自動(dòng)控制技術(shù)在鋁用陰極生產(chǎn)中的應(yīng)用

李永平

（山西宇通碳素有限公司，山西 晉中 030600）

隨著電解鋁向大型預(yù)焙槽方向深入發(fā)展，要求鋁用陰極炭塊向大規(guī)格方向發(fā)展〔 1 〕。在鋁用陰極生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品的質(zhì)量會(huì)受到很多因素的影響。除了原料質(zhì)量和穩(wěn)定性外，其他方面諸如原料破碎過程中所造成的粒度均值性、配料過程的準(zhǔn)確性、原料在混捏過程中是否均勻、糊料的溫度，以及成型時(shí)的振動(dòng)時(shí)間等等，任何環(huán)節(jié)出問題，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量都會(huì)造成很大影響。為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率，運(yùn)用現(xiàn)代科技對(duì)現(xiàn)有設(shè)備及工藝升級(jí)改造具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，并成為生產(chǎn)企業(yè)的廣泛共識(shí)。

1 鋁用陰極生產(chǎn)工藝過程

鋁用陰極炭塊的生產(chǎn)過程及工序如下：

(1) 人造石墨、電煅煤等原料經(jīng)過破碎篩分，生成由多種粒度組成的所謂骨料。

(2) 磨粉: 根據(jù)密堆積原理，還需要一定量的粉料來填充骨料間的空隙，目前大多數(shù)廠家采用效率較高的雷蒙磨磨粉。

(3) 然后根據(jù)產(chǎn)品要求的各項(xiàng)指標(biāo)定制配方，經(jīng)過配料系統(tǒng)把骨料和粉料按配方加入到混捏機(jī)混合邊攪拌邊預(yù)熱，達(dá)到一定溫度后再加入要求配方量的黏結(jié)劑瀝青，繼續(xù)混捏，直到成為塑性和溫度合格的糊料。

(4) 把糊料輸送到振動(dòng)成型機(jī)，生產(chǎn)出生陰極炭塊制品。

(5) 合格的陰極炭塊制品運(yùn)輸?shù)奖簾囬g焙燒成熟陰極炭塊制品。

(6) 合格的熟陰極炭塊制品被送到加工車間切割，生產(chǎn)出所要求的陰極炭塊成品。

2 自動(dòng)控制技術(shù)在鋁用陰極生產(chǎn)中的應(yīng)用情況

2.1 中碎系統(tǒng)

中碎系統(tǒng)所配備的反擊式破碎機(jī)，以固定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，遇到顆粒不滿足要求的情況下，只能調(diào)整動(dòng)板和定板之間的間隙，有時(shí)還需多次調(diào)整，費(fèi)時(shí)費(fèi)力而效果未必理想。如果工藝變動(dòng)的話，此項(xiàng)工作還會(huì)耽誤生產(chǎn)。

我們在電氣控制方面進(jìn)行技術(shù)改造，通過變頻器來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，取得良好的效果和經(jīng)濟(jì)效益，物料不達(dá)標(biāo)時(shí)，工藝人員只需輕輕撥轉(zhuǎn)旋鈕調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，物料的粒度很快就會(huì)修正過來，省時(shí)省力而且不浪費(fèi)原料，還節(jié)約了不少的電量，可謂一舉多得。

2.2 配料系統(tǒng)

在國家大力提倡環(huán)保節(jié)能大背景下，許多環(huán)保裝備在鋁用炭素行業(yè)被廣泛應(yīng)用。在配料系統(tǒng)中大量用到粉質(zhì)原料，傳統(tǒng)設(shè)備中的皮帶輸送機(jī)由于出現(xiàn)泄漏，嚴(yán)重產(chǎn)生粉塵污染，已不能勝任此項(xiàng)工作。而螺旋輸送機(jī)存在磨損消耗，故障率高，維修投入大的缺點(diǎn)。為了改善生產(chǎn)環(huán)境，眾多廠家開始采用管鏈輸送機(jī)代替皮帶機(jī)和螺旋輸送機(jī)，取得良好的效果。它的最大優(yōu)勢就是沒有因粉塵泄漏造成的污染以及原料損耗，還具有輸送效率高的優(yōu)點(diǎn)。

在電氣控制上，以PLC 為核心的總控方式淘汰了以往老舊的配料設(shè)備。系統(tǒng)采用開放的控制方式，采用工控機(jī)+ 觸摸屏+PLC 的配置，兼容性強(qiáng)。開放數(shù)據(jù)庫，使操控人員隨時(shí)根據(jù)生產(chǎn)所需更改程序和數(shù)據(jù)。它集自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)量技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)管理技術(shù)于一體。具有重量數(shù)值顯示、配方修改管理、配料速度快、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。操作人員只需在上位系統(tǒng)中輸入所要的工藝配方，然后啟動(dòng)系統(tǒng)即可。在PLC 的控制下，原料通過管鏈輸送設(shè)備輸送至計(jì)量秤，當(dāng)達(dá)到配方設(shè)定值時(shí)，送料及時(shí)停止，保證了計(jì)量誤差不超過0.1%。同時(shí)PLC 還把各種工藝數(shù)據(jù)采集回來，包括物料的溫度、濕度、物料之間的平衡值等等。比如有時(shí)出現(xiàn)各粒度物料儲(chǔ)量不平衡，可能影響配料過程時(shí)，會(huì)提出警告，提醒工藝工程師及時(shí)調(diào)整配方，保證生產(chǎn)連續(xù)性。此外, 它還協(xié)調(diào)上下級(jí)設(shè)備統(tǒng)一調(diào)配，配料過程結(jié)束后發(fā)出指令，通知放料設(shè)備向混捏機(jī)放料。

系統(tǒng)還可以通過以太網(wǎng)連接廠級(jí)局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)管控一體化。配料過程通過組態(tài)軟件制作成動(dòng)畫，包括詳盡的參數(shù)數(shù)據(jù)以更為直觀的形式傳輸回車間辦公室或者公司總調(diào)度室，幫助生產(chǎn)調(diào)度和公司領(lǐng)導(dǎo)在遠(yuǎn)處了解到現(xiàn)場生產(chǎn)過程、制定生產(chǎn)工藝、或及時(shí)修正工藝缺陷。同時(shí)具有數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、配料清單查詢及報(bào)表統(tǒng)計(jì)打印等功能，有效提高了生產(chǎn)效率。

2.3 混捏和糊料輸送系統(tǒng)

在混捏過程中，有兩項(xiàng)重要指標(biāo)：混捏時(shí)間和糊料的溫度。這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)于下一步的成型工藝有影響，將會(huì)直接關(guān)乎生制品的各項(xiàng)指標(biāo)及產(chǎn)品質(zhì)量，各個(gè)廠家對(duì)此工序都極為重視。科技的引進(jìn)完全擺脫了以往靠人工和經(jīng)驗(yàn)掌握糊料的做法，極大改善了產(chǎn)品品質(zhì)。

由PLC 構(gòu)成的控制系統(tǒng)將混捏和糊料輸送的環(huán)節(jié)完美整合起來，如果采用雙層結(jié)構(gòu)的混捏機(jī)，各個(gè)工序更是環(huán)環(huán)相扣。干料首先加到混捏機(jī)的上層預(yù)熱，達(dá)到要求的溫度，而混捏機(jī)的下層是已預(yù)熱的干料和瀝青進(jìn)行混捏。關(guān)鍵因素時(shí)間、溫度控制方面，PLC 憑借其強(qiáng)大的數(shù)字或模擬量處理能力使控制的溫度誤差不會(huì)超過1 度，時(shí)間相比較人工控制更是可以精確至秒級(jí)。PLC 還協(xié)調(diào)著糊料輸送小車的工作，哪臺(tái)混捏機(jī)達(dá)到出料條件，小車在PLC 發(fā)出指令下向該混捏機(jī)行進(jìn)，當(dāng)達(dá)到減速位的傳感器位置時(shí)開始減速，緩慢運(yùn)行到接料位時(shí)平穩(wěn)停車準(zhǔn)備接料，當(dāng)接料完成，混捏機(jī)發(fā)出放料完成信號(hào)，小車又在系統(tǒng)控制下往成型機(jī)工位送料。輸送完成后又會(huì)自動(dòng)開到另一臺(tái)已經(jīng)準(zhǔn)備出料的混捏機(jī)下方進(jìn)行又一次運(yùn)輸，周而復(fù)始。

而在混捏機(jī)方面，下層出完料，上層已預(yù)熱的干料會(huì)自動(dòng)加到下層與瀝青混捏，進(jìn)料系統(tǒng)在自動(dòng)系統(tǒng)的控制下自動(dòng)為上層加料預(yù)熱。糊料小車是由高性能的變頻器控制的，在速度控制方面有著更高的精度，結(jié)合先進(jìn)的傳感技術(shù)及產(chǎn)品，使糊料小車運(yùn)行平穩(wěn)、不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位，極大程度上避免了人工控制失誤造成的漏料或接錯(cuò)料等情況。

在控制室的大屏幕上，隨時(shí)可以監(jiān)視各部的工作。溫度、時(shí)間以及輸送小車位置等信息均以實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)和畫面直觀顯示出來，徹底沒有了人為干擾因素，糊料的塑性及其它指標(biāo)都有很大提高，為下一步成型工藝提供了合格的糊料。

2.4 成型系統(tǒng)

成型工序是陰極炭塊生產(chǎn)重要的中間過程，隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和新設(shè)備的研發(fā)，成型工藝和設(shè)備都得到了快速發(fā)展。成型工藝就是把混捏機(jī)混捏好的糊料加工成所需要的形狀、尺寸、體積密度的生制品的過程。在此過程中，糊料從彈性塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w狀態(tài)，糊料中的顆粒物將會(huì)發(fā)生位移重新排列。直接影響到生制品的各項(xiàng)指標(biāo)和質(zhì)量。

振動(dòng)成型法從國外引進(jìn)以后，目前已成為我國鋁用陰極炭塊生產(chǎn)中普遍采用的方法。該設(shè)備生產(chǎn)效率高，生制品質(zhì)量好，還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制以后，避免了人工控制時(shí)出現(xiàn)的工序紊亂出錯(cuò)，計(jì)時(shí)不準(zhǔn)，以及因此而生產(chǎn)出廢品或者制品指標(biāo)參差不齊。

首先在進(jìn)料方面采用先進(jìn)的稱重傳感技術(shù)，選用高精度傳感器和控制儀表，通過和上位機(jī)的通訊控制，使進(jìn)料誤差大大減小，100kg 誤差不超過0.5kg。極大程度上保證了用料一致性，及與配方的統(tǒng)一性。而在動(dòng)力方面，由于裝備了許多機(jī)械手和液壓裝置，而且要求各部分動(dòng)作協(xié)調(diào)，位置精準(zhǔn)。用人工控制起來顯得尤為復(fù)雜。采用自動(dòng)控制時(shí)，接料，接模，出料，振動(dòng)，振動(dòng)計(jì)時(shí)，鎖緊，解鎖，抽真空等眾多工序在由PLC 為中心組成的控制系統(tǒng)控制下有條不紊地進(jìn)行。其中結(jié)合了精良的位置控制和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

位置控制方面，移動(dòng)底板的控制采用伺服編碼系統(tǒng)，使移動(dòng)底板停靠位置更加精切。機(jī)械手以及液壓油缸定位采用光電傳感器，如果系統(tǒng)檢測不到相應(yīng)的位置信號(hào)，將不執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作，同時(shí)發(fā)出提示信號(hào)提醒操作人員，大大減少了誤操作造成的設(shè)備損壞和產(chǎn)生廢品。

振動(dòng)控制方面有兩個(gè)重要指標(biāo)：振動(dòng)時(shí)間和激振力。振動(dòng)時(shí)間過短，制品密度達(dá)不到要求；振動(dòng)時(shí)間過長，制品又會(huì)產(chǎn)生內(nèi)裂。同時(shí)在振動(dòng)成型過程中每個(gè)時(shí)間段的激振力也有不同的要求，人工控制的話對(duì)制品一致性有很大影響。利用先進(jìn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，振動(dòng)電機(jī)采用變頻調(diào)速可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)此二個(gè)指標(biāo)滿足工藝要求。通過對(duì)變頻器的簡單設(shè)置，使其工作在多段速工況下，每個(gè)段速設(shè)置不同頻率，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，也就改變了激振力。每個(gè)段速運(yùn)行時(shí)間也可以設(shè)置為不同的時(shí)間，這樣也就改變了振動(dòng)時(shí)間。產(chǎn)品穩(wěn)定性和成品率得到大幅提高。

3 結(jié)束語

設(shè)備是生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)鋁用炭素工業(yè)起到了巨大的推動(dòng)作用。只有將科技不斷融入炭素生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，才能提高炭素技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量，在可持續(xù)發(fā)展的道路上越行越遠(yuǎn)。