智能化在铝用炭素领域的技术进展

姜玉敬，王 毅，郑 艳，杨 玉

（1.中商碳素研究院有限公司， 山东 淄博 215203；2.山东华鹏精机股份有限公司，山东 烟台 264003）

铝电解用炭素领域面临着重重挑战，已在本书中的绪论部分进行了分析。未来，铝用炭素工业向着智能化发展是方向，就世界铝用炭素工业的发展而言，智能化刚刚起步，相关工作内容正在开展工业试验阶段和开发阶段，目前主要开展的有关工作进展如下：

1 大型煅烧炉的智能控制技术的开发与应用

煅烧是将石油焦进行高温热处理的过程，是预焙阳极生产的关键工序之一。我国用于生产煅后焦的煅烧技术主要是罐式煅烧炉技术和回转窑煅烧技术，罐式煅烧炉以罐内石油焦分解出的挥发份为燃料进行燃烧并对罐内石油焦进行煅烧，无需额外添加燃料，具有烧损率低、适应不同品级石油焦煅烧、煅后焦质量优质稳定、技术经济指标高于回转窑等特点在中国得到广泛应用，近年来在其他国家也得到了推广应用。但是，罐式煅烧炉也存在着单罐产能低、自动化程度低等软肋。

为克服罐式煅烧炉存在的诸多不足，我国已成功开发并应用了19组76罐新型大型罐式煅烧炉，该大型罐式煅烧炉的热场和应力场采用了仿真模拟计算技术，对大容量炉体结构以及复杂的高温反应体系，包括挥发分燃烧系统、火道墙传热系统、石油焦煅烧系统和煅后焦冷却系统进行了系统计算研究，寻找出适合大型罐式煅烧炉的新型框架结构、耐火材料和保温材料，并实现了上料、加料、排料的机械化和控制技术的自动化，实现了对大型罐式煅烧炉火道内温度、负压在线监测及相关操作的智能自动控制。工业生产实践表明，新开发的大型罐式煅烧炉采用智能化技术后，其单位产能高、自动化程度高、节能减排效果好、产品质量优质稳定等良好效果。

大型罐式煅烧炉智能化开发的主要技术路线：新开发的大型罐式煅烧炉主要的技术有大容量炉体的仿真技术、新型炉体结构技术、热平衡技术和工艺自动控制的智能化技术等。

大型罐式煅烧炉自动加、排料技术：该技术包括将性质复杂多变、来源不同的石油焦的自动混配技术及预均化技术，自动上料、加料的工艺过程控制技术，煅后焦全密封自动排料技术。在生产实践中应用，取得了生产运行效率高、稳定可靠、改善了工作环境、实现了生石油焦加料的精确控制、保证煅后焦产品质量的良好效果。

自动加料、排料的工业应用现场应用图分别见图9.1和图9.2所示。

大型罐式煅烧炉煅烧温度在线监控技术：新开发的大型罐式煅烧炉生产运行过程实现了每个火道内的温度、负压进行在线检测和控制，该在线检测控制系统能对所有火道的温度、负压进行有效的连续的在线检测和控制，从而实现全过程自动化控制，有效地控制了石油焦的煅烧质量，生产现场见图9.3所示。

该在线监控系统的主要特点：

①通过PLC完成系统的顺序控制、状态检测、故障报警、数据传输等功能。

②在系统监控主机上实现工艺生产系统流程的动态显示。

③在系统操作主机上对整套生产系统中的工艺参数进行实时设定及修正。

④在模拟屏上实现整套工艺生产系统流程的静态显示，使系统中的任意工艺生产设备状态及运行情况一目了然。

⑤可采集、记录工艺生产系统各种参数数据，并进行处理及监测。实现工艺生产系统的实时数据监测、实时故障报警、记录及打印。可查询和打印历史数据及历史事故。

⑥多画面选择工艺生产系统实时监控方式，具备全公司级网联网功能。

2 炭素材料生产全流程人工智能系统研发及产业化

图1 自动加料系统

图2 自动排料及输送系统现场图

图3 罐式煅烧炉的在线监控系统

根据我国炭素材料产业发展现状，针对原材料多样性导致设备工艺参数适用性问题、混捏机内温度（场）分布控制问题、炭素糊料均匀性的客观评价缺失和在线监测问题、混捏机搅刀的快速消耗问题，提出应用智能传感技术、大数据技术、工业互联网技术对炭素制造装备与流程进行升级改造，突破炭素材料生产全流程过程中关键参数缺失、工序生产质量指标与相对应的系统及设备运行关键参数未建立有效联系的关键技术，选取铝用炭阳极生产为研究对象，通过工艺、质量及效率等分析，确定关键工序及关键参数，采用智能感知技术和设备实时采集相关参数信息，将生产过程工艺机理与采集数据有机结合，提取数据特征，采用支持向量机、集成学习、神经网络、深度学习等技术建立数学模型，进行生产全流程智能控制和优化管理，实现对糊料均匀性的评价和智能在线监测、生产运行关键设备的远程监控和健康管理，推动炭素材料行业和相关的有色冶金、钢铁冶金等产业向智能制造方向发展。

通过项目的实施，炭素材料产品合格率由 96%提升至98～99%、铝用炭阳极体积密度≥1.59 g/cm3、铝用炭阳极电阻率≤53μΩm、搅刀寿命延长 1/4，减少因搅刀系统故障导致的异常停工 50%以上的技术目标；进而实现炭素材料全行业年均节约成本≥10 亿元人民币；有效缓解人口老龄化造成的炭素材料行业人才短缺、单条生产线人员数量降低 50 人；搭建混捏半实物仿真平台模拟搅刀的运行参数和混捏效果，建立基于远程监测的搅刀故障预测与健康管理平台用于跟踪搅刀工作状况、为企业提供预见性专业服务；项目的实施，引领国际国内炭素行业的发展，在炭素材料领域实现炭素材料的绿色生产。