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1、 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 1 页 共 44 页1 1 引言引言1.11.1 本课题研究的背景及意义本课题研究的背景及意义1.1.1 课题的提出背景电石主要是由电石炉内电弧和电阻加热焦炭和生石灰等原料，使之在熔化状态下反应而制成。故电石炉是生产电石的主要设备，其性能直接影响到电石产量、质量以及能耗等经济技术指标。除少数引进设备外，我国目前生产所用的电石生产设备多为 6080 年代仿制 Demag 型式的中小型密闭炉或开放炉。这些早期设备的产量占总产量的 80%左右。与国外相比，我国电石工业生产装备整体技术水平尤其是自动控制水平仍然较低，仍然为粗放式高耗能生产模式，导致产品价格偏高
2、，经济指标差，缺乏国内外市场竞争力。为了改变上述情况，对大量的设备实施自动控制是有效途径之一1。1.1.2 课题的意义电石炉是生产电石的大型设备，它是通过三相电极之间产生的电弧对原材料进行加热，使原材料在一定温度下发生化学反应而生产出电石产品。电石炉三项电极升降控制好坏，直接影响炉温和三项电流的不平衡程度，从而影响产品的质量以及电网的质量。电石冶炼炉同样是一个大量消耗电能、炉内情况变化很大、现场工作环境恶劣的冶炼设备。它工作的稳定与否直接关系到电石产品的质量。在工业上仅应用少数几种碳化物，其中活化钙居第一位。工业碳化钙，或简称电石，使有时会和含碳物料（无烟煤，焦炭）在电炉中熔炼制得。电石主要是
3、由电石炉内电弧和电阻加热焦碳和石灰石等材料,使之在熔化状态下反映而制成。对电石炉生产过程进行自动控制是冶炼厂提高产品质量和节能降耗的重要手段之一。因而电石炉是生产电石的主要设备,其性能直接影响到电石产量,质量以及能耗等经济指标。而现在国内电石生产现状还不是很先进，极电流等现场控制有操作员手工操作实现。电石生产为三班连续作业，由于操作员的素质（如技术水平、反应灵敏性和责任心等）不同，导致电石炉运行很不规范，难以保证持续满负荷运行；电极压放经常必须在停电状态下进行；电石炉运行参数和供配电状态分别由操作员和电工定时观察和记录，难以做到规范准本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 2 页 共 44 页
4、确，难以对数据进行分析，更难以对历史记录分析比较等等，这就要求通过设计更好的方法去进一步改善它。运用 PLC 自动控制系统可以通过对电石炉进行动态监测电石炉的电压、电流和供率的电气参数。以测电气参数为基础，结合其他工艺参数，采用先进 PLC 控制技术，合理动态调节电极插入深度，控制电炉电流、电压级数等参数满足生产要求。在自动控制运行情况下，可根据工艺规定流程，实现恒电流模式平稳运行，使整个操作流程更加规范合理。本设计是为了适应市场竞争需要，提高产品质量，降低能耗，对电石炉进行控制策略研究和计算机控制技术改造。技术改造核心是设计一套计算机控制系统，结合具体生产工艺，合理设计计算机控制系统软硬件，
5、使电石生产过程自动化和规范化。本设计结合目前国内工艺现状和原料特点，分析设备工艺数据，采用 PLC 控制理论和技术，研究合理的控制模型和策略，寻求生产过程中交加的参数匹配，建立电石炉运行的控制模型。同时以此为基础，研制电石炉的计算机控制系统，研究电极的升降，及炉内恒温的控制。1.21.2 电石工业电石工业国内外相关技术现状与发展趋势国内外相关技术现状与发展趋势1.2.1 电石工业国内外技术现状电石工业诞生已有一个世纪。开始电石仅用于电灯、金属切割与焊接。二次大战后，随着有机合成工业的迅速发展，电石工业装备水平不断提高，生产规模不断扩大。日本、美国、德国等是世界上电石工业较发达的国家，电石工业发
6、展历史长。美国是世界上第一个生产电石的国家。美国生产电石的企业有联合碳化物公司、太平洋电石公司等，他们于 60 年代末首先尝试将计算机运用于电石生产过程控制。原联邦德国也是世界上生产电石比较早的国家，德国Demag 公司于 50 年代即设计了 2 座大型密闭炉。以后 Demag 形式的电石炉的国家。挪威 Elekm 公司设计的 Elekm 电石炉也是各国引进的另一个发明密闭电石炉形式。日本早期从国外引进几座电石炉，在此基础上经过消化设计，建成了多座改良性密闭电石炉。由于这些国家的电石生产装备采用了先进的型式（如挪威发明的的 Elekm 和德国发明的 Demag 型密闭电石炉）和先进的技术（如进
7、年来空心电极和电石炉计算机控制系统的应用等） ，故其技术经济指标处于世界领先地位。如电石炉的能耗指标电能单耗为 3200 度/吨以下，质量指标电石发气量达到 300 升/公斤，整个设备能保持长期稳定运行2。本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 3 页 共 44 页随着有机合成工业的兴起，全国建立了许多电石厂。我国目前生产所用的电石生产设备多为 6080 年代仿制 Demag 型式的中小型密闭炉或开放炉，技术性能相当于国际 60 年代水平，并且小型开发炉数量占 90%左右。这些早期设备的产量占总产量的 80%以上。与国外相比，电石生产设备的整体技术水平较低。整个生产过程均为通过观察仪表测得的电
8、气参数，人工进行操作。由于电石生产影响较多，而人工操作有许多不确定因素，因人而异缺乏规范性，故容易引起电石炉运做状况波动，如果出现电极断裂，还需停电处理，故电石炉难以高负荷长期稳定运行。导致电石生产的经济技术指标较低，如国内目前电石炉的电能单耗约为 35003700 度/吨，电石发气量约为 275285 升/公斤。国内也有许多关于电石炉的研究，李建兴、蒋新华等人在 PLC 的电石炉模糊控制系统研究，电石炉系统是一种典型的非线性、时变的多输入多输出三相耦合系统,难以建立精确的数学模型。经典控制理论和现代控制理论的控制器的设计均建立在被控对象准确的数学模型基础上,采用传统控制方法很难取得理想的控制
9、效果。而对于许多难以建模的多输入多输出系统,采用模糊控制是非常有效的3，4。赵松杰、李兰忖，在电极电位的 PLC 控制的研究，用 PLC 取代传统的继电器接触器,对电石炉电极区位进行随机调节控制，使电极始终处在适当的位置，从而解决电极区位调节控制的生产技术5。吴勇研究的 PLC 在电石炉控制系统中的应用，优先调整偏离设定值最大相和协调控制，有效解决负载波动大和负载偶合的问题6。陈龙、马伯渊、张雪峰等人在智能 PID 控制在电石炉电极调节系统中的研究7。国内还有其他这方面的研究，不过整体说我国还是和许多发达国家有着一定的差距。所以，此次的 PLC 在电石炉的设计对国内电石炉发展有一定的意义。1.
10、2.2 电石工业国内外技术发展趋势目前，国外的电石炉主要以 Elekm 和 Demag 两种形式为主。性能较好的电石炉均采用了空心电极加料、采用计算机控制实现电极定时压放、电极升降和3 个电极的平衡、工艺参数的检测报警和数据管理等。由于炉型和生产流程基本未变，故主要的发展趋势在于各项先进技术的综合应用。国内的某些企业先后引进了多台 Elekm 型密闭电石炉。但由于原料差异和本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 4 页 共 44 页其他技术原因。许多企业并未将一些控制功能投入使用，如某些企业仅用了手工操作方式。而大量老设备仍在使用，如陕北就有许多中小型电石炉，并未进行节能改造。随着电力供应的紧
11、张，淘汰部分落后设备，对一些有基础的设备进行改造将成为发展趋势。目前，对于电石炉三相电极的调节控制仍然没有一个统一的，普通适用的方案，而且不同行业控制经验不尽相同，具体问题需要具体分析。所以如何通过对电极调节策略的研究，提高产品质量，降低能耗，减少对电网的冲击成为迫切需要解决的研究课题。2 2 电石生产设备和工艺概述电石生产设备和工艺概述为了完成对电石炉系统的计算机控制技术改造，首先必须了解原有电石炉生产工艺和生产设备，发现原有系统的弊端，以便在原有设备基础上，合理设计计算机控制系统，使得电石生产规范化和自动化，达到提高生产质量，降低耗能的目的。为此，我们对电石生产的设备和工艺做出了大量的调研
12、工作8。2.12.1 电石生产的原理和用途电石生产的原理和用途碳与金属的化合物成为碳化物。在工业商仅应用少数几种碳化物，其中碳化钙居第一位。工业碳化钙，或简称电石，是由石灰和含碳物料（无烟煤，焦炭）在电石炉中熔炼制得。这时发生以下的反应：Ca + 3C = CaC2 + CO电石中除含大部分碳化钙外，还含有少部分其他杂质，这些杂质都是原料中的杂质转化过来的。电石是有机化合成工业的主要原料之一，其中主要用途是生产乙炔和氰氨化钙：(1)制造乙炔： CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2CaC2 +Ca(OH)2 = 2CaO + C2H2(2)生产氰胺化钙： CaC2 + N2
13、- CaCN2 + C而乙炔是现代合成塑料、橡胶、纤维、医药、农药、染料、树脂和溶剂等许多有机产品的基本原料。乙炔可以合成数千种有机产品，曾被誉为“有机合成工业之母” 。氰氨化钙，即石灰氰是一种优良的碱性肥料，也是生产氰化物的本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 5 页 共 44 页原料。因此，电石具有极高的生产价值。2.22.2 电石炉及其生产设备电石炉及其生产设备2.2.1 电石炉根据加热方式的不同，电弧炉又可分为 3 种类型：间接电弧炉、直接电弧炉、密闭式电弧炉。本项目采用的是密闭式电弧炉。其电弧在电极周围的固态物料层下面燃烧，因此电流可以平行于电弧而通过炉料。所以电炉是电弧炉与直接加
14、热的电阻炉的联合，也叫做电阻电弧炉。但按其本身的构造，这种电炉更接近电弧炉，而距电阻炉较远9。2.2.2 电极自动调节液压系统在电石生产过程中，由于电极同炉料的接触性短路、炉料的崩塌、炉料成分的气化、剧烈的化学反应等原因，会引起电弧电流发生很大的波动。因此需要快速调节电极的位置，以使电弧电流保持在一定范围内。其次，炉料熔化和温度的控制主要靠电弧。电弧电流的变化，使得输入炉内的电功率也随之变化。如果电弧电流过小，则输入炉内的电功率减小，生产时间延长；电弧电流过大，就会增加线路上的能量消耗，点效率降低。因而，在生产过程中，必须有一个较理想的功率调节装置，调节电弧炉的输入功率，以取得最佳的熔炼效果。
15、电极自动调节系统是具有上述功能的装置。电极自动调节系统主要由电压电流的测量比较环节、调节器和执行机构构成，执行机构分为机电式电极升降装置和液压式电极升降装置。机电式电极升降装置一般用于中小容量的电弧炉，而液压式电极升降装置一般用于大型电弧炉，本设计中应用的是液压式电极升降装置。用液压系统控制电极的移动有两个目的，为了达到这两个目的，采用了两个不同的方式。第一种是通过驱动升降大立缸来使得电极移动，这时电极将和套在其上的上、下摩擦带动一起移动，其目的是为了控制因炉料反应而导致的电极电流波动。第二种方法是一套固定的工序，通过上摩擦带松开、提升、加紧，下摩擦带松开、上摩擦带压下来、下摩擦带紧固共 6
16、个动作来使得电极下压，这时电极与上下摩擦带产生相对位移，这样做的目的是因为石墨电极不断被电解消耗而变短。为了区别两种工作方式，我们称第一种控制电极移动的方式为“升降” ，第二种控制电极移动的方式为“压放” 。之所以需要压放操作是本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 6 页 共 44 页因为在电石炉工作过程中，电极因不断被消耗而变短，如果只采用升降方式，升降大立缸最终会移动至下限位无法继续移动。所以在电石生产过程中“升降”操作是主要的调节方式，但每间隔一段时间需要“压放”一次以弥补石墨电极消耗10。压放系统的机械部分由上摩擦带、压放升降缸和下摩擦带组成。在摩擦带夹紧和完全放松位置装有限位开关提供反馈信号。液压件的动作有电气系统进行控制。压放电极时，6 个顺序动作每一个动作的结束时后一个动作的开始，直到全部动作结束为止11。2.32.3 生产工艺流程简介生产工艺流程简介由原料加工处理工序送来的合格的焦炭和生石灰分别储存于原料贮斗
