自動化沉釩技術研究

摘要：本文將基于釩制品廠沉淀工序采用酸浸沉釩工藝及要求，設計開發出一套自動沉釩技術與系統裝備，實現在現場無操作人員或少操作人員情況下也能精準控制和連鎖，確保產品質量和生產安全平穩運行，有效提高釩提取率，極大提升沉釩生產自動化水平，推進沉釩技術從人工提取向自動化提取方向發展。

關鍵詞：自動化;沉釩技術;工藝流程

前言：目前，沉釩過程多道工序采用人工操作。人為干預和操作經驗對生產過程和質量穩定性影響較大，具體體現在加酸調整PH值、加蒸汽調整反應溫度、調節螺旋泵頻率調整銨鹽加入量等操作中。在此背景下，研究開發出一套自動沉釩技術與系統裝備，實現一鍵沉釩和連續沉釩，將有著極為重要的現實意義。

1 沉釩設備及工藝流程

1.1 一級沉釩

先將少量稀釋液加入沉釩的一級反應器，再將沉釩劑的飽和溶液、預熱至60～90℃的高濃度釩溶液和pH調節劑同時連續加入沉釩的一級反應器，反應平衡后保持液相中釩濃度1～20g/L，溫度控制在85～98℃，pH值保持在1.8～3.0，加銨系數維持在0.7～1.4，反應達到平衡后開始連續出料到二級沉釩反應器并控制物料在一級反應器中的平均停留時間10～120min;其中所述高濃度釩溶液的釩濃度為110.2～200g/L，反應過程中充分攪拌溶液[1]。

1.2 二級沉釩、

一級反應器的物料連續通入到二級反應器，加熱保持沸騰，充分攪拌，反應平衡后保持pH值保持在2.0～3.0，液相中釩濃度低于0.35g/L，反應達到平衡后開始連續出料進行固液分離，控制物料在二級反應器中的平均停留時間2～60min。

釩制品廠沉淀工序采用兩級加酸沉釩工藝，其基本流程如圖1所示。

1.3 釩回收

將兩級沉釩得到的固體多釩酸銨與液體分離，多釩酸銨經洗滌、煅燒后得到三氧化二釩。

1.4 沉釩廢液回收

將沉釩廢液回收，用于一級沉釩步驟中沉釩劑的飽和溶液的配制。

2 自動沉釩系統構成

2.1 系統總體架構

本文所設計的自動沉釩系統主要由自動沉釩操作指導系統和自動調節系統兩個子系統共同組成，具體結構如圖2所示。

2.1.1 自動沉釩操作指導系統

根據沉釩工藝流程、工藝參數和操作指南，建立沉釩生產與工藝數學模型，設計開發以工控機系統為硬件平臺支撐的沉釩工藝自動化操作指導系統。此系統可實現沉釩生產工藝數據監測、分析，根據分析結果及沉釩工藝節點，自動控制沉釩生產進程，自動指導、命令自動控制系統完成自動化控制。同時，以數據、圖表等可視化方式顯示沉釩生產狀態。根據生產管理需求自動生成各類生產報表。在生產及裝置出現異常情況時，報警并指導自動控制系統實現聯鎖保護。

2.1.2 自動調節系統

自動調節系統（即生產執行系統），對沉釩生產裝置進行自動調節與控制，如圖3所示。實現無人或少人操作，使沉釩生產自動連續進行。

2.2 硬件系統結構

如圖4所示，硬件系統結構主要由工控機、PLC、顯示終端、熱工儀表（傳感器、執行器等）、電氣控制及其它輔助裝置等組成，其中后三者共同構成pH值檢測與釩濃度檢測系統。

2.2.1 工控機系統

工控機系統作為自動沉釩操作指導系統的硬件載體，接收來自PLC采集的沉釩裝置溫度、壓力、流量、pH值等工藝參數，人機接口輸入或遠程分析儀器輸入的釩濃度分析數據，根據建立的沉釩工藝流程模型，進行沉釩流程實時分析、沉釩工藝節點控制、沉釩過程操作指導、自動沉釩自動調節系統設定指令發送等。同時，對沉釩流程進程進行圖形化顯示、運行狀態及事故狀態自動識別、事故狀態報警顯示、數據存儲、生產報表生成等。

2.2.2 PLC系統

PLC系統作為沉釩生產過程自動調節系統的主控制器，負責沉釩工藝設備各工藝參數傳感器信號采集、各自動調節回路控制、電機及泵設備繼電控制、聯鎖保護控制及輔助機構（裝置）控制、工藝參數實時顯示及實時數據存儲等任務。同時，接收經工控機下達的各自動調節回路給定值數據、繼電控制及聯鎖保護指令等。

2.2.3 pH值檢測與釩濃度檢測系統

①PH值檢測

由于反應器溫度超過市售PH值檢測儀表的被測介質范圍，必須通過增加輔助裝置對被測介質降溫[2]。溫度的降低必然影響介質的PH值，因此，在項目實施過程中必須通過理論分析和實驗，確定pH值與溫度的關聯關系，對測量值進行相應的修正。檢測裝置示意圖如圖5所示。

②釩濃度檢測

由于目前市場上尚無在線式釩濃度檢測儀器，可采用實驗室用快速釩離子濃度分析儀，通過循環管路將測試母液傳輸至檢測室，分時檢測。檢測過程可半自動或全自動進行。

2.3 沉釩自動調節系統

根據沉釩生產工藝參數要求，設計開發以PLC為硬件平臺的沉釩生產裝置自動調節與控制系統（即生產執行系統），實現沉釩生產裝置的自動控制與連續沉釩。

2.3.1 自動調節系統

自動調節系統可以達成自行保持硫酸罐液位恒定、換熱器溫度恒定、母液罐溫度恒定、母液罐PH值恒定、沉淀罐溫度恒定、沉淀罐液位不超過閾值、匯集罐液位恒定等效果。

2.3.2 物料傳輸控制與聯鎖保護系統

實現硫酸銨、沉釩液在一級配置、二級配置和沉釩罐間的傳輸控制及聯鎖保護控制。

①物料傳輸控制

沉釩過程需要將固體、液體物料在各類反應器（罐）、儲罐之間定時、定量傳輸，同時，攪拌電機需要定時攪拌。因此，根據工藝要求設計電磁閥、電機、泵等設備的繼電控制系統，實現物料的自動傳輸與攪拌。

②聯鎖保護系統

根據生產工藝，設計正常生產及事故狀態下的聯鎖保護控制系統，確保生產安全平穩運行。

③硫酸銨固體料上料輔助裝置

硫酸銨是沉釩生產重要的添加料，目前多以袋裝包裝，人工拆袋上料。為了降低勞動強度，實現半自動上料，建議增加拆袋上料輔助裝置，實現自動拆袋、上料功能[3]。

④沉釩生產視頻監視系統

為了便于遠程觀察沉釩生產及設備運行狀態，設計視頻監視系統，實現生產過程的遠程監視。

2.3.3 電氣控制安全

電機設置過流、過載、短路、缺相和接地保護;同時設有急停按鈕及機械和電氣限位開關等。為確保設備、工件及生產安全，每個動作均設置有應急處理措施，在停電或突發電器故障的情況下可由人工協助完成設備的復位狀態[4]。另外，設備每一個動作程序開始前均有相應的聯鎖安全檢測，同時部分安全聯鎖解除必須由人工輔助完成從而可避免因誤操作而造成的設備或工件損壞。

2.3.4 PLC設備

PLC選用西門子等主流系列控制器，性能高且安全可靠，通過工業以太網與伺服驅動器通訊。

3 結語

本文基于釩制品廠采用酸浸沉釩工藝及參數要求，設計開發以PLC為硬件平臺的沉釩生產裝置自動控制系統，對沉釩生產裝置進行自動調節與控制，實現沉釩自動化、連續性生產，降低釩提取過程中人工操作需求，避免因人為干預和操作經驗對生產過程和質量穩定性影響，提高釩提取質量

作者簡介：任曉明（1972-01-），男，攀鋼集團釩鈦資源股份有限公司攀枝花釩廠。