，這個現(xiàn)象的影響可以忽略。
以前的方法常常設(shè)法在經(jīng)過壓縮的原生的陽極中達(dá)到最大密度。由于這種調(diào)節(jié)方法常常導(dǎo)致焦油水平有規(guī)則的提高，故既可使陽極的可見面離開壓模(fattyappearanee凸面)，預(yù)先設(shè)定一個焦油含量范圍(眾所周知，焦油含量如果超過了此范圍，陽極就會在焙燒爐內(nèi)相互粘連“sticking”)，以緩和焦油水平的提高。
然而人們也提出了某些調(diào)節(jié)方法。ALCOA專利(法國FR2436763美國U.S.4133090)中提出的方法是在出壓模時測量分解原生的陽極，然后根據(jù)這個陽極的密度調(diào)節(jié)焦油含量使電極達(dá)到最佳或焦油含量最小。這意味著在產(chǎn)物參數(shù)(原材料，粒度等)發(fā)生變化后，這種最佳化方法直到獲得焙燒后電極的全部性質(zhì)之后，也就是在幾天的響應(yīng)時間之后才能容易地使用。這與原生陽極的生產(chǎn)不相適應(yīng)。因此實際上，人們不得不尋找一個平均水平線，以保證不與最佳結(jié)果偏離得太遠(yuǎn)。
本發(fā)明的目的，是要提供一種調(diào)節(jié)原生陽極的生產(chǎn)的方法(通過調(diào)節(jié)焦油含量)，使得無須等待焙燒過程的結(jié)果，即能使焙燒后陽極的密度達(dá)到最大值。
當(dāng)汽油焦的質(zhì)量水平給定且保持不變時，陽極焙燒后的表觀密度就主要依賴于焙燒前原生陽極的干密度。陽極的干密度可直接表達(dá)為陽極中干物質(zhì)的有效壓縮。
這個干密度與于原生陽極的表觀密度和焦油含量有聯(lián)系方程式為DS＝原生DA×(100-%焦油)/100其中DS原生陽極的干密度，原生DA＝原生陽極的表觀密度(直接測量得出)，%焦油＝焦油含量對碳糊重量的百分?jǐn)?shù)。
在給定一對原材料工藝條件(粒化，混合等)和碳糊成形給定的情況下，原生陽極的干密度在某一焦油含量下達(dá)到最佳值。
圖1至圖3以任意尺度示意性地畫出了陽極特性隨如何焦油含量變化的情形。
圖1示出了原生陽極的干密度隨粘結(jié)劑含量的變化，參變量是成形時所施加的壓應(yīng)力。
圖2示出了在壓應(yīng)力給定時，陽極的主要參數(shù)隨焦油含量的變化情況。
圖3表明了根據(jù)本發(fā)明焦油含量調(diào)節(jié)方法的原理。
圖4說明了本發(fā)明的實際應(yīng)用。
能得到焙燒后最大表觀密度的最佳焦油含量示于圖2中。我們將看到這個含量與可能得到的原生陽極最大干密度的焦油含量相對應(yīng)。用這個方法，也即本發(fā)明的內(nèi)容，僅需在剛結(jié)束壓縮時對原生陽極進(jìn)行測量，就可能使陽極的焙燒后表觀密度達(dá)到最佳，這樣就可以直接用于操縱控制系統(tǒng)。
而且，這個最佳干密度與產(chǎn)物參數(shù)(原材料，粒化等)有關(guān)，且明顯地隨產(chǎn)物參數(shù)變化。因此，除了過渡期間，干密度的最佳化在所有情況下可以導(dǎo)致焙燒后密度的最佳化。
這個工藝過程，即本發(fā)明的內(nèi)容，包含下列操作步驟向碳糊混合器提供下列原料一方面是經(jīng)粉碎的焦炭，其粒度預(yù)先確定并保持恒定，焦的補(bǔ)入速度也保持恒定;
另一方面是焦油，其在焦炭中的含量Bo%可由操作者手工調(diào)節(jié)，也可由程序可控的或微處理機(jī)控制的自動化單元來調(diào)節(jié)。
離開混合器后，碳糊被引入到壓縮器，加壓后的陽極卸在輥滾臺上。
如果使用非連續(xù)式的混合器，那么一次批量的碳糊合成物就是常量，因此焦油含量的任何改變都會影響到由這一次批量所生產(chǎn)出的所有N個陽極。如果混合器是連續(xù)式的，那么混合器頂端焦油含量改變的時刻與第一個加壓陽極出現(xiàn)的時刻之間有一個時間偏差，在此期間可用來改變碳糊產(chǎn)品的成份。這個偏移稱為“d”(實際上，這個時間間隔可提供出3到6個陽極)。在編程序時計算機(jī)就將其考慮在內(nèi)。
原生陽極的表觀密度是由陽極的重量和體積確定的。
重量的測量誤差在0.1%之內(nèi)。經(jīng)驗表明，加壓后的長度和寬度可以認(rèn)為是常數(shù)，其精確度類似于焦油含量，與其平均值的偏差不大于1%(絕對數(shù)值)。于是為了知道其體積只要測得加壓后陽極的高度H即可。計算機(jī)里要輸入下列參數(shù)實測的重量，長和寬(常數(shù)，但必要時也可修正)，隨焦油含量水平而實測的高度。
因此結(jié)果為原生DA＝陽極重量P/〔(H-ho)×L×1〕+Vo，Vo是陽極“頭”的體積，它有溝槽、陽極插頭和各種錐形體的頂端部分。ho是陽極頭的高度。原生陽極的干密度為DS＝原生DA×(100-焦油的百分含量)/100。這些數(shù)據(jù)也被輸入計算機(jī)。
計算機(jī)根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗取定初始焦油含量Bo%進(jìn)行計算;在這些條件下生產(chǎn)出的陽極的干密度記為γ(Bo)。
于是1、把初始焦油含量Bo提高一個數(shù)值為x(例如0.1或0.2%絕對)。在這個新的焦油含量Bo+x下產(chǎn)出的陽極具有干密度γ(Bo+x)。考慮到微小的起伏，這個密度值是在n個陽極(如5到20，最好是10)中測得的平均值。
增量x可正可負(fù)。
2、把γ(Bo+x)與γ(Bo)(平均值)相比較。
如果γ(Bo+x)＞γ(Bo)，把Bo+x再提高一個增量x，其符號與原增量相同。
如果γ(Bo+x)＜γ(Bo)，把Bo+x再提高一個增量x，其符號與原增量相反。
如此繼續(xù)下去，過程的每一步都是把本步中得到的密度水平與前一步中得到的水平相比較。
可以這樣來理解這一算法如果Bo的增加(正增量x)導(dǎo)致陽極的干密度增加，就表明現(xiàn)有的焦油含量低于最佳值Bm;而如果Bo的增加(正增量x)導(dǎo)致干密度的降低，則表明現(xiàn)在的焦油含量一定已經(jīng)超過了最佳值Bm。
同樣，如果Bo的降低(負(fù)增量x)導(dǎo)致干密度的降低，就表明現(xiàn)在的焦油含量很可能低于最佳含量Bm;而如果Bo的這個降降導(dǎo)致干密度的增加，則說明現(xiàn)在的含量一定高于最佳含量Bm。
3、如果γ(Bo+nx)和γ(Bo+(n+1)x)的任一次比較結(jié)果相等，則可向操作者或自動化單元發(fā)出一個指令保持焦油含量為Bo+(n+1)x不變;
或者把焦油含量改變?yōu)锽o+(n+1)x+x′，x′可正可負(fù)。在進(jìn)行這一操作時，x′可能等于x或小于x(如x′＝x/2)，這樣如果認(rèn)為改變前的焦油含量在最佳值附近的話，改變后的含量就不會偏離最佳值Bm太多。
4、Bo的改變有一個最大設(shè)定值其極限Bo±X(圖3)。這個極限可以定在n個x增量處。例如，上述每一步可以是0.1或0.2%的焦油(絕對百分?jǐn)?shù))，例如，X可以定在±0.5或±0.6%(絕對數(shù)值)。
5、同樣地，為避免焦油含量圍繞最佳值Bm起伏過大，可以在設(shè)定某值一段時間后重新設(shè)定焦油含量的初始值Bo，根據(jù)圖4中干密度隨焦油含量變化的真實曲線可以知道新值在最佳值Bm附近而這條曲線可在計算機(jī)中自動建立。
正如早已指出的，所有操作都可用以下方法進(jìn)行手工操作在這種情況下，操作者讀下計算機(jī)提供的數(shù)據(jù)，在已指明的方面和設(shè)定的總變化范圍X＝∑x內(nèi)改變一個增量x;
或自動操作計算結(jié)果輸入一個可程控的或微處理機(jī)控制的自動化單元，這個單元提供一顯示屏和/或其它設(shè)施來處理各種參數(shù)的變化。
圖4是一條實驗曲線，表明了焦油含量在13.4到14.5%的整個范圍內(nèi)的情況。
可以看到，對于每一個焦油含量值，干密度的實測值都聚集在一握曲線附近，幅度大約為絕對干密度值的0.002。
在一個用于一系列電解槽的陽極生產(chǎn)線上，Bo定為13.4%的焦油，x定為0.1%，X定為±0.6%。我們發(fā)現(xiàn)焦油含量的最佳值在13.6%附近，相應(yīng)的最大密度(干密度)為1.416，換句話說干密度值為1.638。這個密度水平非常之高，可制成質(zhì)量很高的焙燒后陽極。
本發(fā)明的應(yīng)用不僅局限于陽極的生產(chǎn)任何用振動固化，沖壓，加壓或振動加壓的方法使碳糊成形而獲得的碳塊，都可以根據(jù)本發(fā)明的方法來調(diào)節(jié)其焦油含量以獲得最大干密度。
權(quán)利要求
1.控制用于由電解生產(chǎn)鋁的預(yù)焙燒陽極中焦油含量，使其達(dá)到與陽極最大干密度干對應(yīng)的最佳值Bm的方法，這些陽極通過加熱混合細(xì)碎碳粒和加入比例可調(diào)的焦油，而后加壓成形，最后在高溫下焙燒的辦法生產(chǎn)，這種調(diào)節(jié)方法以下述步驟的連續(xù)重復(fù)進(jìn)行為特征1)最初，確定焦油的初始含量Bo，以對碳糊的重量百分?jǐn)?shù)而定。對于n個用焦油含量為Bo%的碳糊生產(chǎn)的陽極，在加壓后出現(xiàn)時測量它們的高度和重量，計算出這n個陽極的平均干密度r(Bo)(在整個過程中長度和寬度認(rèn)為是常數(shù))。焦油百分?jǐn)?shù)是由一個正或負(fù)的增量x改變的，其水平達(dá)到(Bo+x)%。計算用含焦油(Bo+x)%的碳糊生產(chǎn)的n個陽極的平均干密度r(Bo+x)。2)用計算機(jī)比較r(Bo+x)和r(Bo)。如果r(Bo+x)＞r(Bo)，則Bo+x增加一個值x，其符號與原增量相同。如果r(Bo+x)＜r(Bo)，則Bo+x增加一個值x，其符號與原增量值相反，如此重復(fù)進(jìn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征為，如果在γ(Bo+nx)和γ(Bo+(n+1)x)的一次比較中得出兩者相等的結(jié)果，現(xiàn)有的焦油含量Bo+(n+1)x保持不變。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征為如果在γ(Bo+nx)和γ(Bo+(n+1)x)的一次比較中得出兩者相等的結(jié)果，則Bo+(n+1)x增加一個值x′，x′可正可負(fù)，等于或小于x。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征為，設(shè)定一個Bo的最大的變化極限為±X。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1至4的一個權(quán)利要求
的方法，其特征為，建立作為焦油含量的函數(shù)的干密度的真實變化曲線，以及從中導(dǎo)出與陽極的最大干密度相應(yīng)的最佳值Bm。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征為，在某一段時間以后，把焦油含量的初始值Bo設(shè)定為等于或基本等于最佳值Bm的新值。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1至6任何一權(quán)利要求
的方法，其特征為，增量x的絕對值固定在0.1%和0.2%之間，焦油含量最大的變化范圍定在Bo±0.6%。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1至7中任一項權(quán)利要求
的方法，其特征為，將參數(shù)Bo，γ，H，P，X和x輸入計算機(jī)，以指示操作者在過程中的每一步的增量x應(yīng)采用的符號。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1至7中任一項權(quán)利要求
的方法，其特征為，將參數(shù)Bo，γ，H，P，X和x輸入一個與自動化單元相連接的計算機(jī)，此單元是可控的或由微處理機(jī)控制的，并對過程中的每一步提供增量x。
專利摘要
本發(fā)明闡述了一種用于由電解法生產(chǎn)鋁的預(yù)烘烤陽極中焦油含量的控制方法，用這種方法可把焦油含量控制在與陽極的最大干密度相應(yīng)的最佳值Bm，這樣僅需對加壓后出現(xiàn)的原生陽極進(jìn)行測量，就可能使焙燒后陽極的密度達(dá)到最大值而無須等待焙燒過程的結(jié)果。
文檔編號B28C7/04GK87104371SQ87104371
公開日1988年1月6日 申請日期1987年6月23日
發(fā)明者克勞德·萬弗倫 申請人:皮奇尼鋁公司