石墨化阴极石墨化工序的智能制造

夏百元 马志华 李喜锋

(万基控股集团有限公司， 河南 洛阳 471800)

0 前言

石墨化阴极以其优良的品质在铝电解工业中发挥着日益重要的作用。石墨化阴极的应用给电解槽的平稳运行创造了条件,提高了电解槽的生产率和电流效率,延长了电解槽寿命,降低了能耗,提高了原铝纯度[1-2]。石墨化是石墨化阴极生产中的一道重要工序，虽然石墨化工序中的液压顶推工序已基本实现设备自动化，但是信息采集、数据分析等方面还远落后于《中国制造2025》及工业4.0的要求，因此有必要对石墨化阴极石墨化工序的智能制造进行规划并逐步实施，从而促使石墨化工序向自动化、智能化迈进，真正实现石墨化阴极的智能制造。

1 石墨化工序存在的问题

石墨化阴极的石墨化工序主要设备为内串石墨化炉，目前主要存在以下问题：

1)机械设备的自动化作业程度较低，人工作业劳动强度大，同时生产控制粗放，工艺参数在线检测分析联锁不完善，质量信息与生产信息不能同步。

2)产品质量分析没有与生产控制相关联，工艺参数不能在线调整，造成产品质量不稳定、产品能耗波动大。

3)虽然送电功率控制、液压顶推设备实现了机械化、自动化，但有关压力与膨胀量的信息采集和电耗统计分析数据不足，没有将石墨化工序的全部设备集中进行运行控制、维护保养，数据分析不及时，影响整流变压器的运行效率。

4)石墨化工序的生产数据由统计人员录入，出现生产信息载入滞后、查找分析不及时等问题。

5)合格产品的出入库信息由质检人员录入，存在有关库存、发货、生产的信息采集不及时和库存查找不方便等问题。

2 石墨化工序的智能制造

2.1 石墨化工序主要工艺控制点

1) 合格焙烧品依据使用的原料、规格尺寸、成品指标及相关特征等进行焙烧品识别(或批号识别)。经识别后的焙烧品按规格型号吊装至平端面、称重、横截面测量等加工检测线。

2)经识别后的焙烧品需要依据工艺要求对端面进行平整作业，然后采用光电方式测量炭块的长度、宽度和高度，采用传感器进行称重和压降测量，通过成像设备感知焙烧品端面有无裂纹等缺陷。

3)根据上述测量值，计算机控制工序自动计算出炭块的体积密度、横截面积和电阻率，并进行焙烧品质量判别，然后依据电阻率对焙烧品进行分类标识和堆垛作业。

4)装炉作业前，根据新旧石墨化保温料粉末电阻率的检测结果，由计算机自动计算出装炉所用的新旧保温料配比。此外，根据焙烧品的自动检测数据，由计算机计算出保温料的厚度。炉底保温料与上部、侧部保温料要区别对待。保温料填充作业由多功能天车完成。

5) 将装入石墨化炉内的焙烧品按照送电功率曲线、液压顶推压力要求进行加热石墨化。石墨化过程中，对膨胀收缩量进行实时监测，并据此修正送电功率曲线和液压顶推压力。计算机控制工序根据炉阻稳定情况实时自动提示产品电耗及炉阻稳定建议。设置石墨化炉炉面可视化工序，检测炉面异常情况并及时通知人员处理。

6)石墨化后的产品进行强制冷却和自然冷却至设定温度后，按出炉工艺要求进行出炉作业。保温料吸出作业由多功能天车完成。

7)将清理后的石墨化产品吊装至自动检测线进行在线外观检测及相关内部性能检测，并计算体积密度、电阻率和炭块各方向收缩量，然后完成质量判定，自动识别合格产品和非合格产品，并将它们分开，经输送工序运送至成品库进行堆垛作业。

8)计算机控制工序根据石墨化产品的质量判定和产品电耗情况，自动给出下一炉同规格焙烧品的送电功率参考曲线。

9)清理后的保温料经回收工序运输至料场，经取样检测后，等待继续装炉调配使用。

2.2 石墨化工序各工艺控制点的控制要求

2.2.1 焙烧品识别、平端面工序

将焙烧品外形尺寸的测量数值、重量及相关外观特征与计算机中储存的数据进行比对，按照比对结果判定产品的批次及其与厂家要求的符合性。该工序的主要控制要求如下：

1)对于外观尺寸相同的制品，依据客户代码进行判别。

2)炭块定位应准确，且信号应上传至控制工序系统，加工量设置和平端面工序应自动联锁。

3)长度误差控制在10 mm范围内，宽度和高度误差控制在5 mm范围内。

4)测量数据直接上传至控制工序，并经控制工序数据库进行计算、对比判断。

5)依据控制工序数据库判断结果将制品按不同客户、规格进行有序存放。

6)将生产批号、存放位置、客户要求指标与控制工序数据库实时关联，以便于查找焙烧品。

7)生成石墨化装炉柱配置图，按重量和单耗计算总电量(预设送电功率曲线的高峰时间段)。

8)统计装炉炭块数量及累计数量，并形成年报、月报和日报数据库。

9)工序全程由电脑实时画面监控，且监控与控制工序数据库实时关联。

2.2.2 装炉作业工序

完成识别、平端面作业的焙烧品分区存放，由天车将每层制品吊装至待装炉室进行装炉作业。该工序的主要控制要求如下：

1)装炉的炭块规格、电阻率应与送电功率曲线相匹配。

2)电流密度应与产品指标要求匹配。

3)炭块定位准确，装炉信息(按焙烧炭块电阻率配置的装炉图或数据表格)应上传至控制工序数据库。

4)预加压的压力值与控制工序数据库相连。

5)保温料的配比、加入量和厚度要准确，并与控制工序数据库相连。

6)由多功能天车完成装炉过程和填料过程，天车的运行由控制工序数据库依据生产运行情况统一发送相关指令，现场只有执行工序。

7)石墨化炉上部的烟气收集罩的定位要准确，并且烟气收集罩与烟气脱硫工序的连接要与送电程序联锁，装炉过程、填料过程和加压过程需电脑实时画面监控。

2.2.3 送电工序

在完成炉头小车的移动、连接和顶紧作业后，按照设定的送电功率曲线进行石墨化炉升温作业，按强制冷却和自然冷却程序进行石墨化炉降温作业。该工序的主要控制要求如下:

1)根据装炉完成时间、石墨化炉运行状态和初步确认的可送电时间，基于送电功率曲线精确计算送电时间，确保错峰用电和峰谷电价得到最优化，实现综合电价最低。

2)每15～30 min对上述石墨化炉参数进行一次监测，并将数据上传至控制工序数据库，依据实际送电功率曲线与理论送电功率曲线要求、炉阻稳定要求、电耗要求完成整流变压器档位的调整。

3)对本炉的膨胀收缩量和液压顶推压力进行监测，并将数据上传至控制工序数据库；依据膨胀收缩量、加压压力设定值完成对液压顶推压力的调控；按照膨胀收缩量自动保持液压顶推压力的稳定。

4)对烟气净化工序的温度进行监测，并将数据上传至控制工序数据库，依据送电功率曲线和环保要求，完成对烟气管路阀门的调节。

5)对强制冷却的温度进行监测，并将数据上传至控制工序数据库，确认每次保温料的吸出厚度。

6)对整流变压器冷却水的流量与温度实时检测，由控制工序完成温度报警和流量报警，并进行相应自动调节。

7)将各设备运行情况实时上传至数据库，由控制工序数据库进行相应的指令发布，由执行机构进行相应自动调节。

8)根据取样检测的产品强度和在线检测的电阻率、体积密度修订下一炉次同批号产品的送电功率曲线。

9)工序全程由计算机实时画面监控，且监控与控制工序数据库实时相连。

2.2.4 出炉作业工序

已经完成石墨化且温度降至可出炉温度的制品，由天车将每层制品按照出炉要求依次吊装至自动检测线并进行清理作业。该工序的主要控制要求如下:

1)确认完成石墨化降温的制品炉号、出炉日期(含上层、下层)，由天车将石墨化坯吊装至自动检测线，并由天车数据库工序自动做好相应记录，将数据上传至石墨化工序数据库。此数据应与装炉数据库关联。

2)出炉作业由多功能天车自动根据数据库工序设定的待出炉料量进行保温料吸取及出炉作业，相关信息实时上传至控制工序数据库。

3)在运送至自动检测线前，石墨化坯应先完成自然冷却，再经自动清理(清理机组应具备人工智能识别功能，能按照不同炭块的尺寸自动调整清理数据)，然后依次进入下一道自动检测工序。

4)多功能天车应具备炉号自动识别和定位功能。多功能天车的运行由控制工序数据库依据生产运行情况统一发送相关指令，现场只有执行工序。

5)炭块清理工序负责将石墨化坯各个表面的保温料清理干净，并将清理数据实时上传至数据库。

6)由于出炉作业与检测作业不能同步，应按上下层区分制品并分开进行临时存放和自然冷却。

7)出炉、清理作业过程由电脑实时画面监控，且监控与控制工序数据库实时相连。

2.2.5 质检、堆垛工序

经清理后的制品统一进行外观结构、体积密度、电阻率和炭块各方向收缩量的自动检测。经检测合格的制品按规格型号分别输送至成品堆放区，由天车统一堆垛码放或转入下一道生产工序；不合格的制品统一输送到废品区堆垛码放，等待处理。该工序的主要控制要求如下:

1)经清理合格的制品统一输送至自动检测工序，经外观结构、体积密度、电阻率检测进行成品识别，不合格的产品输送至废品处理区堆垛码放，等待统一处理。经成品判断、识别后，石墨化坯分类自动输送至各成品储存区进行堆垛码放,并将经检验合格成品的测量数据直接上传控制工序数据库，并经控制工序数据库应用于送电功率曲线的修订。

2)天车经由控制工序数据库发布指令将不同产品放置在不同区域或转移至下一道生产工序，以利于管理、查询。

3)堆垛或转移至下一道生产工序的成品需通过控制工序数据库完成批号、存放数量、存放位置、存放日期或转移数量、转移日期等信息的统一汇总。

4)质检工序全程由电脑实时画面监控，且监控与控制工序数据库实时相连。

2.2.6 保温料处理工序

使用后的保温料统一回收，经输送工序输送至保温料储存区等待使用。该工序的主要控制要求如下：

1)严格区分炉底保温料和上部保温料。

2)使用后的保温料计量数据和质量数据应与控制工序数据库实时联动，确保料满后输送至储存区分别存放。

3)保温料回收工序全程由电脑实时画面监控，且监控与控制工序数据库实时相连。

2.3 石墨化炉的技术要求

石墨化炉作为铝用炭素主要的热工炉窑设备，是铝用石墨化阴极生产的重要工艺设备，也是主要的能耗设备。石墨化炉的设计主要有以下几点技术要求:

1)按直线炉型LWG炉设计，炉体长度应大于40 m，炉底绝缘保温性好。

2)使用温度要高，在合理的装炉量下，石墨化炉的最高温度应可达3 000 ℃，可长期在2 600～2 800 ℃条件下工作，温度均匀性要好。

3)在保证产品质量的前提下，工艺电耗控制在3 000 kWh/t左右。

4)石墨化送电过程中，在低功率(<5 000 kWh)前期，电耗波动控制±50 kWh以内；在高功率(≥8 000 kWh)阶段，电耗波动控制在±200 kWh。

5)炉头电极结构合理，炉芯截面应满足生产截面为800 mm×600 mm装炉生产的需要，并保证四周保温料的厚度均不低于700 mm。

6)加大炉头和炉尾保温层的厚度和强度，减少炉头变形，保证炉体在3～4年内不出现变形现象。

7)随着国家环保治理要求的不断提高，石墨化炉应设计烟气收集工序，烟气经处理后，指标应达到或低于国家超低排放标准。

3 结束语

依据《中国制造2025》及工业4.0信息物理融合系统CPS的要求，将石墨化阴极石墨化工序的全部工艺控制点重新规划，确保各控制点实现生产设备网络化、生产数据可视化、生产文档无纸化、生产过程透明化，将先进技术应用做到纵向、横向和端到端的集成，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，从而建立起基于工业大数据和互联网的智能化现代工厂。