趙 鑫

(攀枝花攀鋼集團釩鈦資源股份有限公司，四川 攀枝花 617000)

1 引言

四氯化鈦是生產(chǎn)鈦白粉和海綿鈦的主要原料，也是攀鋼重要的戰(zhàn)略資源。近年來，國內(nèi)市場對鈦白粉和海綿鈦的需求持續(xù)迅猛增長，在旺盛的市場需求和豐厚利潤的刺激下，國內(nèi)大多數(shù)鈦白粉廠和海綿鈦廠都進行擴能改造或新建項目，由于配套技術(shù)、工藝不夠完善，造成成本居高不下，其中四氯化鈦的成本在生產(chǎn)過程中起到?jīng)Q定性的作用。四氯化鈦生產(chǎn)方法主要有沸騰氯化、熔鹽氯化和豎爐氯化三種。沸騰氯化是現(xiàn)行生產(chǎn)四氯化鈦的主要方法，其次是熔鹽氯化，而豎爐氯化已被淘汰。沸騰氯化一般以鈣鎂含量低的高品位富鈦料為原料，對原料質(zhì)量要求高，成本相對也較高；而熔鹽氯化則可使用含高鈣鎂的原料，成本較低但對工藝操作水平要求較高。

粗四氯化鈦是熔鹽氯化爐的主要產(chǎn)物，氯化爐的爐溫高低，是粗四氯化鈦合成的關(guān)鍵因素，因此合理選擇粗四氯化鈦生產(chǎn)溫度對提高氯化率、控制爐溫起到非常關(guān)鍵的作用。以往熔鹽氯化生產(chǎn)過程中，主要靠人工觀察溫度的變化，通過計算、驗算，然后不斷的調(diào)整原料配比，以確保氯化爐爐溫正常穩(wěn)定，通常此過程將維持三小時以上且不穩(wěn)定，因此人工操作無法滿足生產(chǎn)要求，且滯后性嚴重，對四氯化鈦的產(chǎn)量和純度影響很大。自動連鎖條件控制爐溫大大減小爐溫異常波動對產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的影響，比人工的操作調(diào)整快速且準確。通過研究熔鹽氯化生產(chǎn)粗四氯化鈦爐溫控制算法。系統(tǒng)地分析了熔鹽氯化法爐溫的特性并結(jié)合生產(chǎn)實際情況，以過程控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研究氯化爐爐溫控制不利因素，提出切實可行的氯化爐爐溫控制措施和方法。

2 氯化爐生產(chǎn)工藝

對于氯化爐中懸浮的熔鹽介質(zhì)(NaCl)，當氯氣從氯化爐底部噴入熔鹽后，對熔鹽和反應(yīng)物產(chǎn)生了強烈的攪動。氯氣流本身分散成許多小泡，逐漸由底部向上移動，在表面張力作用下，懸浮于熔鹽中的固體粒子粘附在熔鹽與氯氣泡的界面上，隨熔鹽和氣泡的流動而分散于整個熔體中，使反應(yīng)物之間有良好接觸，為氯化反應(yīng)過程創(chuàng)造了良好的動力學條件。熔鹽氯化反應(yīng)是在氣(氯氣)、液(熔鹽)、固(鈦渣和石油焦)三相體系中進行，最終生成四氯化鈦。其反應(yīng)方式如下：

TiO2+2C+2Cl2=TiCl4+2CO

(1)

TiO2+C+2Cl2=TiCl4+CO2

(2)

由于氯化爐溫度由爐中化學反應(yīng)放熱維持，無需借助外部加熱。因此生產(chǎn)過程中爐內(nèi)氯氣、熔鹽液、鈦渣和石油焦的配比須跟隨爐溫的變化及時進行調(diào)整，以確保四氯化鈦的純度和產(chǎn)量。四氯化鈦是無色密度大的液體，不純時常為黃或紅棕色液體，后續(xù)精制流程中將反應(yīng)出來。鈦白粉和海綿鈦的純度和品級將大大降低，影響產(chǎn)品品相及售價。因此，將根據(jù)生產(chǎn)特點，利用自動連鎖控制的方式對爐溫進行控制和調(diào)節(jié)。

3 氯化爐溫度控制關(guān)鍵點及方法

3.1 熱量來源

熔鹽氯化爐內(nèi)的熱能主要由化學反應(yīng)過程中放出的熱量提供——高鈦渣中的二氧化鈦及其它各種雜質(zhì)與氯氣反應(yīng)放出的熱量和過量的石油焦發(fā)生氧化反應(yīng)放出的熱量。

3.2 爐溫控制

3.2.1 爐溫控制的關(guān)鍵點

熔鹽氯化爐是整個氯化過程的重點設(shè)備，其溫度控制對粗四氯化鈦的合成起到關(guān)鍵的作用。熔鹽氯化生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量爐渣，爐渣須定期排出，以確保爐內(nèi)液面穩(wěn)定在3 m±0.5 m。因此爐溫監(jiān)測點設(shè)置為氯化爐4.5 m處垂直插入，熱電偶長度為2.1 m，此熱電偶的溫度排除了爐渣及液面波動的影響，能夠及時準確測出氯化爐爐內(nèi)溫度。

通過自身化學反應(yīng)放熱后，如爐溫過高將反應(yīng)生成的已冷卻的四氯化鈦加入氯化爐，以此來降低氯化爐爐內(nèi)溫度。當爐溫過低時，通過原料的配比，加入多于反應(yīng)量的石油焦，通過石油焦的氧化反應(yīng)放熱以提高爐內(nèi)溫度，但溫度提升過程中存在嚴重的滯后。

因此熔鹽氯化爐內(nèi)的溫度控制關(guān)鍵點分別為返回到氯化爐中冷卻的四氯化鈦的量和溫度反饋滯后，控制好以上兩點操作，即可對反應(yīng)過程中爐溫進行有效控制和調(diào)整。

3.2.2 爐溫控制的基本思路

氯化爐溫度控制的目標是：根據(jù)實測的氯化爐爐內(nèi)溫度，控制返回的四氯化鈦礦漿流量，使氯化爐爐內(nèi)溫度盡可能地接近設(shè)定值[5]。在控制氯化爐爐溫的過程中，不斷調(diào)整其中的參數(shù)及控制算法，最終使控制精度(實測卷溫與目標卷溫的偏差)有較大幅度的提高。

氯化爐的溫度控制主要是通過控制返回已冷凝后的液態(tài)四氯化鈦礦漿，四氯化鈦礦漿返回的量是通過礦漿槽中的變頻液下泵實現(xiàn)的，四氯化鈦礦漿返回控制爐溫工藝見圖1。

在圖中管道線表示的是礦漿返回的管道，這兩根管道的作用：一是102液下泵調(diào)節(jié)氯化爐爐內(nèi)溫度，二是101液下泵調(diào)節(jié)氯化爐出口溫度。控制返回四氯化鈦礦漿的量來調(diào)節(jié)氯化爐的溫度成為主要手段。

3.2.3 預設(shè)功能

氯化爐爐溫控制在本質(zhì)上是一個十分復雜的分布控制問題。由于氯化爐爐溫處于持續(xù)變化過程中，實測溫度是滯后的，因此需要根據(jù)氯化爐生產(chǎn)實際情況，應(yīng)用預設(shè)定模型對氯化爐進料口的加料情況，以及冷凝槽液下泵返回礦漿量進行預計算，這樣可以有效地消除整個溫控系統(tǒng)動作滯后的影響。預設(shè)定模型每隔一段時間啟動一次，重新計算各控制量后傳送至基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)執(zhí)行。

整個預設(shè)定部分主要是由兩部分組成的，氯化爐爐溫初始設(shè)定、氯化爐爐溫動態(tài)設(shè)定。針對氯化爐進料口的加料情況、冷凝槽液下泵返回礦漿量，對氯化爐爐溫進行預設(shè)定計算，輸入相關(guān)參數(shù)，計算出氯化爐爐溫初始設(shè)定值。在氯化爐進料口開始加料之后，氯化爐爐溫將會發(fā)生變化，當變化超過一定的范圍時候，就需要對冷凝槽液下泵返回礦漿量進行計算。氯化爐爐溫動態(tài)設(shè)定部分根據(jù)冷凝槽液下泵返回礦漿量進行動態(tài)調(diào)整[4]，從而保證能按照氯化爐爐溫初始設(shè)定結(jié)果對氯化爐爐溫進行控制。氯化爐爐溫的初始設(shè)定是預設(shè)定模塊的核心部分，主要負責計算氯化爐爐溫的初始狀態(tài)，以便為每段氯化爐爐溫執(zhí)行溫控規(guī)則，最終使氯化爐爐溫控制在允許的范圍之內(nèi)。

3.2.4 前饋控制功能

根據(jù)現(xiàn)場實際采樣，四氯化鈦與溫度之間的變化關(guān)系見圖2。

由圖2，我們可以看到，熔鹽氯化爐的氯化率跟爐溫有著一定的關(guān)系，當溫度范圍在600 ℃時，氯化反應(yīng)最佳。

當氯化爐進料口開始加料時，系統(tǒng)也啟動修正設(shè)定計算程序[1](即前饋控制計算)。修正設(shè)定計算是一個不斷進行的周期計算過程，它根據(jù)實測的氯化爐爐溫，利用與預設(shè)定計算相同的模型，對預設(shè)定計算冷凝槽液下泵返回礦漿量進行微調(diào)，此項微調(diào)按照生產(chǎn)工藝周期進行。

當實測的氯化爐爐溫高于預測的氯化爐爐溫時，增加冷凝槽液下泵返回礦漿量，直到滿足溫降要求。當實測的氯化爐爐溫低于預測的氯化爐爐溫時，減少冷凝槽液下泵返回礦漿量，直到滿足溫升要求。前饋補償結(jié)構(gòu)原理圖見圖3。

3.2.5 補償控制功能

為了提高控制精度，控制系統(tǒng)的設(shè)計中還有反饋控制，以彌補前饋控制的不足。因此，控制系統(tǒng)是一個前饋-反饋控制系統(tǒng)[2]，以前饋控制為主的閉環(huán)控制系統(tǒng)[3]。只要溫度預設(shè)定模型精確度高，并且在施加反饋控制的同時，縮短氯化爐爐溫實測值與目標值的偏差，通過調(diào)節(jié)冷凝槽液下泵返回礦漿量來消除溫度偏差，提高氯化爐爐溫控制精度。流程如下：

3.3 爐溫控制步驟

控制返回四氯化鈦礦漿的量來調(diào)節(jié)氯化爐的溫度成為主要手段。氯氣的通入量為常量后，氯化爐的爐溫就與加入的高鈦渣、石油焦、氯化鈉的量有關(guān)，當設(shè)定螺旋給料器的輸料速度為一個定值，則加入高鈦渣、石油焦、氯化鈉就成為常量，并且產(chǎn)生的熱量也是一個常量，氯化爐的爐溫會成一定的線性上升，因此這時調(diào)節(jié)返回氯化爐四氯化鈦礦漿的量，就能控制爐溫。但是溫度的反饋是一個滯后的環(huán)節(jié)，因此四氯化鈦礦漿的返回量不是一個連續(xù)的過程，而是有步驟的調(diào)節(jié)。

PLC控制畫面如下：

在程序中，我們設(shè)定所要調(diào)節(jié)的氯化爐的溫度范圍在950-1 000 ℃。

(1)設(shè)定溫度與實際溫度的差值大于50 ℃，這時將返回礦漿的量設(shè)定為18 000 m3/h，并且啟動定時器T1，將礦漿返回的時間設(shè)定為3 min(時間可以整定)，當定時器的時間為零時，設(shè)定返回的四氯化鈦的量為0，監(jiān)控氯化爐的溫度變化，在啟動定時器T2，(T2的時間設(shè)定為3 min)，當定時器T2為零時，在比較氯化爐的設(shè)定溫度與實際溫度的差值，若差值還大于50 ℃，再按上述進行操作。

(2)設(shè)定溫度與實際溫度的差值為40-50 ℃時，則把返回礦漿的量設(shè)定為14 400 m3/h，再按(1)的步驟循環(huán)一次。

(3)設(shè)定溫度與實際溫度的差值為30-40 ℃時，則把返回礦漿的量設(shè)定為10 800 m3/h，再按(1)的步驟循環(huán)一次。

(4)設(shè)定溫度與實際溫度的差值20-30 ℃時，則把返回礦漿的量設(shè)定為7200 m3/h，再按(1)的步驟循環(huán)一次。

(5)設(shè)定溫度與實際溫度的差值為10-20 ℃時，則把返回礦漿的量設(shè)定為3 600 m3/h，再按(1)的步驟循環(huán)一次。

(6)設(shè)定溫度與實際溫度的差值小于10 ℃時，則把返回礦漿的量設(shè)定為1 000 m3/h，再按(1)的步驟循環(huán)一次。

3.4 四氯化鈦控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

四氯化鈦生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)圖主要有以下幾個特點：

(1)具有2級雙冗余網(wǎng)絡(luò)；

(2)0級網(wǎng)絡(luò)和1級網(wǎng)絡(luò)分別為獨立的環(huán)網(wǎng)；

(3)0級采用西門子1613通訊卡；

(4)1級采用1000MT以太網(wǎng)卡；

網(wǎng)絡(luò)的連接方式及功能：

(1)四氯化鈦控制系統(tǒng)的監(jiān)控站總共有4套操作站，1套服務(wù)器，它們是通過淺藍色網(wǎng)絡(luò)連接在一起的。淺藍色網(wǎng)絡(luò)是我們架設(shè)的1級網(wǎng)絡(luò)，它連接服務(wù)器與各操作站，主要用于各操作站接收來自服務(wù)器的各項數(shù)據(jù)，并在畫面上顯示；并且把操作指令通過這層網(wǎng)絡(luò)送到服務(wù)器，再通過0級網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇LC。

(2)淺綠色網(wǎng)絡(luò)是我們架設(shè)的0級網(wǎng)絡(luò)，它連接服務(wù)器、工程師站與PLC控制單元，主要用于從PLC控制單元采集到各類信號(其中包括了開關(guān)量輸入及輸出，模擬量的輸入及輸出)，上傳到服務(wù)器與工程師站中，在服務(wù)器中顯示，并在工程師站中進行相應(yīng)的處理；然后服務(wù)器上的操作指令及工程師站下達的指令，通過這層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇LC控制單元中，讓PLC控制單元執(zhí)行相應(yīng)的動作。

(3)粉紅色為Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，它的主用功能是將傳動電機的數(shù)據(jù)(即變頻器的狀態(tài)字和控制字)，傳輸給上位機PLC，并接受PLC發(fā)出的各種指令，改變電機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)速的目的。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

溫度反饋滯后，溫度控制精度都是氯化爐氯化反應(yīng)最為核心的關(guān)鍵問題，溫度控制不好，會造成氯化爐爐溫過高或過低，這樣直接影響氯化率，造成原料的浪費，以及粗四氯化鈦品質(zhì)的下降，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。

通過對生產(chǎn)過程的摸索和總結(jié)，得出上述分步溫度調(diào)節(jié)方法，該方法解決了溫度滯后，提前進行調(diào)控的措施，把溫度控制在最佳溫度范圍內(nèi)，提高氯化爐的氯化率，并且也進一步的縮小了溫度控制的精度，使其變化不超過工藝控制要求范圍。降低了生產(chǎn)成本，使整個氯化工藝有序地進行。生產(chǎn)后氯氣含量較低，滿足環(huán)境低污染要求。

5 結(jié)語

氯化爐爐溫控制系統(tǒng)是整個氯化工藝的重要控制系統(tǒng)，氯化爐的爐溫高低直接影響四氯化鈦產(chǎn)品的數(shù)量及質(zhì)量，因此爐溫控制方法的設(shè)計，對整個氯化生產(chǎn)工藝至關(guān)重要。保持氯化爐爐溫，分析了氯化爐爐溫的控制方法，達到最佳的生產(chǎn)條件，使生產(chǎn)成本降至最低，滿足生產(chǎn)要求。

參考文獻：

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