四氯化钛生产的炉温控制

赵 鑫

(攀枝花攀钢集团钒钛资源股份有限公司，四川 攀枝花 617000)

1 引言

四氯化钛是生产钛白粉和海绵钛的主要原料，也是攀钢重要的战略资源。近年来，国内市场对钛白粉和海绵钛的需求持续迅猛增长，在旺盛的市场需求和丰厚利润的刺激下，国内大多数钛白粉厂和海绵钛厂都进行扩能改造或新建项目，由于配套技术、工艺不够完善，造成成本居高不下，其中四氯化钛的成本在生产过程中起到决定性的作用。四氯化钛生产方法主要有沸腾氯化、熔盐氯化和竖炉氯化三种。沸腾氯化是现行生产四氯化钛的主要方法，其次是熔盐氯化，而竖炉氯化已被淘汰。沸腾氯化一般以钙镁含量低的高品位富钛料为原料，对原料质量要求高，成本相对也较高；而熔盐氯化则可使用含高钙镁的原料，成本较低但对工艺操作水平要求较高。

粗四氯化钛是熔盐氯化炉的主要产物，氯化炉的炉温高低，是粗四氯化钛合成的关键因素，因此合理选择粗四氯化钛生产温度对提高氯化率、控制炉温起到非常关键的作用。以往熔盐氯化生产过程中，主要靠人工观察温度的变化，通过计算、验算，然后不断的调整原料配比，以确保氯化炉炉温正常稳定，通常此过程将维持三小时以上且不稳定，因此人工操作无法满足生产要求，且滞后性严重，对四氯化钛的产量和纯度影响很大。自动连锁条件控制炉温大大减小炉温异常波动对产品质量和产量的影响，比人工的操作调整快速且准确。通过研究熔盐氯化生产粗四氯化钛炉温控制算法。系统地分析了熔盐氯化法炉温的特性并结合生产实际情况，以过程控制系统为基础，研究氯化炉炉温控制不利因素，提出切实可行的氯化炉炉温控制措施和方法。

2 氯化炉生产工艺

对于氯化炉中悬浮的熔盐介质(NaCl)，当氯气从氯化炉底部喷入熔盐后，对熔盐和反应物产生了强烈的搅动。氯气流本身分散成许多小泡，逐渐由底部向上移动，在表面张力作用下，悬浮于熔盐中的固体粒子粘附在熔盐与氯气泡的界面上，随熔盐和气泡的流动而分散于整个熔体中，使反应物之间有良好接触，为氯化反应过程创造了良好的动力学条件。熔盐氯化反应是在气(氯气)、液(熔盐)、固(钛渣和石油焦)三相体系中进行，最终生成四氯化钛。其反应方式如下：

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

(1)

TiO2+C+2Cl2=TiCl4+CO2

(2)

由于氯化炉温度由炉中化学反应放热维持，无需借助外部加热。因此生产过程中炉内氯气、熔盐液、钛渣和石油焦的配比须跟随炉温的变化及时进行调整，以确保四氯化钛的纯度和产量。四氯化钛是无色密度大的液体，不纯时常为黄或红棕色液体，后续精制流程中将反应出来。钛白粉和海绵钛的纯度和品级将大大降低，影响产品品相及售价。因此，将根据生产特点，利用自动连锁控制的方式对炉温进行控制和调节。

3 氯化炉温度控制关键点及方法

3.1 热量来源

熔盐氯化炉内的热能主要由化学反应过程中放出的热量提供——高钛渣中的二氧化钛及其它各种杂质与氯气反应放出的热量和过量的石油焦发生氧化反应放出的热量。

3.2 炉温控制

3.2.1 炉温控制的关键点

熔盐氯化炉是整个氯化过程的重点设备，其温度控制对粗四氯化钛的合成起到关键的作用。熔盐氯化生产过程中会产生大量炉渣，炉渣须定期排出，以确保炉内液面稳定在3 m±0.5 m。因此炉温监测点设置为氯化炉4.5 m处垂直插入，热电偶长度为2.1 m，此热电偶的温度排除了炉渣及液面波动的影响，能够及时准确测出氯化炉炉内温度。

通过自身化学反应放热后，如炉温过高将反应生成的已冷却的四氯化钛加入氯化炉，以此来降低氯化炉炉内温度。当炉温过低时，通过原料的配比，加入多于反应量的石油焦，通过石油焦的氧化反应放热以提高炉内温度，但温度提升过程中存在严重的滞后。

因此熔盐氯化炉内的温度控制关键点分别为返回到氯化炉中冷却的四氯化钛的量和温度反馈滞后，控制好以上两点操作，即可对反应过程中炉温进行有效控制和调整。

3.2.2 炉温控制的基本思路

氯化炉温度控制的目标是：根据实测的氯化炉炉内温度，控制返回的四氯化钛矿浆流量，使氯化炉炉内温度尽可能地接近设定值[5]。在控制氯化炉炉温的过程中，不断调整其中的参数及控制算法，最终使控制精度(实测卷温与目标卷温的偏差)有较大幅度的提高。

氯化炉的温度控制主要是通过控制返回已冷凝后的液态四氯化钛矿浆，四氯化钛矿浆返回的量是通过矿浆槽中的变频液下泵实现的，四氯化钛矿浆返回控制炉温工艺见图1。

在图中管道线表示的是矿浆返回的管道，这两根管道的作用：一是102液下泵调节氯化炉炉内温度，二是101液下泵调节氯化炉出口温度。控制返回四氯化钛矿浆的量来调节氯化炉的温度成为主要手段。

3.2.3 预设功能

氯化炉炉温控制在本质上是一个十分复杂的分布控制问题。由于氯化炉炉温处于持续变化过程中，实测温度是滞后的，因此需要根据氯化炉生产实际情况，应用预设定模型对氯化炉进料口的加料情况，以及冷凝槽液下泵返回矿浆量进行预计算，这样可以有效地消除整个温控系统动作滞后的影响。预设定模型每隔一段时间启动一次，重新计算各控制量后传送至基础自动化系统执行。

整个预设定部分主要是由两部分组成的，氯化炉炉温初始设定、氯化炉炉温动态设定。针对氯化炉进料口的加料情况、冷凝槽液下泵返回矿浆量，对氯化炉炉温进行预设定计算，输入相关参数，计算出氯化炉炉温初始设定值。在氯化炉进料口开始加料之后，氯化炉炉温将会发生变化，当变化超过一定的范围时候，就需要对冷凝槽液下泵返回矿浆量进行计算。氯化炉炉温动态设定部分根据冷凝槽液下泵返回矿浆量进行动态调整[4]，从而保证能按照氯化炉炉温初始设定结果对氯化炉炉温进行控制。氯化炉炉温的初始设定是预设定模块的核心部分，主要负责计算氯化炉炉温的初始状态，以便为每段氯化炉炉温执行温控规则，最终使氯化炉炉温控制在允许的范围之内。

3.2.4 前馈控制功能

根据现场实际采样，四氯化钛与温度之间的变化关系见图2。

由图2，我们可以看到，熔盐氯化炉的氯化率跟炉温有着一定的关系，当温度范围在600 ℃时，氯化反应最佳。

当氯化炉进料口开始加料时，系统也启动修正设定计算程序[1](即前馈控制计算)。修正设定计算是一个不断进行的周期计算过程，它根据实测的氯化炉炉温，利用与预设定计算相同的模型，对预设定计算冷凝槽液下泵返回矿浆量进行微调，此项微调按照生产工艺周期进行。

当实测的氯化炉炉温高于预测的氯化炉炉温时，增加冷凝槽液下泵返回矿浆量，直到满足温降要求。当实测的氯化炉炉温低于预测的氯化炉炉温时，减少冷凝槽液下泵返回矿浆量，直到满足温升要求。前馈补偿结构原理图见图3。

3.2.5 补偿控制功能

为了提高控制精度，控制系统的设计中还有反馈控制，以弥补前馈控制的不足。因此，控制系统是一个前馈-反馈控制系统[2]，以前馈控制为主的闭环控制系统[3]。只要温度预设定模型精确度高，并且在施加反馈控制的同时，缩短氯化炉炉温实测值与目标值的偏差，通过调节冷凝槽液下泵返回矿浆量来消除温度偏差，提高氯化炉炉温控制精度。流程如下：

3.3 炉温控制步骤

控制返回四氯化钛矿浆的量来调节氯化炉的温度成为主要手段。氯气的通入量为常量后，氯化炉的炉温就与加入的高钛渣、石油焦、氯化钠的量有关，当设定螺旋给料器的输料速度为一个定值，则加入高钛渣、石油焦、氯化钠就成为常量，并且产生的热量也是一个常量，氯化炉的炉温会成一定的线性上升，因此这时调节返回氯化炉四氯化钛矿浆的量，就能控制炉温。但是温度的反馈是一个滞后的环节，因此四氯化钛矿浆的返回量不是一个连续的过程，而是有步骤的调节。

PLC控制画面如下：

在程序中，我们设定所要调节的氯化炉的温度范围在950-1 000 ℃。

(1)设定温度与实际温度的差值大于50 ℃，这时将返回矿浆的量设定为18 000 m3/h，并且启动定时器T1，将矿浆返回的时间设定为3 min(时间可以整定)，当定时器的时间为零时，设定返回的四氯化钛的量为0，监控氯化炉的温度变化，在启动定时器T2，(T2的时间设定为3 min)，当定时器T2为零时，在比较氯化炉的设定温度与实际温度的差值，若差值还大于50 ℃，再按上述进行操作。

(2)设定温度与实际温度的差值为40-50 ℃时，则把返回矿浆的量设定为14 400 m3/h，再按(1)的步骤循环一次。

(3)设定温度与实际温度的差值为30-40 ℃时，则把返回矿浆的量设定为10 800 m3/h，再按(1)的步骤循环一次。

(4)设定温度与实际温度的差值20-30 ℃时，则把返回矿浆的量设定为7200 m3/h，再按(1)的步骤循环一次。

(5)设定温度与实际温度的差值为10-20 ℃时，则把返回矿浆的量设定为3 600 m3/h，再按(1)的步骤循环一次。

(6)设定温度与实际温度的差值小于10 ℃时，则把返回矿浆的量设定为1 000 m3/h，再按(1)的步骤循环一次。

3.4 四氯化钛控制系统网络图

四氯化钛生产控制网络图主要有以下几个特点：

(1)具有2级双冗余网络；

(2)0级网络和1级网络分别为独立的环网；

(3)0级采用西门子1613通讯卡；

(4)1级采用1000MT以太网卡；

网络的连接方式及功能：

(1)四氯化钛控制系统的监控站总共有4套操作站，1套服务器，它们是通过浅蓝色网络连接在一起的。浅蓝色网络是我们架设的1级网络，它连接服务器与各操作站，主要用于各操作站接收来自服务器的各项数据，并在画面上显示；并且把操作指令通过这层网络送到服务器，再通过0级网络传输到PLC。

(2)浅绿色网络是我们架设的0级网络，它连接服务器、工程师站与PLC控制单元，主要用于从PLC控制单元采集到各类信号(其中包括了开关量输入及输出，模拟量的输入及输出)，上传到服务器与工程师站中，在服务器中显示，并在工程师站中进行相应的处理；然后服务器上的操作指令及工程师站下达的指令，通过这层网络传输到PLC控制单元中，让PLC控制单元执行相应的动作。

(3)粉红色为Profibus-DP网络，它的主用功能是将传动电机的数据(即变频器的状态字和控制字)，传输给上位机PLC，并接受PLC发出的各种指令，改变电机的转速，达到调速的目的。

4 系统应用效果

温度反馈滞后，温度控制精度都是氯化炉氯化反应最为核心的关键问题，温度控制不好，会造成氯化炉炉温过高或过低，这样直接影响氯化率，造成原料的浪费，以及粗四氯化钛品质的下降，给企业带来巨大的经济损失。

通过对生产过程的摸索和总结，得出上述分步温度调节方法，该方法解决了温度滞后，提前进行调控的措施，把温度控制在最佳温度范围内，提高氯化炉的氯化率，并且也进一步的缩小了温度控制的精度，使其变化不超过工艺控制要求范围。降低了生产成本，使整个氯化工艺有序地进行。生产后氯气含量较低，满足环境低污染要求。

5 结语

氯化炉炉温控制系统是整个氯化工艺的重要控制系统，氯化炉的炉温高低直接影响四氯化钛产品的数量及质量，因此炉温控制方法的设计，对整个氯化生产工艺至关重要。保持氯化炉炉温，分析了氯化炉炉温的控制方法，达到最佳的生产条件，使生产成本降至最低，满足生产要求。

参考文献：

[1] 王常力，罗安. 分布式控制系统(DCS)设计与应用实例[M]. 北京：电子工业出版社，2010.

[2] 凌志浩. DCS与现场总线控制系统[M]. 上海：华东理工大学出版社，2008.

[3] karl J.Astrom,Bjorn Wittenmark. Computer-Controlled Systems[M]. 北京：清华大学出版社，2002.

[4] 郭燕萍. 电气控制与PLC应用[M]. 北京：人民邮电出版社，2013.

[5] 罗伟. PLC与电气控制[M]. 北京：中国电力出版社，2013.