海绵钛加工车间自动控制系统.doc

评审论文海绵钛加工车间自动控制系统综述李 忠 祥攀钢集团工程技术有限公司2012年6月7日评审论文海绵钛加工车间自动控制系统综述李 忠 祥攀钢集团工程技术有限公司摘要：本文介绍了海绵钛加工车间的工艺流程和主要功能，阐述了海绵钛加工车间设备及控制系统的组成，并分别对各部份的主要控制功能进行了描述，最后分析了海绵钛加工车间在生产过程中的优势。关键词：海绵钛加工车间 工艺流程 控制功能1 引言钛在地壳中的含量约为0.6%，占第9位。在已探明储量中我国占世界总储量的49%，居世界首位。通过与不锈钢、铝合金等材料的对比，发现钛的比强度大约为不锈钢的3倍，为铝合金的1.3倍。钛及其合金是优秀的结构材料和功能材料，因具有高比强度和耐腐蚀性而被称作“太空金属”和“海洋金属”，在航空航天、航海工程、电力、化工、冶金、汽车以及日常生活中的运用将越来越广泛。目前，海绵钛生产上仍沿用“钛矿物海绵钛钛材/钛合金”的工艺流程。近年来，国内外在海绵钛生产领域取得了许多新成果，对进一步推动钛工业的发展具有重要意义。海绵钛生产工艺是以高钛渣、石油焦和氯气为原料生产TiCl4 ，再将TiCl4还原生产海绵钛。制备海绵钛有很多方法。迄今为止，真正实现海绵钛生产工业化的只有Korll法（镁热还原法）和Hunter法（钠热还原法）。随着采用Hunter法生产海绵钛的美国RMI（活性金属工业公司）以及英国狄塞德钛公司的关闭，现在Hunter法已经被淘汰，Kroll法占据主导地位。全球目前仅有中国、日本、美国、俄罗斯、哈萨克斯坦和乌克兰6个国家生产海绵钛，且生产工艺全部采用Kroll法。镁还原制取海绵钛的原理是：在800-850的反应器中，氩气保护环境下，让精四氯化钛和金属镁经还原反应得到海绵状的金属钛和氯化镁，将氯化镁排除还原炉，用真空蒸馏的方法除去海绵钛孔隙中残留的氯化镁和镁，从而获得海绵钛。排出的氯化镁经电解回收镁和氯气，循环使用。蒸馏冷凝物经熔化后排出氯化镁，剩余镁可继续作为镁还原剂。2 海绵钛生产工艺流程由于攀枝花钛矿具有品味较低，钙镁含量高的特点，不适宜采用常用的沸腾氯化技术，而国内的熔盐氯化技术存在技术不成熟，环境污染较大的不足。乌克兰熔盐氯化技术适用于高钙镁含量的钛渣，并具有成熟的适用经验，而且，在还原蒸馏阶段采用的技术所得到的产品品质优异，能够满足航空航天等高端用钛的需求。因此，本工程主体技术采用引进乌克兰技术，其生产采用目前世界通用的镁还原蒸馏工艺路线，产品为海绵钛，主要步骤包括：钛渣研磨到合适粒度熔盐氯化粗四氯化钛精制精四氯化钛镁还原蒸馏（中间产品：海绵钛砣）破碎包装海绵钛（本论文主要介绍海绵钛加工车间）3 海绵钛加工车间工艺主要生产设备：将海绵钛从还原罐里取出来的液压顶出机，海绵钛砣液压切片机，鄂式破碎机和盘式破碎机、海绵钛混合机，振动筛，分检输送装置，压块机。海绵钛生产线工艺描述如下： 海绵钛破碎海绵钛球被送到切片机，切成150mm以下的碎片。在切片机上切割出的钛块，通过槽式给料器和大倾角皮带输送到三级圆盘破碎机进一步破碎。渣皮加工的工艺流程（PFD）是：经切片机，切碎的海绵钛碎块，在这里进行一次分检，若破碎的海绵钛碎块粒度小于150mm，则直接通过大倾角皮带将碎块送到盘式粗破机的料仓中；若破碎的海绵钛碎块粒度大于150mm，则将其装入3.5m3料罐中，再运送到鄂式破碎机的料仓中，然后海绵钛依次进入后面的破碎机。盘式粗破机将海绵钛破碎到粒度小于100mm，盘式中破机破碎到粒度小于50mm，盘式细破机破碎到粒度小于25mm。（-25+0）mm粒级的海绵钛通过大倾角皮带输送到振动筛进行筛分，之前还要经过振动溜槽，除去（-2+0）mm的海绵钛，（-2+0）mm的海绵钛收集到料罐，叉车将装满的料罐送到海绵钛加工线。天车将料罐送到位于等外级海绵钛加工线的倾斜装置上，通过倾斜装置和倾斜装置下的称重装置，海绵钛被装入包装桶中，进行包装。（-25+2）mm海绵钛粒经过振动筛编号的筛分后分为+25mm，（-25+12）mm和（-12+2）mm。需要把+25mm的海绵钛粒收集在桶编号中，然后送到中破机编号破碎，送到海绵钛砣加工线进一步加工。（注：盘式破碎机不能一次破碎就保证所有的海绵钛都能破碎到要求的粒度，因此筛分后，有的颗粒粒度仍然大于筛孔尺寸。）（-25+12）mm和（-12+2）mm粒度的海绵钛送到分检装置。分检完后，各个粒级的海绵钛分别送至中间料仓编号中，直到到达一个可销售批次的量。 海绵钛混料达到适合销售的重量后，收集在中间料罐中粒级为（-25+12）mm和（-12+2）mm的海绵钛，输送到混料装置进行混料，混料后又将海绵钛装入中间料罐中，取样时采用自动取样器取样分析它的化学成分和硬度。取样后，装有海绵钛的中间料罐送到中间储库，等待分析结果。 海绵钛包装分析结果出来后，装有海绵钛的中间料罐将送去做最后的分检。采用气流风选装置去除海绵钛内的机械杂质和粉尘，然后海绵钛在分检装置上做最后的分检，然后送到包装装置，将海绵钛装进包装桶中。包装桶要密封并且要经过特殊处理，例如清洗和干燥。在装入海绵钛前，要在桶里放置一个-70的防冻塑料袋。滚筒输送带中的内置称重装置对装有海绵钛的包装桶进行称量并送至仓库，仓库中的电动升降车将装有海绵钛的包装桶进行打标签、充氩、密封、储藏。如果中间储库内的中间料罐的储存时间超过3个月，则要送到分检装置中去除在长时间的存储过程中产生的不合格品。然后将收集在料罐中的海绵钛送到混料装置中进行混料并装入中间料罐中，因此取样时采用自动取样器取样分析它的化学成分和硬度。取样后，装有海绵钛的中间料罐送到中间储库，等待分析结果。一旦分析结果出来后，装有海绵钛的中间料罐依据程序将送去做最后的分检和包装。图1 海绵钛车间工艺流程图4 海绵钛加工车间控制系统4.1 自动化系统架构根据海绵钛加工车间工艺的特点和实施自动控制的需要,自动化系统架构采用两级控制系统和三级网络系统。两级控制系统即过程控制计算机(L2)系统和基础自动化(L1)系统组成；三级网络由过程控制级以太网、基础自动化(L1)级以太网及设备级现场总线组成，各分布式I/O站与控制器间以PROFIBUS总线连接。该系统按最优性价比的标准，选择了西门子S7-400PLC系统为基础自动化系统，控制系统设计为一套PLC控制海绵钛加工车间的控制系统。L2系统包括一台服务器和一个操作员站。主要实现历史数据存储，实施海绵钛加工的控制管理。海绵钛加工车间控制系统包括：数个分布式I/O站（2个MCC站组成）。自动化系统配置图如图2所示操作站 服务器 显示器 冗余服务器工业以太网PROFUBUS-DP网 501扩展机架 501主机架 502主机架 502扩展机架 501MCC站 502MCC站图2 自动化系统配置图该自动控制系统开放性好，采用分布式I/O控制方案,提高了控制系统的可靠性和抗干扰能力,同时又降低控制系统造价,达到合理配置的目的。控制系统特点如下:(1) 可靠性高采用分布式I/O，PLC、通信网络和分布式I/O之间相互实行电气隔离,可彻底防止任一设备故障而影响网络中其他设备的正常工作，可随时从网络中解除或挂入，而不影响网络系统的运行，信号连接线短，就地处理信号，引入干扰小；模块供电分散也可以有效地减少由于电源引入的干扰,或电源故障而引起的系统故障。(2) 灵活性好由于工艺改变而需增加信号时,只要将新增信号接入附近分布式I/O柜即可,施工方便。(3) 具有明显的经济效益和集中控制方案相比,采用分布式I/O控制方案,可以节省很多电缆投资，所有需进PLC柜的信号接至现场分布式I/O柜即可,从分布式I/O柜到PLC柜只需一根电源线和一根通信网络电缆，敷设电缆所需的安装材料及人力也可大量减少。此控制系统的PLC 配置有效地发挥PLC 自身的功能和优势,并降低系统造价,提高系统的可扩展性、可靠性和实用性。(4) 系统开发性好自动化系统硬件设备、软件的选型、网络配置，遵循通用性强、开放性好的原则，便于今后软件的开发、移植、系统升级以及硬件扩展。4.2海绵钛加工车间控制系统及主要功能海绵钛加工车间控制系统包括：海绵钛破碎控制系统，海绵钛混料控制系统，海绵钛包装控制系统。主要控制功能包括：皮带的起停，破碎机的起停，振动给料器的起停等。4.2.1海绵钛破碎控制系统海绵钛破碎系统是一个逆起顺停的控制系统，它的流程如下：启动流程：No 方式选择准备好开始1开振动给料器2312开圆盘细破机281启大倾角皮带291开振动溜槽431启振动给料器2313，2314启传送带351，331 Yes操作命令开启开振动筛3111开大倾角皮带3212开圆盘中破机241开振动给料器2311开大倾角皮带3211开圆盘粗破机191NoNoNo计划选择3计划选择2计划选择1YesYesYes开振动给料器2321开振动给料器2321开振动给料器2321开大倾角皮带211开大倾角皮带261移动中间料桶开鄂式破碎机181开振动给料器151开振动给料器2341移动中间料桶 整条线启动结束 停止流程： 结束停分检装置351,331停振动给料器2313，2314停振动筛311停振动溜槽431停大倾角皮带291停圆盘细破机28122停振动给料器2312停大倾角皮带3212停圆盘中破机241停振动给料器2311停大倾角皮带3211停圆盘粗破机191停振动给料器2321停大倾角皮带211停鄂式破碎机181停振动给料器2341停大倾角皮带261生产线已经开启操作命令停止 NoYes介绍了海绵钛破碎系统的流程，这里再介绍一下切片机的工作原理和工作方式。图3 海绵钛切片机工作原理海绵钛切片机的工作是海绵钛破碎的第一道工序，它将数吨重的海绵钛砣切割成150mm左右厚的钛块。它的工作原理是：水平放置的钛砣以恒定速度前进，切片机以固定频率进行切割。只要保证了钛砣的前进速度和切片机的切割频率，就能保证切出的钛块的厚度，偶有不合规格的钛块，也能经过后面的工序进行弥补。4.2.2海绵钛混料控制系统海绵钛混料系统是一个顺起顺停的控制系统，它的流程如下：开始准备就绪NoYesYesNo结束停止振动给料器2315移混料装置491到初始位钛上传开启振动给料器2315开启最小速率混料491倾斜混料装置491停止高速混料491 No斜槽移开Yes操作命令开始斜槽移到混料装置481No钛进料Yes斜槽移开混料装置481开启高速混料491混料5分钟4.2.3海绵钛包装控制系统海绵钛包装系统是一个顺起逆停控制系统，它的流程如下：开始No准备就绪YesNo操作命令开启Yes开启分检装置441开启振动给料器2316开启气流风选装置611Yes料仓已满停止振动给料器2316No转换装料装置561停止气流风选装置611No停止停止分检装置441Yes结束介绍了海绵钛的包装流程，这里再主要介绍一下包装过程中需要控制的量，主要介绍一下气流风选装置的作用。图4 海绵钛包装流程经过上级的残留与自身的摩擦，从料仓中放下的海绵钛必然还存在（-2+0）mm的碎屑。到分检装置上的海绵钛为（-25+2）mm的颗粒，这就要靠气流风选装置将（-2+0）mm的碎屑吹到左边的仓内，并用料桶收集。所以控制风机的转速很重要，风力太大会造成合格产品的损失，风力太小又造成有劣质品残留，给生产带来巨大的损失。风力的控制经过多次试验得到，并根据风机与料仓的距离调整，这个量