智能化在鋁用炭素領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展

姜玉敬，王 毅，鄭 艷，楊 玉

（1.中商碳素研究院有限公司， 山東 淄博 215203；2.山東華鵬精機(jī)股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264003）

鋁電解用炭素領(lǐng)域面臨著重重挑戰(zhàn)，已在本書(shū)中的緒論部分進(jìn)行了分析。未來(lái)，鋁用炭素工業(yè)向著智能化發(fā)展是方向，就世界鋁用炭素工業(yè)的發(fā)展而言，智能化剛剛起步，相關(guān)工作內(nèi)容正在開(kāi)展工業(yè)試驗(yàn)階段和開(kāi)發(fā)階段，目前主要開(kāi)展的有關(guān)工作進(jìn)展如下：

1 大型煅燒爐的智能控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

煅燒是將石油焦進(jìn)行高溫?zé)崽幚淼倪^(guò)程，是預(yù)焙陽(yáng)極生產(chǎn)的關(guān)鍵工序之一。我國(guó)用于生產(chǎn)煅后焦的煅燒技術(shù)主要是罐式煅燒爐技術(shù)和回轉(zhuǎn)窯煅燒技術(shù)，罐式煅燒爐以罐內(nèi)石油焦分解出的揮發(fā)份為燃料進(jìn)行燃燒并對(duì)罐內(nèi)石油焦進(jìn)行煅燒，無(wú)需額外添加燃料，具有燒損率低、適應(yīng)不同品級(jí)石油焦煅燒、煅后焦質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)穩(wěn)定、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高于回轉(zhuǎn)窯等特點(diǎn)在中國(guó)得到廣泛應(yīng)用，近年來(lái)在其他國(guó)家也得到了推廣應(yīng)用。但是，罐式煅燒爐也存在著單罐產(chǎn)能低、自動(dòng)化程度低等軟肋。

為克服罐式煅燒爐存在的諸多不足，我國(guó)已成功開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了19組76罐新型大型罐式煅燒爐，該大型罐式煅燒爐的熱場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)采用了仿真模擬計(jì)算技術(shù)，對(duì)大容量爐體結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜的高溫反應(yīng)體系，包括揮發(fā)分燃燒系統(tǒng)、火道墻傳熱系統(tǒng)、石油焦煅燒系統(tǒng)和煅后焦冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)計(jì)算研究，尋找出適合大型罐式煅燒爐的新型框架結(jié)構(gòu)、耐火材料和保溫材料，并實(shí)現(xiàn)了上料、加料、排料的機(jī)械化和控制技術(shù)的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型罐式煅燒爐火道內(nèi)溫度、負(fù)壓在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及相關(guān)操作的智能自動(dòng)控制。工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐表明，新開(kāi)發(fā)的大型罐式煅燒爐采用智能化技術(shù)后，其單位產(chǎn)能高、自動(dòng)化程度高、節(jié)能減排效果好、產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)穩(wěn)定等良好效果。

大型罐式煅燒爐智能化開(kāi)發(fā)的主要技術(shù)路線(xiàn)：新開(kāi)發(fā)的大型罐式煅燒爐主要的技術(shù)有大容量爐體的仿真技術(shù)、新型爐體結(jié)構(gòu)技術(shù)、熱平衡技術(shù)和工藝自動(dòng)控制的智能化技術(shù)等。

大型罐式煅燒爐自動(dòng)加、排料技術(shù)：該技術(shù)包括將性質(zhì)復(fù)雜多變、來(lái)源不同的石油焦的自動(dòng)混配技術(shù)及預(yù)均化技術(shù)，自動(dòng)上料、加料的工藝過(guò)程控制技術(shù)，煅后焦全密封自動(dòng)排料技術(shù)。在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用，取得了生產(chǎn)運(yùn)行效率高、穩(wěn)定可靠、改善了工作環(huán)境、實(shí)現(xiàn)了生石油焦加料的精確控制、保證煅后焦產(chǎn)品質(zhì)量的良好效果。

自動(dòng)加料、排料的工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖分別見(jiàn)圖9.1和圖9.2所示。

大型罐式煅燒爐煅燒溫度在線(xiàn)監(jiān)控技術(shù)：新開(kāi)發(fā)的大型罐式煅燒爐生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程實(shí)現(xiàn)了每個(gè)火道內(nèi)的溫度、負(fù)壓進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)和控制，該在線(xiàn)檢測(cè)控制系統(tǒng)能對(duì)所有火道的溫度、負(fù)壓進(jìn)行有效的連續(xù)的在線(xiàn)檢測(cè)和控制，從而實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)化控制，有效地控制了石油焦的煅燒質(zhì)量，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖9.3所示。

該在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：

①通過(guò)PLC完成系統(tǒng)的順序控制、狀態(tài)檢測(cè)、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

②在系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)上實(shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)系統(tǒng)流程的動(dòng)態(tài)顯示。

③在系統(tǒng)操作主機(jī)上對(duì)整套生產(chǎn)系統(tǒng)中的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)定及修正。

④在模擬屏上實(shí)現(xiàn)整套工藝生產(chǎn)系統(tǒng)流程的靜態(tài)顯示，使系統(tǒng)中的任意工藝生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)及運(yùn)行情況一目了然。

⑤可采集、記錄工藝生產(chǎn)系統(tǒng)各種參數(shù)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理及監(jiān)測(cè)。實(shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)故障報(bào)警、記錄及打印?？刹樵?xún)和打印歷史數(shù)據(jù)及歷史事故。

⑥多畫(huà)面選擇工藝生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控方式，具備全公司級(jí)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)功能。

2 炭素材料生產(chǎn)全流程人工智能系統(tǒng)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化

圖1 自動(dòng)加料系統(tǒng)

圖2 自動(dòng)排料及輸送系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖3 罐式煅燒爐的在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)我國(guó)炭素材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)原材料多樣性導(dǎo)致設(shè)備工藝參數(shù)適用性問(wèn)題、混捏機(jī)內(nèi)溫度（場(chǎng)）分布控制問(wèn)題、炭素糊料均勻性的客觀(guān)評(píng)價(jià)缺失和在線(xiàn)監(jiān)測(cè)問(wèn)題、混捏機(jī)攪刀的快速消耗問(wèn)題，提出應(yīng)用智能傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)炭素制造裝備與流程進(jìn)行升級(jí)改造，突破炭素材料生產(chǎn)全流程過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)缺失、工序生產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)與相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)未建立有效聯(lián)系的關(guān)鍵技術(shù)，選取鋁用炭陽(yáng)極生產(chǎn)為研究對(duì)象，通過(guò)工藝、質(zhì)量及效率等分析，確定關(guān)鍵工序及關(guān)鍵參數(shù)，采用智能感知技術(shù)和設(shè)備實(shí)時(shí)采集相關(guān)參數(shù)信息，將生產(chǎn)過(guò)程工藝機(jī)理與采集數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合，提取數(shù)據(jù)特征，采用支持向量機(jī)、集成學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行生產(chǎn)全流程智能控制和優(yōu)化管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)糊料均勻性的評(píng)價(jià)和智能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)運(yùn)行關(guān)鍵設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和健康管理，推動(dòng)炭素材料行業(yè)和相關(guān)的有色冶金、鋼鐵冶金等產(chǎn)業(yè)向智能制造方向發(fā)展。

通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，炭素材料產(chǎn)品合格率由 96%提升至98～99%、鋁用炭陽(yáng)極體積密度≥1.59 g/cm3、鋁用炭陽(yáng)極電阻率≤53μΩm、攪刀壽命延長(zhǎng) 1/4，減少因攪刀系統(tǒng)故障導(dǎo)致的異常停工 50%以上的技術(shù)目標(biāo)；進(jìn)而實(shí)現(xiàn)炭素材料全行業(yè)年均節(jié)約成本≥10 億元人民幣；有效緩解人口老齡化造成的炭素材料行業(yè)人才短缺、單條生產(chǎn)線(xiàn)人員數(shù)量降低 50 人；搭建混捏半實(shí)物仿真平臺(tái)模擬攪刀的運(yùn)行參數(shù)和混捏效果，建立基于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的攪刀故障預(yù)測(cè)與健康管理平臺(tái)用于跟蹤攪刀工作狀況、為企業(yè)提供預(yù)見(jiàn)性專(zhuān)業(yè)服務(wù)；項(xiàng)目的實(shí)施，引領(lǐng)國(guó)際國(guó)內(nèi)炭素行業(yè)的發(fā)展，在炭素材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)炭素材料的綠色生產(chǎn)。