单片机在电解铝集散控制系统中的应用本科毕业论文

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1、广西大学本科毕业论文 单片机在电解铝集散控制系统中的应用第一章 绪论11本文研究的意义随着科学技术的发展，利用单片机构成系统控制过程生产的理念已逐步渗透到各行各业。尤其在工业控制方面,更彰显出单片机控制系统比传统的人工手动控制的优越之处:不仅方便易用、减轻了工作人员的工作量，最主要的是节省了时间，提高了工作效率，从而提高企业经济效益和人民生活水平。我国铝产量居国内有色金属之首。国际上自六十年代后电解铝产量就超过铜的产量，铝现在成为有色金属生产、消费的主流，是需求量紧次于钢铁的第二大金属材料。铝具有重量轻、耐腐蚀、易导电、易延伸、外行美观等优点，广泛应用于包装、建筑、运输、电气和其他铝制品行业。

2、过去消费集中在军工、航天航空、电力、机械等领域，现在正在向建筑、交通运输及包装行业转移，铝的应用越来越广泛。但是，由于铝的化学性质活泼,自然界中只有铝的化合物,纯净的金属铝只能从铝的化合物中提取。有些铝的化合物就成为炼铝的主要原料。通过人们的实践，炼铝的方法从最初的化学法发展到目前广泛的冰晶石氧化铝融盐电解法。从目前到今后几年，电解铝的化合物得到金属铝的生产方式将成为普遍采用的方式。同时西方国家对铝的需求量将高于产量，如我国周边国家和地区一直靠进口铝来满足其需求，这样，未来几年，世界铝价将持续上扬。当前，我国经济高速增长率。而且，我国拉动内需，加强基础设施建设，增加对能源、交通、水利及公用设施

3、的投资力度，必将增加对重要基础原材料铝的需求。从世界范围看，我国电解铝人均消费量远低于美国、日本等经济大国，市场潜力巨大。随着我国西部大开发战略的实施及消费结构的改变，我国的铝消费仍处于高速增长阶段，所有这些，给我国电解铝工业的发展提供了良好的机遇，市场发展前景非常广阔。而针对铝电解业这样一个近几年迅猛发展的行业，研究如何采用单片机控制来实现行业整体水平的突飞猛进，有巨大的发展潜力。12铝电解行业综述121铝电解企业生产工艺流程一般来说，大型的铝电解企业的生产流程分为三个部分：1、铝土矿的获得在采矿厂采矿，就可以得到最初的原料含泥铝土矿，含泥铝土矿经过洗矿、被碎、筛分、配矿后就可得到铝土矿。这

4、一生产过程已经实现机械自动化。2、氧化铝的生产铝土矿和石灰（通常生产中采用石灰石与焦碳混合煅烧得到石灰）、液体碱（NaOH）的混合成分经过原料磨匀后高压溶出，经过稀释和沉降分离、过滤、晶体分离后，得到氢氧化铝浆液，从而得到氢氧化铝，氢氧化铝陪烧后就得到氧化铝。3、电解铝生产出锭铝铝电解槽中注入氧化铝、冰晶石、氟化铝、氟化钙的混合融盐溶液，通上直流电，经过电解分离得到铝液，铝液再经过铸造就得到铝锭。电解铝的整个过程看似简单，实际上铝电解的整个过程是一个非线性、多变量耦合、时变、和大时滞的工业过程体系，其自身内部复杂的物理化学变化、各种外界条件以及作业的干扰决定了电解铝运行过程中众多参数和变量的模

5、糊不确定性和不可连续测定性。同时工作的上百台铝电解槽更是一个复杂、庞大的系统，生产过程中随时可能有异常情况出现，使电解槽保持在连续稳定的生产状态下是保证生产效率的前提。而且，电解液具有很强的腐蚀性，且处于高温、强磁场等动态状况下，给生产的过程监控和现场实时数据的读取造成很大难度。因此，对铝电解的自动控制和数据的采集仍是如今的企业和各大科研院所关系的问题。122我国电解铝行业的特点及发展状况1、行业特点中国的原铝产量快速提升，并且已经连续六年成为世界上最大的原铝生产国。2001年中国原铝的产量首次达到世界第一。此后这几年中国原铝的产量几乎是按照每年增加100万吨的速度递增。如下图所示：图1-1

6、铝的常量年递增情况即使电解铝行业的一些企业已经采用了节能、环保的措施，也不可否认电解铝生产高能耗、有一定的污染、且资源依赖性强。但是，也应辨证地看待产业的发展。铝作为性能优异的金属结构材料和功能材料，具有节能、储能、减重、易回收等特性，其广泛应用是社会进步和经济发展的重要标志。同时，电解铝工业的整体水平的提升对整个社会能源利用效率的提高、对实现电网安全运行的作用是显而易见的。当然，铝工业对区域经济发展的贡献也是明显的。中国铝工业开始走向资源节约、环境清洁、循环利用的可持续发展道路。因此，铝工业是一个令人亲善的行业，是一个可以不断的改善生活质量和环境质量的行业。2、发展状况（1）行业利润下降近年

7、来，我国铝电解工业发展速度惊人。产能达到第一个100万吨用10年时间，第二个100万吨用了5年时间，第三个100万吨用了3年时间，而第四个、五个100万吨仅用了1年时间。在行业高速发展的背后，一些产业结构性的矛盾和问题开始显现。尤其是2004年以来，电解铝行业作为国家宏观调控的主要对象，经历了投资的急刹车。而能源、资源、运输的全面吃紧，导致行业生产成本徒增，利润大幅缩水。(2)环保措施加强我国电解铝行业环境污染问题得到明显改善。(3)整体水平提升 13铝电解控制系统国内外研究现状综述131国外对铝电解控制系统的研究现状美国铝业公司ALCOA采用惰性等阳极工艺技术，已于2001年初用于电解铝生产

8、线这一技术可使每磅原铝节省生产成本0.060.11美元。通过采用该项新技术（Geoffrey P. Beame,1999），未来新建的电解铝厂的投资也会节省25%30%。法国的彼施涅公司(PECHINEY)的AP50铝冶炼技术。该项新技术采用500kA电解槽，是过去10年里该公司在法国St-Jear-de-mouyienne 电解铝厂的3个样板槽开发出来的一项新技术,第一个Ap50电解槽在2004年初投产，电流效率95%96%，该项技术使生产成本降低10%，投资成本没吨电解铝为3400美元，比AP18技术节省投资成本1100美元，建设周期从30个月减少到26个月。132我国对铝电解控制系统的研

9、究现状我国电解铝工业自建国以来经理了50多年的发展，已逐步有电解铝的纯进口国变为世界第一大产铝国。但是，由于我国铝工业产业结构不合理，氧化铝供应严重不足，这就对铝电解技术提出了更高的要求，我国铝电解技术自70年代末引进160KA中间下料预焙槽技术后，揭开了我国现代铝电解技术发展的序幕。1995年青海铝业有限公司同中南工业大学合作共同承担了该项课题，成功地实现了“四低一高”（低分子比、低电解温度、低氧化铝浓度、低阳极效应系数、高极距）的工艺技术条件，控制精度达到：氧化铝浓度波动偏差2（wt）%；正常槽温波动范围+-30C；阳极效应预报成功率85%以上。系统运行可靠，故障停机检修率小于0.5次每年

10、。97年10月通过了国家经贸委鉴定，认为该项技术达到了国际先进水平。SY300（300kA）预焙阳极铝电解槽研制过程中，充分吸收了国内外大型预焙槽的最新成果，精心优化了电解槽的结构尺寸、母线设计、内衬设计及槽壳设计。采用先进的槽上部结构和点式下料装置，实践证明，电解槽运行平稳，侧部炉帮稳固而坚实，整个阴极底部平稳、干净、主要技术指标达到或超过设计值，整流效率97.65%,平均电流效率93.76%,直流电耗为13544kWh/t.Al，达到国际先进水平。SY300铝电解槽技术的主要内容及特点：一是采用窄加工面，大加工面300 mm，小加工面420 mm的槽结构尺寸；二是良好的热平衡；三是优异的磁

11、流体稳定性；四是较少的材料用量；五是采用整体提升机构；六是采用双阳极六爪结构。专家评定该工程投资省（吨铝投资7250元），工期短（一年建成），经济效益好（年销售收入28亿元，利税3亿元，出口创汇8000万美元），具有显著的经济效益和社会效益。该项技术已在河南豫港龙泉铝业有限公司、万基铝业有限公司、山东南山集团铝厂、山西关铝股份有限公司、东方希望铝业有限公司、中铝股份公司山西分公司、宁夏中宁秦毅实业有限公司、内蒙霍煤鸿骏铝业有限公司等10项工程上应用。 第二章 电解铝工艺2.1铝电解原理铝是兼备多种优良特性的轻金属，被广泛应用于电气、交通运输、建筑、轻工、冶金以及军工等行业，成为关系到一个国家经

12、济命脉的工业原材料之一。由于铝的化学性质活泼，在自然界中从未发现游离态的铝，而只有氧化态的铝的化合物，铝土矿是现代铝工业上的主要炼铝原料，铝的丰度仅次于氧和硅。铝第一次被提取至今还不到二百年，准确地说，铝的问世应是1825年，至今虽然为时不长，但铝冶金发展较快。1886年美国霍尔(Hall)和法国埃鲁特(Heroult)申请了冰晶石氧化铝熔盐电解法专利，开创了电解法炼铝阶段。电解法炼铝工艺分为两大组成部分:原料(包括氧化铝、冰晶石、氟化盐及炭素材料)的生产和金属铝的电解生产。电解是指借直流电的作用，在阴阳极两极上实现电化学反应的过程。也就是说当直流电通过电解质时，电解质的某种成份在电极上分离出

13、来，这种现象称为电解。更简单地说电解是由化合物经电离放电到变成原子的过程。 根据法拉第定律指出,对任何物质,通过96485库仑(即26.8安培时)应析出一克当量 (即8.9938克),那么通过1安培时,应析出0.3356克铝)。因此，铝的电化学当量是在电解质通过1安培时电量时,理论上应析出0.3356克铝。 在铝电解生产中用法拉第定律计算理论产量时，其公式如下： （2-1）M-理论产铝量（克）K-铝的电化学当量（克/安培时）I-通过的电流（安培）T-通过的时间（小时） 铝电解生产的电流效率是指铝电解过程中，原铝实际产量与原铝理论析出量的百分比（%）。用公式表示为： 电流效率= （2-2）M1铝

14、实际产量由于铝电解过程中，在两极上发生二次反应、铝的溶解损失、钠离子的析出、炭化铝的生成、电流的损失和电流的空耗、及其它机械损失等负影响，实际上在阴极上所得到金属铝的数量远低于理论上应得到的数量，因此电流效率应小于100%，而一般在8695%之间。 铝电解生产所需的大宗原材料大致可分为三大类：a.原料氧化铝b.熔剂氟化盐（包括冰晶石、氟化铝、氟化钠、氟化钙、氟化镁、氟化锂等）c.阳极材料阳极糊或预焙炭块 氧化铝是铝电解生产过程的主要原料，其熔点很高（2050），不易直接熔化提炼铝。但是，固体氧化铝可以部分地溶解在熔点较低的冰晶石熔融液中，形成均匀熔体，并且此溶体具有良好的导电性，这使得铝的电解

15、冶炼能在低于氧化铝熔点较多的条件得以实现。固体氧化铝溶解在熔融冰晶石熔体中，当通入直流电后，即在两极上发生电化学反应，在阳极上得到气态物质，阴极上得到液态铝，其过程为： 溶解的氧化铝液态铝(阴极)+气态物质(阳极)。生产一吨金属铝，理论上需要氧化铝1889kg,但实际上则需19251940kg。 铝的工业生产全部采用碳阳极，随着电解过程的进行，碳阳极参与电化学反应，生成碳的化合物-二氧化碳（CO2）反应式为： 2Al2O3(固) 2Al3(络合物)3O2（络合物） 阴极：Al3+(络合物)+3e Al（液） 阳极：O2（络合状）2eO（原子） 2O（原子）+C CO2（气）如图2-1下图所示,电解池装置化学反应图,通电后,电子从外电源负极经阴极进入电解池,使阴极上电子过剩；电子从阳极离开，流回外电源正极，使阳极上电子缺少。铝离子趋向阴极，在阴极上获得电子，