自動化控制對海綿鈦生產的重要性

陶 冶

（中航天赫（唐山）鈦業有限公司，河北 唐山 063000）

海綿鈦的生產，是采用金屬鎂與四氯化鈦在氬氣保護下進行還原反應，生成海綿鈦和氯化鎂：TiC14+2Mg=Ti+2MgCl2。之后利用高溫真空蒸餾法，去除海綿鈦中低沸點金屬殘留物得到相對純凈的海綿鈦。

而這一工藝過程的自動控制系統卻涉及到了多個方面，其直接影響著海綿鈦生產中的質量和電耗。國內多半海綿鈦生產廠，只是單純在生產中控制反應溫度和加料速度，沒有完備的自動化控制系統。因此，討論下自動化控制在海綿鈦生產的中重要性。

1 生產中自動脫氣控制

還原脫氣是海綿鈦生產的前期工序，是對原料金屬鎂和蒸餾鎂在真空低溫環境下進行抽真空干燥，防止高溫環境下氧化，從而降低海綿鈦氧含量的主要因素，控制好這一環節等于守住了降低海綿鈦中氧含量的第一關。還原低溫真空脫氣，要求控制溫度400-500度，反應器內的真空度不能高于0.04MPa，防止反應器內的潮氣不要產生的過多過快，降低反應器內氧化鎂的產生。要嚴格控制好反應器內真空度和溫度之間關系，當反應器內真空度高于0.04MPa時，即便反應爐內溫度低于設定下限溫度也不能送電升溫。這是編程時必須注意的邏輯關系。國內多數海綿鈦生產廠家，在這個環節上主要依靠人來監控，無法達到高真空低溫脫氣的效果，不能完全避免氧進入海綿鈦的要求。

2 生產自動壓力控制

脫氣結束以后，還原進行的每一步都需要把反應器內壓力恒定在一個合理的正壓范圍內，一般要求為4.9-24.5 kPa，這是穩定反應速率和控制海綿鈦氧氮含量的重要工藝指標。還原反應過程的四氯化鈦是氣態的，生成的產品是固態和液態的，因此反應器內的壓力是不斷變化的。還原反應壓力過高，影響反應速度。壓力過低，空氣會進入反應器內，導致海綿鈦氧化和氮化，影響產品質量。要始終保持反應器內壓力恒定合理正壓范圍內，依靠人來監控很難實現，同時也無法實現壓力高需停止加料的邏輯關系。國內多數海綿鈦生產廠家沒有這個環節控制，反應器內壓力波動范圍大，生產過程中時時存在外部氧氮氣體進入反應器內，給污染海綿鈦制造了機會。

3 自動溫度控制

自動溫度控制是海綿鈦生產不可缺少的控制項目，是保證把生產工藝要求的溫度控制在合理范圍內的重要手段。然而國內多數海綿鈦生產廠家的控制，只有簡單的停送電控制，沒考慮到當某一控制點送電升溫時會影響與之臨近控制點溫度的變化，沒考慮到溫度過高時是否停止加料?？刂茰囟瘸瑴貢o海綿鈦生產帶來嚴重的負面影響，會使鐵氯含量偏高，會使海綿鈦燒結，會影響蒸餾過程的順利進行。一般要求反應點的溫度不能超過860度，其它控制點的溫度不能超過880度，無論哪個控制點只要有一個超溫就要停止加料。這是編程時必須考慮的邏輯關系，同時溫度控制過程中常常發生的如下現象：即當控制點4點因溫度低于設定下限需要送電升溫時，其上部控制點3點的溫度會因4點的送電而升高，超過設定的上限，編程時也要考慮在內。完整的自動溫度控制需要考慮多方面的影響因素，這樣才能確保不超溫，降低人為因素的影響，提高產品質量。

4 加料自動化控制

海綿鈦生產中鎂還原反應屬自熱反應，其不僅可以靠自熱維持反應，還會釋放出多余熱量。加料速度快慢影響著反應溫度高低，同時影響海綿體質量優劣。所以加料自動化控制，是海綿鈦生產重要的控制項目，是還原反應過程中溫度及反應液面能否在合適范圍內波動的關鍵。反應液面在合理范圍內波動可減少上爬量、降低生產電耗、降低產品鐵含量，同時還可抑制生成過多的低價鈦。要把反應液面控制在合理的波動范圍內，計量加料流量計的準確度必須高才行，國內的海綿鈦生產廠家大多采用的是轉子流量計和質量流量計。要使流量計準確，需計量物質有一個穩定的流量，流量波動越大，計量越不準確。而還原反應生產中用到流量為每分鐘2.67-5公斤，流量波動范圍很大，因而這些計量裝置反映的數據誤差很大。為解決該問題可以采用自控定量累計加料泵，該泵不受流量波動影響，計量精確度高。生產中，一個加裝了自控充氬氣裝置的四氯化鈦儲罐可以同時為多爐自控模式加料，整個加料生產過程都處于正壓保護，有利于生產優質海綿鈦。

5 自動鼓排風控制

為了把還原反應過程產生的多余熱量散發出去，確保反應點的溫度不超溫，國內多數海綿鈦生產廠家采取的措施是自然通風降溫，也有人工操作風機降溫的，降溫效果差、速度慢。而自動鼓排風控制是一種強制降溫方式，可根據工藝要求的溫度隨時啟動風機降溫，降溫速度快、效果好，能確保反應點的溫度在合理的溫度范圍內變化。這只是自動鼓排風控制給海綿鈦生產帶來的好處之一。而其最大的優點是提高了還原反應加料速度，減少還原生產時間，降低電耗，有利于改善了海綿鈦反應生成結構。以國內某海綿鈦廠5噸爐為例來說，完善了自動鼓排風控制后，加料速度由原來最大每分鐘3.67公斤提高到了5公斤，還原時間減少了1天，每生產1噸海綿鈦節約電耗200KWH以上，每爐每年可多產海綿鈦5噸。

6 蒸餾控制

蒸餾控制主要監控的工藝參數有爐溫、水溫、反應器內真空度、爐內真空度、真空泵運行狀況信號及真空閥門開啟狀況信號，如能將這些參數在編程時實現合理的聯鎖控制，可減少蒸餾過程進氣和蒸餾通道堵塞的危險，提高蒸餾效率。真空度與爐溫聯鎖可縮短蒸餾時間，降低生產電耗，它們之間的聯鎖關系是當真空度的測量值高于設定值時，用停電控制過多的蒸發量；當真空度的測量值低于設定值時，提高爐溫設定下限，送電增大蒸發量，以確保冷凝器內的蒸發物，不會因過多而冷凝不了堵塞通道，也不會因為過少降低蒸餾效率。這是國內多數海綿鈦生產廠家蒸餾控制需要完善的部分，另外真空度、真空泵運行信號與真空閥門開啟之間的聯鎖也需要完善，它是避免因真空泵故障而使反應器內進氣的一個保障。以國內某海綿鈦廠5噸爐為例來說，完善了蒸餾控制程序后，提高了蒸餾效率，蒸餾時間減少了5個小時。

7 全自動控制

全自動控制是由程序完成的。這就要求編程時必須把還原生產的入爐控溫脫氣、恒溫加鎂、四氯化鈦的加料速度和氯化鎂排放等過程，匹配相應生產工藝參數。實現生產中自動低溫脫氣控制、反應爐內壓力自充氬氣保護及反應壓力過高泄壓控制、自動橫溫控制、加料自動化控制、鼓排風自動控制等相結合，實現整個還原蒸餾生產的自動化控制。生產入爐后，只需一個啟動按鈕，根據控制界面提示內容，通知現場操作人員完成相應工藝操作即可，操作員無需經常輸入工藝參數，減少輸入錯誤帶來的生產事故。蒸餾控制同還原控制一樣，編程時把每一步的參數和控制結合起來，實現智能控制。自動控制的完整化和程序的智能化，操作站成了指揮生產的控制中心，減輕操作員的工作量，降低了操作員的一些誤操作。另外，生產中可以避免生產工藝參數被修改，監督操作人員按工藝制度生產；減輕車間內人工巡視工作量，是生產出高等級海綿鈦的保障。

8 結束語

高自動化控制能嚴格監控到海綿鈦生產過程中各個環節，采取相應的控制措施，能把影響海綿鈦質量的每個因素控制到最低，減少人為因素的干擾，是確保海綿鈦質量的重要保障，同時還能提高年產能力，降低生產電耗及人工成本。因此自動化程度低的海綿鈦廠家，考慮完善自動化系統是有必要的。