一种通过量热法推算监测氧化铝溶解速率的方法技术

本发明专利技术涉及一种通过量热法推算监测氧化铝溶解速率的方法，其在氧化铝溶解过程中，利用氧化铝溶解过程的温度变化，通过计算溶解反应中的各吸、放热物理化学过程，从而推算得到氧化铝溶解速率。本发明专利技术中监测过程所需的数据量少，对电解槽正常电解过程产生的干扰少，而且可以迅速、有效地估测每次加料的氧化铝在电解质中的溶解情况。

【技术实现步骤摘要】
一种通过量热法推算监测氧化铝溶解速率的方法
本专利技术涉及一种通过量热法推算监测氧化铝溶解速率的方法，属于有色金属冶金

技术介绍
铝工业是耗能大户，吨铝综合电耗约为13000kWh，电能成本占原铝生产成本的一半左右。铝电解节能降耗是控制生产成本的关键问题。工业上主要采用霍尔-埃鲁法生产金属原铝。该法采用氧化铝作为原料，将氧化铝溶解于高温熔融的冰晶石熔盐中，用炭素或石墨制成的阳极和阴极电解冰晶石-氧化铝熔盐，在阳极上产生一氧化碳和二氧化碳气体，在阴极上获得金属铝液。为了维持电解过程的稳定，必须保证熔融冰晶石熔盐中的氧化铝浓度相对稳定。铝电解中一个重要的操作是将颗粒状的氧化铝原料加入到高温熔融冰晶石中，以补充在阴阳极间不断消耗的氧化铝。氧化铝加入不及时，或加入熔盐的氧化铝没有溶解进入熔盐中，便会影响铝电解过程的稳定，造成能源的浪费、缩短电解槽寿命。目前工业上采用电解槽伪电阻曲线计算电解质中的平均氧化铝浓度，并以此控制氧化铝加料频率。但随着近年来低温铝电解工艺的普及和电解槽大型化趋势发展，氧化铝加料溶解问题再度显现，大量电解槽中出现了槽底沉淀(未溶解的氧化铝所形成的沉淀)过多的问题。而目前尚无可靠的技术来实现氧化铝溶解过程的直接监测。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供一种通过量热法推算监测氧化铝溶解速率的方法，采用这种方法能够对单次的氧化铝加料溶解情况进行监测，为实现电解槽的精密控制，提高自动化程度，节能降耗提供支持。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：一种通过量热法推算监测氧化铝溶解速率的方法，其包括如下步骤：S1、推算氧化铝溶解过程中各主要吸放热反应的反应热量，其吸放热过程包括氧化铝升温吸热，用Q1表示；氧化铝溶解吸热，用Q2表示；氧化铝灼减释放吸热，用Q3表示；氧化铝相变放热，用Q4表示；液态电解质降温放热，用Q5表示；及电解质冷凝相变热，用Q6表示；S2、计算步骤S1中的Q1，Q2，Q3，Q4，Q5和Q6取绝对值；S3、判断数值有效性：若(Q1+Q2+Q3)与(Q4+Q5+Q6)相较，偏差在10％以内，则数值有效；此时整个溶解过程中的所有吸热反应吸收的能量和所有放热反应放出的能量能够互相补充，整个体系能量守恒；S4、推算结壳量与氧化铝溶解量的关系：所述氧化铝的溶解吸热量与溶解氧化铝的百分数呈正相关关系，结壳中电解质的质量与溶解氧化铝的百分数呈负相关关系，则溶解的氧化铝量mdiss.与结壳中电解质的质量关系如下式：其中，所述mfeed为每次的氧化铝加料量，所述X为氧化铝后形成的氧化铝结壳中氧化铝的质量百分数；S5、推算加料后氧化铝的溶解量；加料后溶解的氧化铝量通过将步骤S1的热量数值代入步骤S4中溶解的氧化铝量与结壳中电解质的质量关系式中，即建立与氧化铝溶解量关系较大的两个热量数值Q2和Q6的关系，并进行推导得出加料后溶解的氧化铝占总加料量的质量百分数。进一步地，在步骤S1中，所述Q1为加到电解液表面的氧化铝，从电解液中吸收热量使自身温度升高到电解液的温度，这个过程中用于加热氧化铝热量，根据如下公式计算获得：Q1＝CAl2O3·mfeed·ΔTAl2O3其中，CAl2O3是所用氧化铝的比热容；mfeed是每次的氧化铝加料量；ΔTAl2O3是加料后氧化铝温度(电解液温度)和加料前氧化铝温度的差值。进一步地，在步骤S1中，所述Q2为当氧化铝溶解在冰晶石熔体中时，从外界吸收供溶解反应持续进行的热量；根据如下公式计算获得：Q2＝ΔHα·mdiss.其中，ΔHα为alpha相氧化铝的溶解热焓；mdiss.为溶解进电解液中的氧化铝的质量。进一步地，在步骤S1中，所述Q3为氧化铝中的结晶水含量在氧化铝接触高温熔盐的瞬间汽化吸收的热量，这个过程中吸收的热量；根据如下公式计算获得：Q3＝LOI×mfeed·ΔHLOI其中，LOI是氧化铝中的结晶水含量；ΔHLOI是该温度的氧化铝的灼减热。进一步地，在步骤S1中，所述Q4是氧化铝由其他相转变为alpha相时释放的热量，根据如下公式计算获得：所述，alpha％是alpha相氧化铝的含量；mfeed是每次的氧化铝加料量；是氧化铝从γ相向α相转变的热焓。进一步地，在步骤S1中，所述Q5是液态电解质温度降低所释放的热量，根据如下公式计算获得：其中，所述是实验中所用液态电解质的比热容；是液态电解质的质量；是加料60s后电解液温度和加料前电解液温度的差值。进一步地，在步骤S1中，所述Q6为加料后，温度降到初晶温度以下的电解质，这部分电解质冷凝发生相变，相变过程中释放的热量，根据如下公式计算获得：其中，所述是结壳中电解质的质量；是电解质的相变潜热。进一步地，在步骤S5中，所述加料后溶解的氧化铝占总加料量的质量百分数按如下式计算获得：如上所述的方法，在步骤S1前，需要测量加料前后，电解质的温度变化；及加料后，测量所述氧化铝结壳的平均氧化铝浓度X。(三)有益效果本专利技术的有益效果是：本专利技术提出的通过量热法推算监测氧化铝溶解速率的方法，采用加料前后温度数据来推算、分析氧化铝溶解过程的热量变化，进而对氧化铝的溶解过程进行量化分析。监测过程所需的数据量少，对电解槽正常电解过程产生的干扰少，而且可以迅速、有效地估测每次加料的氧化铝在电解质中的溶解情况。采用这种方法能够对单次的氧化铝加料溶解情况进行监测，为实现电解槽的精密控制，提高自动化程度，节能降耗提供支持。附图说明图1为本专利技术方法实施例1中的实施流程图；图2为本专利技术方法实施例中采用的实验装置图。【附图标记说明】1：石英坩埚；2：电炉控温热电偶；3：高速温度采集模块；4：窗口；5：摄像机；6：可升降装置；7：万分天平；8：铂丝；9：铂托架；10：刚玉加料管；11：热电偶偶丝；12：漫反射光源。具体实施方式为了更好的解释本专利技术，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本专利技术作详细描述。实施例1本专利技术提出一种在氧化铝溶解过程中，利用氧化铝溶解过程的温度变化，通过计算溶解反应中的各吸、放热物理化学过程，从而推算得到氧化铝溶解速率的一种监测方法。如图1所示，按如下几个计算单元来推算加料后氧化铝的溶解速率：(1)单元一：推算溶解过程中各主要吸放热反应的反应热量氧化铝溶解阶段存在如下几个相对独立的吸放热过程：1.氧化铝升温吸热用Q1表示；2.氧化铝溶解吸热，用Q2表示；3.氧化铝灼减释放吸热，用Q3表示；4.氧化铝相变放热，用Q4表示；5.液态电解质降温放热，用Q5表示；6.电解质冷凝相变热，用Q6表示。其中，Q1为加到电解液表面的氧化铝从电解液中吸收热量使自身温度升高到电解液的温度，这个过程中用于加热氧化铝热量为Q1＝CAl2O3·mfeed·ΔTAl2O3(1)式中，CAl2O3是实验中所用氧化铝的比热容；mfeed是每次的氧化铝加料量；ΔTAl2O3是加料后氧化铝温度(电解液温度)和加料前氧化铝温度的差值。Q2表示当氧化铝溶解在冰晶石熔体中时，从外界吸收供溶解反应持续进行的热量Q2＝ΔHα·mdiss.(2)这里，ΔHα为alpha相氧化铝的溶解热焓；mdiss.为溶解进电解液中的氧化铝的质量。Q3为氧化铝中的结晶水含量。这部分水在氧化铝接触高温熔盐的瞬间汽化，这个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过量热法推算监测氧化铝溶解速率的方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1、推算氧化铝溶解过程中各主要吸放热反应的反应热量，其吸放热过程包括氧化铝升温吸热，用Q1表示；氧化铝溶解吸热，用Q2表示；氧化铝灼减释放吸热，用Q3表示；氧化铝相变放热，用Q4表示；液态电解质降温放热，用Q5表示；及电解质冷凝相变热，用Q6表示；S2、计算步骤S1中的Q1，Q2，Q3，Q4，Q5和Q6取绝对值；S3、判断数值有效性：若Q1+Q2+Q3与Q4+Q5+Q6的比值，小于10％，则数值有效；此时整个溶解过程中的所有吸热反应吸收的能量和所有放热反应放出的能量能够互相补充，整个体系能量守恒；S4、推算结壳量与氧化铝溶解量的关系：所述氧化铝的溶解吸热量与溶解氧化铝的百分数呈正相关关系，结壳中电解质的质量与溶解氧化铝的百分数呈负相关关系，则溶解的氧化铝量mdiss.与结壳中电解质的质量

【技术特征摘要】
1.一种通过量热法推算监测氧化铝溶解速率的方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1、推算氧化铝溶解过程中各主要吸放热反应的反应热量，其吸放热过程包括氧化铝升温吸热，用Q1表示；氧化铝溶解吸热，用Q2表示；氧化铝灼减释放吸热，用Q3表示；氧化铝相变放热，用Q4表示；液态电解质降温放热，用Q5表示；及电解质冷凝相变热，用Q6表示；S2、计算步骤S1中的Q1，Q2，Q3，Q4，Q5和Q6取绝对值；S3、判断数值有效性：若Q1+Q2+Q3与Q4+Q5+Q6的比值，小于10％，则数值有效；此时整个溶解过程中的所有吸热反应吸收的能量和所有放热反应放出的能量能够互相补充，整个体系能量守恒；S4、推算结壳量与氧化铝溶解量的关系：所述氧化铝的溶解吸热量与溶解氧化铝的百分数呈正相关关系，结壳中电解质的质量与溶解氧化铝的百分数呈负相关关系，则溶解的氧化铝量mdiss.与结壳中电解质的质量关系如下式：其中，所述mfeed为每次的氧化铝加料量，所述X为氧化铝后形成的氧化铝结壳中氧化铝的质量百分数；S5、推算加料后氧化铝的溶解量；加料后溶解的氧化铝量通过将步骤S1的热量数值代入步骤S4中溶解的氧化铝量与结壳中电解质的质量关系式中，即建立与氧化铝溶解量关系较大的两个热量数值Q2和Q6的关系，并进行推导得出加料后溶解的氧化铝占总加料量的质量百分数。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述Q1为加到电解液表面的氧化铝，从电解液中吸收的热量使自身温度升高到电解液的温度，这个过程中用于加热氧化铝热量，根据如下公式计算获得：Q1＝CAl2O3·mfeed·ΔTAl2O3其中，CAl2O3是所用氧化铝的比热容；mfeed是每次的氧化铝加料量；ΔTAl2O3是加料后电解液温度和加...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨酉坚，高炳亮，于江玉，王兆文，石忠宁，刘风国，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21