稀土金属高温电解粉末给料机及给料控制方式研究

李华杰 黄德晟

（1.江西离子型稀土工程技术研究有限公司，江西 赣州 341000；2.赣州有色冶金研究所，江西 赣州 341000）

在稀土金属电解工艺流程中，以电解槽作为反应容器，加入稀土氧化物和电解质进行电解，得到稀土金属.加入的稀土氧化物为粉末状，电解槽的加料区温度达1 000°C以上，同时有粉尘和有害气体（CO、CO2、CF4、C2F6、HF 等）产生[1].

目前，稀土金属电解加料通过人工操作完成，操作工使用舀勺作为加料工具，将物料投放到区域不大且深的高温加料区内，导致操作工承受高温辐射和被动吸入有害气体，即使佩戴了防护装备也无法完全杜绝安全隐患[2-3]；在电解过程无外部干扰时，要求加料均匀、连续，按此方式操作工要不断的将粉料舀入炉内，动作单一，往复进行，劳动强度极大[4]；操作工在实际加料作业中很难做到均匀连续加料，往往是料量或大或小，甚至是一、二次就将一个炉次的料加完，严重影响稀土金属产品质量；电解过程中，炉内会散发大量的阳极气体，由于使用料勺敞口加料，故粉料随阳极热量很高的气体飞扬[5-6]，导致原料随扬尘损失、原料消耗大，成本增加、效益下降；稀土金属出炉和更换阳极块后，炉温急剧下降[7-8]，如不控制加料量，会引起炉体底部结底[9]，导致无法正常作业，严重时损毁炉体.为此，对稀土金属电解自动加料装置和控制方式进行研究显得十分重要.

1 稀土金属电解粉末给料机设备结构

稀土金属高温电解粉末给料机包括机架、升降调节机构、水平移动机构、螺旋给料装置、控制箱等.其中升降调节机构包括活动剪叉、液压装置或伺服电机；水平移动机构包括伺服电机和水平运动线性模组，水平运动线性模组包括滑块和丝杆；螺旋给料装置包括称重机构、变频异步电机、传动减速机构、料仓、加料螺旋杆、加料导管、出料套管；控制箱包括了PLC控制模块、触摸屏、伺服控制驱动器、变频器等部件.稀土金属电解粉末给料机如图1所示.

图1 稀土金属电解粉末给料机结构Fig.1 Rare earth metal electrolytic powder feeder structure

1.1 机架主体结构

为避免扬尘损失，给料管在水平高度必须接近液面，而由于接近高温电解液面的给料管末端容易腐蚀，污染金属产品，在停止给料时，需将给料管移开高温区域，所以研制的机架需具备升降功能[10].综合考虑，为便于实施升降系统采用了液压驱动的执行方式，具有升降稳定、结构紧凑，特制的桅柱间导轮装置使升降平稳自如[11]，双重保护的支腿结构让工作更安全等优点，其结构如图2所示.

1.2 称重装置结构

称重部分采用称重传感器获取质量信号转变为可测量的电信号输出，考虑经济、准确度、环境友好度等综合因素，选定电阻应变式称重传感器为称重原件.电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片.金属电阻丝长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ.当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：

当它的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形.设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr[12].因此此金属电阻丝变形后，电阻率的改变，即可换算出物体的质量.

1.3 粉末给料机构

电解的稀土原料以RExOy为主，其呈粉末状，物料本身比重较大且具有轻微黏性，带腐蚀性，容易结块、堵塞.给料与搅拌的动作执行机构，有给料和搅拌独立驱动执行的形式、给料和搅拌采用双输出轴减速机构的动作驱动形式等形式.采用独立驱动执行的结构可以在给料速度较慢的情况下保持料仓内物料的充分搅拌，不易堵塞，但其缺点也较为明显，驱动机构体积大使料仓体积难以扩大，不利于物料的补充；采用双输出轴减速机构的动作驱动形式，可极大地减少驱动机构的安装体积，市场上双输出轴减速机构以双侧轴为主，不适合本设备使用.经试验与改进，通过改变给料、搅拌驱动减速比，杜绝了搅拌不充分的隐患，同时采用同侧输出轴的结构最终采用的同侧双输出轴减速机构[13]，在任意给料速度下，都能保证物料的充分搅拌.同时考虑给料管末端靠近高温区域采用了耐高温、耐腐蚀的陶瓷轴承结构.粉末给料机构如图3所示.

图2 机架主体结构Fig.2 Frame structure

图3 稀土金属粉末螺旋给料机构Fig.3 Rare earth metal powder screw feeding mechanism

1.4 水平移动机构

稀土金属电解设备的给料区间在炉内电解质液面绕阴极组的一段长条形横向范围内，所以设备还需具备水平移动（X轴）的功能.由于水平移动的精度和可控性要求较高，选择了线性机械手来实现该功能.机械手由伺服电机传动、丝杆导引，通过钢珠在滑块跟导轨之间无限滚动循环，使负载平台沿着导轨进行高精度线性运动.

2 给料机自动控制系统

根据相关研究结果表明，在电解过程中电解质中的氧化稀土浓度应保持在一个相对稳定的范围，为此在电解过程中需要连续补充氧化稀土原料.长期以来稀土电解工艺都是靠人工加料，加料量凭工人操作，随意性较大，特别是不能保证连续均匀的给料量，造成电解质中的氧化稀土浓度产生波动，降低电流效率，影响产品质量.针对当前人工加料存在的问题，为保证电解过程的正常、高效进行，同时提高工作效率，自动加料设备的控制方式需具备加料速度均匀、加料量可控等功能.

2.1 开发加料控制系统

为实现加料设备加料速度均匀、加料量可控等功能，设计的控制系统需具有很高的灵活性，如各运行参数可较方便的在线调整，实现连续均匀加料过程，电解槽连续加料行程如图4所示.

图4 连续加料行程示意Fig.4 Continuous feeding schedule

通过对工艺加料过程的分析，将整个加料过程设计为：（出料套管12末端口为参考点G）.通过程序设定参数加料区域长度L、加料量.开机后，升降和水平运动控制装置将出料端口G移动到初始位置P0，该位置离炉口有一定高度和水平距离，并进行一次自检和称重，自检完成后出料端口G水平移动到炉口加料区域的起始点，并落下接近炉口高温液面，见图4所示P1点.在程序控制下根据给料量自动设置电机频率启动给料，同时，给料装置水平匀速移动从P1移动到Pn，行程为L，在此区间粉末原料均匀落下至加料区域.L行程结束后，给料装置升高和水平移动，避开炉台上障碍物和高温区，迅速回到初始位置P0点，等待下一次加料，等待时间由加料总量和每次加料量确定.在等待期间进行重量检测，与前一次重量的差即为本次加料量，该加料量也用于调整下一次加料量的增加或减少.等待时间结束后重复加料动作，如此循环直至完成本炉加料总量.

2.2 给料机自动控制系统

粉末给料自动控制系统主要包括PLC控制系统、触摸屏、给料升降系统、秤重系统、水平移动系统、螺旋给料控制等.系统核心为PLC控制系统[14－15]，其包含224 XP CPU、模拟量模块和通讯模块,使用了西门子自带MAP运动控制函数库，实现了伺服电机的准确定位[16].其控制系统结构如图5所示.

图5 自动控制系统Fig.5 Automatic control system diagram

自动控制系统流程：开始给料命令后，装置现上升至复位位置（高点）进行称重，当重量满足最低要求时平台开始下降，否则因重量不足停止作业并报警.等待给料管到达给料区间（低点）后电机运行，给料、搅拌同步运行直至达到给料时间[17]，设备上升至复位点后再一次称重，确定本次加料量，最后对加料次数进行判断，如加料量不足则循环加料作业，加料量达到设定的数值则程序停止，等待下一条命令.程序流程如图6所示.

图6 程序控制流程Fig.6 Program control flow chart

PLC程序时序如图7所示.

2.3 应用效果

设备先后应用在江西离子型稀土工程技术研究有限公司稀土金属制备中试车间及赣州某金属材料公司，通过现场应用，并针对设备的不足之处进行了改进和优化.在实际生产过程中，设备有效地解决了目前稀土金属制备过程中加料工序自动化水平低、产品品质不稳定、劳动强度大、加料量不可控导致的高料比等问题.具体技术指标表现在给料机加料量控制精度≤3%，时间控制精度≤2%，整个加料过程稳定、给料均匀.在经济指标方面，据生产统计，采用自动加料设备后电解料比（REO/RE-M）约为1.19，按未采用自动加料设备核定料比指标1.22计，降低料比0.03，按此数据，以年产6 000 t稀土镨钕金属计，每年可降低原料成本亿元以上.在降低劳动力成本方面，实现自动加料后，可由1人管理1槽（10 kA）和1人管理2槽（5/6 kA）减少至1人管理2槽（10 kA）和 1人管理4槽（5/6 kA）值守，人员减少50%.设备通过现场使用获得了较好的应用效果与经济指标.

图7 加料控制时序Fig.7 Feeding control timing diagram

3 结束语

稀土金属高温电解粉末给料机通过液压升降机构、伺服传动机构[18]、螺旋给料机构等机构集成，采用PLC控制系统和伺服系统，实现了稀土金属制备过程中稀土原料自动添加的功能，在提升产品品质同时减轻了工作强度、降低了生产成本.