摘 要：氧化铝是电解法生产铝单质的最主要的原材料之一，在工业上有十分重要的作用。因此，有必要以氧化铝的物理和化学性质为基础来对现有的电解生产工艺进行调整，以增加电解槽的稳定性，提高电解生产铝的效益。此外，在实际的生产过程中往往伴随着各种异常情况的出现，因此要设计出异常诊断和迅速处理机制，将异常导致的损失降低到最低限度。
关键词：铝电解；生产工艺；控制管理系统
1铝电解生产系统及技术参数的设计
1.1现代铝电解生产工艺
经过多次生产技术的变革，铝的生产方式经过了几次大的调整之后形成了现代铝电解工艺。目前采用最广泛的方法是Hall-Heroult熔盐电解法。此方法以氧化铝为主要材料，电解槽中加以氟化盐作为电解质，并以炭块作为电极来进行生产。在电解的过程中，所消耗的电能主要是直流电，其来源是整流所。熔融状态下的氧化铝在直流电的作用下会在电解槽内发生氧化还原反应。氧元素在阳极失去电子并与碳元素结合生产二氧化碳气体，铝则在阴极发生还原反应生成铝单质。整个生产流程可以参考以下流程图：
.png)
图1铝电解生产工艺系统
1.2氧化铝物化性能指标
在电解槽中，氧化铝的作用大致上可以总结为三点。具体如下：（1）作为电解原料，提供铝元素在反应后生产铝单质。（2）作为电解池中的吸附剂。在使用该方法来生产铝的时候反应中会生成氟盐和HF气体，由于氟化物对环境的污染较大，因此要使用吸附剂对其进行吸附沉降，防止逸出。（3）与冰晶石混合组成阳极覆盖料。这样能够降低生产流程中的能量散失，并减少阳极材料的损耗。正是由于氧化铝在生产过程中要肩负如此重要的作用，所以对氧化铝的性能有较高的要求。所以要求氧化铝和载氟氧化铝要能够在电解质中具有良好的溶解性，而且要具有多孔性质以便于进行吸附。而且还要具有较好的结壳能力，以便于能够使覆盖料具有一定的机械强度和良好的保温性能。
在对氧化铝的物理和化学性质的各项指标进行全面的分析之后，就可以全面的对这些指标对该生产体系产生的影响。还能够对氧化铝的电解行为作出准确的预判，有利于对生产工艺进行升级和调整。这些性能指标涉及到多个方面，具体来说有粒径分布、磨损指数、灼减（LOI）、杂质/微量元素含量等。
1.3输送下料系统
氧化铝生产的过程中如何进行输送也是有一定的要求的。从目前的技术手段来看，其运输方式可以分为两类。即机械运输和气力运输。机械运输指的是可以通过小车轨道式运输、皮带式运输和提升机运输这三种具体的方式。实际上在生产过程中较少使用机械运输的方式，尤其是短距离运输时多采用气力输送的方式，而气力运输又可以分为稀相输送、浓相输送和超浓相输送。
在对氧化铝的理化性质进行更加全面的分析之后，再结合电解系统的技术要求准备对氧化铝的输送系统进行改进，以便于氧化铝能够在不同的电解装置之间进行输送。在本系统中，基准运输方式为超浓相输送技术。这项技术是以浓相输送方式为基础的，改进的地方主要是采用低压供风技术和改进风动流槽的设计。在进行改进之后，这种运输方式主要运输的目标为粉末状的物料，而且可以适应长距离输送。待运输的物料在流动槽中是以流体的形式向前运动的，具有运动速度慢，物料不易破碎，自动化程度高等优点。目前经过改进之后的输送系统以及作为一种新式的技术被很多电解铝生产工厂所采用。
1.4烟气净化系统
上文中已经提到，在生产的过程中会生成一系列的副产物，其中包括氟化物这类对环境和人体健康的都会造成巨大应用的物质，尤其是氟化氢气体。它是一种剧毒的气体，挥发性较强，如果不慎发生泄漏那么对于生产工人的生命安全将会造成巨大的影响。虽然氧化铝只能够起到一定的吸附作用，但是还远远不能够消除这些副产物的影响。因此有必要建立烟气净化系统。该系统的组成部分大致上可以分为两类：反应装置、过滤装置。在生产装置中，氧化铝作为吸附剂通过逆向喷射的方式进入反应器与烟气充分混合，同时与HF气体发生化学吸附。吸附效率在98%以上。为了将混合物中的气体和固体物质进行分离，装置采用布袋除尘来进行过滤，当氧化铝被分离出来之后就会再次进入净化系统或者被导入到加料仓中。在电解过程结束后，载氟氧化铝与产生的其他烟气会一起进入布袋除尘器来完成气体和固体的分离。气体在经过净化后才可以排放到大气中。而载氟氧化铝被收集起来，其中一部分用于循环吸附剂，另外一部分则溢流到风动溜槽，供电解生产使用。整套烟气净化系统的结构如下所示：
.png)
图2烟气净化系统结构
干法净化是一种重要的净化手段。这种净化方式主要是利用了氧化铝本身所具有的吸附性来对氟盐挥发物进行吸附。该方法的明显缺陷是烟气中的二氧化硫和PFCs等有害气体不能够被完全吸收，所以处理过后的烟气依然具有一定的毒性。因此，有些生产厂商在进行干法净化后又设计了湿法净化的系统，以对残留物进行进一步的吸收。
氧化铝颗粒的比表面积较大，因此能够对小颗粒杂质进行有效的吸附。同时，氧化铝在吸附HF气体时则是化学吸附，因此影响吸附效率的除了颗粒的比表面积之外还与颗粒表面的湿度有关。较大的比表面积和空气湿度有利于提升吸附效率。但是，一般来说比表面积较大的氧化铝也具有更多的结晶水，其所含的羟基数量也相对较多。而这些羟基在发生反应的过程中却会产生更多的 HF气体，使得生成的烟气中氟化物的含量升高。所以，可以看出在生产过程中HF的产生量和氧化铝的吸附性具有矛盾性和妥协性。
2铝电解生产工艺控制与管理系统
计算机技术的发展给很多传统的行业带来了新的技术和方法。例如在进行电解槽设计时可以利用计算机模拟技术对整个过程进行模拟。并通过各项参数的调整来实现电解槽的最佳设计方案。为了实现生产工艺的控制，技术人员还开发了机械化和自动化相结合的管理体系。
铝电解的整个过程具有一定的复杂性，并且很多的重要参数无法通过在线监测的方式获得，而且该过程是一个非线性的，变量较多的具有一定滞后性的过程。计算机系统可以利用大量的历史数据对整个过程进行分析，并进行合理的推理，根据槽电压曲线的波动走势、振幅和波形突变等指标来提取其信息。该系统可以说是具有一定自动化能力的控制系统，该系统结合了早期数据、异常诊断和自动纠错功能。从长远来看，该系统对电解铝生产有明显的促进作用。它可以有效的防止用料过多造成的浪费、还能够降低阳极效应，对于提高生产效率和生产稳定性都有有益的影响。而从短期效果来看，该系统的最大优势是能够对异常情况进行检测和自动修复。
2.1“四方”系统
所谓的四方系统实际上是指以GEN2为基础，采用不同的四种颜色来作为四种信号的算法。它能够对众多的异常情况进行分析，并得出造成这些异常情况的根本原因。异常的种类一般可以分为系统异常、人为异常、分析异常等。该系统可以对这些异常进行分析并进行修正。
2.2异常情况检测
控制系统中的异常是指在生产的过程中一个或者一组电解槽出现了规定限度之外的情况，这些情况对生产造成了不利的影响。在进行处理时，一般是按照自动检测和人工检测的顺序来对出现的异常问题进行分类，并分析出造成异常的根本原因，以便于采取最佳的纠正方式。而且，采取的纠错机制的纠错效果能够定期反馈，以便于对纠错方式进行调整。当出现的问题过于严重时，系统会自动的进行一系列的检查，并将检测的结果告知管理者。该系统具有较好的预知能力，即在问题刚刚出现还没有变的严重时，将问题的详细信息进行分析并作出预测，同时将预测的结果传递给管理者，使得管理者能够在问题全面扩散之前采取手段进行干预。系统异常检测的核心有以下几个问题：（1）下料问题。系统可以通过下料设备、电解质的转移情况等来检测氧化铝的下料问题。（2）噪音问题。（3）阴阳极问题。（4）热平衡问题。
结语
铝是我们每个人在生活中都离不开的金属之一。采用电解法生产原铝是当前绝大多数生产商都采取的生产方式。在本文中，笔者主要对GEN2管理控制系统进行了详细的介绍，并对其实现铝电解生产工艺、提高电解槽稳定性和铝的生产效率的基本原理进行了解释。现代铝生产企业想要在为了的市场竞争中占据主动就应该重视生产工艺和管理系统。
参考文献
[1]张烁.浅谈新型电解铝控制管理系统软件的开发[J].电脑知识与技术(学术交流),2018(07):12-13.
[2]张贻锋.铝电解生产过程网络控制系统的开发与研究[D].中南大学,2017.