錫精煉電熱連續(xù)結(jié)晶機自動噴水系統(tǒng)開發(fā)與應用

李周華， 謝云華， 陳麒陽， 廖澤中， 王紅彬， 陳云

(1.云南錫業(yè)股份有限公司冶煉分公司， 云南 個舊 661099； 2.紅河綠地環(huán)保科技發(fā)展有限公司， 云南 個舊 661099)

電熱連續(xù)結(jié)晶機是錫精煉除鉛、鉍的關(guān)鍵設備，被譽為20世紀錫冶金工業(yè)最大的發(fā)明之一，它是原云錫第一冶煉廠、原云錫中試所、原昆明工學院老中青科技人員、工程技術(shù)人員合作攻關(guān)取得的重大科技成果，曾于1978年獲得了中國科學大會獎，公司的“YT”牌精錫，都須經(jīng)過結(jié)晶機脫鉛、鉍而產(chǎn)出[1-2]。自1975年投入工業(yè)生產(chǎn)以來，已有四十多年的生產(chǎn)歷史，經(jīng)歷多次技術(shù)改造，精錫產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量均已達到較高水準[3-4]。但其操控模式基本上停留在機械化水平，生產(chǎn)過程仍以人工憑經(jīng)驗操作。不同的操作人員在長期的生產(chǎn)實踐中，各自摸索出一套結(jié)晶機操作法，通過仔細觀察粗錫物料的變化情況、結(jié)晶狀態(tài)以及槽面溫度變化情況，調(diào)整粗錫進料量、噴水量和機械轉(zhuǎn)速，沒有固定的參數(shù)和規(guī)則。

隨著科技水平的發(fā)展和環(huán)保要求的提高，現(xiàn)有電熱連續(xù)結(jié)晶機技術(shù)難以實現(xiàn)精錫產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的精準控制，更難以解決金屬粉塵損失和現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境惡劣等諸多問題。因此，如何實現(xiàn)電熱連續(xù)結(jié)晶機自動化水平提升是目前錫冶煉行業(yè)迫切需要解決的問題。

1 電熱連續(xù)結(jié)晶機現(xiàn)狀

近年來，隨著錫礦資源的品位降低，雜質(zhì)成分越來越多，粗錫成分也越來越復雜。單純依靠人工經(jīng)驗判斷操作，或個人技能、身體(心理)狀態(tài)、績效考核等多方面因素會導致以下幾方面問題：(1)精錫產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量波動大；(2)槽內(nèi)連續(xù)結(jié)晶狀態(tài)、溫度梯度、晶體梯度的穩(wěn)定性等易受破壞，難以保證結(jié)晶機高效、穩(wěn)定產(chǎn)出；(3)螺旋軸、葉片受力不均勻，頻繁造成螺旋軸、葉片、連接螺栓被扭斷等設備事故發(fā)生。

同時，人工機械噴水作業(yè)過程中，操作環(huán)境惡劣，主要存在以下安全、環(huán)保風險：(1)操作人員要長時間站立在高溫烘烤、蒸汽彌漫的槽面作業(yè)，勞動強度大；(2)噴水過程中錫鉛煙塵、氧化渣等粉塵隨水蒸發(fā)，存在較大環(huán)保、職業(yè)健康風險；(3)人工噴水過程中，高溫液態(tài)錫遇水易造成“爆炸”現(xiàn)象，可能導致錫液飛濺燙傷事故。結(jié)晶機自動噴水控制技術(shù)的開發(fā)應用，將操作人員從惡劣的操作環(huán)境中“解脫”出來，實現(xiàn)“傳統(tǒng)的人工槽面噴水不可控作業(yè)模式”向“遠程自動噴水可控模式”轉(zhuǎn)變，有效改進結(jié)晶機人工噴水工藝現(xiàn)狀。

2 電熱連續(xù)結(jié)晶機概述

2.1 工藝概況

電熱連續(xù)結(jié)晶機作為錫精煉作業(yè)三大工序中的重要技術(shù)和設備，利用連續(xù)結(jié)晶、熔析原理將高溫粗錫中的鉛、鉍(銦、銀)與錫分離，產(chǎn)出不同品級符合質(zhì)量標準的精錫，以及含鉛量低于控制標準的粗焊錫。其原則工藝流程如圖1所示。

圖1 精煉工藝流程圖

2.2 電熱連續(xù)結(jié)晶機結(jié)構(gòu)分析

電熱連續(xù)結(jié)晶機(以下簡稱結(jié)晶機)，主要由螺旋器、電爐體、電氣控制和傳動機構(gòu)等部份組成。現(xiàn)有結(jié)晶機半徑為0.35 m，長為6 m，與水平方向成5～7°的夾角以便固液分離。電爐體的功率分為五段，形成183～232 ℃的溫度梯度，進料口距槽尾1.4 m處。傳動機構(gòu)由電磁調(diào)速異步電動機和變速箱組成，實現(xiàn)對螺旋器的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。結(jié)晶機結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[5]。

圖2 結(jié)晶機結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)晶機自動噴水系統(tǒng)開發(fā)設計方案

結(jié)晶機自動噴水系統(tǒng)的開發(fā)設計，根據(jù)物料要求設定結(jié)晶機螺旋的轉(zhuǎn)速、粗錫進料量、加熱溫度，根據(jù)噴水噴頭的噴射面積，設定噴頭數(shù)量，噴頭噴水采用PLC控制，實現(xiàn)各噴頭的噴水頻次、噴水時間精準控制。該系統(tǒng)具有兼容性、穩(wěn)定性、方便操作等優(yōu)點，是系統(tǒng)基于“MCGS通用版6.2”上運行的多用戶多任務系統(tǒng)(如圖3所示)。

圖3 組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境的關(guān)系圖

該操作管理軟件具有直觀的圖形控制界面，是由多種不同的程序和動態(tài)鏈接庫組成，可以在任何一臺PC端進行全功能操作。組態(tài)畫面中包括各動力設備的啟停及調(diào)速控制、設備參數(shù)設置、邏輯控制投切操作、邏輯控制參數(shù)設置、報警限值設置、報警顯示、應急制動、運行記錄瀏覽等。該操作軟件界面友好，使用方便，結(jié)合三菱PLC、繼電器、開關(guān)按鈕、報警指示燈等實現(xiàn)遠程自動化控制。

圖4 主控系統(tǒng)畫面

4 結(jié)晶機自動噴水系統(tǒng)開發(fā)試驗情況

結(jié)晶機自動噴水系統(tǒng)開發(fā)與應用經(jīng)歷以下階段：模擬人工現(xiàn)場半自動噴水→模擬人工遠程自動噴水→遠程連續(xù)自動噴水→工藝優(yōu)化及持續(xù)運行。

4.1 模擬人工半自動噴水

設計相對簡易的噴水裝置，包括支架、噴水管電磁閥、電氣控制系統(tǒng)。操作人員根據(jù)結(jié)晶機現(xiàn)場槽況(進料量、溫度、結(jié)晶狀況、轉(zhuǎn)速、精錫質(zhì)量等)判定噴水區(qū)域及噴水時間，將人工噴水作業(yè)轉(zhuǎn)變成機械半自動式噴水作業(yè)。

具體試驗結(jié)果如表1所示：

表1 模擬人工半自動噴水試驗結(jié)果

模擬人工現(xiàn)場半自動噴水作業(yè)驗證了自動化作業(yè)的可行性，但存在諸多難題需要解決：(1)產(chǎn)量較低，未達到人工噴水水平；(2)現(xiàn)場機械式作業(yè)操作頻繁，勞動強度大；(3)噴水設備穩(wěn)定性差，故障率高。

4.2 模擬人工遠程控制噴水

為了實現(xiàn)結(jié)晶機自動噴水控制，噴頭水量控制由水表變成水流量計控制，并設計結(jié)晶機自動噴水遠程控制和就地控制電氣圖。

從以上電氣控制圖可知，設計采用轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)遠程和就地雙重控制，控制線路中使用中間繼電器和時間繼電器進行遠程控制，但中間繼電器和時間繼電器長期運行后易損壞，造成自動噴水失靈。

圖6 模擬人工自動噴水電氣控制流程圖

表2 模擬人工半自動和模擬人工遠程噴水試驗結(jié)果

遠程控制噴水實現(xiàn)了操作人員由現(xiàn)場操作轉(zhuǎn)移到控制室進行遠程操作，且精錫產(chǎn)量、質(zhì)量有所提高，但結(jié)晶機螺旋葉片結(jié)塊嚴重，噴頭參數(shù)設定不合理等現(xiàn)象依然存在。

4.3 遠程自動連續(xù)噴水

針對上一階段試驗中存在的問題，采用MCGS組態(tài)軟件和PLC組態(tài)程序?qū)﹄姶砰y進行遠程自動控制，同時采用高清攝像頭對結(jié)晶機槽面進行監(jiān)控，并對噴水參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整。

采用MCGS組態(tài)軟件作為控制系統(tǒng)和用三菱PLC進行開關(guān)量信號、模擬量信號(4～20 mA)的采集和輸出，實現(xiàn)了自動噴水的遠程控制。檔位控制及技術(shù)參數(shù)設置如表3所示：

表3 結(jié)晶機連續(xù)自動噴水基本參數(shù)設定

試驗結(jié)果如表4所示：

表4 模擬人工遠程噴水與遠程連續(xù)自動噴水模式的對比表

試驗表明，遠程連續(xù)自動噴水模式具有以下優(yōu)點：

(1)遠程連續(xù)自動噴水時，槽內(nèi)報軸、結(jié)塊現(xiàn)象明顯減少，螺旋葉片損壞情況明顯減少。

(2)槽內(nèi)溫度梯度分布更合理，槽內(nèi)結(jié)晶狀態(tài)更穩(wěn)定，可有效降低調(diào)整槽內(nèi)晶體合理梯度時間，提高結(jié)晶機生產(chǎn)效率。

(3)遠程連續(xù)自動噴水采用多頻次、少量噴水模式，具有噴水柔和、蒸汽和粉塵量小、槽內(nèi)結(jié)晶體梯度均勻、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定等特點；而模擬人工噴水的特點是間斷性大流量噴水，具有噴水時噴水量大、蒸汽和粉塵大，槽內(nèi)結(jié)晶體梯度不均勻，產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量波動大，金屬損失大，作業(yè)環(huán)境差等特點。

(4)連續(xù)自動噴水因瞬時噴水量相對較少，結(jié)晶機中間槽體可以保持相對穩(wěn)定且飽滿的精錫結(jié)晶體數(shù)量。人工噴水時，回流階段中間槽體晶體較少，拉料階段由于強力給水冷卻結(jié)晶作用，結(jié)晶機中間槽體經(jīng)常出現(xiàn)大量結(jié)晶體堆積，常有結(jié)晶體溢流出槽體的現(xiàn)象發(fā)生。此時，結(jié)晶機螺旋體及機軸所受力矩明顯加大，螺旋葉片橫向切應力亦明顯增加，結(jié)晶機機體所受負荷不均勻，易使結(jié)晶機葉輪、螺旋軸、連軸螺絲等部件受損。連續(xù)自動噴水可以減少上述現(xiàn)象的發(fā)生。

但也存在以下問題：(1)電磁閥閥體排氣孔易被水中雜質(zhì)堵塞，引起電磁閥失靈而造成結(jié)晶機抱軸和螺旋葉片連接螺栓損壞脫落等設備事故發(fā)生；(2)自動控制系統(tǒng)未增加連鎖保護系統(tǒng)，電磁閥失靈后不能及時切斷噴水；(3)部分噴頭噴水參數(shù)設計不合理，出現(xiàn)螺旋葉片晶體抱軸、葉片損壞等現(xiàn)象，需對各噴頭噴水參數(shù)進行優(yōu)化。

4.4 增加連鎖保護和水質(zhì)過濾裝置的遠程自動連續(xù)噴水

為了解決結(jié)晶機自動噴水試驗中存在的問題，在自動控制系統(tǒng)中增加了流量連鎖保護系統(tǒng)和報警系統(tǒng)，同時在自動噴水系統(tǒng)進口端安裝了過濾設備，并不斷優(yōu)化各段噴頭噴水參數(shù)。優(yōu)化前后結(jié)晶機連續(xù)自動噴水與對比情況如表5所示。

表5 優(yōu)化前后結(jié)晶機噴水情況對比表

增加連鎖保護系統(tǒng)及過濾器后，設備持續(xù)穩(wěn)定運行30天，晶體抱軸和葉片損壞事故率比人工噴水少，各項技術(shù)指標均有所提高，基本與人工噴水相當。但部分噴頭漏水時易引發(fā)總水管電磁閥自動連鎖保護程序，導致自動噴水設備頻繁緊急停車，影響生產(chǎn)作業(yè)的連續(xù)性。

4.5 結(jié)晶機自動噴水系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化與運行

為使結(jié)晶機自動噴水系統(tǒng)更好地滿足生產(chǎn)需要，制定了以下改進措施。

(1)對自動噴水系統(tǒng)保護裝置進行再次優(yōu)化，確定在電磁閥發(fā)生故障時，關(guān)閉主水管電磁總閥并同時打開9個噴頭電磁閥及總水管末端的電磁閥，使電磁總閥后端水管中的水快速排除，避免損壞螺旋葉片事故的發(fā)生。

(2)改進連鎖、閉鎖程序，同步使用噴水時間、噴水量連鎖控制，杜絕漏水時的系統(tǒng)誤判，增強保護系統(tǒng)可靠性。

(3)新設計的自動噴水系統(tǒng)做到水、電系統(tǒng)分離、干濕分離，安裝布局更合理，安全性、可靠性更好。

試驗結(jié)果如表6所示：

表6 自動噴水試驗與人工噴水情況對比表

試驗證明，結(jié)晶機自動噴水系統(tǒng)經(jīng)過一年多的設備改進及參數(shù)優(yōu)化，現(xiàn)已經(jīng)基本滿足生產(chǎn)要求，產(chǎn)品產(chǎn)量與人工噴水相當，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性比人工好，人員操作由現(xiàn)場作業(yè)提升至遠程自動控制，極大降低了人員的勞動強度、改善了人員的作業(yè)環(huán)境。但還存在以下問題：

(1)使用的塑殼繼電器使用壽命為10～30萬次，但在生產(chǎn)過程中3#、4#噴頭繼電器通斷次數(shù)達到30萬次/年，因此現(xiàn)用的繼電器難以保障正常生產(chǎn)，在試驗階段曾出現(xiàn)中間繼電器失靈造成設備事故發(fā)生，下一階段將開展固態(tài)繼電器通斷方面的試驗研究。

(2)結(jié)晶機物料成分復雜多變，目前設計控制參數(shù)主要適用于常規(guī)性物料，針對更為特殊、復雜的粗錫物料，待進一步開發(fā)針對性的自動噴水控制技術(shù)參數(shù)。

5 結(jié)論

(1)試驗表明結(jié)晶機自動噴水系統(tǒng)方便可行，使用該系統(tǒng)后產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量均優(yōu)于人工噴水。

(2)實現(xiàn)了操作人員由現(xiàn)場操作改為控制室操作，降低了員工勞動強度、減少了職業(yè)危害和安全風險。

(3)連續(xù)自動噴水技術(shù)具有少量多次、持續(xù)穩(wěn)定給水的優(yōu)勢，能減少瞬時煙氣、煙塵的產(chǎn)生量，安全、環(huán)保風險更低。同時能有效降低了螺旋葉片運轉(zhuǎn)負荷，降低了螺旋葉片、軸、螺栓等損壞次數(shù)，提高了設備有效開動率。

(4)結(jié)晶機自動噴水控制更有利于槽內(nèi)溫度、成分梯度的合理分布控制，更好地保持精錫結(jié)晶-焊錫熔析的平衡性，降低了人工經(jīng)驗判斷的不穩(wěn)定性，縮短了頻繁調(diào)整槽況時間，有效提高了結(jié)晶機生產(chǎn)效率。

(5)可實現(xiàn)1人多臺結(jié)晶機的遠程自動控制操作，有效降低了人工作業(yè)成本，提高了結(jié)晶機自動化水平。

由于結(jié)晶機產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量及環(huán)保狀況受進料系統(tǒng)、排焊錫系統(tǒng)和收塵系統(tǒng)的影響，下一階段將從結(jié)晶機穩(wěn)定進料、連續(xù)焊錫排放及槽面集氣系統(tǒng)等方面繼續(xù)開展試驗研究工作。