李華杰 黃德晟

（1.江西離子型稀土工程技術(shù)研究有限公司，江西 贛州 341000；2.贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000）

在稀土金屬電解工藝流程中，以電解槽作為反應(yīng)容器，加入稀土氧化物和電解質(zhì)進(jìn)行電解，得到稀土金屬.加入的稀土氧化物為粉末狀，電解槽的加料區(qū)溫度達(dá)1 000°C以上，同時(shí)有粉塵和有害氣體（CO、CO2、CF4、C2F6、HF 等）產(chǎn)生[1].

目前，稀土金屬電解加料通過(guò)人工操作完成，操作工使用舀勺作為加料工具，將物料投放到區(qū)域不大且深的高溫加料區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致操作工承受高溫輻射和被動(dòng)吸入有害氣體，即使佩戴了防護(hù)裝備也無(wú)法完全杜絕安全隱患[2-3]；在電解過(guò)程無(wú)外部干擾時(shí)，要求加料均勻、連續(xù)，按此方式操作工要不斷的將粉料舀入爐內(nèi)，動(dòng)作單一，往復(fù)進(jìn)行，勞動(dòng)強(qiáng)度極大[4]；操作工在實(shí)際加料作業(yè)中很難做到均勻連續(xù)加料，往往是料量或大或小，甚至是一、二次就將一個(gè)爐次的料加完，嚴(yán)重影響稀土金屬產(chǎn)品質(zhì)量；電解過(guò)程中，爐內(nèi)會(huì)散發(fā)大量的陽(yáng)極氣體，由于使用料勺敞口加料，故粉料隨陽(yáng)極熱量很高的氣體飛揚(yáng)[5-6]，導(dǎo)致原料隨揚(yáng)塵損失、原料消耗大，成本增加、效益下降；稀土金屬出爐和更換陽(yáng)極塊后，爐溫急劇下降[7-8]，如不控制加料量，會(huì)引起爐體底部結(jié)底[9]，導(dǎo)致無(wú)法正常作業(yè)，嚴(yán)重時(shí)損毀爐體.為此，對(duì)稀土金屬電解自動(dòng)加料裝置和控制方式進(jìn)行研究顯得十分重要.

1 稀土金屬電解粉末給料機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)

稀土金屬高溫電解粉末給料機(jī)包括機(jī)架、升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)、螺旋給料裝置、控制箱等.其中升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括活動(dòng)剪叉、液壓裝置或伺服電機(jī)；水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)和水平運(yùn)動(dòng)線性模組，水平運(yùn)動(dòng)線性模組包括滑塊和絲桿；螺旋給料裝置包括稱重機(jī)構(gòu)、變頻異步電機(jī)、傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)、料倉(cāng)、加料螺旋桿、加料導(dǎo)管、出料套管；控制箱包括了PLC控制模塊、觸摸屏、伺服控制驅(qū)動(dòng)器、變頻器等部件.稀土金屬電解粉末給料機(jī)如圖1所示.

圖1 稀土金屬電解粉末給料機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Rare earth metal electrolytic powder feeder structure

1.1 機(jī)架主體結(jié)構(gòu)

為避免揚(yáng)塵損失，給料管在水平高度必須接近液面，而由于接近高溫電解液面的給料管末端容易腐蝕，污染金屬產(chǎn)品，在停止給料時(shí)，需將給料管移開(kāi)高溫區(qū)域，所以研制的機(jī)架需具備升降功能[10].綜合考慮，為便于實(shí)施升降系統(tǒng)采用了液壓驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行方式，具有升降穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊，特制的桅柱間導(dǎo)輪裝置使升降平穩(wěn)自如[11]，雙重保護(hù)的支腿結(jié)構(gòu)讓工作更安全等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

1.2 稱重裝置結(jié)構(gòu)

稱重部分采用稱重傳感器獲取質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)輸出，考慮經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確度、環(huán)境友好度等綜合因素，選定電阻應(yīng)變式稱重傳感器為稱重原件.電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片.金屬電阻絲長(zhǎng)度為L(zhǎng)，橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S，其電阻率記作ρ.當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時(shí)，它的電阻值為R：

當(dāng)它的兩端受F力作用時(shí)，將會(huì)伸長(zhǎng)，也就是說(shuō)產(chǎn)生變形.設(shè)其伸長(zhǎng)ΔL，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少Δr[12].因此此金屬電阻絲變形后，電阻率的改變，即可換算出物體的質(zhì)量.

1.3 粉末給料機(jī)構(gòu)

電解的稀土原料以RExOy為主，其呈粉末狀，物料本身比重較大且具有輕微黏性，帶腐蝕性，容易結(jié)塊、堵塞.給料與攪拌的動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有給料和攪拌獨(dú)立驅(qū)動(dòng)執(zhí)行的形式、給料和攪拌采用雙輸出軸減速機(jī)構(gòu)的動(dòng)作驅(qū)動(dòng)形式等形式.采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)執(zhí)行的結(jié)構(gòu)可以在給料速度較慢的情況下保持料倉(cāng)內(nèi)物料的充分?jǐn)嚢?，不易堵塞，但其缺點(diǎn)也較為明顯，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)體積大使料倉(cāng)體積難以擴(kuò)大，不利于物料的補(bǔ)充；采用雙輸出軸減速機(jī)構(gòu)的動(dòng)作驅(qū)動(dòng)形式，可極大地減少驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝體積，市場(chǎng)上雙輸出軸減速機(jī)構(gòu)以雙側(cè)軸為主，不適合本設(shè)備使用.經(jīng)試驗(yàn)與改進(jìn)，通過(guò)改變給料、攪拌驅(qū)動(dòng)減速比，杜絕了攪拌不充分的隱患，同時(shí)采用同側(cè)輸出軸的結(jié)構(gòu)最終采用的同側(cè)雙輸出軸減速機(jī)構(gòu)[13]，在任意給料速度下，都能保證物料的充分?jǐn)嚢?同時(shí)考慮給料管末端靠近高溫區(qū)域采用了耐高溫、耐腐蝕的陶瓷軸承結(jié)構(gòu).粉末給料機(jī)構(gòu)如圖3所示.

圖2 機(jī)架主體結(jié)構(gòu)Fig.2 Frame structure

圖3 稀土金屬粉末螺旋給料機(jī)構(gòu)Fig.3 Rare earth metal powder screw feeding mechanism

1.4 水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)

稀土金屬電解設(shè)備的給料區(qū)間在爐內(nèi)電解質(zhì)液面繞陰極組的一段長(zhǎng)條形橫向范圍內(nèi)，所以設(shè)備還需具備水平移動(dòng)（X軸）的功能.由于水平移動(dòng)的精度和可控性要求較高，選擇了線性機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能.機(jī)械手由伺服電機(jī)傳動(dòng)、絲桿導(dǎo)引，通過(guò)鋼珠在滑塊跟導(dǎo)軌之間無(wú)限滾動(dòng)循環(huán)，使負(fù)載平臺(tái)沿著導(dǎo)軌進(jìn)行高精度線性運(yùn)動(dòng).

2 給料機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果表明，在電解過(guò)程中電解質(zhì)中的氧化稀土濃度應(yīng)保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍，為此在電解過(guò)程中需要連續(xù)補(bǔ)充氧化稀土原料.長(zhǎng)期以來(lái)稀土電解工藝都是靠人工加料，加料量憑工人操作，隨意性較大，特別是不能保證連續(xù)均勻的給料量，造成電解質(zhì)中的氧化稀土濃度產(chǎn)生波動(dòng)，降低電流效率，影響產(chǎn)品質(zhì)量.針對(duì)當(dāng)前人工加料存在的問(wèn)題，為保證電解過(guò)程的正常、高效進(jìn)行，同時(shí)提高工作效率，自動(dòng)加料設(shè)備的控制方式需具備加料速度均勻、加料量可控等功能.

2.1 開(kāi)發(fā)加料控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)加料設(shè)備加料速度均勻、加料量可控等功能，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)需具有很高的靈活性，如各運(yùn)行參數(shù)可較方便的在線調(diào)整，實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻加料過(guò)程，電解槽連續(xù)加料行程如圖4所示.

圖4 連續(xù)加料行程示意Fig.4 Continuous feeding schedule

通過(guò)對(duì)工藝加料過(guò)程的分析，將整個(gè)加料過(guò)程設(shè)計(jì)為：（出料套管12末端口為參考點(diǎn)G）.通過(guò)程序設(shè)定參數(shù)加料區(qū)域長(zhǎng)度L、加料量.開(kāi)機(jī)后，升降和水平運(yùn)動(dòng)控制裝置將出料端口G移動(dòng)到初始位置P0，該位置離爐口有一定高度和水平距離，并進(jìn)行一次自檢和稱重，自檢完成后出料端口G水平移動(dòng)到爐口加料區(qū)域的起始點(diǎn)，并落下接近爐口高溫液面，見(jiàn)圖4所示P1點(diǎn).在程序控制下根據(jù)給料量自動(dòng)設(shè)置電機(jī)頻率啟動(dòng)給料，同時(shí)，給料裝置水平勻速移動(dòng)從P1移動(dòng)到Pn，行程為L(zhǎng)，在此區(qū)間粉末原料均勻落下至加料區(qū)域.L行程結(jié)束后，給料裝置升高和水平移動(dòng)，避開(kāi)爐臺(tái)上障礙物和高溫區(qū)，迅速回到初始位置P0點(diǎn)，等待下一次加料，等待時(shí)間由加料總量和每次加料量確定.在等待期間進(jìn)行重量檢測(cè)，與前一次重量的差即為本次加料量，該加料量也用于調(diào)整下一次加料量的增加或減少.等待時(shí)間結(jié)束后重復(fù)加料動(dòng)作，如此循環(huán)直至完成本爐加料總量.

2.2 給料機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

粉末給料自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括PLC控制系統(tǒng)、觸摸屏、給料升降系統(tǒng)、秤重系統(tǒng)、水平移動(dòng)系統(tǒng)、螺旋給料控制等.系統(tǒng)核心為PLC控制系統(tǒng)[14－15]，其包含224 XP CPU、模擬量模塊和通訊模塊,使用了西門子自帶MAP運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)的準(zhǔn)確定位[16].其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 自動(dòng)控制系統(tǒng)Fig.5 Automatic control system diagram

自動(dòng)控制系統(tǒng)流程：開(kāi)始給料命令后，裝置現(xiàn)上升至復(fù)位位置（高點(diǎn)）進(jìn)行稱重，當(dāng)重量滿足最低要求時(shí)平臺(tái)開(kāi)始下降，否則因重量不足停止作業(yè)并報(bào)警.等待給料管到達(dá)給料區(qū)間（低點(diǎn)）后電機(jī)運(yùn)行，給料、攪拌同步運(yùn)行直至達(dá)到給料時(shí)間[17]，設(shè)備上升至復(fù)位點(diǎn)后再一次稱重，確定本次加料量，最后對(duì)加料次數(shù)進(jìn)行判斷，如加料量不足則循環(huán)加料作業(yè)，加料量達(dá)到設(shè)定的數(shù)值則程序停止，等待下一條命令.程序流程如圖6所示.

圖6 程序控制流程Fig.6 Program control flow chart

PLC程序時(shí)序如圖7所示.

2.3 應(yīng)用效果

設(shè)備先后應(yīng)用在江西離子型稀土工程技術(shù)研究有限公司稀土金屬制備中試車間及贛州某金屬材料公司，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并針對(duì)設(shè)備的不足之處進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化.在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備有效地解決了目前稀土金屬制備過(guò)程中加料工序自動(dòng)化水平低、產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定、勞動(dòng)強(qiáng)度大、加料量不可控導(dǎo)致的高料比等問(wèn)題.具體技術(shù)指標(biāo)表現(xiàn)在給料機(jī)加料量控制精度≤3%，時(shí)間控制精度≤2%，整個(gè)加料過(guò)程穩(wěn)定、給料均勻.在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面，據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，采用自動(dòng)加料設(shè)備后電解料比（REO/RE-M）約為1.19，按未采用自動(dòng)加料設(shè)備核定料比指標(biāo)1.22計(jì)，降低料比0.03，按此數(shù)據(jù)，以年產(chǎn)6 000 t稀土鐠釹金屬計(jì)，每年可降低原料成本億元以上.在降低勞動(dòng)力成本方面，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加料后，可由1人管理1槽（10 kA）和1人管理2槽（5/6 kA）減少至1人管理2槽（10 kA）和 1人管理4槽（5/6 kA）值守，人員減少50%.設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用獲得了較好的應(yīng)用效果與經(jīng)濟(jì)指標(biāo).

圖7 加料控制時(shí)序Fig.7 Feeding control timing diagram

3 結(jié)束語(yǔ)

稀土金屬高溫電解粉末給料機(jī)通過(guò)液壓升降機(jī)構(gòu)、伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[18]、螺旋給料機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)集成，采用PLC控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了稀土金屬制備過(guò)程中稀土原料自動(dòng)添加的功能，在提升產(chǎn)品品質(zhì)同時(shí)減輕了工作強(qiáng)度、降低了生產(chǎn)成本.