基于多变量耦合的铝电解槽能量平衡槽控技术建模与优化

1.引言

1.1 研究背景及意义

铝作为全球产量位居第二的金属，其电解生产过程的能耗在全球工业总能耗中占比约达5% 。当前，中国铝电解行业的吨铝能耗处于 13500-14500kWh 区间，与国际先进水平的12500kWh 相比，仍存在较大的差距。在铝电解生产中，电解槽能量平衡控制是降低能耗的核心环节，其本质在于通过协调电流、电压、温度等多个变量参数，实现电化学反应能与热能的动态平衡。然而，传统的槽控技术往往只考虑单一或少数几个变量的控制，难以实现对铝电解槽能量平衡的有效调控。随着计算机技术和数值模拟方法的发展，基于多变量耦合的建模与优化技术为解决铝电解槽能量平衡问题提供了新的途径。通过建立考虑多变量耦合的数学模型，深入分析各物理过程之间的内在联系，进而优化槽控策略，有望实现铝电解槽的高效节能运行。因此，开展基于多变量耦合的铝电解槽能量平衡槽控技术研究，对于降低铝电解能耗、提升行业竞争力、推动铝工业绿色可持续发展具有极为重要的现实意义。

近年来，随着人工智能技术的兴起，铝电解槽控制进入智能优化阶段。深度学习模型被引入该领域，像 LSTM 网络在预测槽温时，误差能够控制在 ±2^∘C ，但在工况发生突变时，模型的泛化能力会出现下降。总体而言，当前的研究在处理铝电解槽多变量耦合的复杂性以及提高控制策略的鲁棒性方面，仍有待进一步突破。

1.2 电解铝生产过程

世界上所有的铝都是通过电解的方法生产出来的。现代电解铝工业是采用冰晶石—氧化铝融盐电解法生产。该方法是把熔融冰晶石作为溶剂，氧化铝作为溶质，将碳素体作为电解的阳极，铝液作为电解的阴极，通入强大的直流电后，在 950^∘C～970^∘C 的温度下，在电解槽内的两极上进行电化学反应，铝电解槽是电解法最主要的设备。其生产工艺流程如图1 所示。

其电解过程为，在电解槽中加入氧化铝、氟化盐、冰晶石等生产原料，之后向电解槽通入强大的直流电，经过电解质与铝液层，然后从阴极导出。在阴极上得到液态铝，随着电解过程的不断进行，电解槽内的铝液量也不断地增加，当铝液达到一定高度后，就周期性的从电解槽中通过真空抬包将铝液吸出，最后运往铸造车间，经过配料、净化、过滤，浇铸成商品铝锭。电解后的残极则运往碳素厂重新进行处理，生产出新的阳极。生产过程中产生的废气经过净化后通过烟囱排出。

图1 电解铝工艺流程

2、铝电解槽多变量耦合机制分析

2.1 电-热耦合

在铝电解过程中，电流通过电解质和电极时会产生焦耳热，这是电解槽内热量的主要来源。根据焦耳定律，热量产生速率与电流密度的平方以及电解质和电极的电阻成正比。同时，温度的变化会影响电解质的电导率，进而改变电流分布。一般来说，温度升高，电解质电导率增大，电流密度分布更加均匀。这种电-热耦合关系对电解槽的能量平衡和运行稳定性有着重要影响。如果电流分布不均匀，会导致局部过热，增加能耗，甚至影响电解槽的使用寿命。

2.2 热-流耦合

电解槽内的温度分布不均匀会引起流体的自然对流。高温区域的流体密度较小，会向上流动，而低温区域的流体密度较大，会向下流动，从而形成自然对流循环。此外，电磁力作用下的强制对流也在铝液和电解质的流动中起着重要作用。流体的流动又会反过来影响热量的传递和分布，加速热量的扩散。热-流耦合对电解槽内的物质传输和化学反应速率有着显著

影响。

2.3 流-化耦合

铝液和电解质的流动状态会影响物质的传输和混合，进而影响化学反应的进行。在流动过程中，氧化铝颗粒在电解质中的传输和溶解速率与流体的流速、流态密切相关。如果流体流动不畅，会导致氧化铝局部浓度过高或过低，影响电解反应的均匀性和稳定性。同时，化学反应产生的气体也会对流体的流动产生影响，改变流场结构。

2.4 电-化耦合

电流密度的分布直接决定了电解反应的速率和产物分布。在阳极，电流通过时发生氧化反应，产生二氧化碳等气体；在阴极，发生还原反应，生成铝液。电极表面的电流密度分布不均匀会导致电解反应不均匀，影响铝的质量和电流效率。此外，电解质成分的变化也会影响电导率和电极反应的动力学过程，从而影响电-化耦合关系。

3、基于多变量耦合的铝电解槽数学模型建立

3.1 基本假设

为简化模型构建过程，在确保模型准确性的前提下，提出以下基本假设：

（1）电解质和铝液视为不可压缩流体，且其物理性质（如密度、黏度等）仅与温度有关

（2）忽略电极腐蚀和磨损过程，假定电极在模拟时间段内几何形状和物理性质保持不变。

（3）假设电解槽内化学反应处于平衡状态，反应速率仅受传质和电流密度影响。

3.2 控制方程