基于線性規(guī)劃算法磷生鐵最優(yōu)化成分設(shè)計(jì)

1、基于線性規(guī)劃算法的磷生鐵最優(yōu)化成分設(shè)計(jì)基于線性規(guī)劃算法的磷生鐵最優(yōu)化成分設(shè)計(jì)梁玉冬12，王力軍2，牛婷婷1（1.中國(guó)鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司，鄭州450041；2.北京有色金屬研究總院礦物資源與冶金材料研究所，北京100088）摘要摘要：鋁電解槽陽極組裝用磷生鐵在使用過程中需要的特性與其本體材料的物理性能息息相關(guān)。運(yùn)用材料熱力學(xué)的方法計(jì)算出五大元素(C，Si，P，Mn，S)的含量變化對(duì)磷生鐵電導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)的影響，并通過線性回歸

2、建立電導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)與五大元素含量和溫度的函數(shù)關(guān)系，最后利用線性規(guī)劃最優(yōu)化算法對(duì)某鋁廠現(xiàn)行磷生鐵成分進(jìn)行有目的性的優(yōu)化。通過優(yōu)化后，磷生鐵電導(dǎo)率最大優(yōu)化率為14.50%，熱膨脹系數(shù)最大優(yōu)化率為5.99%。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：磷生鐵；線性回歸；線性規(guī)劃；五大元素；鋁電解；電導(dǎo)率；熱膨脹系數(shù)中圖分類號(hào)：中圖分類號(hào)：TF821文獻(xiàn)標(biāo)志碼：文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：文章編號(hào)：10077545（2017）07000000OptimizationComp

3、ositionDesignofPhosphusCastIronBasedonLinearProgrammingLIANGYudong12WANGLijun2NIUTingting1（1.ZhengzhouNonferrousMetalsResearchinstituteCo.Ltd.CHALCOZhengzhou450041China2.DivisionofMineralResourcesMetallurgyMaterialsGener

4、alResearchInstitutefNonferrousMetalsBeijing100088China）Abstract：acteristicofphosphuscastironrequiredfanodeassemblyofaluminumelectrolyticcelliscloselyrelatedtophysicalpropertiesofitsbodymaterial.Effectsofcontentchangesoff

5、iveelements(CSiPMnS)onconductivitycoefficientofthermalexpansionofphosphuscastironwerecalculatedwithmethodofmaterialthermodynamics.Linearregressionfunctionbetweenelectricalconductivitythermalexpansioncoefficientcontentoff

6、iveelementstemperaturewasestablished.Componentofphosphuscastironinonealuminummanufacturewasoptimizedwithoptimizationalgithmoflinearprogramming.Themaximumoptimizationrateofconductivityofphosphuscastironis14.50%theoptimiza

7、tionrateofthermalexpansioncoefficientis5.99%afteroptimization.Keywds：phosphuscastironlinearregressionlinearprogrammingfiveelementsaluminumelectrolysisconductivitythermalexpansioncoefficient鋁電解是耗能大戶。2016年我國(guó)原鋁產(chǎn)量已經(jīng)突破了3000萬t

8、，按目前我國(guó)鋁電解噸鋁綜合電耗13500~14000kWh計(jì)算，年電耗接近400億kWh。鋁電解槽的節(jié)能降耗研究已經(jīng)成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。在電流效率不變的情況下，槽電壓每降低10mV，噸鋁直流電耗可以降低37kWh左右。因此，降低槽電壓是鋁電解節(jié)能降耗的重要方向[12]。鋁電解槽陽極壓降在350~400mV，占槽電壓的8%~12%[3]。而陽極鐵—碳?jí)航嫡颊麄€(gè)陽極壓降的30%~50%，降低鐵—碳?jí)航祵?duì)鋁電解槽節(jié)能意義重大。國(guó)內(nèi)對(duì)于磷生鐵

9、壓降的研究主要集中在降低材料電導(dǎo)率、提高澆鑄質(zhì)量、適配熱膨脹系數(shù)、改變碳碗結(jié)構(gòu)等單一方面[47]。而在實(shí)際生產(chǎn)中，磷生鐵的電導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)不是單獨(dú)變化的，通過磷生鐵成分的改變勢(shì)必會(huì)對(duì)電導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)同時(shí)產(chǎn)生影響。本文首先通過材料熱力學(xué)方法計(jì)算出5大元素(C、Si、P、Mn、S)含量以及溫度對(duì)磷生鐵電導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)的影響，并利用線性回歸方法求得其函數(shù)關(guān)系，最后利用線性規(guī)劃最優(yōu)化算法對(duì)某鋁廠現(xiàn)行的磷生鐵成分進(jìn)行優(yōu)化，找到不同溫度、不同

10、元素要求范圍下的磷生鐵最優(yōu)性能值。1磷生鐵在鋁電解運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)變化磷生鐵在鋁電解運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)變化1.1磷生鐵對(duì)生產(chǎn)的影響磷生鐵對(duì)生產(chǎn)的影響收稿日期收稿日期：20170301基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：河南省科技廳創(chuàng)新人才計(jì)劃項(xiàng)目（114200510025）作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：梁玉冬（1986），男，博士研究生，工程師；通信作者通信作者：王力軍（1962），男，博士，教授.doi：10.3969j.issn.10077545.2017.07.

11、0101.01.52.02.53.03.54.04.55.00.60.81.01.21.4298K373K473K含含含(10e6Sm1)C含含(%)(a)0.00.51.01.52.02.53.03.54.00.60.81.01.21.4298K373K473K含含含(10e6Sm1)Si含含(%)(b)0.51.01.52.00.60.81.01.21.4298K373K473K含含含(10e6Sm1)P含含(%)(c)0.51.0

12、1.52.00.60.81.01.21.4298K373K473K含含含(10e6Sm1)Mn含含(%)(d)0.00.20.40.60.80.60.81.01.21.4298K373K473K含含含(10e6Sm1)S含含(%)(e)（a）C；（b）Si；（c）P；（d）Mn；（e）S圖1不同溫度下磷生鐵電導(dǎo)率隨元素含量的變化不同溫度下磷生鐵電導(dǎo)率隨元素含量的變化Fig.1Variationofconductivityofphosph

13、uscastironwithelementcontentatdifferenttemperatures從圖1可以看出：1)在298K（室溫）條件下，隨著磷生鐵中C、Si、P含量的遞增，其電導(dǎo)率隨之減少，當(dāng)磷生鐵中C、Si、P含量分別增加0.5個(gè)百分點(diǎn)時(shí)，磷生鐵的電導(dǎo)率分別減少了13.55%、6.0%、3.2%。2)隨著磷生鐵工作溫度的升高，其電導(dǎo)率也隨之減少，當(dāng)溫度從298K上升到373K，磷生鐵的電導(dǎo)率減少了9.9%，當(dāng)溫度上升到47

14、3K時(shí)，其電導(dǎo)率較298K時(shí)降低了18.8%。3)磷生鐵中的Mn、S兩個(gè)元素的含量對(duì)電導(dǎo)率沒有明顯的影響。2.2元素含量對(duì)磷生熱膨脹系數(shù)的影響元素含量對(duì)磷生熱膨脹系數(shù)的影響對(duì)于磷生鐵而言，適當(dāng)?shù)臒崤蛎浶阅芸梢杂行Ы档完枠O鐵—碳?jí)航?。在磷生鐵澆注成型后產(chǎn)生接觸面，從而產(chǎn)生接觸電阻，在通電工作后就會(huì)有接觸壓降。文獻(xiàn)[12]表明，在確保炭塊不破碎時(shí)，適當(dāng)提高磷生鐵的熱膨脹性能，陽極鐵—碳接觸壓降可以得到有效降低，但是膨脹性能過高會(huì)導(dǎo)致陽極炭塊

15、破裂，影響生產(chǎn)穩(wěn)定性。圖2是在4個(gè)溫度下，以上述磷生鐵成分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過改變某一元素的含量，求得與之對(duì)應(yīng)的磷生鐵熱膨脹系數(shù)值。1.52.02.53.03.54.04.510111213141516373K473K573K673K熱膨脹系數(shù)106K1C%(a)0.51.01.52.02.53.03.510111213141516熱膨脹系數(shù)106K1373K473K573K673KSi%(b)0.40.60.81.01.21.41.61.