海綿鈦生產(chǎn)自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用

楊光燦，唐振華，王立梅

(云南新立有色金屬有限公司，云南 昆明 650100)

0 引言

文中所述項(xiàng)目為設(shè)計(jì)年產(chǎn)10000 t商品海綿鈦，生產(chǎn)方法采用國內(nèi)外成熟的克勞爾法(鎂還原法)，利用高鈦渣生產(chǎn)粗四氯化鈦，通過提純，利用金屬鎂還原生產(chǎn)海綿鈦。副產(chǎn)品氯化鎂經(jīng)過電解，得到鎂和氯氣，鎂返回還原工序作還原劑，氯氣送往氯化生產(chǎn)四氯化鈦。生產(chǎn)所需的主要原料包括高鈦渣、氯氣、氯化鈉、煅后石油焦和金屬鎂。

1 自動(dòng)化控制技術(shù)在項(xiàng)目中的應(yīng)用

海綿鈦生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜，技術(shù)含量高。以往由于自動(dòng)化控制水平低，定崗工人多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，產(chǎn)能低，在整個(gè)生產(chǎn)工藝流程中，增大了人工成本和生產(chǎn)成本，有些工序還是憑借經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行分析和判斷，產(chǎn)品質(zhì)量不高，制約了海綿鈦的規(guī)模化生產(chǎn)。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)年產(chǎn)10000 t商品海綿鈦，從國外引進(jìn)全流程生產(chǎn)工藝技術(shù)，自動(dòng)化控制程度高，自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用德國SIEMENS SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)，現(xiàn)場儀表、傳感器采用先進(jìn)、智能型產(chǎn)品，就自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)項(xiàng)目主要特點(diǎn)進(jìn)行論述。

1.1 現(xiàn)場儀表的選型、安裝符合生產(chǎn)工藝特點(diǎn)

(1)海綿鈦生產(chǎn)使用的主要原料是四氯化鈦，四氯化鈦是極易揮發(fā)的物質(zhì)，與空氣中的水分子結(jié)合后，會(huì)生成強(qiáng)腐蝕性的稀鹽酸，對(duì)現(xiàn)場的工藝管道外壁，儀表設(shè)備外殼等金屬材料均會(huì)產(chǎn)生腐蝕。現(xiàn)場儀表、控制閥均選擇耐酸腐蝕型。現(xiàn)場儀表箱、現(xiàn)場接線箱采用不銹鋼密閉型，同時(shí)箱內(nèi)通入壓縮空氣保持正壓，防止腐蝕性氣體進(jìn)入箱內(nèi)腐蝕儀表部件、接線端子。

(2)四氯化鈦生產(chǎn)中大部分介質(zhì)流動(dòng)是靠重力自流，為減小流量損失，測量四氯化鈦流量采用直管式質(zhì)量流量計(jì)，流量計(jì)內(nèi)部無阻擋件，也不會(huì)造成儀表、管道堵塞。儀表維護(hù)量少，測量準(zhǔn)確穩(wěn)定，能保證±0.1%的高精度質(zhì)量流量測量。

(3)四氯化鈦易結(jié)晶、水解，四氯化鈦生產(chǎn)大部分中間儲(chǔ)槽都設(shè)置了攪拌裝置，為保證液位測量的準(zhǔn)確可靠，四氯化鈦液位測量采用非接觸式調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)液位計(jì)，并在儲(chǔ)槽中加裝導(dǎo)波管，雷達(dá)天線選用水滴型，采用這種方式即使在非常苛刻的應(yīng)用場合中如:攪拌、泡沫、蒸汽、冷凝、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜等也能確保精確測量。

1.2 全廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)先進(jìn)可靠

(1)自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用德國SIEMENS SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)，具有多層級(jí)的，逐級(jí)進(jìn)行控制的體系結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 多級(jí)過程控制系統(tǒng)Fig.1 Multistage process control system

L0級(jí)控制:包括監(jiān)控、檢測儀表、傳感器、控制閥等，完成現(xiàn)場信號(hào)的采集、輸送以及將控制信號(hào)傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)，完成對(duì)設(shè)備的手動(dòng)、自動(dòng)控制，完成自動(dòng)聯(lián)鎖和保護(hù)功能。

L1級(jí)控制:采用冗余配置的S7-400控制器，完成對(duì)工藝流程和設(shè)備的控制功能。

L2級(jí)控制:接收工藝流程中所有過程信息，操作員在SIMATIC WinCC人機(jī)界面上能了解到整個(gè)工藝流程的狀態(tài)信息，以及發(fā)出控制指令。

L3級(jí)控制(MES級(jí)控制):基于 L0、L1、L2級(jí)控制的基礎(chǔ)上，L3級(jí)控制提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)。能夠?qū)崿F(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的長期集中存儲(chǔ)、為第三方數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)的再分配傳輸、為工藝工程師提供工藝數(shù)據(jù)分析、實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)物料平衡計(jì)算、產(chǎn)品及原材料數(shù)量、質(zhì)量統(tǒng)計(jì)、形成數(shù)據(jù)報(bào)表等。

L4級(jí)控制在該項(xiàng)目中暫未做設(shè)計(jì)。

(2)海綿鈦生產(chǎn)還原工序中往反應(yīng)器里加入四氯化鈦的流量控制在生產(chǎn)過程中是非常關(guān)鍵的部分，加料速度與流量的變化將直接影響海綿鈦產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，整個(gè)過程需要嚴(yán)格控制加入四氯化鈦的速度與流量。

選用渦輪流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦街流量計(jì)等體積式流量計(jì)會(huì)出現(xiàn)掛料、堵塞現(xiàn)象，造成測量不準(zhǔn)確和使用中停流，經(jīng)常需要拆卸清洗，儀表維護(hù)量非常大。而且采用這種流量計(jì)不僅測量誤差大，最大的缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，不能通過預(yù)先設(shè)定加料量完成自動(dòng)加料。

該項(xiàng)目從國外引進(jìn)的四氯化鈦加料流量控制裝置，在生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。此流量控制裝置專為海綿鈦生產(chǎn)四氯化鈦加料而設(shè)計(jì)，加料誤差控制在±1.0%以內(nèi)，能夠在腐蝕性環(huán)境下長期可靠、穩(wěn)定的工作，為產(chǎn)出高品質(zhì)海綿鈦創(chuàng)造了一個(gè)有利條件。

(3)海綿鈦生產(chǎn)中還應(yīng)用了無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和SIEMENS RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)。在海綿鈦生產(chǎn)還原工序需要根據(jù)加入反應(yīng)器的四氯化鈦量及加料時(shí)間定期排放定量的氯化鎂，所排放的氯化鎂由設(shè)置了稱重系統(tǒng)的抬包車接收，22臺(tái)還原爐共配置了4輛5 t抬包車。抬包車駕駛員收到氯化鎂排放指令后將抬包車駛至相應(yīng)還原爐，安裝在抬包車上的RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別還原爐上設(shè)置的爐子編號(hào)標(biāo)簽。每一次氯化鎂排放結(jié)束后將排放重量、爐子編號(hào)等過程數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)送到自動(dòng)化控制系統(tǒng)顯示并存儲(chǔ)，工藝人員可以實(shí)時(shí)掌握每一臺(tái)還原爐氯化鎂排放的數(shù)據(jù)并方便進(jìn)行生產(chǎn)情況分析，大大提高了工作效率。

2 項(xiàng)目后期對(duì)海綿鈦生產(chǎn)自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)的改進(jìn)

項(xiàng)目中海綿鈦生產(chǎn)還原爐、蒸餾爐加熱均采用分4個(gè)加熱區(qū)的電阻帶加熱器，4個(gè)加熱器分別采用真空接觸器控制加熱的啟停。根據(jù)4個(gè)加熱區(qū)分別設(shè)定的溫度，溫控程序自動(dòng)調(diào)節(jié)開啟加熱器的時(shí)間。

還原爐第4加熱區(qū)溫度設(shè)定為890℃時(shí)，2 h的溫度變化趨勢見圖2。由圖2可見2 h內(nèi)溫度變化最高值為900.5℃，最低值為880.6℃。

蒸餾爐第4加熱區(qū)溫度設(shè)定為1020℃時(shí)，2 h的溫度變化趨勢見圖3。由圖3可見2 h內(nèi)溫度變化最高值為1026.2℃，最低值為1019.8℃。

圖2 還原爐溫度變化趨勢Fig.2 Temperature variation tendency of reduction furnace

圖3 蒸餾爐溫度變化趨勢Fig.3 Temperature variation tendency of distillation furnace

由以上數(shù)據(jù)可以看出采用真空接觸器控制電阻加熱器的方式溫度控制偏差較大，且真空接觸器頻繁動(dòng)作導(dǎo)致使用壽命減短，需定期更換真空接觸器。鑒于以上原因，也為了減少電耗，降低生產(chǎn)成本，公司改進(jìn)了還原爐、蒸餾爐的加熱控制方式，采用可控硅功率控制器控制加熱器。可控硅功率控制器通過Profibus DP網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)通訊，根據(jù)控制系統(tǒng)的溫度設(shè)定值可控硅功率控制器以0-100%開度線性輸出。

采用可控硅功率控制器后還原爐第4加熱區(qū)溫度設(shè)定為890℃時(shí)，2 h的溫度變化趨勢見圖4，由圖4可見2 h內(nèi)溫度變化最高值為894℃，最低值為884℃。

采用可控硅功率控制器后蒸餾爐第4加熱區(qū)溫度設(shè)定為1020℃時(shí)，2 h的溫度變化趨勢見圖5，由圖5可見2 h內(nèi)溫度變化最高值為1022.6℃，最低值為1017.9℃。

圖4 可控硅功率控制還原爐溫度變化趨勢Fig.4 Temperature variation tendency of siliconcontrolled power control reduction furnace

圖5 可控硅功率控制蒸餾爐溫度變化趨勢Fig.5 Temperature variation tendency of siliconcontrolled power control distillation furnace

海綿鈦生產(chǎn)還原爐、蒸餾爐加熱控制采用可控硅功率控制器后，還原爐還原一爐海綿鈦的電耗由原來的17000 kWh減少為12380 kWh，蒸餾爐蒸餾一爐海綿鈦的電耗由原來的32000 kWh減少為29300 kWh，降低了海綿鈦生產(chǎn)電耗成本。溫度控制偏差也減小了，有利于反應(yīng)平穩(wěn)進(jìn)行，提升了海綿鈦產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。

3 結(jié)語

海綿鈦生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜，工藝參數(shù)控制要求嚴(yán)格，生產(chǎn)中自動(dòng)化、智能化的應(yīng)用，能夠大大提高生產(chǎn)管理的水平，從而改善生產(chǎn)環(huán)境、提升產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量、降低能源和原材料消耗，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。自動(dòng)化技術(shù)是高投入，也是高產(chǎn)出，因此應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝特點(diǎn)選擇適宜的自動(dòng)化控制方案。

［1］莫畏，鄧國珠，羅方承.鈦冶金［M］.2版.北京:冶金工業(yè)出版社.1998.

［2］程代松，湯平.降低還原控制溫度改善海綿鈦結(jié)構(gòu)的研究與實(shí)踐［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2004(6):44-46.

［3］徐春森，盧惠民.低成本海綿鈦生產(chǎn)新方法［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2004(5):44-48.