四氯化鈦生產的爐溫控制

趙 鑫

(攀枝花攀鋼集團釩鈦資源股份有限公司，四川 攀枝花 617000)

1 引言

四氯化鈦是生產鈦白粉和海綿鈦的主要原料，也是攀鋼重要的戰略資源。近年來，國內市場對鈦白粉和海綿鈦的需求持續迅猛增長，在旺盛的市場需求和豐厚利潤的刺激下，國內大多數鈦白粉廠和海綿鈦廠都進行擴能改造或新建項目，由于配套技術、工藝不夠完善，造成成本居高不下，其中四氯化鈦的成本在生產過程中起到決定性的作用。四氯化鈦生產方法主要有沸騰氯化、熔鹽氯化和豎爐氯化三種。沸騰氯化是現行生產四氯化鈦的主要方法，其次是熔鹽氯化，而豎爐氯化已被淘汰。沸騰氯化一般以鈣鎂含量低的高品位富鈦料為原料，對原料質量要求高，成本相對也較高；而熔鹽氯化則可使用含高鈣鎂的原料，成本較低但對工藝操作水平要求較高。

粗四氯化鈦是熔鹽氯化爐的主要產物，氯化爐的爐溫高低，是粗四氯化鈦合成的關鍵因素，因此合理選擇粗四氯化鈦生產溫度對提高氯化率、控制爐溫起到非常關鍵的作用。以往熔鹽氯化生產過程中，主要靠人工觀察溫度的變化，通過計算、驗算，然后不斷的調整原料配比，以確保氯化爐爐溫正常穩定，通常此過程將維持三小時以上且不穩定，因此人工操作無法滿足生產要求，且滯后性嚴重，對四氯化鈦的產量和純度影響很大。自動連鎖條件控制爐溫大大減小爐溫異常波動對產品質量和產量的影響，比人工的操作調整快速且準確。通過研究熔鹽氯化生產粗四氯化鈦爐溫控制算法。系統地分析了熔鹽氯化法爐溫的特性并結合生產實際情況，以過程控制系統為基礎，研究氯化爐爐溫控制不利因素，提出切實可行的氯化爐爐溫控制措施和方法。

2 氯化爐生產工藝

對于氯化爐中懸浮的熔鹽介質(NaCl)，當氯氣從氯化爐底部噴入熔鹽后，對熔鹽和反應物產生了強烈的攪動。氯氣流本身分散成許多小泡，逐漸由底部向上移動，在表面張力作用下，懸浮于熔鹽中的固體粒子粘附在熔鹽與氯氣泡的界面上，隨熔鹽和氣泡的流動而分散于整個熔體中，使反應物之間有良好接觸，為氯化反應過程創造了良好的動力學條件。熔鹽氯化反應是在氣(氯氣)、液(熔鹽)、固(鈦渣和石油焦)三相體系中進行，最終生成四氯化鈦。其反應方式如下：

TiO2+2C+2Cl2=TiCl4+2CO

(1)

TiO2+C+2Cl2=TiCl4+CO2

(2)

由于氯化爐溫度由爐中化學反應放熱維持，無需借助外部加熱。因此生產過程中爐內氯氣、熔鹽液、鈦渣和石油焦的配比須跟隨爐溫的變化及時進行調整，以確保四氯化鈦的純度和產量。四氯化鈦是無色密度大的液體，不純時常為黃或紅棕色液體，后續精制流程中將反應出來。鈦白粉和海綿鈦的純度和品級將大大降低，影響產品品相及售價。因此，將根據生產特點，利用自動連鎖控制的方式對爐溫進行控制和調節。

3 氯化爐溫度控制關鍵點及方法

3.1 熱量來源

熔鹽氯化爐內的熱能主要由化學反應過程中放出的熱量提供——高鈦渣中的二氧化鈦及其它各種雜質與氯氣反應放出的熱量和過量的石油焦發生氧化反應放出的熱量。

3.2 爐溫控制

3.2.1 爐溫控制的關鍵點

熔鹽氯化爐是整個氯化過程的重點設備，其溫度控制對粗四氯化鈦的合成起到關鍵的作用。熔鹽氯化生產過程中會產生大量爐渣，爐渣須定期排出，以確保爐內液面穩定在3 m±0.5 m。因此爐溫監測點設置為氯化爐4.5 m處垂直插入，熱電偶長度為2.1 m，此熱電偶的溫度排除了爐渣及液面波動的影響，能夠及時準確測出氯化爐爐內溫度。

通過自身化學反應放熱后，如爐溫過高將反應生成的已冷卻的四氯化鈦加入氯化爐，以此來降低氯化爐爐內溫度。當爐溫過低時，通過原料的配比，加入多于反應量的石油焦，通過石油焦的氧化反應放熱以提高爐內溫度，但溫度提升過程中存在嚴重的滯后。

因此熔鹽氯化爐內的溫度控制關鍵點分別為返回到氯化爐中冷卻的四氯化鈦的量和溫度反饋滯后，控制好以上兩點操作，即可對反應過程中爐溫進行有效控制和調整。

3.2.2 爐溫控制的基本思路

氯化爐溫度控制的目標是：根據實測的氯化爐爐內溫度，控制返回的四氯化鈦礦漿流量，使氯化爐爐內溫度盡可能地接近設定值[5]。在控制氯化爐爐溫的過程中，不斷調整其中的參數及控制算法，最終使控制精度(實測卷溫與目標卷溫的偏差)有較大幅度的提高。

氯化爐的溫度控制主要是通過控制返回已冷凝后的液態四氯化鈦礦漿，四氯化鈦礦漿返回的量是通過礦漿槽中的變頻液下泵實現的，四氯化鈦礦漿返回控制爐溫工藝見圖1。

在圖中管道線表示的是礦漿返回的管道，這兩根管道的作用：一是102液下泵調節氯化爐爐內溫度，二是101液下泵調節氯化爐出口溫度。控制返回四氯化鈦礦漿的量來調節氯化爐的溫度成為主要手段。

3.2.3 預設功能

氯化爐爐溫控制在本質上是一個十分復雜的分布控制問題。由于氯化爐爐溫處于持續變化過程中，實測溫度是滯后的，因此需要根據氯化爐生產實際情況，應用預設定模型對氯化爐進料口的加料情況，以及冷凝槽液下泵返回礦漿量進行預計算，這樣可以有效地消除整個溫控系統動作滯后的影響。預設定模型每隔一段時間啟動一次，重新計算各控制量后傳送至基礎自動化系統執行。

整個預設定部分主要是由兩部分組成的，氯化爐爐溫初始設定、氯化爐爐溫動態設定。針對氯化爐進料口的加料情況、冷凝槽液下泵返回礦漿量，對氯化爐爐溫進行預設定計算，輸入相關參數，計算出氯化爐爐溫初始設定值。在氯化爐進料口開始加料之后，氯化爐爐溫將會發生變化，當變化超過一定的范圍時候，就需要對冷凝槽液下泵返回礦漿量進行計算。氯化爐爐溫動態設定部分根據冷凝槽液下泵返回礦漿量進行動態調整[4]，從而保證能按照氯化爐爐溫初始設定結果對氯化爐爐溫進行控制。氯化爐爐溫的初始設定是預設定模塊的核心部分，主要負責計算氯化爐爐溫的初始狀態，以便為每段氯化爐爐溫執行溫控規則，最終使氯化爐爐溫控制在允許的范圍之內。

3.2.4 前饋控制功能

根據現場實際采樣，四氯化鈦與溫度之間的變化關系見圖2。

由圖2，我們可以看到，熔鹽氯化爐的氯化率跟爐溫有著一定的關系，當溫度范圍在600 ℃時，氯化反應最佳。

當氯化爐進料口開始加料時，系統也啟動修正設定計算程序[1](即前饋控制計算)。修正設定計算是一個不斷進行的周期計算過程，它根據實測的氯化爐爐溫，利用與預設定計算相同的模型，對預設定計算冷凝槽液下泵返回礦漿量進行微調，此項微調按照生產工藝周期進行。

當實測的氯化爐爐溫高于預測的氯化爐爐溫時，增加冷凝槽液下泵返回礦漿量，直到滿足溫降要求。當實測的氯化爐爐溫低于預測的氯化爐爐溫時，減少冷凝槽液下泵返回礦漿量，直到滿足溫升要求。前饋補償結構原理圖見圖3。

3.2.5 補償控制功能

為了提高控制精度，控制系統的設計中還有反饋控制，以彌補前饋控制的不足。因此，控制系統是一個前饋-反饋控制系統[2]，以前饋控制為主的閉環控制系統[3]。只要溫度預設定模型精確度高，并且在施加反饋控制的同時，縮短氯化爐爐溫實測值與目標值的偏差，通過調節冷凝槽液下泵返回礦漿量來消除溫度偏差，提高氯化爐爐溫控制精度。流程如下：

3.3 爐溫控制步驟

控制返回四氯化鈦礦漿的量來調節氯化爐的溫度成為主要手段。氯氣的通入量為常量后，氯化爐的爐溫就與加入的高鈦渣、石油焦、氯化鈉的量有關，當設定螺旋給料器的輸料速度為一個定值，則加入高鈦渣、石油焦、氯化鈉就成為常量，并且產生的熱量也是一個常量，氯化爐的爐溫會成一定的線性上升，因此這時調節返回氯化爐四氯化鈦礦漿的量，就能控制爐溫。但是溫度的反饋是一個滯后的環節，因此四氯化鈦礦漿的返回量不是一個連續的過程，而是有步驟的調節。

PLC控制畫面如下：

在程序中，我們設定所要調節的氯化爐的溫度范圍在950-1 000 ℃。

(1)設定溫度與實際溫度的差值大于50 ℃，這時將返回礦漿的量設定為18 000 m3/h，并且啟動定時器T1，將礦漿返回的時間設定為3 min(時間可以整定)，當定時器的時間為零時，設定返回的四氯化鈦的量為0，監控氯化爐的溫度變化，在啟動定時器T2，(T2的時間設定為3 min)，當定時器T2為零時，在比較氯化爐的設定溫度與實際溫度的差值，若差值還大于50 ℃，再按上述進行操作。

(2)設定溫度與實際溫度的差值為40-50 ℃時，則把返回礦漿的量設定為14 400 m3/h，再按(1)的步驟循環一次。

(3)設定溫度與實際溫度的差值為30-40 ℃時，則把返回礦漿的量設定為10 800 m3/h，再按(1)的步驟循環一次。

(4)設定溫度與實際溫度的差值20-30 ℃時，則把返回礦漿的量設定為7200 m3/h，再按(1)的步驟循環一次。

(5)設定溫度與實際溫度的差值為10-20 ℃時，則把返回礦漿的量設定為3 600 m3/h，再按(1)的步驟循環一次。

(6)設定溫度與實際溫度的差值小于10 ℃時，則把返回礦漿的量設定為1 000 m3/h，再按(1)的步驟循環一次。

3.4 四氯化鈦控制系統網絡圖

四氯化鈦生產控制網絡圖主要有以下幾個特點：

(1)具有2級雙冗余網絡；

(2)0級網絡和1級網絡分別為獨立的環網；

(3)0級采用西門子1613通訊卡；

(4)1級采用1000MT以太網卡；

網絡的連接方式及功能：

(1)四氯化鈦控制系統的監控站總共有4套操作站，1套服務器，它們是通過淺藍色網絡連接在一起的。淺藍色網絡是我們架設的1級網絡，它連接服務器與各操作站，主要用于各操作站接收來自服務器的各項數據，并在畫面上顯示；并且把操作指令通過這層網絡送到服務器，再通過0級網絡傳輸到PLC。

(2)淺綠色網絡是我們架設的0級網絡，它連接服務器、工程師站與PLC控制單元，主要用于從PLC控制單元采集到各類信號(其中包括了開關量輸入及輸出，模擬量的輸入及輸出)，上傳到服務器與工程師站中，在服務器中顯示，并在工程師站中進行相應的處理；然后服務器上的操作指令及工程師站下達的指令，通過這層網絡傳輸到PLC控制單元中，讓PLC控制單元執行相應的動作。

(3)粉紅色為Profibus-DP網絡，它的主用功能是將傳動電機的數據(即變頻器的狀態字和控制字)，傳輸給上位機PLC，并接受PLC發出的各種指令，改變電機的轉速，達到調速的目的。

4 系統應用效果

溫度反饋滯后，溫度控制精度都是氯化爐氯化反應最為核心的關鍵問題，溫度控制不好，會造成氯化爐爐溫過高或過低，這樣直接影響氯化率，造成原料的浪費，以及粗四氯化鈦品質的下降，給企業帶來巨大的經濟損失。

通過對生產過程的摸索和總結，得出上述分步溫度調節方法，該方法解決了溫度滯后，提前進行調控的措施，把溫度控制在最佳溫度范圍內，提高氯化爐的氯化率，并且也進一步的縮小了溫度控制的精度，使其變化不超過工藝控制要求范圍。降低了生產成本，使整個氯化工藝有序地進行。生產后氯氣含量較低，滿足環境低污染要求。

5 結語

氯化爐爐溫控制系統是整個氯化工藝的重要控制系統，氯化爐的爐溫高低直接影響四氯化鈦產品的數量及質量，因此爐溫控制方法的設計，對整個氯化生產工藝至關重要。保持氯化爐爐溫，分析了氯化爐爐溫的控制方法，達到最佳的生產條件，使生產成本降至最低，滿足生產要求。

參考文獻：

[1] 王常力，羅安. 分布式控制系統(DCS)設計與應用實例[M]. 北京：電子工業出版社，2010.

[2] 凌志浩. DCS與現場總線控制系統[M]. 上海：華東理工大學出版社，2008.

[3] karl J.Astrom,Bjorn Wittenmark. Computer-Controlled Systems[M]. 北京：清華大學出版社，2002.

[4] 郭燕萍. 電氣控制與PLC應用[M]. 北京：人民郵電出版社，2013.

[5] 羅偉. PLC與電氣控制[M]. 北京：中國電力出版社，2013.