自动控制技术在铝用阴极生产中的应用

2020-12-10李永平

中国金属通报 2020年13期

李永平

（山西宇通碳素有限公司，山西晋中 030600）

随着电解铝向大型预焙槽方向深入发展，要求铝用阴极炭块向大规格方向发展〔 1 〕。在铝用阴极生产过程中，产品的质量会受到很多因素的影响。除了原料质量和稳定性外，其他方面诸如原料破碎过程中所造成的粒度均值性、配料过程的准确性、原料在混捏过程中是否均匀、糊料的温度，以及成型时的振动时间等等，任何环节出问题，对产品质量都会造成很大影响。为了提高产品的质量和成品率，运用现代科技对现有设备及工艺升级改造具有很大的现实意义，并成为生产企业的广泛共识。

1 铝用阴极生产工艺过程

铝用阴极炭块的生产过程及工序如下：

(1) 人造石墨、电煅煤等原料经过破碎筛分，生成由多种粒度组成的所谓骨料。

(2) 磨粉: 根据密堆积原理，还需要一定量的粉料来填充骨料间的空隙，目前大多数厂家采用效率较高的雷蒙磨磨粉。

(3) 然后根据产品要求的各项指标定制配方，经过配料系统把骨料和粉料按配方加入到混捏机混合边搅拌边预热，达到一定温度后再加入要求配方量的黏结剂沥青，继续混捏，直到成为塑性和温度合格的糊料。

(4) 把糊料输送到振动成型机，生产出生阴极炭块制品。

(5) 合格的阴极炭块制品运输到焙烧车间焙烧成熟阴极炭块制品。

(6) 合格的熟阴极炭块制品被送到加工车间切割，生产出所要求的阴极炭块成品。

2 自动控制技术在铝用阴极生产中的应用情况

2.1 中碎系统

中碎系统所配备的反击式破碎机，以固定的转速运转，遇到颗粒不满足要求的情况下，只能调整动板和定板之间的间隙，有时还需多次调整，费时费力而效果未必理想。如果工艺变动的话，此项工作还会耽误生产。

我们在电气控制方面进行技术改造，通过变频器来控制电动机的转速，取得良好的效果和经济效益，物料不达标时，工艺人员只需轻轻拨转旋钮调节转速，物料的粒度很快就会修正过来，省时省力而且不浪费原料，还节约了不少的电量，可谓一举多得。

2.2 配料系统

在国家大力提倡环保节能大背景下，许多环保装备在铝用炭素行业被广泛应用。在配料系统中大量用到粉质原料，传统设备中的皮带输送机由于出现泄漏，严重产生粉尘污染，已不能胜任此项工作。而螺旋输送机存在磨损消耗，故障率高，维修投入大的缺点。为了改善生产环境，众多厂家开始采用管链输送机代替皮带机和螺旋输送机，取得良好的效果。它的最大优势就是没有因粉尘泄漏造成的污染以及原料损耗，还具有输送效率高的优点。

在电气控制上，以PLC 为核心的总控方式淘汰了以往老旧的配料设备。系统采用开放的控制方式，采用工控机+ 触摸屏+PLC 的配置，兼容性强。开放数据库，使操控人员随时根据生产所需更改程序和数据。它集自动控制技术、计量技术、传感器技术、计算机管理技术于一体。具有重量数值显示、配方修改管理、配料速度快、控制精度高等优点。操作人员只需在上位系统中输入所要的工艺配方，然后启动系统即可。在PLC 的控制下，原料通过管链输送设备输送至计量秤，当达到配方设定值时，送料及时停止，保证了计量误差不超过0.1%。同时PLC 还把各种工艺数据采集回来，包括物料的温度、湿度、物料之间的平衡值等等。比如有时出现各粒度物料储量不平衡，可能影响配料过程时，会提出警告，提醒工艺工程师及时调整配方，保证生产连续性。此外, 它还协调上下级设备统一调配，配料过程结束后发出指令，通知放料设备向混捏机放料。

系统还可以通过以太网连接厂级局域网，实现管控一体化。配料过程通过组态软件制作成动画，包括详尽的参数数据以更为直观的形式传输回车间办公室或者公司总调度室，帮助生产调度和公司领导在远处了解到现场生产过程、制定生产工艺、或及时修正工艺缺陷。同时具有数据自动存储、配料清单查询及报表统计打印等功能，有效提高了生产效率。

2.3 混捏和糊料输送系统

在混捏过程中，有两项重要指标：混捏时间和糊料的温度。这两个指标对于下一步的成型工艺有影响，将会直接关乎生制品的各项指标及产品质量，各个厂家对此工序都极为重视。科技的引进完全摆脱了以往靠人工和经验掌握糊料的做法，极大改善了产品品质。

由PLC 构成的控制系统将混捏和糊料输送的环节完美整合起来，如果采用双层结构的混捏机，各个工序更是环环相扣。干料首先加到混捏机的上层预热，达到要求的温度，而混捏机的下层是已预热的干料和沥青进行混捏。关键因素时间、温度控制方面，PLC 凭借其强大的数字或模拟量处理能力使控制的温度误差不会超过1 度，时间相比较人工控制更是可以精确至秒级。PLC 还协调着糊料输送小车的工作，哪台混捏机达到出料条件，小车在PLC 发出指令下向该混捏机行进，当达到减速位的传感器位置时开始减速，缓慢运行到接料位时平稳停车准备接料，当接料完成，混捏机发出放料完成信号，小车又在系统控制下往成型机工位送料。输送完成后又会自动开到另一台已经准备出料的混捏机下方进行又一次运输，周而复始。

而在混捏机方面，下层出完料，上层已预热的干料会自动加到下层与沥青混捏，进料系统在自动系统的控制下自动为上层加料预热。糊料小车是由高性能的变频器控制的，在速度控制方面有着更高的精度，结合先进的传感技术及产品，使糊料小车运行平稳、不会出现错位，极大程度上避免了人工控制失误造成的漏料或接错料等情况。

在控制室的大屏幕上，随时可以监视各部的工作。温度、时间以及输送小车位置等信息均以实时的数据和画面直观显示出来，彻底没有了人为干扰因素，糊料的塑性及其它指标都有很大提高，为下一步成型工艺提供了合格的糊料。

2.4 成型系统

成型工序是阴极炭块生产重要的中间过程，随着生产技术的进步和新设备的研发，成型工艺和设备都得到了快速发展。成型工艺就是把混捏机混捏好的糊料加工成所需要的形状、尺寸、体积密度的生制品的过程。在此过程中，糊料从弹性塑性状态转变为流体状态，糊料中的颗粒物将会发生位移重新排列。直接影响到生制品的各项指标和质量。

振动成型法从国外引进以后，目前已成为我国铝用阴极炭块生产中普遍采用的方法。该设备生产效率高，生制品质量好，还可以实现自动控制。实现自动控制以后，避免了人工控制时出现的工序紊乱出错，计时不准，以及因此而生产出废品或者制品指标参差不齐。

首先在进料方面采用先进的称重传感技术，选用高精度传感器和控制仪表，通过和上位机的通讯控制，使进料误差大大减小，100kg 误差不超过0.5kg。极大程度上保证了用料一致性，及与配方的统一性。而在动力方面，由于装备了许多机械手和液压装置，而且要求各部分动作协调，位置精准。用人工控制起来显得尤为复杂。采用自动控制时，接料，接模，出料，振动，振动计时，锁紧，解锁，抽真空等众多工序在由PLC 为中心组成的控制系统控制下有条不紊地进行。其中结合了精良的位置控制和数据处理技术。

位置控制方面，移动底板的控制采用伺服编码系统，使移动底板停靠位置更加精切。机械手以及液压油缸定位采用光电传感器，如果系统检测不到相应的位置信号，将不执行下一个动作，同时发出提示信号提醒操作人员，大大减少了误操作造成的设备损坏和产生废品。

振动控制方面有两个重要指标：振动时间和激振力。振动时间过短，制品密度达不到要求；振动时间过长，制品又会产生内裂。同时在振动成型过程中每个时间段的激振力也有不同的要求，人工控制的话对制品一致性有很大影响。利用先进驱动技术，振动电机采用变频调速可以同时实现此二个指标满足工艺要求。通过对变频器的简单设置，使其工作在多段速工况下，每个段速设置不同频率，改变电动机转速，也就改变了激振力。每个段速运行时间也可以设置为不同的时间，这样也就改变了振动时间。产品稳定性和成品率得到大幅提高。