稀土火法冶炼自动化探索与研究

曾纪平 李孝艳 吴 恒

赣州市综合检验检测院 江西 赣州 341000

一、稀土冶炼概述

稀土是国民经济和现代国防中不可替代的稀缺材料和战略性资源,其应用广泛,在很多领域中发挥着重要作用。稀土冶炼方式主要有湿法冶炼和火法冶炼。湿法冶炼是用溶液、溶剂通过分解浸出、萃取分离、沉淀结晶、离子交换等一系列工艺过程将稀土元素提取出来,目前主要用于稀土精矿冶炼制备稀土氧化物。火法冶炼利用高温从矿石中提取金属或其化合物的冶金过程,主要包括硅热还原法制取稀土合金,熔盐电解法制取稀土金属或合金,金属热还原法制取稀土合金等,目前主要用于稀土氧化物制备稀土金属或合金,其中熔盐电解是把稀土氯化物或稀土氧化物等稀土化合物加热熔融,然后进行电解,在阴极上析出稀土金属。本文主要探讨稀土火法冶炼中熔盐电解的自动化生产。

二、火法冶炼自动化现状

工业自动化为“提升产业链现代化水平”和“推动传统产业高端化、智能化、绿色化发展”奠基了基础,金属冶炼过程中自动化在降低人力物力、减少有毒物质、提升并稳定产品质量等方面能发挥重要作用。冶炼行业是传统制造业,其工作环境一般是高温、强酸、强碱、强腐蚀性等恶劣环境,稀土熔盐电解过程就是典型代表,导致我国稀土冶炼分离技术即使处于世界一流水平但依旧自动化程度低。

火法冶炼也常用于铜、铅等金属冶炼,熔盐电解还用于铝、镁、铍等金属提纯。在火法冶炼和熔盐电解自动化方面,很多企业和研究人员都做了尝试并取得了一定成果。江铜集团贵溪冶炼厂[1]建设了火法冶炼智能工厂管理系统,可以实现冶炼各工序作业进度信息贡献与预报。林成东[2]开发了用于火法炼铜的风机、泵、胶带输送机、电动阀的控制模块,能够做到过程控制稳定可靠。王政[3]设计了基于现场总线CAN的钠电解槽智能控制系统,可以对电解过程中的电解质液位和氯气管道气压进行现场监测和控制。蔡玉强、赵长庆[4]研发了一套包括冶炼机器人、阴极升降结构、铸模脱模机构等的稀土冶炼自动化生产设备,通过对稀土冶炼机器人进行运动学仿真分析来实现溶液提取搬运、金属铸脱模一系列操作,提高了冶炼生产效率但不涉及冶炼过程的控制。包头稀土研究院[5]研制了自动加料系统和稀土铁合金阴极自动升降系统。

上述方法在一定程度上实现了火法冶炼的自动化,但是稀土冶炼过程缺乏准确且稳定性高的计量测试设备、方法和控制手段,使得一些自动化设施、手段难以推广,如稀土熔盐电解过程中温度的自动化控制还是有待于解决,反应过程通过人工目视炉膛火焰颜色判断,导致稀土熔盐电解的稀土金属或合金产品质量难以控制。熔盐电解工艺是通过对熔融电解质外加电压将熔盐组分分解,影响电解效率的因素有温度、电流密度、极间距离和电解质性质,其中电解温度是最直接影响产品质量的因素。目前广泛应用于稀土熔盐电解工艺的温度测量有三种方式:一是肉眼观察熔盐火焰颜色判断温度,过于依靠工人的经验,使用最为普遍;二是采用辐射测温的红外测温仪,能够测量熔盐表面温度无法测量熔盐内部的温度;三是将热电偶放置在耐高温耐腐蚀的套管中,并固定在熔盐内,无法远程监测并且熔盐翻滚时温度测量精密度差。

三、稀土火法冶炼自动化平台研究与开发

经过多方调研及论证,目前稀土冶炼行业存在以下方面问题:

（1）分析软件系统应用程度低:稀土金属冶炼属于传统的冶金行业,本身的信息化、自动化水平较低;大部分企业只使用用友、金蝶等国内ERP厂商的财务软件,能够从物料、质量、生产、设备、技术、研发、市场等多维度应用智能制造软件平台系统的企业少。

（2）自控系统应用少:火法冶金行业中大部分企业的工况环境较为恶劣,自控系统前端设备如仪器仪表、传感器等硬件的投入成本相对较高,企业自动化生产程度低。

（3）安全环保要求高:稀土金属冶炼业对于安全环保的智能控制与管理需求越来越明确,越来越高。

（4）产业工人越来越少:冶金行业的腐蚀和高温环境,使得年轻人不愿意从事此类工作,因此企业越来越希望通过自运化控制甚至“机器换人”的方式来进行升级。

（5）信息化孤岛严重:冶金企业内各业务部门间或部门内部在功能上关联度不高、信息共享互换不强、信息与业务流程和应用相互脱节,大部分企业尚未实现数据的自动采集和车间设备的联网。需要在数据层面、应用层面作集成及业务流程作整合。

（6）设备绩效不高:生产设备没有得到充分利用,设备的健康状态未进行有效管理,常常由于设备故障造成非计划性停机,影响生产;

（7）企业运营存在黑箱:企业运营方面还缺乏信息系统支撑,车间仍是一个黑箱,生产过程还难以实现全程追溯。

1.稀土火法冶炼自动化平台目标

（1）在电解槽上安装位移计、电能或电流电压采集器等计量测试设备,采集熔盐电解过程中位移、电能数据。（2）利用已采集的位移、电能数据开发自控系统,实现以系统上位机LCD显示器为中心,通过LCD画面、键盘和鼠标对工艺系统进行监视和控制。（3）建立工厂通信网络架构,实现工艺、生产、检验等制造过程各环节之间的信息互联互通。

2.稀土火法冶炼自动化平台的研究与实施熔盐电解是一种将电能转化为化学能的过程,整个过程还伴随着热能的释放,因此温度和电能之间存在着一定的关系。本项目通过将测量温度转换为测量电能或电流电压的思路,根据电能或电流电压的计量测试和采集反馈,利用电极位移的计量测试控制加料,从而实现稀土熔盐电解自动化,如图1所示。

图1 稀土火法冶炼自动化设计思路图

在某稀土冶炼厂的冶炼炉上安装位移计,如图2所示。前期通过采集投料重量、位移量、电流电压等数据,以及测定每批次冶炼金属的稀土金属含量RE（%）,利用SPSS Statistics软件初步分析各参数之间的关系,发现稀土金属含量RE（%）与质量和位移量之比呈现极强的负相关性,与电流呈现极强的正相关性。随后利用各参数之间的关系,研究开发稀土火法冶炼自动化平台。其中自动化平台包含工艺过程的仪表数据监控和部门之间的信息互通,如图3所示。

图2 现场安装示意图

图3 稀土火法冶炼自动化平台界面

稀土火法冶炼自动化平台的上线,稀土冶炼产品的稀土金属含量稳定在72%左右,碳含量稳定在300ppm左右,使得稀土冶炼质量稳定且易于控制。同时生产过程管理与部门信息网络集成一体,极大地方便了企业对工艺、设备的控制,降低了人工劳动强度。

四、总结

稀土火法冶炼自动化平台是利用稀土金属含量RE（%）、质量和位移量之比、电流之间的关系搭建的自动化控制,同时集成了部门信息网络,做到设备、工艺过程清晰明了,提升企业设备监管力度和管理水平。通过平台的监控,对设备运行、工艺流转的整体质量进行监控,保证生产的高效运行。项目实现自动控制、数据采集实现了减员增效、减低劳动强度,保障生产过程中质量的一致性与稳定性。通过数据的采集与分析,为最终优化工艺、有效的降低生产成本、实现整体过程的透明可控垫定基础。