李周華， 謝云華， 陳麒陽(yáng)， 廖澤中， 王紅彬， 陳云

(1.云南錫業(yè)股份有限公司冶煉分公司， 云南 個(gè)舊 661099； 2.紅河綠地環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司， 云南 個(gè)舊 661099)

電熱連續(xù)結(jié)晶機(jī)是錫精煉除鉛、鉍的關(guān)鍵設(shè)備，被譽(yù)為20世紀(jì)錫冶金工業(yè)最大的發(fā)明之一，它是原云錫第一冶煉廠、原云錫中試所、原昆明工學(xué)院老中青科技人員、工程技術(shù)人員合作攻關(guān)取得的重大科技成果，曾于1978年獲得了中國(guó)科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)，公司的“YT”牌精錫，都須經(jīng)過結(jié)晶機(jī)脫鉛、鉍而產(chǎn)出[1-2]。自1975年投入工業(yè)生產(chǎn)以來，已有四十多年的生產(chǎn)歷史，經(jīng)歷多次技術(shù)改造，精錫產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量均已達(dá)到較高水準(zhǔn)[3-4]。但其操控模式基本上停留在機(jī)械化水平，生產(chǎn)過程仍以人工憑經(jīng)驗(yàn)操作。不同的操作人員在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，各自摸索出一套結(jié)晶機(jī)操作法，通過仔細(xì)觀察粗錫物料的變化情況、結(jié)晶狀態(tài)以及槽面溫度變化情況，調(diào)整粗錫進(jìn)料量、噴水量和機(jī)械轉(zhuǎn)速，沒有固定的參數(shù)和規(guī)則。

隨著科技水平的發(fā)展和環(huán)保要求的提高，現(xiàn)有電熱連續(xù)結(jié)晶機(jī)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)精錫產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的精準(zhǔn)控制，更難以解決金屬粉塵損失和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境惡劣等諸多問題。因此，如何實(shí)現(xiàn)電熱連續(xù)結(jié)晶機(jī)自動(dòng)化水平提升是目前錫冶煉行業(yè)迫切需要解決的問題。

1 電熱連續(xù)結(jié)晶機(jī)現(xiàn)狀

近年來，隨著錫礦資源的品位降低，雜質(zhì)成分越來越多，粗錫成分也越來越復(fù)雜。單純依靠人工經(jīng)驗(yàn)判斷操作，或個(gè)人技能、身體(心理)狀態(tài)、績(jī)效考核等多方面因素會(huì)導(dǎo)致以下幾方面問題：(1)精錫產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量波動(dòng)大；(2)槽內(nèi)連續(xù)結(jié)晶狀態(tài)、溫度梯度、晶體梯度的穩(wěn)定性等易受破壞，難以保證結(jié)晶機(jī)高效、穩(wěn)定產(chǎn)出；(3)螺旋軸、葉片受力不均勻，頻繁造成螺旋軸、葉片、連接螺栓被扭斷等設(shè)備事故發(fā)生。

同時(shí)，人工機(jī)械噴水作業(yè)過程中，操作環(huán)境惡劣，主要存在以下安全、環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)：(1)操作人員要長(zhǎng)時(shí)間站立在高溫烘烤、蒸汽彌漫的槽面作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大；(2)噴水過程中錫鉛煙塵、氧化渣等粉塵隨水蒸發(fā)，存在較大環(huán)保、職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)；(3)人工噴水過程中，高溫液態(tài)錫遇水易造成“爆炸”現(xiàn)象，可能導(dǎo)致錫液飛濺燙傷事故。結(jié)晶機(jī)自動(dòng)噴水控制技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，將操作人員從惡劣的操作環(huán)境中“解脫”出來，實(shí)現(xiàn)“傳統(tǒng)的人工槽面噴水不可控作業(yè)模式”向“遠(yuǎn)程自動(dòng)噴水可控模式”轉(zhuǎn)變，有效改進(jìn)結(jié)晶機(jī)人工噴水工藝現(xiàn)狀。

2 電熱連續(xù)結(jié)晶機(jī)概述

2.1 工藝概況

電熱連續(xù)結(jié)晶機(jī)作為錫精煉作業(yè)三大工序中的重要技術(shù)和設(shè)備，利用連續(xù)結(jié)晶、熔析原理將高溫粗錫中的鉛、鉍(銦、銀)與錫分離，產(chǎn)出不同品級(jí)符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的精錫，以及含鉛量低于控制標(biāo)準(zhǔn)的粗焊錫。其原則工藝流程如圖1所示。

圖1 精煉工藝流程圖

2.2 電熱連續(xù)結(jié)晶機(jī)結(jié)構(gòu)分析

電熱連續(xù)結(jié)晶機(jī)(以下簡(jiǎn)稱結(jié)晶機(jī))，主要由螺旋器、電爐體、電氣控制和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部份組成?，F(xiàn)有結(jié)晶機(jī)半徑為0.35 m，長(zhǎng)為6 m，與水平方向成5～7°的夾角以便固液分離。電爐體的功率分為五段，形成183～232 ℃的溫度梯度，進(jìn)料口距槽尾1.4 m處。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)和變速箱組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋器的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。結(jié)晶機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[5]。

圖2 結(jié)晶機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)晶機(jī)自動(dòng)噴水系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)方案

結(jié)晶機(jī)自動(dòng)噴水系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)，根據(jù)物料要求設(shè)定結(jié)晶機(jī)螺旋的轉(zhuǎn)速、粗錫進(jìn)料量、加熱溫度，根據(jù)噴水噴頭的噴射面積，設(shè)定噴頭數(shù)量，噴頭噴水采用PLC控制，實(shí)現(xiàn)各噴頭的噴水頻次、噴水時(shí)間精準(zhǔn)控制。該系統(tǒng)具有兼容性、穩(wěn)定性、方便操作等優(yōu)點(diǎn)，是系統(tǒng)基于“MCGS通用版6.2”上運(yùn)行的多用戶多任務(wù)系統(tǒng)(如圖3所示)。

圖3 組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境的關(guān)系圖

該操作管理軟件具有直觀的圖形控制界面，是由多種不同的程序和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)組成，可以在任何一臺(tái)PC端進(jìn)行全功能操作。組態(tài)畫面中包括各動(dòng)力設(shè)備的啟停及調(diào)速控制、設(shè)備參數(shù)設(shè)置、邏輯控制投切操作、邏輯控制參數(shù)設(shè)置、報(bào)警限值設(shè)置、報(bào)警顯示、應(yīng)急制動(dòng)、運(yùn)行記錄瀏覽等。該操作軟件界面友好，使用方便，結(jié)合三菱PLC、繼電器、開關(guān)按鈕、報(bào)警指示燈等實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。

圖4 主控系統(tǒng)畫面

4 結(jié)晶機(jī)自動(dòng)噴水系統(tǒng)開發(fā)試驗(yàn)情況

結(jié)晶機(jī)自動(dòng)噴水系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用經(jīng)歷以下階段：模擬人工現(xiàn)場(chǎng)半自動(dòng)噴水→模擬人工遠(yuǎn)程自動(dòng)噴水→遠(yuǎn)程連續(xù)自動(dòng)噴水→工藝優(yōu)化及持續(xù)運(yùn)行。

4.1 模擬人工半自動(dòng)噴水

設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)易的噴水裝置，包括支架、噴水管電磁閥、電氣控制系統(tǒng)。操作人員根據(jù)結(jié)晶機(jī)現(xiàn)場(chǎng)槽況(進(jìn)料量、溫度、結(jié)晶狀況、轉(zhuǎn)速、精錫質(zhì)量等)判定噴水區(qū)域及噴水時(shí)間，將人工噴水作業(yè)轉(zhuǎn)變成機(jī)械半自動(dòng)式噴水作業(yè)。

具體試驗(yàn)結(jié)果如表1所示：

表1 模擬人工半自動(dòng)噴水試驗(yàn)結(jié)果

模擬人工現(xiàn)場(chǎng)半自動(dòng)噴水作業(yè)驗(yàn)證了自動(dòng)化作業(yè)的可行性，但存在諸多難題需要解決：(1)產(chǎn)量較低，未達(dá)到人工噴水水平；(2)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械式作業(yè)操作頻繁，勞動(dòng)強(qiáng)度大；(3)噴水設(shè)備穩(wěn)定性差，故障率高。

4.2 模擬人工遠(yuǎn)程控制噴水

為了實(shí)現(xiàn)結(jié)晶機(jī)自動(dòng)噴水控制，噴頭水量控制由水表變成水流量計(jì)控制，并設(shè)計(jì)結(jié)晶機(jī)自動(dòng)噴水遠(yuǎn)程控制和就地控制電氣圖。

從以上電氣控制圖可知，設(shè)計(jì)采用轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和就地雙重控制，控制線路中使用中間繼電器和時(shí)間繼電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，但中間繼電器和時(shí)間繼電器長(zhǎng)期運(yùn)行后易損壞，造成自動(dòng)噴水失靈。

圖6 模擬人工自動(dòng)噴水電氣控制流程圖

表2 模擬人工半自動(dòng)和模擬人工遠(yuǎn)程噴水試驗(yàn)結(jié)果

遠(yuǎn)程控制噴水實(shí)現(xiàn)了操作人員由現(xiàn)場(chǎng)操作轉(zhuǎn)移到控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，且精錫產(chǎn)量、質(zhì)量有所提高，但結(jié)晶機(jī)螺旋葉片結(jié)塊嚴(yán)重，噴頭參數(shù)設(shè)定不合理等現(xiàn)象依然存在。

4.3 遠(yuǎn)程自動(dòng)連續(xù)噴水

針對(duì)上一階段試驗(yàn)中存在的問題，采用MCGS組態(tài)軟件和PLC組態(tài)程序?qū)﹄姶砰y進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，同時(shí)采用高清攝像頭對(duì)結(jié)晶機(jī)槽面進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)噴水參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

采用MCGS組態(tài)軟件作為控制系統(tǒng)和用三菱PLC進(jìn)行開關(guān)量信號(hào)、模擬量信號(hào)(4～20 mA)的采集和輸出，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)噴水的遠(yuǎn)程控制。檔位控制及技術(shù)參數(shù)設(shè)置如表3所示：

表3 結(jié)晶機(jī)連續(xù)自動(dòng)噴水基本參數(shù)設(shè)定

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示：

表4 模擬人工遠(yuǎn)程噴水與遠(yuǎn)程連續(xù)自動(dòng)噴水模式的對(duì)比表

試驗(yàn)表明，遠(yuǎn)程連續(xù)自動(dòng)噴水模式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)遠(yuǎn)程連續(xù)自動(dòng)噴水時(shí)，槽內(nèi)報(bào)軸、結(jié)塊現(xiàn)象明顯減少，螺旋葉片損壞情況明顯減少。

(2)槽內(nèi)溫度梯度分布更合理，槽內(nèi)結(jié)晶狀態(tài)更穩(wěn)定，可有效降低調(diào)整槽內(nèi)晶體合理梯度時(shí)間，提高結(jié)晶機(jī)生產(chǎn)效率。

(3)遠(yuǎn)程連續(xù)自動(dòng)噴水采用多頻次、少量噴水模式，具有噴水柔和、蒸汽和粉塵量小、槽內(nèi)結(jié)晶體梯度均勻、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)；而模擬人工噴水的特點(diǎn)是間斷性大流量噴水，具有噴水時(shí)噴水量大、蒸汽和粉塵大，槽內(nèi)結(jié)晶體梯度不均勻，產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量波動(dòng)大，金屬損失大，作業(yè)環(huán)境差等特點(diǎn)。

(4)連續(xù)自動(dòng)噴水因瞬時(shí)噴水量相對(duì)較少，結(jié)晶機(jī)中間槽體可以保持相對(duì)穩(wěn)定且飽滿的精錫結(jié)晶體數(shù)量。人工噴水時(shí)，回流階段中間槽體晶體較少，拉料階段由于強(qiáng)力給水冷卻結(jié)晶作用，結(jié)晶機(jī)中間槽體經(jīng)常出現(xiàn)大量結(jié)晶體堆積，常有結(jié)晶體溢流出槽體的現(xiàn)象發(fā)生。此時(shí)，結(jié)晶機(jī)螺旋體及機(jī)軸所受力矩明顯加大，螺旋葉片橫向切應(yīng)力亦明顯增加，結(jié)晶機(jī)機(jī)體所受負(fù)荷不均勻，易使結(jié)晶機(jī)葉輪、螺旋軸、連軸螺絲等部件受損。連續(xù)自動(dòng)噴水可以減少上述現(xiàn)象的發(fā)生。

但也存在以下問題：(1)電磁閥閥體排氣孔易被水中雜質(zhì)堵塞，引起電磁閥失靈而造成結(jié)晶機(jī)抱軸和螺旋葉片連接螺栓損壞脫落等設(shè)備事故發(fā)生；(2)自動(dòng)控制系統(tǒng)未增加連鎖保護(hù)系統(tǒng)，電磁閥失靈后不能及時(shí)切斷噴水；(3)部分噴頭噴水參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，出現(xiàn)螺旋葉片晶體抱軸、葉片損壞等現(xiàn)象，需對(duì)各噴頭噴水參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

4.4 增加連鎖保護(hù)和水質(zhì)過濾裝置的遠(yuǎn)程自動(dòng)連續(xù)噴水

為了解決結(jié)晶機(jī)自動(dòng)噴水試驗(yàn)中存在的問題，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中增加了流量連鎖保護(hù)系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)，同時(shí)在自動(dòng)噴水系統(tǒng)進(jìn)口端安裝了過濾設(shè)備，并不斷優(yōu)化各段噴頭噴水參數(shù)。優(yōu)化前后結(jié)晶機(jī)連續(xù)自動(dòng)噴水與對(duì)比情況如表5所示。

表5 優(yōu)化前后結(jié)晶機(jī)噴水情況對(duì)比表

增加連鎖保護(hù)系統(tǒng)及過濾器后，設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行30天，晶體抱軸和葉片損壞事故率比人工噴水少，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均有所提高，基本與人工噴水相當(dāng)。但部分噴頭漏水時(shí)易引發(fā)總水管電磁閥自動(dòng)連鎖保護(hù)程序，導(dǎo)致自動(dòng)噴水設(shè)備頻繁緊急停車，影響生產(chǎn)作業(yè)的連續(xù)性。

4.5 結(jié)晶機(jī)自動(dòng)噴水系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化與運(yùn)行

為使結(jié)晶機(jī)自動(dòng)噴水系統(tǒng)更好地滿足生產(chǎn)需要，制定了以下改進(jìn)措施。

(1)對(duì)自動(dòng)噴水系統(tǒng)保護(hù)裝置進(jìn)行再次優(yōu)化，確定在電磁閥發(fā)生故障時(shí)，關(guān)閉主水管電磁總閥并同時(shí)打開9個(gè)噴頭電磁閥及總水管末端的電磁閥，使電磁總閥后端水管中的水快速排除，避免損壞螺旋葉片事故的發(fā)生。

(2)改進(jìn)連鎖、閉鎖程序，同步使用噴水時(shí)間、噴水量連鎖控制，杜絕漏水時(shí)的系統(tǒng)誤判，增強(qiáng)保護(hù)系統(tǒng)可靠性。

(3)新設(shè)計(jì)的自動(dòng)噴水系統(tǒng)做到水、電系統(tǒng)分離、干濕分離，安裝布局更合理，安全性、可靠性更好。

試驗(yàn)結(jié)果如表6所示：

表6 自動(dòng)噴水試驗(yàn)與人工噴水情況對(duì)比表

試驗(yàn)證明，結(jié)晶機(jī)自動(dòng)噴水系統(tǒng)經(jīng)過一年多的設(shè)備改進(jìn)及參數(shù)優(yōu)化，現(xiàn)已經(jīng)基本滿足生產(chǎn)要求，產(chǎn)品產(chǎn)量與人工噴水相當(dāng)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性比人工好，人員操作由現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提升至遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，極大降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、改善了人員的作業(yè)環(huán)境。但還存在以下問題：

(1)使用的塑殼繼電器使用壽命為10～30萬次，但在生產(chǎn)過程中3#、4#噴頭繼電器通斷次數(shù)達(dá)到30萬次/年，因此現(xiàn)用的繼電器難以保障正常生產(chǎn)，在試驗(yàn)階段曾出現(xiàn)中間繼電器失靈造成設(shè)備事故發(fā)生，下一階段將開展固態(tài)繼電器通斷方面的試驗(yàn)研究。

(2)結(jié)晶機(jī)物料成分復(fù)雜多變，目前設(shè)計(jì)控制參數(shù)主要適用于常規(guī)性物料，針對(duì)更為特殊、復(fù)雜的粗錫物料，待進(jìn)一步開發(fā)針對(duì)性的自動(dòng)噴水控制技術(shù)參數(shù)。

5 結(jié)論

(1)試驗(yàn)表明結(jié)晶機(jī)自動(dòng)噴水系統(tǒng)方便可行，使用該系統(tǒng)后產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量均優(yōu)于人工噴水。

(2)實(shí)現(xiàn)了操作人員由現(xiàn)場(chǎng)操作改為控制室操作，降低了員工勞動(dòng)強(qiáng)度、減少了職業(yè)危害和安全風(fēng)險(xiǎn)。

(3)連續(xù)自動(dòng)噴水技術(shù)具有少量多次、持續(xù)穩(wěn)定給水的優(yōu)勢(shì)，能減少瞬時(shí)煙氣、煙塵的產(chǎn)生量，安全、環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)更低。同時(shí)能有效降低了螺旋葉片運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷，降低了螺旋葉片、軸、螺栓等損壞次數(shù)，提高了設(shè)備有效開動(dòng)率。

(4)結(jié)晶機(jī)自動(dòng)噴水控制更有利于槽內(nèi)溫度、成分梯度的合理分布控制，更好地保持精錫結(jié)晶-焊錫熔析的平衡性，降低了人工經(jīng)驗(yàn)判斷的不穩(wěn)定性，縮短了頻繁調(diào)整槽況時(shí)間，有效提高了結(jié)晶機(jī)生產(chǎn)效率。

(5)可實(shí)現(xiàn)1人多臺(tái)結(jié)晶機(jī)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制操作，有效降低了人工作業(yè)成本，提高了結(jié)晶機(jī)自動(dòng)化水平。

由于結(jié)晶機(jī)產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量及環(huán)保狀況受進(jìn)料系統(tǒng)、排焊錫系統(tǒng)和收塵系統(tǒng)的影響，下一階段將從結(jié)晶機(jī)穩(wěn)定進(jìn)料、連續(xù)焊錫排放及槽面集氣系統(tǒng)等方面繼續(xù)開展試驗(yàn)研究工作。