氧化铝生料浆配料过程自动控制系统的设计.docx
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氧化铝生料浆配料过程自动控制系统的设计
编号
毕业设计(论文)
氧化铝生料浆配料过程自动
控制系统的设计
TheDesignofAutomaticControlSystemforThe
BlendingProcessInAluminaProduction
学院名称
专业名称
学生姓名
学号
指导教师
2016年6月26日
摘要
随着我国铝工业的发展和电解铝产量的增加,我国氧化铝产量多年来处于供不应求的局面,进口氧化铝逐年增加,因此,近年来我国氧化铝工业发展迅猛。
仅中国铝业公司所属六大氧化铝厂,几乎每年增产80万吨的产量,另外,还有多个100万吨左右规模的氧化铝厂正在建设。
本文氧化铝生料浆配料过程自动控制碱粉由皮带秤运送到化碱池,赤泥浆由赤泥浆泵输送到化碱池,两者在化碱池中充分混合后形成碱赤泥浆。
碱赤泥浆由碱赤泥浆泵输送至磨机中,混矿和石灰石通过皮带秤运送到球磨机中,碱赤泥浆、混矿和石灰石在磨机里经充分的混合、研磨后形成碱比、钙比、水分指标符合生产要求的生料浆,输送至生料浆槽。
硬件设计包括I/O地址分配,变频器,流量计,传感器,水泵,皮带秤的选型。
氧化铝生料浆配料过程自动控制系统的设计主要包括逻辑控制,回路控制等。
通过逻辑控制完成设备的启停及设备间的连锁保护功能,增强配料过程的安全性、连续性;通过回路控制完成各物料的准确的计量。
尽量按照给定的配比准确配料,提高生料浆一次性出磨的合格率。
监控画面使用MCGS,包括整体工艺流程图,加碱系统监控,球磨机系统监控,设备运行状态监控。
关键词:
化碱;混合;逻辑控制;回路控制
Abstract
WiththedevelopmentofChina'saluminumindustryandelectrolyticaluminumproductionincreased,andChina'saluminaproductionformanyyearsinthesupplysituation,aluminaimportsincreasedyearbyyear.Therefore,inrecentyears,China'saluminaindustrydevelopmentisswiftandviolent.AluminiumCorpbelongstothesixlargestaluminaplant,almosteveryyeartoincreaseproductionof800thousandtons,inaddition,therearemorethan1milliontonsofscalealuminaplantisbeingbuilt.
Thealuminarawslurryblendingprocessautomaticcontrolalkalipowderconveyedtothealkalipoolbythebeltweigher,redmudfromredmudpumpdeliverytoalkalipool,bothinthealkalitankisfullymixedformalkaliredmud.Redalkalislurrybyredalkalislurryispumpedtothemillandmixedlimestonemineandthroughbeltweighertransportedtothemill,alkaliredmud,mixedore,limestoneinthemillafterfullymixingandgrindingformingalkaliratio,calciumratio,waterindicatorsinlinewiththerequirementsoftheproductionofrawslurry,conveyingtotherawslurrytanks.
ThehardwaredesignincludesI/Oaddressassignment,frequencyconverter,flowmeter,sensor,waterpumpandbeltscale.Designofautomaticcontrolsystemofaluminablendingprocessmainlyincludeslogiccontrol,loopcontroletc.Throughthelogicalcontroloftheequipmenttocompletethestartandstopoftheequipmentandthechainprotectionfunction,andenhancethesafetyandcontinuityofthebatchingprocess,throughtheloopcontroltocompletetheaccuratemeasurementofthematerial.Asfaraspossibleinaccordancewiththegivenaccuracyratioofingredients,improvethequalifiedrateofrawslurryone-timegrinding.MonitorscreenusingMCGS,includingtheoverallprocessflowchart,andalkalisystemmonitoring,ballmillsystemmonitoring,equipmentoperationstatusmonitoring.
Keywords:
Becomealkaline;blend;logicalcontrol;Loopcontrol
第1章绪论
氧化铝生料浆配料的背景及选题意义
铝金属用途广泛。
作为金属,铝在全世界的消耗量仅次于钢铁,是第二大基础金属材料。
在国民经济建设和国防工业中具有举足轻重的地位和作用,成为现代经济的筋骨和工业起飞的基础。
铝在世界各国尤其是工业发达国家经济发展中的地位显得越来越重要,在工业界被誉为万能金属,在国民经济和国防工业中的很多领域都得到了广泛应用。
铝工业与GDP密切相关。
我国铝产量、消费量与GDP产出之间具有正相关关系,线性相关系数分别为0.98和0.933,经济发展也拉动了铝需求量的增加。
1990—2010年间中国经济高速增长,铝消费量剧增。
进入21世纪以来,铝消费量的增速远远大于GDP的增速。
铝工业的效益优势明显。
铝工业是我国有色金属工业中社会贡献率最高的产业之一,2000年以来铝行业对总资产的贡献率超过10%,远远高于我国有色金属工业7%~8%的平均水平。
铝工业的产业关联度高。
在我国现有124个行业中,有113个行业使用铝产品,占91%。
根据投入产出比测算,原材料和装备制造业所消耗铝产品总量占全部消耗量的90.9%。
我国经济将继续保持较高的增长率,一方面对铝工业的发展提供了巨大的需求空间,另一方面也将进一步巩固铝工业在国民经济中基础产业的地位。
世界铝工业的发展始于19世纪80年代。
1888 年,奥地利化学家BAYER发明了从铝土矿中提取氧化铝的工艺,申报专利,并在英国、法国、意大利、美国和德国建成了多家氧化铝厂,开始了大规模生产氧化铝的历史。
当时,氧化铝的生产国都是较早进行工业化的国家。
1980年前后,随着发达国家工业化的陆续完成,世界氧化铝生产区域也发生了转移,从经济发达国家转向有资源优势的国家和发展中国家。
通过比较1980年和2006年世界主要氧化铝生产国的产量变化,氧化铝产量增加的国家,大都拥有丰富的铝土矿资源,如澳大利亚、巴西、印度和牙买加等,这样既可减少铝土矿运杂费用,又可延长产业链,将资源优势变为经济优势。
而氧化铝产量减少的国家,主要是已完成工业化的发达国家,如美国、日本、德国、法国和匈牙利等,在完成工业化后,铝的消费量减少,从经济和环境方面考虑,已不适宜在本国进行氧化铝生产。
氧化铝是铝土矿和原铝的中间环节,其产、消量应视铝土矿产量和原铝的需求量来确定。
我国虽然没有铝土矿资源优势,但我国正在工业化进程的中期,社会经济快速增长,城市化率和基础建设不断加速,因此需要大量生产(或进口)氧化铝以满足工业化的需要。
印度和我国的情况类似。
我国氧化铝的进口量一直维持较高的水平,是世界最大的氧化铝进口国。
我国与世界铝工业发展现状对比
世界铝土矿资源丰富,资源保证度很高,可开采、具备经济效益的铝资源可满足300年需求。
据美国地质调查所(Mineral Commodity Summaries)提供的数据,2009年世界铝土矿储量约为270亿t,基础储量约为380亿t,世界铝土矿总资源量为550~750亿t。
世界铝土矿储量集中,产量集中度较高。
世界铝土矿资源分布相对集中,按照2009年世界铝土矿储量由高到低排序,前8位的国家是几内亚(74亿t)、澳大利亚(58亿t)、越南(21亿t)、牙买加(20亿t)、巴西(19亿t)、印度(7.7亿t)、中国(7.5亿t)和圭亚那(7亿t),储量合计约占世界总储量的79.3%。
我国铝土矿储量占世界总储量的2.8%,居世界第7位。
我国铝土矿资源的特点是:
总量少、人均资源占有量更低、资源相对贫乏;贫矿多、富矿稀、开发利用难度大;单一矿床少,共生、伴生矿床多,提取工艺复杂;分布范围广、区域不均衡。
2010年我国铝土矿产量为5759万t,占世界铝土矿总产量24816万t的23%;而我国铝土矿资源仅占世界的2.8%,这样,我国铝土矿资源消耗速度大大超过世界平均速度,将比其他国家更快地走向衰竭。
同时,我国还要大量进口铝土矿,是世界最大的铝土矿进口国。
其次是美国、乌克兰、西班牙、爱尔兰、加拿大、德国、日本、法国和意大利等,都是已完成工业化的国家。
而出口量前3名的国家是印尼、牙买加和澳大利亚。
由此,也可以看出世界铝工业的转移状况。
2006—2010年我国铝土矿的进口量分别为 925.6、2328.0、2592.7、1980.2和3006.9万t。
我国铝土矿石品位较低,铝硅比(质量比)以4~7为主,品位约为46%;m(Al)/m(Si)>9的高铝硅比矿石数量少,不到20%。
从环境方面看,现在铝土矿开采业实现了“无痕开采”。
据报告显示,从70年前铝土矿生产以来,铝土矿山计划复原的面积超过了铝土矿开采和基础设施用地面积的90%,铝土矿山开采已经达到采矿区(开采区)无痕迹化复原的阶段,这是技术进步的结果,也是可持续发展的要求。
表1为我国不同铝矿石等级的比例分布。
表1我国不同铝矿石等级的比例分布
Aluminum ore grade
m( Al)/m(Si)
Mass fraction/%
Grade1
≥12
1.5
Grade2
12-9
17.0
Grade3
9-7
11.3
Grade4
7-5
27.9
Grade5
5-4
18.0
Grade6
4-3
8.3
Grade7
3-2
1.5
Others
<2
14.5
我国主要氧化铝生产工艺
氧化铝是典型的大型复杂流程性工业,全世界90%以上的氧化铝直接采用的是经济的拜耳法生产流程,而我国氧化铝企业因矿质的不同,而分别选用不同的生产工艺。
烧结法:
适于矿石品位含硅高、难溶的、中等资源品位的一水硬铝石,流程长、工艺复杂。
我国绝大部分老的氧化铝企业多采用这一方法进行氧化铝冶炼,如:
山东铝厂、中州铝厂1期、山西铝厂1期。
烧结法氧化铝生产过程主要包括熟料烧成、熟料溶出、精液制备、分解和蒸发等主要的生产工序。
来自原料磨的生料浆通过回转窑烧制成易于溶出的铝酸钠熟料,再经碳分母液和一次洗液浸泡后进行溶出;此后通过赤泥分离洗涤、粗液脱硅、硅渣分离等工序生成的精液分别送至碳分和种分工序进行分解反应,析出氢氧化铝;种分母液经蒸发形成的种蒸母液送拜尔法碱液调配后给原矿浆配料;碳蒸母液则返回至原料磨配料。
析出的氢氧化铝送焙烧工序进行焙烧。
与拜耳法相比,烧结法主要在熟料烧成和碳分分解的控制部分是完全不同的两个过程。
拜尔法:
拜尔法是国外氧化铝最广泛采用的生产工艺。
适于生产易溶的三水铝石和一水软铝石,处理中等品位铝土矿碱耗高、矿耗大是常规拜耳法生产氧化铝的缺点。
贵州铝厂Ⅰ期、平果铝厂采用此法拜尔法氧化铝生产过程主要包括预脱硅、溶出过程,赤泥洗涤、过滤过程,种分分解过程和氢氧化铝过滤、焙烧等主要的生产工序。
选矿拜尔法:
可将A/S为4以上的铝土矿通过浮选成A/S为11.2的矿浆,可提高单管溶出系统的溶出率,工艺管道和罐内不易结巴。
中州铝厂2期采用此法。
石灰拜尔法:
与常规拜耳法流程相比,除适当加大石灰烧制和赤泥分离洗涤过程的生产能力外其它完全相同。
通过在溶出过程中添加过量石灰,除满足与TiO2反应所需的石灰添加量外,还需部分满足与铝土矿中的SiO2尽可能多地与CaO反应生成水合硅铝酸钙,使溶出过程中的脱硅产物的一部分由方钠石型的水合铝硅酸钠变为水化石榴石型的水合硅铝酸钙,从而大幅度降低溶出赤泥的N/S。
与混联法流程相比,取消了高热耗的熟料烧结过程及其相应的湿法生产系统,建设投资少,生产能耗低,但同时铝土矿和石灰石单耗相对较大。
(山西铝厂3期)
串联法:
处理中低晶位铝土矿的适宜方法。
先以较简单的拜尔法处理矿石,最大限度地提取矿石中的氧化铝,然后再用烧结法回收拜尔法赤泥中的 Al2O3和 Na2O,可降低氧化铝生产的综合能耗,Al2O3的总回收率高,碱耗降低,产品成本可大幅度降低。
不增加建设投资和设备,可在现有混联法厂推广应用。
贵州铝厂、鲁能晋北。
混联法:
由拜耳法、烧结法组成,是我图首创的适应高硅、低铁、难溶的一水硬铝石型铝土矿的一种方法 在将近30年的生产实践中.不断地改进和发展,取得了可贵的经验.如采用经济溶出率、提高熟料铝硅比、降低铁铝比、提高溶出率、降低生料浆水分等一系列措施.使得混联法生产氧化铝技术经济指标先进.如氧化铝总回收率,一般年份为90%,最好年份为92.2%。
碱耗一般年份为78kg/t -Al,最好年份为59kg/t-A1。
该两项技术指标已达到和超过国外同类工厂水平。
但其也存在生产能耗相对较高,工艺流程复杂等缺陷。
我国山西铝厂1期、贵州铝厂2期、郑州铝厂采用此法生产。
我国铝工业实现可持续发展的影响因素
我国铝土矿资源与世界相比,储量少、品位低、开采成本较高、后期加工困难、耗能高,这是制约我国铝工业可持续发展的首要因素。
从铝土矿开采、氧化铝产量和电解铝产量3个环节来看,我国铝土矿和氧化铝均需要进口。
(1) 铝土矿资源与铝土矿产量。
我国铝土矿储量占世界总储量的2.8%,属于铝土矿资源相对匮乏的国家。
人均铝土矿占有量约500 kg,相当于全球人均水平的10%。
2010年我国铝土矿产量为2 700万t,占世界铝土矿总产量的13.3%。
这样,我国资源的消耗速度将大大超过世界平均速度,提前走向衰竭。
(2) 铝土矿产量与氧化铝产量。
2010年,我国氧化铝产量为3 109万t,占世界总产量8 665万t的35.9%。
与世界总产量的13.3%的铝土矿产量相比,铝土矿供应有较大缺口。
2010年我国铝土矿进口量为 3 006.96万t。
(3) 氧化铝产量与原铝产量。
2010年我国原铝产量为1 619.5万t,占世界总产量4 079.5万t的39.7%。
与我国氧化铝产量占世界35.9%相比,还需要进口氧化铝,同时消耗大量能源。
我国是世界最大氧化铝进口国,2010年进口量431.22万t。
此外,我国原铝消费总量与人均消费量、再生铝产量与原铝产量的比例关系也不协调:
(4) 原铝消费总量与人均消费量。
我国原铝消费量和产量基本持平,均占世界总量的39.7%,而人均原铝消费量仅为11.8 kg,与发达国家相比有较大差距。
(5) 再生铝产量与原铝产量。
世界铝工业发展趋 势是越来越重视再生铝的生产和利用,而我国再生铝的利用率远远落后于发达国家,甚至落后于世界平均水平。
PLC在工业自动化中的应用及发展
自动化系统中所使用的各种类型PLC,有的是集中安装在控制室,有的是分散安装在生产现场的各单机设备上,虽然它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中,但PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置,在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施,故具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行稳定性和较高的可靠性,因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。
此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类:
开关量的逻辑控制:
这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等;模拟量控制:
在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制;运动控制:
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合;过程控制:
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用;数据处理:
现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统;通信及联网:
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。
第2章氧化铝生料浆配料过程自动控制系统总体方案
设计内容及目标
生料浆配料过程是一种典型的复杂工业过程,具有非线性、多变量、耦合、原料成分波动大、工况变化大等特性。
目前氧化铝生料浆的配料方式主要是依据传统人工经验进行配料,由于生料浆配料过程的复杂特性,因此采用人工配料方法难以使生料浆各项指标难以达到工艺生产要求,导致了生料浆产品质量不稳定,钙比、碱比和水分等指标的合格率低。
生料浆配料过程是烧结法氧化铝生产中对原料进行混合处理的重要工序,在该过程中,碱粉、赤泥浆、混矿和石灰石等原料被输送到球磨机中进行混合研磨后形成生料浆,生料浆的各项质量指标影响着最终氧化铝产品的质量和产量。
传统的生料浆配料都是人工操作,通常是现场操作人员通过控制设备的启停,并依靠操作人员的经验来控制各种原料的流量,人工操作的方式导致工人的劳动强度大、生产效率低、对各种原料流量控制不精确、能源消耗高,直接影响产品质量。
为解决上述问题,设计主要包括逻辑控制,回路控制等。
通过逻辑控制完成设备的启停及设备间的连锁保护功能,增强配料过程的安全性、连续性;通过回路控制完成各物料的准确的计量。
提高生料浆一次性出磨的合格率。
系统工作原理
系统确定生料浆所需钙比、碱比、水分等工艺指标后确定相应的初始值。
在这过程中,控制器实时的检测各传感器的信号,通过比较设定值与测量值的误差,经过恰当的控制运算,修正变频器的频率,以此校正各项工艺指标,直到满足要求,实现功能。
(1)系统初始化:
控制器启动以后,需要对控制器的寄存器初始化和周边模块的初始化。
包括各I/O口重置为预定模式等。
(2)参数设定:
整个系统初始化完以后,系统检测进行自检,判断是否通过PC机或按键设定需要的初始值。
(3)采集各传感器信号:
系统开始加载时需要对各个传感器信号采集、显示,实时监控。
例如压力、液位等信号。
(4)控制信号输出:
当检测值不等于设定值时,经过恰当的算法来产生修正信号给伺服阀,不断地减小误差,最终实现加载功能。
图2.1为系统总体结构图。
图2.1系统总体结构图
系统总体设计方案
系统工作流程设计
碱粉由皮带秤运送到化碱池,赤泥浆由赤泥浆泵输送到化碱池,两者在化碱池中充分混合后形成碱赤泥浆。
碱赤泥浆由碱赤泥浆泵输送至磨机中,混矿和石灰石通过皮带秤运送到球磨机中,碱赤泥浆、混矿和石灰石在磨机里经充分的混合、研磨后形成碱比、钙比、水分指标符合生产要求的生料浆,输送至生料浆槽。
系统组成结构
在碱粉和赤泥浆的控制系统中,通过流量计检测碱粉和赤泥浆流量反馈给PLC,PLC控制皮带秤和赤泥浆泵的启动,经过PID调节,保证碱粉流量范围为20—40t/h,赤泥浆流量范围为60—80t/h。
对碱粉和赤泥浆流量实现自动控制的目的是:
通过自动调整下料皮带电机的转速,使碱粉流量稳定在20-40t/h的范围内,先给定碱粉流量设定值,通过PI控制器和变频机构,对碱粉皮带的转速进行调节,以满足生料浆指标中的碱比。
在处于自动控制的过程中,为避免电动机的转速频繁被调节,当转速在流量设定值±死区范围时,不调整电机的转速。
碱粉、赤泥浆、碱赤泥浆、混矿、石灰石系统回路控制图如图2.2-2.6所示。
图2.2碱粉回路控制图
图2.3赤泥浆回路控制图
图2.4碱赤泥浆回路控制图
图2.5混矿回路控制图
图2.6石灰石回路控制图
赤泥浆首先进入化碱池与碱粉混合后形成碱赤泥浆,然后进入磨机。
粗砂及废料、无烟煤等加入到普铝矿中混合后形成混矿,混矿与石灰(或
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