海绵钛生产自动化控制技术的应用

时间：2024-08-31

杨光灿，唐振华，王立梅

(云南新立有色金属有限公司，云南昆明 650100)

0 引言

文中所述项目为设计年产10000 t商品海绵钛，生产方法采用国内外成熟的克劳尔法(镁还原法)，利用高钛渣生产粗四氯化钛，通过提纯，利用金属镁还原生产海绵钛。副产品氯化镁经过电解，得到镁和氯气，镁返回还原工序作还原剂，氯气送往氯化生产四氯化钛。生产所需的主要原料包括高钛渣、氯气、氯化钠、煅后石油焦和金属镁。

1 自动化控制技术在项目中的应用

海绵钛生产工艺流程复杂，技术含量高。以往由于自动化控制水平低，定岗工人多，劳动强度大，产能低，在整个生产工艺流程中，增大了人工成本和生产成本，有些工序还是凭借经验来进行分析和判断，产品质量不高，制约了海绵钛的规模化生产。

项目设计年产10000 t商品海绵钛，从国外引进全流程生产工艺技术，自动化控制程度高，自动化控制系统采用德国SIEMENS SIMATIC PCS7过程控制系统，现场仪表、传感器采用先进、智能型产品，就自动化控制设计项目主要特点进行论述。

1.1 现场仪表的选型、安装符合生产工艺特点

(1)海绵钛生产使用的主要原料是四氯化钛，四氯化钛是极易挥发的物质，与空气中的水分子结合后，会生成强腐蚀性的稀盐酸，对现场的工艺管道外壁，仪表设备外壳等金属材料均会产生腐蚀。现场仪表、控制阀均选择耐酸腐蚀型。现场仪表箱、现场接线箱采用不锈钢密闭型，同时箱内通入压缩空气保持正压，防止腐蚀性气体进入箱内腐蚀仪表部件、接线端子。

(2)四氯化钛生产中大部分介质流动是靠重力自流，为减小流量损失，测量四氯化钛流量采用直管式质量流量计，流量计内部无阻挡件，也不会造成仪表、管道堵塞。仪表维护量少，测量准确稳定，能保证±0.1%的高精度质量流量测量。

(3)四氯化钛易结晶、水解，四氯化钛生产大部分中间储槽都设置了搅拌装置，为保证液位测量的准确可靠，四氯化钛液位测量采用非接触式调频连续波雷达液位计，并在储槽中加装导波管，雷达天线选用水滴型，采用这种方式即使在非常苛刻的应用场合中如:搅拌、泡沫、蒸汽、冷凝、内部结构复杂等也能确保精确测量。

1.2 全厂自动化控制系统设计先进可靠

(1)自动化控制系统采用德国SIEMENS SIMATIC PCS7过程控制系统，具有多层级的，逐级进行控制的体系结构见图1。

图1 多级过程控制系统Fig.1 Multistage process control system

L0级控制:包括监控、检测仪表、传感器、控制阀等，完成现场信号的采集、输送以及将控制信号传输到执行机构，完成对设备的手动、自动控制，完成自动联锁和保护功能。

L1级控制:采用冗余配置的S7-400控制器，完成对工艺流程和设备的控制功能。

L2级控制:接收工艺流程中所有过程信息，操作员在SIMATIC WinCC人机界面上能了解到整个工艺流程的状态信息，以及发出控制指令。

L3级控制(MES级控制):基于 L0、L1、L2级控制的基础上，L3级控制提供系统数据服务。能够实现工艺数据的长期集中存储、为第三方数据库提供数据的再分配传输、为工艺工程师提供工艺数据分析、实现整个生产物料平衡计算、产品及原材料数量、质量统计、形成数据报表等。

L4级控制在该项目中暂未做设计。

(2)海绵钛生产还原工序中往反应器里加入四氯化钛的流量控制在生产过程中是非常关键的部分，加料速度与流量的变化将直接影响海绵钛产品质量和产量，整个过程需要严格控制加入四氯化钛的速度与流量。

选用涡轮流量计、转子流量计、涡街流量计等体积式流量计会出现挂料、堵塞现象，造成测量不准确和使用中停流，经常需要拆卸清洗，仪表维护量非常大。而且采用这种流量计不仅测量误差大，最大的缺点是不能实现自动化控制，不能通过预先设定加料量完成自动加料。

该项目从国外引进的四氯化钛加料流量控制装置，在生产实际应用中取得了很好的效果。此流量控制装置专为海绵钛生产四氯化钛加料而设计，加料误差控制在±1.0%以内，能够在腐蚀性环境下长期可靠、稳定的工作，为产出高品质海绵钛创造了一个有利条件。

(3)海绵钛生产中还应用了无线数据传输网络和SIEMENS RFID射频识别系统。在海绵钛生产还原工序需要根据加入反应器的四氯化钛量及加料时间定期排放定量的氯化镁，所排放的氯化镁由设置了称重系统的抬包车接收，22台还原炉共配置了4辆5 t抬包车。抬包车驾驶员收到氯化镁排放指令后将抬包车驶至相应还原炉，安装在抬包车上的RFID射频识别系统自动识别还原炉上设置的炉子编号标签。每一次氯化镁排放结束后将排放重量、炉子编号等过程数据通过无线数据传输网络送到自动化控制系统显示并存储，工艺人员可以实时掌握每一台还原炉氯化镁排放的数据并方便进行生产情况分析，大大提高了工作效率。

2 项目后期对海绵钛生产自动化控制设计的改进

项目中海绵钛生产还原炉、蒸馏炉加热均采用分4个加热区的电阻带加热器，4个加热器分别采用真空接触器控制加热的启停。根据4个加热区分别设定的温度，温控程序自动调节开启加热器的时间。

还原炉第4加热区温度设定为890℃时，2 h的温度变化趋势见图2。由图2可见2 h内温度变化最高值为900.5℃，最低值为880.6℃。

蒸馏炉第4加热区温度设定为1020℃时，2 h的温度变化趋势见图3。由图3可见2 h内温度变化最高值为1026.2℃，最低值为1019.8℃。

图2 还原炉温度变化趋势Fig.2 Temperature variation tendency of reduction furnace

图3 蒸馏炉温度变化趋势Fig.3 Temperature variation tendency of distillation furnace

由以上数据可以看出采用真空接触器控制电阻加热器的方式温度控制偏差较大，且真空接触器频繁动作导致使用寿命减短，需定期更换真空接触器。鉴于以上原因，也为了减少电耗，降低生产成本，公司改进了还原炉、蒸馏炉的加热控制方式，采用可控硅功率控制器控制加热器。可控硅功率控制器通过Profibus DP网络与控制系统通讯，根据控制系统的温度设定值可控硅功率控制器以0-100%开度线性输出。

采用可控硅功率控制器后还原炉第4加热区温度设定为890℃时，2 h的温度变化趋势见图4，由图4可见2 h内温度变化最高值为894℃，最低值为884℃。

采用可控硅功率控制器后蒸馏炉第4加热区温度设定为1020℃时，2 h的温度变化趋势见图5，由图5可见2 h内温度变化最高值为1022.6℃，最低值为1017.9℃。

图4 可控硅功率控制还原炉温度变化趋势Fig.4 Temperature variation tendency of siliconcontrolled power control reduction furnace

图5 可控硅功率控制蒸馏炉温度变化趋势Fig.5 Temperature variation tendency of siliconcontrolled power control distillation furnace

海绵钛生产还原炉、蒸馏炉加热控制采用可控硅功率控制器后，还原炉还原一炉海绵钛的电耗由原来的17000 kWh减少为12380 kWh，蒸馏炉蒸馏一炉海绵钛的电耗由原来的32000 kWh减少为29300 kWh，降低了海绵钛生产电耗成本。温度控制偏差也减小了，有利于反应平稳进行，提升了海绵钛产品质量和产量。