【正文】 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 1 頁 共 43 頁 1 引言 本課題研究的背景及意義 課題 的提出背景 電石主要是由電石爐內電弧和電阻加熱焦炭和生石灰等原料，使之在熔化狀態(tài)下反應而制成。故電石爐是生產電石的主要設備，其性能直接影響到電石產量、質量以及能耗等經濟技術指標。 除少數(shù)引進設備外，我國目前生產所用的電石生產設備多為 60～ 80 年代仿制 Demag 型式的中小型密閉爐或開放爐。這些早期設備的產量占總產量的 80%左右。與國外相比，我國電石工業(yè)生產裝備整體技術水平尤其是自動控制水平仍然較低，仍然為粗放式高耗能生產模式，導致產品價格偏高，經 濟指標差，缺乏國內外市場競爭力。為了改變上述情況，對大量的設備 實施自動控制 是有效途徑之一 [1]。 課題 的 意義 電石爐是生產電石的大型設備，它是通過三相電極之間產生的電弧對原材料進行加熱 ，使原材料在一定溫度下發(fā)生化學反應而生產出電石產品。電石爐三項電極 升降控制好壞，直接影響爐溫和三項電流的不平衡程度，從而影響產品的質量以及電網的質量。電石冶煉爐同樣是一個大量消耗電能、爐內情況變化很大、現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣的冶煉設備。它工作的穩(wěn)定與否直接關系到電石產品的質量。在工業(yè)上僅應用少數(shù)幾種碳化物，其中 活化鈣居 第一位。工業(yè)碳化鈣，或簡稱電石，使有時會和含碳物料（無煙煤，焦炭）在電爐中熔煉制得。電石主要是由電石爐內電弧和電阻加熱焦碳和石灰石等材料 ,使之在熔化狀態(tài)下反映而制成 。對電石爐生產過程進行自動控制是冶煉廠提高產品質量和節(jié)能降耗的重要手段之一。 因而電石爐是生產電石的主要設備 ,其性能直接影響到電石產量 ,質量以及能耗等經濟指標 。而現(xiàn)在國內電石生產現(xiàn)狀還不是很先進， 極電流等現(xiàn)場控制有操作員手工操作實現(xiàn)。電石生產為三班連續(xù)作業(yè)，由于操作員的素質（如技術水平、反應靈敏性和責任心等）不同，導致電石爐運行很不規(guī)范，難以保證持 續(xù)滿負荷運行；電極壓放經常必須在停電狀態(tài)下進行；電石爐運行參數(shù)和供配電狀態(tài)分別由操作員和電工定時觀察和記錄，難以做到規(guī)范準確，難以對數(shù)據(jù)進行分析，更 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 2 頁 共 43 頁 難以對歷史記錄分析比較等等，這就要求通過設計更好的方法去進一步改善它 。運用 PLC 自動控制系統(tǒng) 可 以通過對電石爐進行動態(tài)監(jiān)測電石爐的電壓、電流和供率的電氣參數(shù)。以 測電氣參數(shù)為基礎，結合其他工藝參數(shù)，采用先進 PLC 控制技術，合理動態(tài)調節(jié)電極插入深度，控制電爐電流、電壓級數(shù)等參數(shù)滿足生產要求。在自動控制運行情況下，可根據(jù)工藝規(guī)定流程，實現(xiàn)恒電流模式平穩(wěn)運行，使整個操作流 程更加規(guī)范合理 。 本設計是為了適應市場競爭需要，提高產品質量，降低能耗，對電石爐進行控制策略研究和計算機控制技術改造。技術改造核心是設計一套計算機控制系統(tǒng)，結合具體生產工藝，合理設計計算機控制系統(tǒng)軟硬件，使電石生產過程自動化和規(guī)范化。本設計結合目前國內工藝現(xiàn)狀和原料特點，分析設備工藝數(shù)據(jù)，采用 PLC 控制理論和技術，研究合理的控制模型和策略，尋求生產過程中交加的參數(shù)匹配，建立電石爐運行的控制模型。同時以此為基礎，研制電石爐的計算機控制系統(tǒng)，研究電極的升降，及爐內恒溫的控制。 電石工業(yè) 國 內外相關技術現(xiàn) 狀與發(fā)展趨勢 電石工業(yè)國內外技術現(xiàn)狀 電石工業(yè)誕生已有一個世紀。開始電石僅用于電燈、金屬切割與焊接。二次大戰(zhàn)后，隨著有機合成工業(yè)的迅速發(fā)展，電石工業(yè)裝備水平不斷提高，生產規(guī)模不斷擴大。日本、美國、德國等是世界上電石工業(yè)較發(fā)達的國家，電石工業(yè)發(fā)展歷史長。 美國是世界上第一個生產電石的國家。美國生產電石的企業(yè)有聯(lián)合碳化物公司、太平洋電石公司等，他們于 60 年代末首先嘗試將計算機運用于電石生產過程控制。原聯(lián)邦德國也是世界上生產電石比較早的國家，德國 Demag 公司于50 年代即設計了 2座大型密閉爐。以后 Demag 形式的電石爐的國家。挪威 Elekm公司設計的 Elekm 電石爐也是各國引進的另一個發(fā)明密閉電石爐形式。日本早期從國外 引進 幾座電石爐，在此基礎上經過消化設計，建成了多座改良性密閉電石爐。由于這些國家的電石生產裝備采用了先進的型式（如挪威發(fā)明的的 Elekm和德國發(fā)明的 Demag 型密閉電石爐）和先進的技術（如進年來空心電極和電石爐計算機控制系統(tǒng)的應用等），故其技術經濟指標處于世界領先地位。如電石爐的能耗指標電能單耗為 3200 度 /噸以下，質量指標電石發(fā)氣量達到 300 升 /公斤，整個設備能保持長期穩(wěn)定運行 [2]。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 3 頁 共 43 頁 隨著有機合成工業(yè)的興起，全國建立了許多電石廠。我國目前生產所用的電石生產設備多為 60～ 80 年代仿制 Demag 型式的中小型密閉爐或開放爐，技術性能相當于國際 60 年代水平，并且小型開發(fā)爐數(shù)量占 90%左右。這些早期設備的產量占總產量的 80%以上。與國外相比，電石生產設備的整體技術水平較低。整個生產過程均為通過觀察儀表測得的電氣參數(shù)，人工進行操作。由于電石生產影響較多，而人工操作有許多不確定因素，因人而異缺乏規(guī)范性，故容易引起電石爐運做狀況波動，如果出現(xiàn)電極斷裂，還需停電處理，故電石爐難以高負荷長期穩(wěn)定運行。導致電 石生產的經濟技術指標較低，如國內目前電石爐的電能單耗約為 3500～ 3700 度 /噸，電石發(fā)氣量約為 275～ 285 升 /公斤。國內也有許多關于電石爐的研究，李建興、蔣新華等人在 PLC 的電石爐模糊控制系統(tǒng)研究，電石爐系統(tǒng)是一種典型的非線性、時變的多輸入多輸出三相耦合系統(tǒng) ,難以建立精確的數(shù)學模型。經典控制理論和現(xiàn)代控制理論的控制器的設計均建立在被控對象準確的數(shù)學模型基礎上 ,采用傳統(tǒng)控制方法很難取得理想的控制效果。而對于許多難以建模的多輸入多輸出系統(tǒng) ,采用模糊控制是非常有效的 [3， 4]。 趙松杰 、 李蘭忖，在 電極電位的 PLC控制的研究， 用 PLC 取代傳統(tǒng)的繼電器 — 接觸器 ,對電石爐電極區(qū)位進行隨機調節(jié)控制，使電極始終處在適當?shù)奈恢?，從而解決電極區(qū)位調節(jié)控制的生產技術 [5]。 吳勇研究的 PLC 在電石爐控制系統(tǒng)中的應用， 優(yōu)先調整偏離設定值最大相和協(xié)調控制，有效解決負載波動大和 負載 偶合的問題 [6]。 陳龍、馬伯淵、張雪峰等人在智能 PID 控制在電石爐電極調節(jié)系統(tǒng)中的研究 [7]。 國內還有其他這方面的研究，不過整體說我國還是和許多發(fā)達國家有著一定的差距。所以，此次的 PLC 在電石爐的設計對國內電石爐發(fā)展有一定的意義。 電石工業(yè)國 內外技術發(fā)展趨勢 目前，國外的電石爐主要以 Elekm 和 Demag 兩種形式為主。性能較好的電石爐均采用了空心電極加料、采用計算機控制實現(xiàn)電極定時壓放、電極升降和 3個電極的平衡、工藝參數(shù)的檢測報警和數(shù)據(jù)管理等。由于爐型和生產流程基本未變，故主要的發(fā)展趨勢在于各項先進技術的綜合應用。 國內的某些企業(yè)先后引進了多臺 Elekm 型密閉電石爐。但由于原料差異和其他技術原因。許多企業(yè)并未將一些控制功能投入使用，如某些企業(yè)僅用了手工操作方式。而大量老設備仍在使用，如陜北就有許多中小型電石爐，并未進行節(jié)能 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 4 頁 共 43 頁 改造。隨著電力供應的緊 張，淘汰部分落后設備，對一些有基礎的設備進行改造將成為發(fā)展趨勢。 目前，對于電石爐三相電極的調節(jié)控制仍然沒有一個統(tǒng)一的，普通適用的方案，而且不同行業(yè)控制經驗不盡相同，具體問題需要具體分析。所以如何通過對電極調節(jié)策略的研究，提高產品質量，降低能耗，減少對電網的沖擊成為迫切需要解決的研究課題。 2 電石生產設備和工藝概述 為了完成對電石爐系統(tǒng)的計算機控制技術改造，首先必須了解原有電石爐生產工藝和生產設備，發(fā)現(xiàn)原有系統(tǒng)的弊端，以便在原有設備基礎上，合理設計計算機控制系統(tǒng)，使得電石生產規(guī)范化和自動化，達到提高生產 質量，降低耗能的目的。為此，我們對電石生產的設備和工藝做出了大量的調研工作 [8]。 電石生產 的 原理和用途 碳與金屬的化合物成為碳化物。在工業(yè)商僅應用少數(shù)幾種碳化物，其中碳化鈣居第一位。工業(yè)碳化鈣，或簡稱電石，是由石灰和含碳物料（無煙煤，焦炭） 在電石爐中熔煉制得。這時發(fā)生以下的反應： Ca + 3C = CaC2 + CO 電石中除含大部分碳化鈣外，還含有少部分其他雜質，這些雜質都是原料中的雜質轉化過來的。電石是有機化合成工業(yè)的主要原料之一，其中主 要用途是生產乙炔和氰氨化鈣： (1)制造乙炔： CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2 CaC2 +Ca(OH)2 = 2CaO + C2H2 (2)生產氰胺化鈣： CaC2 + N2 CaCN2 + C 而乙炔是現(xiàn)代合成塑料、橡膠、纖維、醫(yī)藥、農藥、染料、樹脂和溶劑等許多有機產品的基本原料。乙炔可以 合 成數(shù)千種有機產品，曾被譽為“有機合成工業(yè)之母”。氰氨化鈣，即石灰氰是一種優(yōu)良的堿性肥料，也是生產氰化物的原料。因此，電石具有極高的生產價值。 電石 爐及其生產設備 電石爐 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 5 頁 共 43 頁 根據(jù)加熱方式的不同，電弧爐又可分為 3種類型：間接電弧爐、直接電弧爐、密閉式電弧爐。本項目采用的是密閉式電弧爐。其電弧在電極周圍的固態(tài) 物料 層下面燃燒，因此電流可以平行于電弧而通過爐料。所以電爐是電弧爐與直接加熱的電阻爐的聯(lián)合，也叫做電阻電弧爐。但按其本身的構造， 這種電爐更接近電弧爐，而距電阻爐較遠 [9]。 電極自動調節(jié)液壓系統(tǒng) 在電石生產過程中，由于電極同爐料的接觸性短路、爐料的崩塌、爐料成分的氣化、劇烈的化學反應等原因，會引起電 弧電流發(fā)生很大的波動。因此需要快速調節(jié)電極的位置，以使電弧電流保持在一定范圍內。其次，爐料熔化和溫度的控制主要靠電弧。電弧電流的變化，使得輸入爐內的電功率也隨之變化。如果電弧電流過小，則輸入爐內的電功率減小，生產時間延長；電弧電流過大，就會增加線路上的能量消耗，點效率降低。因而，在生產過程中，必須有一個較理想的功率調節(jié)裝置，調節(jié)電弧爐的輸入功率，以取得最佳的熔煉效果。 電極自動調節(jié)系統(tǒng)是具有上述功能的裝置。電極自動調節(jié)系統(tǒng)主要 由 電壓電流的測量比較環(huán)節(jié)、調節(jié)器和執(zhí)行機構構成，執(zhí)行機構分為機電式電極升降 裝置和液壓式電極升降裝置。機電式電極升降裝置一般用于中小容量的電弧爐，而液壓式電極升降裝置一般用于大型電弧爐，本設計中應用的是液壓式電極升降裝置。 用液壓系統(tǒng)控制電極的移動有兩個目的，為了達到這兩個目的，采用了兩個不同的方式。第一種是通過驅動升降大立缸來使得電極移動，這時電極將和套在其上的上、下摩擦帶動一起移動，其目的是為了控制因爐料反應而導致的電極電流波動。第 二種方法是一套固定的工序，通過上摩擦帶松開、提升、加緊，下摩擦帶 松開、上摩擦 帶 壓下來、下摩擦帶緊固共 6 個動作來使得電極下 壓 ，這時電極與上下摩擦帶產生 相對位移，這樣做的目的是因為石墨電極不斷被電解消耗而變短。為了區(qū)別兩種工作方式，我們稱第一種控制電極移動的方式為“升降”，第二種控制電極移動的方式為“壓放”。之所以需要壓放操作是因為在電石爐工作過程中，電極因不斷被消耗而變短，如果只采用升降方式，升降大立缸最終會移動至下限位無法繼續(xù)移動。所以在電石生產過程中“升降”操作是主要的調節(jié)方式，但每間隔一段時間需要“壓放”一次以彌補石墨電極消耗 [10]。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 6 頁 共 43 頁 壓放系統(tǒng)的機械部分由上摩擦帶、壓放升降缸和下摩擦帶組成。在摩擦 帶 夾緊和完全放松位置裝有限位開關提供反饋信號。液壓 件的動作有電氣系統(tǒng)進行控制。壓放電極時， 6 個順序動作每一個動作的結束時后一個動作的開始，直到全部動作結束為止 [11]。 生產工藝流程簡介 由原料加工處理工序送來的合格的焦炭和生石灰分別儲存于原料貯斗（ 1）內，每個貯斗下面均有一臺自動稱（ 2），每兩臺自動稱連成一組，一個稱石灰，另一個稱焦炭。石灰和焦炭用自動稱按規(guī)定比例稱量后，經鏈斗輸送機（ 3）將爐料送至皮帶輸送機（ 4），載運到環(huán)斗加料機（ 5）向環(huán)形料倉（ 6）加料。從環(huán)形料倉下部的投料管把爐料投入電石爐（ 7）中。電流由電爐變壓器（ 8），經短網（ 9） 、 集電環(huán)、軟銅帶和導電顎板導入電極（ 10）。爐料在電石爐內依靠電弧熱、電阻熱和一氧化碳帶出的顯熱，加熱到 1900~2200 攝氏度而生成電石和一氧化碳。生成的電石自出料口流料槽流出。投料管直接插入爐蓋內，當爐料下沉時，可繼續(xù)補充爐料。電石爐的使用功率由電極升降和電壓級數(shù)的切換來調整，切換電壓可以在有載的情況下進行 [12]。 電極的升降用油壓升降機（ 17）帶動。壓力由油壓裝置供給。電石爐定時將熔融電石放出來，沿著具有冷卻水管的流料槽流入冷卻筒（ 11）中。筒內裝有導葉，可以抄起電石塊而將其摔碎。筒尾通入氮氣，以減少 電石發(fā)氣量的損失，并可保證安全生產。筒外淋撒冷卻水使其冷卻。經冷卻破碎后的電石粒度減小，自筒尾卸出，再經斗式提升機（ 12）進入中間貯斗（ 13）。再由此經漏斗而落入自動秤（ 14）稱量后的電石