自動控制技術在鋁用陰極生產中的應用

李永平

（山西宇通碳素有限公司，山西 晉中 030600）

隨著電解鋁向大型預焙槽方向深入發展，要求鋁用陰極炭塊向大規格方向發展〔 1 〕。在鋁用陰極生產過程中，產品的質量會受到很多因素的影響。除了原料質量和穩定性外，其他方面諸如原料破碎過程中所造成的粒度均值性、配料過程的準確性、原料在混捏過程中是否均勻、糊料的溫度，以及成型時的振動時間等等，任何環節出問題，對產品質量都會造成很大影響。為了提高產品的質量和成品率，運用現代科技對現有設備及工藝升級改造具有很大的現實意義，并成為生產企業的廣泛共識。

1 鋁用陰極生產工藝過程

鋁用陰極炭塊的生產過程及工序如下：

(1) 人造石墨、電煅煤等原料經過破碎篩分，生成由多種粒度組成的所謂骨料。

(2) 磨粉: 根據密堆積原理，還需要一定量的粉料來填充骨料間的空隙，目前大多數廠家采用效率較高的雷蒙磨磨粉。

(3) 然后根據產品要求的各項指標定制配方，經過配料系統把骨料和粉料按配方加入到混捏機混合邊攪拌邊預熱，達到一定溫度后再加入要求配方量的黏結劑瀝青，繼續混捏，直到成為塑性和溫度合格的糊料。

(4) 把糊料輸送到振動成型機，生產出生陰極炭塊制品。

(5) 合格的陰極炭塊制品運輸到焙燒車間焙燒成熟陰極炭塊制品。

(6) 合格的熟陰極炭塊制品被送到加工車間切割，生產出所要求的陰極炭塊成品。

2 自動控制技術在鋁用陰極生產中的應用情況

2.1 中碎系統

中碎系統所配備的反擊式破碎機，以固定的轉速運轉，遇到顆粒不滿足要求的情況下，只能調整動板和定板之間的間隙，有時還需多次調整，費時費力而效果未必理想。如果工藝變動的話，此項工作還會耽誤生產。

我們在電氣控制方面進行技術改造，通過變頻器來控制電動機的轉速，取得良好的效果和經濟效益，物料不達標時，工藝人員只需輕輕撥轉旋鈕調節轉速，物料的粒度很快就會修正過來，省時省力而且不浪費原料，還節約了不少的電量，可謂一舉多得。

2.2 配料系統

在國家大力提倡環保節能大背景下，許多環保裝備在鋁用炭素行業被廣泛應用。在配料系統中大量用到粉質原料，傳統設備中的皮帶輸送機由于出現泄漏，嚴重產生粉塵污染，已不能勝任此項工作。而螺旋輸送機存在磨損消耗，故障率高，維修投入大的缺點。為了改善生產環境，眾多廠家開始采用管鏈輸送機代替皮帶機和螺旋輸送機，取得良好的效果。它的最大優勢就是沒有因粉塵泄漏造成的污染以及原料損耗，還具有輸送效率高的優點。

在電氣控制上，以PLC 為核心的總控方式淘汰了以往老舊的配料設備。系統采用開放的控制方式，采用工控機+ 觸摸屏+PLC 的配置，兼容性強。開放數據庫，使操控人員隨時根據生產所需更改程序和數據。它集自動控制技術、計量技術、傳感器技術、計算機管理技術于一體。具有重量數值顯示、配方修改管理、配料速度快、控制精度高等優點。操作人員只需在上位系統中輸入所要的工藝配方，然后啟動系統即可。在PLC 的控制下，原料通過管鏈輸送設備輸送至計量秤，當達到配方設定值時，送料及時停止，保證了計量誤差不超過0.1%。同時PLC 還把各種工藝數據采集回來，包括物料的溫度、濕度、物料之間的平衡值等等。比如有時出現各粒度物料儲量不平衡，可能影響配料過程時，會提出警告，提醒工藝工程師及時調整配方，保證生產連續性。此外, 它還協調上下級設備統一調配，配料過程結束后發出指令，通知放料設備向混捏機放料。

系統還可以通過以太網連接廠級局域網，實現管控一體化。配料過程通過組態軟件制作成動畫，包括詳盡的參數數據以更為直觀的形式傳輸回車間辦公室或者公司總調度室，幫助生產調度和公司領導在遠處了解到現場生產過程、制定生產工藝、或及時修正工藝缺陷。同時具有數據自動存儲、配料清單查詢及報表統計打印等功能，有效提高了生產效率。

2.3 混捏和糊料輸送系統

在混捏過程中，有兩項重要指標：混捏時間和糊料的溫度。這兩個指標對于下一步的成型工藝有影響，將會直接關乎生制品的各項指標及產品質量，各個廠家對此工序都極為重視。科技的引進完全擺脫了以往靠人工和經驗掌握糊料的做法，極大改善了產品品質。

由PLC 構成的控制系統將混捏和糊料輸送的環節完美整合起來，如果采用雙層結構的混捏機，各個工序更是環環相扣。干料首先加到混捏機的上層預熱，達到要求的溫度，而混捏機的下層是已預熱的干料和瀝青進行混捏。關鍵因素時間、溫度控制方面，PLC 憑借其強大的數字或模擬量處理能力使控制的溫度誤差不會超過1 度，時間相比較人工控制更是可以精確至秒級。PLC 還協調著糊料輸送小車的工作，哪臺混捏機達到出料條件，小車在PLC 發出指令下向該混捏機行進，當達到減速位的傳感器位置時開始減速，緩慢運行到接料位時平穩停車準備接料，當接料完成，混捏機發出放料完成信號，小車又在系統控制下往成型機工位送料。輸送完成后又會自動開到另一臺已經準備出料的混捏機下方進行又一次運輸，周而復始。

而在混捏機方面，下層出完料，上層已預熱的干料會自動加到下層與瀝青混捏，進料系統在自動系統的控制下自動為上層加料預熱。糊料小車是由高性能的變頻器控制的，在速度控制方面有著更高的精度，結合先進的傳感技術及產品，使糊料小車運行平穩、不會出現錯位，極大程度上避免了人工控制失誤造成的漏料或接錯料等情況。

在控制室的大屏幕上，隨時可以監視各部的工作。溫度、時間以及輸送小車位置等信息均以實時的數據和畫面直觀顯示出來，徹底沒有了人為干擾因素，糊料的塑性及其它指標都有很大提高，為下一步成型工藝提供了合格的糊料。

2.4 成型系統

成型工序是陰極炭塊生產重要的中間過程，隨著生產技術的進步和新設備的研發，成型工藝和設備都得到了快速發展。成型工藝就是把混捏機混捏好的糊料加工成所需要的形狀、尺寸、體積密度的生制品的過程。在此過程中，糊料從彈性塑性狀態轉變為流體狀態，糊料中的顆粒物將會發生位移重新排列。直接影響到生制品的各項指標和質量。

振動成型法從國外引進以后，目前已成為我國鋁用陰極炭塊生產中普遍采用的方法。該設備生產效率高，生制品質量好，還可以實現自動控制。實現自動控制以后，避免了人工控制時出現的工序紊亂出錯，計時不準，以及因此而生產出廢品或者制品指標參差不齊。

首先在進料方面采用先進的稱重傳感技術，選用高精度傳感器和控制儀表，通過和上位機的通訊控制，使進料誤差大大減小，100kg 誤差不超過0.5kg。極大程度上保證了用料一致性，及與配方的統一性。而在動力方面，由于裝備了許多機械手和液壓裝置，而且要求各部分動作協調，位置精準。用人工控制起來顯得尤為復雜。采用自動控制時，接料，接模，出料，振動，振動計時，鎖緊，解鎖，抽真空等眾多工序在由PLC 為中心組成的控制系統控制下有條不紊地進行。其中結合了精良的位置控制和數據處理技術。

位置控制方面，移動底板的控制采用伺服編碼系統，使移動底板停靠位置更加精切。機械手以及液壓油缸定位采用光電傳感器，如果系統檢測不到相應的位置信號，將不執行下一個動作，同時發出提示信號提醒操作人員，大大減少了誤操作造成的設備損壞和產生廢品。

振動控制方面有兩個重要指標：振動時間和激振力。振動時間過短，制品密度達不到要求；振動時間過長，制品又會產生內裂。同時在振動成型過程中每個時間段的激振力也有不同的要求，人工控制的話對制品一致性有很大影響。利用先進驅動技術，振動電機采用變頻調速可以同時實現此二個指標滿足工藝要求。通過對變頻器的簡單設置，使其工作在多段速工況下，每個段速設置不同頻率，改變電動機轉速，也就改變了激振力。每個段速運行時間也可以設置為不同的時間，這樣也就改變了振動時間。產品穩定性和成品率得到大幅提高。

3 結束語

設備是生產效率、產品質量的重要保證。隨著現代科學技術的飛速發展，對鋁用炭素工業起到了巨大的推動作用。只有將科技不斷融入炭素生產的各個環節，才能提高炭素技術和產品質量，在可持續發展的道路上越行越遠。