稀土火法冶煉自動(dòng)化探索與研究

曾紀(jì)平 李孝艷 吳 恒

贛州市綜合檢驗(yàn)檢測(cè)院 江西 贛州 341000

一、稀土冶煉概述

稀土是國民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代國防中不可替代的稀缺材料和戰(zhàn)略性資源,其應(yīng)用廣泛,在很多領(lǐng)域中發(fā)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(jié)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?；鸱ㄒ睙捓酶邷貜牡V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(jìn)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(dòng)化生產(chǎn)。

二、火法冶煉自動(dòng)化現(xiàn)狀

工業(yè)自動(dòng)化為“提升產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化水平”和“推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)高端化、智能化、綠色化發(fā)展”奠基了基礎(chǔ),金屬冶煉過程中自動(dòng)化在降低人力物力、減少有毒物質(zhì)、提升并穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量等方面能發(fā)揮重要作用。冶煉行業(yè)是傳統(tǒng)制造業(yè),其工作環(huán)境一般是高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)腐蝕性等惡劣環(huán)境,稀土熔鹽電解過程就是典型代表,導(dǎo)致我國稀土冶煉分離技術(shù)即使處于世界一流水平但依舊自動(dòng)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?shù)冉饘偬峒儭Ｔ诨鸱ㄒ睙捄腿埯}電解自動(dòng)化方面,很多企業(yè)和研究人員都做了嘗試并取得了一定成果。江銅集團(tuán)貴溪冶煉廠[1]建設(shè)了火法冶煉智能工廠管理系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)冶煉各工序作業(yè)進(jìn)度信息貢獻(xiàn)與預(yù)報(bào)。林成東[2]開發(fā)了用于火法煉銅的風(fēng)機(jī)、泵、膠帶輸送機(jī)、電動(dòng)閥的控制模塊,能夠做到過程控制穩(wěn)定可靠。王政[3]設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場(chǎng)總線CAN的鈉電解槽智能控制系統(tǒng),可以對(duì)電解過程中的電解質(zhì)液位和氯氣管道氣壓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和控制。蔡玉強(qiáng)、趙長(zhǎng)慶[4]研發(fā)了一套包括冶煉機(jī)器人、陰極升降結(jié)構(gòu)、鑄模脫模機(jī)構(gòu)等的稀土冶煉自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備,通過對(duì)稀土冶煉機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析來實(shí)現(xiàn)溶液提取搬運(yùn)、金屬鑄脫模一系列操作,提高了冶煉生產(chǎn)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(dòng)加料系統(tǒng)和稀土鐵合金陰極自動(dòng)升降系統(tǒng)。

上述方法在一定程度上實(shí)現(xiàn)了火法冶煉的自動(dòng)化,但是稀土冶煉過程缺乏準(zhǔn)確且穩(wěn)定性高的計(jì)量測(cè)試設(shè)備、方法和控制手段,使得一些自動(dòng)化設(shè)施、手段難以推廣,如稀土熔鹽電解過程中溫度的自動(dòng)化控制還是有待于解決,反應(yīng)過程通過人工目視爐膛火焰顏色判斷,導(dǎo)致稀土熔鹽電解的稀土金屬或合金產(chǎn)品質(zhì)量難以控制。熔鹽電解工藝是通過對(duì)熔融電解質(zhì)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(zhì)性質(zhì),其中電解溫度是最直接影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素。目前廣泛應(yīng)用于稀土熔鹽電解工藝的溫度測(cè)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(jīng)驗(yàn),使用最為普遍;二是采用輻射測(cè)溫的紅外測(cè)溫儀,能夠測(cè)量熔鹽表面溫度無法測(cè)量熔鹽內(nèi)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(nèi),無法遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)并且熔鹽翻滾時(shí)溫度測(cè)量精密度差。

三、稀土火法冶煉自動(dòng)化平臺(tái)研究與開發(fā)

經(jīng)過多方調(diào)研及論證,目前稀土冶煉行業(yè)存在以下方面問題:

（1）分析軟件系統(tǒng)應(yīng)用程度低:稀土金屬冶煉屬于傳統(tǒng)的冶金行業(yè),本身的信息化、自動(dòng)化水平較低;大部分企業(yè)只使用用友、金蝶等國內(nèi)ERP廠商的財(cái)務(wù)軟件,能夠從物料、質(zhì)量、生產(chǎn)、設(shè)備、技術(shù)、研發(fā)、市場(chǎng)等多維度應(yīng)用智能制造軟件平臺(tái)系統(tǒng)的企業(yè)少。

（2）自控系統(tǒng)應(yīng)用少:火法冶金行業(yè)中大部分企業(yè)的工況環(huán)境較為惡劣,自控系統(tǒng)前端設(shè)備如儀器儀表、傳感器等硬件的投入成本相對(duì)較高,企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)程度低。

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

（4）產(chǎn)業(yè)工人越來越少:冶金行業(yè)的腐蝕和高溫環(huán)境,使得年輕人不愿意從事此類工作,因此企業(yè)越來越希望通過自運(yùn)化控制甚至“機(jī)器換人”的方式來進(jìn)行升級(jí)。

（5）信息化孤島嚴(yán)重:冶金企業(yè)內(nèi)各業(yè)務(wù)部門間或部門內(nèi)部在功能上關(guān)聯(lián)度不高、信息共享互換不強(qiáng)、信息與業(yè)務(wù)流程和應(yīng)用相互脫節(jié),大部分企業(yè)尚未實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和車間設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)。需要在數(shù)據(jù)層面、應(yīng)用層面作集成及業(yè)務(wù)流程作整合。

（6）設(shè)備績(jī)效不高:生產(chǎn)設(shè)備沒有得到充分利用,設(shè)備的健康狀態(tài)未進(jìn)行有效管理,常常由于設(shè)備故障造成非計(jì)劃性停機(jī),影響生產(chǎn);

（7）企業(yè)運(yùn)營(yíng)存在黑箱:企業(yè)運(yùn)營(yíng)方面還缺乏信息系統(tǒng)支撐,車間仍是一個(gè)黑箱,生產(chǎn)過程還難以實(shí)現(xiàn)全程追溯。

1.稀土火法冶煉自動(dòng)化平臺(tái)目標(biāo)

（1）在電解槽上安裝位移計(jì)、電能或電流電壓采集器等計(jì)量測(cè)試設(shè)備,采集熔鹽電解過程中位移、電能數(shù)據(jù)。（2）利用已采集的位移、電能數(shù)據(jù)開發(fā)自控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)以系統(tǒng)上位機(jī)LCD顯示器為中心,通過LCD畫面、鍵盤和鼠標(biāo)對(duì)工藝系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。（3）建立工廠通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)工藝、生產(chǎn)、檢驗(yàn)等制造過程各環(huán)節(jié)之間的信息互聯(lián)互通。

2.稀土火法冶煉自動(dòng)化平臺(tái)的研究與實(shí)施熔鹽電解是一種將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程,整個(gè)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(guān)系。本項(xiàng)目通過將測(cè)量溫度轉(zhuǎn)換為測(cè)量電能或電流電壓的思路,根據(jù)電能或電流電壓的計(jì)量測(cè)試和采集反饋,利用電極位移的計(jì)量測(cè)試控制加料,從而實(shí)現(xiàn)稀土熔鹽電解自動(dòng)化,如圖1所示。

圖1 稀土火法冶煉自動(dòng)化設(shè)計(jì)思路圖

在某稀土冶煉廠的冶煉爐上安裝位移計(jì),如圖2所示。前期通過采集投料重量、位移量、電流電壓等數(shù)據(jù),以及測(cè)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(shù)之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)稀土金屬含量RE（%）與質(zhì)量和位移量之比呈現(xiàn)極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性,與電流呈現(xiàn)極強(qiáng)的正相關(guān)性。隨后利用各參數(shù)之間的關(guān)系,研究開發(fā)稀土火法冶煉自動(dòng)化平臺(tái)。其中自動(dòng)化平臺(tái)包含工藝過程的儀表數(shù)據(jù)監(jiān)控和部門之間的信息互通,如圖3所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖

圖3 稀土火法冶煉自動(dòng)化平臺(tái)界面

稀土火法冶煉自動(dòng)化平臺(tái)的上線,稀土冶煉產(chǎn)品的稀土金屬含量穩(wěn)定在72%左右,碳含量穩(wěn)定在300ppm左右,使得稀土冶煉質(zhì)量穩(wěn)定且易于控制。同時(shí)生產(chǎn)過程管理與部門信息網(wǎng)絡(luò)集成一體,極大地方便了企業(yè)對(duì)工藝、設(shè)備的控制,降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

四、總結(jié)

稀土火法冶煉自動(dòng)化平臺(tái)是利用稀土金屬含量RE（%）、質(zhì)量和位移量之比、電流之間的關(guān)系搭建的自動(dòng)化控制,同時(shí)集成了部門信息網(wǎng)絡(luò),做到設(shè)備、工藝過程清晰明了,提升企業(yè)設(shè)備監(jiān)管力度和管理水平。通過平臺(tái)的監(jiān)控,對(duì)設(shè)備運(yùn)行、工藝流轉(zhuǎn)的整體質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控,保證生產(chǎn)的高效運(yùn)行。項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)了減員增效、減低勞動(dòng)強(qiáng)度,保障生產(chǎn)過程中質(zhì)量的一致性與穩(wěn)定性。通過數(shù)據(jù)的采集與分析,為最終優(yōu)化工藝、有效的降低生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)整體過程的透明可控墊定基礎(chǔ)。