稀土火法冶煉自動化探索與研究

曾紀平 李孝艷 吳 恒

贛州市綜合檢驗檢測院 江西 贛州 341000

一、稀土冶煉概述

稀土是國民經濟和現代國防中不可替代的稀缺材料和戰略性資源,其應用廣泛,在很多領域中發揮著重要作用。稀土冶煉方式主要有濕法冶煉和火法冶煉。濕法冶煉是用溶液、溶劑通過分解浸出、萃取分離、沉淀結晶、離子交換等一系列工藝過程將稀土元素提取出來,目前主要用于稀土精礦冶煉制備稀土氧化物。火法冶煉利用高溫從礦石中提取金屬或其化合物的冶金過程,主要包括硅熱還原法制取稀土合金,熔鹽電解法制取稀土金屬或合金,金屬熱還原法制取稀土合金等,目前主要用于稀土氧化物制備稀土金屬或合金,其中熔鹽電解是把稀土氯化物或稀土氧化物等稀土化合物加熱熔融,然后進行電解,在陰極上析出稀土金屬。本文主要探討稀土火法冶煉中熔鹽電解的自動化生產。

二、火法冶煉自動化現狀

工業自動化為“提升產業鏈現代化水平”和“推動傳統產業高端化、智能化、綠色化發展”奠基了基礎,金屬冶煉過程中自動化在降低人力物力、減少有毒物質、提升并穩定產品質量等方面能發揮重要作用。冶煉行業是傳統制造業,其工作環境一般是高溫、強酸、強堿、強腐蝕性等惡劣環境,稀土熔鹽電解過程就是典型代表,導致我國稀土冶煉分離技術即使處于世界一流水平但依舊自動化程度低。

火法冶煉也常用于銅、鉛等金屬冶煉,熔鹽電解還用于鋁、鎂、鈹等金屬提純。在火法冶煉和熔鹽電解自動化方面,很多企業和研究人員都做了嘗試并取得了一定成果。江銅集團貴溪冶煉廠[1]建設了火法冶煉智能工廠管理系統,可以實現冶煉各工序作業進度信息貢獻與預報。林成東[2]開發了用于火法煉銅的風機、泵、膠帶輸送機、電動閥的控制模塊,能夠做到過程控制穩定可靠。王政[3]設計了基于現場總線CAN的鈉電解槽智能控制系統,可以對電解過程中的電解質液位和氯氣管道氣壓進行現場監測和控制。蔡玉強、趙長慶[4]研發了一套包括冶煉機器人、陰極升降結構、鑄模脫模機構等的稀土冶煉自動化生產設備,通過對稀土冶煉機器人進行運動學仿真分析來實現溶液提取搬運、金屬鑄脫模一系列操作,提高了冶煉生產效率但不涉及冶煉過程的控制。包頭稀土研究院[5]研制了自動加料系統和稀土鐵合金陰極自動升降系統。

上述方法在一定程度上實現了火法冶煉的自動化,但是稀土冶煉過程缺乏準確且穩定性高的計量測試設備、方法和控制手段,使得一些自動化設施、手段難以推廣,如稀土熔鹽電解過程中溫度的自動化控制還是有待于解決,反應過程通過人工目視爐膛火焰顏色判斷,導致稀土熔鹽電解的稀土金屬或合金產品質量難以控制。熔鹽電解工藝是通過對熔融電解質外加電壓將熔鹽組分分解,影響電解效率的因素有溫度、電流密度、極間距離和電解質性質,其中電解溫度是最直接影響產品質量的因素。目前廣泛應用于稀土熔鹽電解工藝的溫度測量有三種方式:一是肉眼觀察熔鹽火焰顏色判斷溫度,過于依靠工人的經驗,使用最為普遍;二是采用輻射測溫的紅外測溫儀,能夠測量熔鹽表面溫度無法測量熔鹽內部的溫度;三是將熱電偶放置在耐高溫耐腐蝕的套管中,并固定在熔鹽內,無法遠程監測并且熔鹽翻滾時溫度測量精密度差。

三、稀土火法冶煉自動化平臺研究與開發

經過多方調研及論證,目前稀土冶煉行業存在以下方面問題:

（1）分析軟件系統應用程度低:稀土金屬冶煉屬于傳統的冶金行業,本身的信息化、自動化水平較低;大部分企業只使用用友、金蝶等國內ERP廠商的財務軟件,能夠從物料、質量、生產、設備、技術、研發、市場等多維度應用智能制造軟件平臺系統的企業少。

（2）自控系統應用少:火法冶金行業中大部分企業的工況環境較為惡劣,自控系統前端設備如儀器儀表、傳感器等硬件的投入成本相對較高,企業自動化生產程度低。

（3）安全環保要求高:稀土金屬冶煉業對于安全環保的智能控制與管理需求越來越明確,越來越高。

（4）產業工人越來越少:冶金行業的腐蝕和高溫環境,使得年輕人不愿意從事此類工作,因此企業越來越希望通過自運化控制甚至“機器換人”的方式來進行升級。

（5）信息化孤島嚴重:冶金企業內各業務部門間或部門內部在功能上關聯度不高、信息共享互換不強、信息與業務流程和應用相互脫節,大部分企業尚未實現數據的自動采集和車間設備的聯網。需要在數據層面、應用層面作集成及業務流程作整合。

（6）設備績效不高:生產設備沒有得到充分利用,設備的健康狀態未進行有效管理,常常由于設備故障造成非計劃性停機,影響生產;

（7）企業運營存在黑箱:企業運營方面還缺乏信息系統支撐,車間仍是一個黑箱,生產過程還難以實現全程追溯。

1.稀土火法冶煉自動化平臺目標

（1）在電解槽上安裝位移計、電能或電流電壓采集器等計量測試設備,采集熔鹽電解過程中位移、電能數據。（2）利用已采集的位移、電能數據開發自控系統,實現以系統上位機LCD顯示器為中心,通過LCD畫面、鍵盤和鼠標對工藝系統進行監視和控制。（3）建立工廠通信網絡架構,實現工藝、生產、檢驗等制造過程各環節之間的信息互聯互通。

2.稀土火法冶煉自動化平臺的研究與實施熔鹽電解是一種將電能轉化為化學能的過程,整個過程還伴隨著熱能的釋放,因此溫度和電能之間存在著一定的關系。本項目通過將測量溫度轉換為測量電能或電流電壓的思路,根據電能或電流電壓的計量測試和采集反饋,利用電極位移的計量測試控制加料,從而實現稀土熔鹽電解自動化,如圖1所示。

圖1 稀土火法冶煉自動化設計思路圖

在某稀土冶煉廠的冶煉爐上安裝位移計,如圖2所示。前期通過采集投料重量、位移量、電流電壓等數據,以及測定每批次冶煉金屬的稀土金屬含量RE（%）,利用SPSS Statistics軟件初步分析各參數之間的關系,發現稀土金屬含量RE（%）與質量和位移量之比呈現極強的負相關性,與電流呈現極強的正相關性。隨后利用各參數之間的關系,研究開發稀土火法冶煉自動化平臺。其中自動化平臺包含工藝過程的儀表數據監控和部門之間的信息互通,如圖3所示。

圖2 現場安裝示意圖

圖3 稀土火法冶煉自動化平臺界面

稀土火法冶煉自動化平臺的上線,稀土冶煉產品的稀土金屬含量穩定在72%左右,碳含量穩定在300ppm左右,使得稀土冶煉質量穩定且易于控制。同時生產過程管理與部門信息網絡集成一體,極大地方便了企業對工藝、設備的控制,降低了人工勞動強度。

四、總結

稀土火法冶煉自動化平臺是利用稀土金屬含量RE（%）、質量和位移量之比、電流之間的關系搭建的自動化控制,同時集成了部門信息網絡,做到設備、工藝過程清晰明了,提升企業設備監管力度和管理水平。通過平臺的監控,對設備運行、工藝流轉的整體質量進行監控,保證生產的高效運行。項目實現自動控制、數據采集實現了減員增效、減低勞動強度,保障生產過程中質量的一致性與穩定性。通過數據的采集與分析,為最終優化工藝、有效的降低生產成本、實現整體過程的透明可控墊定基礎。