Thay thế và nâng cấp hệ thống tự động hóa dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng lò đứng

Thứ năm, 13/10/2005 00:00

Hiện nay trên địa bàn cả nước ta có khoảng 50 cơ sở sản xuất xi măng lò đứng sử dụng dây chuyền công nghệ thiết bị quy mô công suất 4 - 8 vạn tấn/năm nhập của Trung Quốc đang hoạt động. Sau một thời gian sử dụng, hệ thống điện tử, tự động hóa trong các dây chuyền của Trung Quốc đã bộc lộ nhiều nhược điểm, và tới đây chắc rằng nhu cầu về sửa chữa, thay thế không phải là nhỏ.

Nhằm đón trước và kịp thời phục vụ sản xuất, thời gian vừa qua Viện KHCN vật liệu xây dựng và Viện KHKT hạt nhân đã phối hợp tiến hành nghiên cứu thay thế và nâng cấp các hệ thống này. Các thiết bị và chương trình phần mềm được nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng ở một số cơ sở sản xuất cho thấy hoạt động tốt, ổn định, phù hợp với điều kiện Việt Nam. Kết quả này không chỉ phục vụ trực tiếp cho sản xuất xi măng lò đứng mà có lẽ nó còn tạo tiền đề cho việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ tự động hóa trong công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng. Và một điều cũng đáng nói ở đây, đó là việc định hướng cho công tác nghiên cứu cũng như tổ chức công tác nghiên cứu ở một tổ chức nghiên cứu - triển khai.

So với các dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng lò đứng thủ công công suất 5 000 tấn/năm, các dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng lò đứng cơ giới hóa sử dụng công nghệ và thiết bị nhập của Trung Quốc công suất 4 - 8 vạn tấn/năm đã có một bước tiến khá lớn:

1. Việc định lượng các cấu tử nguyên liệu đầu vào của phối liệu được thực hiện bằng hệ thống cân băng hoặc cấp liệu rung điện từ có chương trình điều khiển và tự ổn định theo các tín hiệu đo từ các cảm biến trọng lượng load cells được đặt tại băng tải sau thiết bị định lượng và cảm biến đo vận tốc của động cơ. Việc trang bị hệ thống cân đong tự động này đã giúp cho phối liệu được định lượng chính xác và ổn định.

2. Máy nghiền liệu có công suất lớn và có hệ thống phân ly khí tuần hoàn. Hệ thống máy nghiền này đã khắc phục được các nhược điểm của hệ máy nghiền 1,5 và 2 tấn/giờ trước đây.

3. Có hệ thống silô chứa và đồng nhất phối liệu, làm cho phối liệu đồng đều hơn.

4. Có hệ thống máy trộn ẩm trước khi nạp vào máy vê viên.

5. Lò nung được trang bị ghi quay tháo clanhke liên tục, có hệ thống gió hông để điều khiển chế độ nung, có máng rải liệu quay liên tục và hệ thống tháo clanhke tự động điều khiển bằng tia g.

6. Clanhke ra lò được đập qua máy kẹp hàm và chứa trong các silô, tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiền xi măng, khi nghiền có thể chủ động phối hợp các loại clanhke khác nhau để làm chủ chất lượng xi măng.

7. Việc đóng bao được thực hiện bằng máy bán tự động, trọng lượng bao ổn định.

Trong các dây chuyền sản xuất xi măng lò đứng của Trung Quốc, có một phần đã được tự động và bán tự động. Các thiết bị tự động hóa này có vai trò rất quan trọng trong quá trình sản xuất.

· Tự động hóa khâu chế tạo phối liệu:

Có thể nói rằng, phối liệu có vai trò cực kỳ quan trọng trong quá trình sản xuất. Phối liệu tốt là điều kiện đầu tiên và không thể thiếu được để đảm bảo sản xuất được xi măng có chất lượng tốt. Khi phối liệu khác nhau sẽ tạo ra các loại xi măng khác nhau. Phối liệu tốt cũng làm cho quá trình công nghệ sản xuất diễn ra thuận lợi, năng suất lò nung tăng. Diễn biến của quá trình nung clanhke phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của phối liệu. Mối liên hệ này rất chặt chẽ và nhạy cảm.

Trong dây chuyền lò đứng thủ công trước đây, việc định lượng các nguyên liệu để chế tạo phối liệu được thực hiện bằng cách cân thủ công. Cách làm này vừa thiếu chính xác, phụ thuộc nhiều vào ý thức của người công nhân, vừa không thể áp dụng được cho các dây chuyền công suất lớn. Việc tự động hóa khâu chế tạo phối liệu là điều kiện buộc phải làm đối với các dây chuyền công suất lớn. Khi hệ thống chế tạo phối liệu bị trục trặc sẽ gây ảnh hưởng xấu đến toàn bộ quá trình sản xuất.

· Tự động hóa trong khâu trộn ẩm - vê viên:

Hệ thống này đảm bảo cho phối liệu có độ ẩm theo tính toán, tạo điều kiện để các viên liệu có độ ẩm, độ chặt, cường độ và kích thước theo yêu cầu. Ngoài ra, việc cân đong bột liệu và nước phục vụ cho vê viên cũng đồng thời khống chế được năng suất nạp liệu vào lò nung, tạo điều kiện cho việc đảm bảo chế độ nung ổn định, đúng yêu cầu kỹ thuật. Căn cứ vào số liệu tính toán của việc trộn ẩm - vê viên sẽ biết được lượng phối liệu nạp vào lò trong mỗi ca sản xuất, từ đó tính sản lượng clanhke của mỗi ca lò.

· Tháo liệu tự động sử dụng tín hiệu tia g:

Hệ thống lò nung đảm bảo cho việc thực hiện chế độ nung liên tục, vật liệu trong lò luôn ở chế độ chuyển động, tạo ra được các vùng công nghệ trong lò, như zôn sấy, zôn nung, zôn làm nguội. Nhờ có hệ thống tháo liệu này mà chế độ làm việc của lò luôn được ổn định, đảm bảo điều kiện để duy trì 3 cân bằng: Vào liệu - tháo clanhke - chế độ gió. Do liệu vào liên tục và clanhke ra lò liên tục nên không còn hiện tượng ra lò theo mẻ, làm tổn thất nhiệt lớn trong quá trình nung.

· Hệ thống tự động nghiền xi măng:

Tương tự như công đoạn chế tạo phối liệu, không thể thực hiện việc cân đong thủ công đối với các máy nghiền xi măng công suất lớn. Hệ thống tự động điều khiển nghiền xi măng đảm bảo cho việc định lượng chính xác tỷ lệ giữa các cấu tử tham gia trong thành phần xi măng các loại clanhke, phụ gia, thạch cao. Việc định lượng chính xác này đảm bảo cho chất lượng xi măng ổn định.

Có thể nói rằng Trung Quốc đã tiếp thu, cải tiến công nghệ xi măng lò đứng của phương Tây, Nhật Bản và áp dụng có hiệu quả công nghệ này vào điều kiện cụ thể của Trung Quốc. Những thiết bị điện tử hiện nay Trung Quốc sử dụng trong sản xuất xi măng lò đứng đã áp dụng những thành tựu mới của kỹ thuật điện tử. Các mạch điện tử của Trung Quốc được thiết kế theo những nguyên lý khá hiện đại và sử dụng những linh kiện điện tử từ khoảng năm 1980 trở lại đây. Hệ thống điện tử, tự động hóa của Trung Quốc cơ bản đã đảm bảo cho dây chuyền xi măng lò đứng hoạt động ổn định, đảm bảo được các chế độ nung clanhke tốt. Thiết kế công nghệ và hệ thống điện tử, tự động hóa nói chung hợp lý và có tính lôgíc. Tuy nhiên sau một thời gian sử dụng ở Việt Nam, hệ thống này đã bộc lộ một số nhược điểm sau:

- Các linh kiện sử dụng thuộc loại chất lượng không cao nên hay xảy ra trục trặc, làm việc không ổn định và mau hỏng. Một số bộ phận không thích nghi với điều kiện khí hậu nóng - ẩm ở nước ta nên tuổi thọ thấp khối thu tín hiệu tia g và biến đổi để điều chỉnh rung tháo clanhke, hệ thống tự động điều chỉnh nước - bột liệu cho máy trộn ẩm thường nhanh bị hỏng.

- Nhiều linh kiện do Trung Quốc chế tạo có đặc điểm cấu tạo, tính năng kỹ thuật và ký mã hiệu không nằm trong hệ thống qui chuẩn quốc tế nên khi bị hỏng việc thay thế rất khó khăn.

- Khi bán máy, các công ty Trung Quốc chỉ bàn giao sơ đồ cấu tạo của những bộ phận thông thường, còn những bộ phận quan trọng thì không có ví dụ như sơ đồ mạch của các cards DAC và ADC. Trong các mạch quan trọng thường các linh kiện bị tẩy xóa tên, thay vào đó là ký hiệu vị trí của linh kiện trên sơ đồ mạch, do vậy rất khó sửa chữa, thay thế khi bị hỏng.

- Các chương trình phần mềm phục vụ cho sản xuất đa phần được viết bằng tiếng Trung Quốc nên rất khó sử dụng. Một số chương trình không đáp ứng được yêu cầu sản xuất, thậm chí chỉ mang tính chất trang trí.

- Độ chính xác của các cảm biến load cells không cao, có khi loại cảm biến được dùng không phù hợp với cân, gây sai số lớn khi sử dụng.

- Một số dây chuyền có các lỗi trong thiết kế và chế tạo mạch điện tử mà các nhà cung cấp thiết bị không biết hoặc thiếu trách nhiệm khi bán hàng, còn phía mua thì hầu hết là chưa có kinh nghiệm nên cũng không biết, gây ra các sự cố khi sử dụng.

Khi công nghệ sản xuất xi măng lò đứng cơ giới hóa có một phần tự động hóa theo mô hình công nghệ của Trung Quốc mới nhập vào nước ta, hầu hết các nhà nghiên cứu và sản xuất xi măng trong nước hiểu biết về nó còn hạn chế. Sau một thời gian vận hành, nhu cầu của việc bảo trì, sửa chữa, thay thế đã đòi hỏi các cơ sở phải nắm được cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống điện tử, tự động hóa, làm chủ được các phần mềm tính toán và điểu khiển để vận hành, bảo trì, sửa chữa và cải tạo, thay thế chúng. Đến nay, có khoảng 5 đơn vị tham gia giải quyết vấn đề này. Mỗi đơn vị có những mặt mạnh riêng và giải quyết các vấn đề theo quan điểm và nhận thức của mình. Một số sản phẩm đã được các đơn vị nghiên cứu, chế tạo phục vụ cho sản xuất, như hệ thống thiết bị điện tử phục vụ cho chế tạo phối liệu, nghiền xi măng, tháo liệu sử dụng tín hiệu tia g.

Viện KHCN vật liệu xây dựng thuộc Bộ xây dựng và Viện KHKT hạt nhân thuộc Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam Bộ KH,CN&MT đã phối hợp nghiên cứu thay thế và nâng cấp hệ thống tự động hóa trong các dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng lò đứng theo hướng phối hợp chặt chẽ giữa điện tử, tự động hóa và công nghệ xi măng lò đứng. Mục tiêu và yêu cầu của nghiên cứu là: Chế tạo mới các hệ thống thiết bị điện tử có tính năng kỹ thuật phù hợp và đảm bảo thực hiện được các ý đồ công nghệ thông qua các phần mềm công nghệ tương ứng. Các thiết bị phải có độ tin cậy cao, dễ sử dụng, sửa chữa, thay thế. Các linh kiện phần lớn phải có bán trên thị trường Việt Nam. Các phần mềm phải mang tính đặc thù của công nghệ xi măng lò đứng, phù hợp với điều kiện nguyên vật liệu Việt Nam, phương án công nghệ phong phú, thao tác dễ dàng, các câu lệnh phải bằng tiếng Việt. Các thiết bị phần cứng và phần mềm phải khắc phục được các nhược điểm của thiết bị Trung Quốc như đã nêu ở trên. Theo yêu cầu đó, các linh kiện quan trọng như vi mạch biến đổi F/V, ADC, DAC... được lựa chọn đều là của các nước phát triển Đức, áo, Nhật Bản. Muốn điều khiển nhanh và chính xác cần phải có hệ thống đo lường chính xác. Ngoài việc sử dụng các linh kiện có chất lượng cao, các sơ đồ nguyên lý và các mạch điện tử phải được thiết kế và lắp ráp hợp lý.

Sau một thời gian, chúng tôi đã nghiên cứu và chế tạo thành công các cụm thiết bị cơ bản cũng như viết các chương trình phần mềm tính toán điều khiển để thay thế cho thiết bị của Trung Quốc:

1. Thiết bị phần cứng.

· Thiết bị điều khiển chế tạo phối liệu xi măng:

Nguyên tắc hoạt động như sau: Tín hiệu từ bộ cảm biến tốc độ và trọng lượng băng tải được đưa vào mạch biến đổi thành điện áp một chiều và khuyếch đại lên đủ lớn mạch F/V. >, sau đó qua bộ biến đổi số A/D 12 bit tương ứng 4 096 kênh, qua bộ giao tiếp vào máy tính để tính toán thành lưu lượng thực tế của băng tải, so sánh với lưu lượng tính toán và ra quyết định điều khiển. Định lượng điều khiển được máy tính gửi qua bộ giao tiếp tới bộ biến đổi số tương tự 12 bit D/A. Tín hiệu từ bộ D/A đưa vào bộ điều khiển động cơ băng tải. Các bộ A/D, D/A có thời gian biến đổi rất nhanh khoảng 20 ms.

Trong các hệ cân của Trung Quốc hầu hết các khối trên đều được thiết kế giống nhau, trừ khối điều khiển động cơ băng tải. Đối với khối này có thể là bộ biến đổi điện áp thành tần số bộ biến tần - V/F để điều khiển động cơ hoặc điều khiển rung, có thể là bộ điều khiển góc mở cấp năng lượng điện cho hộp điều tốc.

Để thiết bị gọn nhẹ, dễ sử dụng, toàn bộ phần điện tử được thiết kế, lắp ráp và đặt trong một hộp máy. Máy có bộ phận chuyển mạch để chọn chế độ vận hành tự động hoặc thủ công. Chế độ tự động là chế độ do máy tính quản lý và điều khiển. Chế độ thủ công là chế độ hoạt động một mức do con người chỉ định. Để giúp cho người vận hành chủ động theo dõi thiết bị, nắm được tình trạng từng băng tải, đặc biệt để tạo thuận lợi khi vận hành chế độ thủ công, trên mặt máy có các bộ chỉ thị bằng số cho biết tốc độ tức thời của động cơ từng băng tải.

· Thiết bị điều khiển nghiền xi măng:

Sơ đồ khối giống như trên, chỉ khác là số cân ít hơn, thường có 3 cân: Clanhke, phụ gia, thạch cao; và cũng có thể dùng 5 cân: 3 cân clanhke, 1 cân phụ gia hoặc 2 cân clanhke, 2 cân phụ gia, 1 cân thạch cao.

· Thiết bị điều khiển tháo liệu bằng tia g:

Thiết bị này được thiết kế theo nguyên tắc đo mức vật liệu rắn trong bình kín và điều khiển đóng mở ON/OFF. Thiết bị này sử dụng nguồn phóng xạ Cs 137, đầu thu sử dụng detector nhấp nháy NaI kích thước 40 x 200 mm được nuôi với điện áp cỡ 1 000 V. Do sử dụng phương pháp đo truyền qua nên đầu thu và đầu phóng được đặt đối diện nhau qua ống tháo clanhke. Tùy thuộc vào mức xung mà bộ chuyển mạch đóng hoặc mở để cấp hoặc ngắt điện cho động cơ rung tháo liệu. Trên máy có chức năng chuyển mạch để chọn chế độ vận hành tự động hay thủ công, có núm điều chỉnh để tăng, giảm độ nhạy làm việc cũng như điều chỉnh thời gian đóng, ngắt. Người vận hành sẽ căn cứ vào chế độ nung của lò, căn cứ vào công suất thiết bị rung mà điều chỉnh 2 núm trên cho hợp lý.

· Thiết bị phân tích thành phần trong bột liệu và xi măng:

Hiện nay chúng tôi đã chế tạo máy phân tích 2 thành phần là Ca và Fe. Kết quả phân tích bước đầu cho thấy độ tin cậy khá tốt. Phương pháp đo gần tương tự như máy phân tích 2 thành phần do Trung Quốc sản xuất DM 1010, nhưng việc biến đổi và xử lý tinh vi hơn phương pháp đo quang phổ đa kênh. Trong tương lai gần, chúng tôi sẽ chế tạo máy phân tích nhiều thành phần từ 4 thành phần: Ca, Fe, Si, Al trở lên với độ tin cậy chấp nhận được và giá thành phù hợp để các nhà máy xi măng lò đứng có thể trang bị được.

2. Chương trình phần mềm: Các chương trình tính toán và điều khiển được lập bằng ngôn ngữ Pascal TURBOPASCAL 7.0.

· Phần mềm công nghệ công đoạn chế tạo phối liệu:

Bài toán phối liệu được lập theo các phương án: Tính toán phối liệu đảm bảo cả 3 hệ số công nghệ: KH, n, p; đảm bảo 2 hệ số KH, p; và đảm bảo 2 hệ số KH, n. Trong trường hợp cần khống chế đồng thời cả 3 hệ số công nghệ, số cấu tử nguyên liệu có thể được sử dụng tính toán và điều khiển là 6, gồm: Đá vôi, đất sét, quặng sắt, phụ gia silíc, than và phụ gia khoáng hóa.

Chương trình tính toán và điều khiển phối liệu còn có cả chức năng điều khiển ổn định phối liệu theo kết quả phân tích nhanh hàm lượng CaO và Fe2O3 trong phối liệu.

· Phần mềm công nghệ công đoạn nghiền xi măng:

Bài toán nghiền xi măng được lập cho trường hợp tổng quát dùng 5 cân, với các vật liệu nghiền là clanhke 2 hoặc 3 loại, phụ gia 2 hoặc 1 loại và thạch cao.

· Phần mềm công nghệ công đoạn trộn ẩm, vê viên:

Với các thông số cho trước về độ ẩm bột liệu trước và sau máy trộn, yêu cầu về năng suất vê viên, chương trình sẽ tính toán lượng nước và bột liệu cần cung cấp, cũng như đảm bảo năng suất nạp liệu vào lò nung theo yêu cầu.

· Phần mềm điều khiển:

Phần mềm điều khiển được kết nối linh hoạt và mềm dẻo với phần mềm công nghệ. Kết quả tính của bài toán công nghệ thuộc phần mềm công nghệ là các thông số đầu vào của phần mềm điều khiển. Hai phần này được nối kết chặt chẽ với nhau thành một bài toán điều khiển thống nhất để đưa ra các lệnh cho cơ cấu chấp hành thông qua hệ thống biến đổi theo sơ đồ nguyên lý trình bày ở trên. Mỗi loại thiết bị có một chương trình thích hợp riêng. Trong một hệ điều khiển, ứng với mỗi loại thiết bị chấp hành cũng có cách xử lý khác nhau.

Các thiết bị điện tử, tự động hóa nêu trên đã được trang bị cho Công ty xi măng Phòng không X78, Nhà máy xi măng Kiện Khê, Nhà máy xi măng Sông Đà Yaly. Thực tế sử dụng cho thấy, các hệ thống làm việc tốt và ổn định. Các chương trình phần mềm dễ sử dụng, phù hợp với điều kiện nguyên liệu Việt Nam. Toàn bộ hệ thống, cả phần cứng và phần mềm đều được thiết kế chế tạo trong nước nên khi có trục trặc có thể phát hiện và chủ động sửa chữa, thay thế nhanh.

Có thể nói rằng, đến nay việc chế tạo toàn bộ hệ thống điện tử, tự động điều khiển cho công nghệ xi măng lò đứng hoàn toàn thực hiện được trong nước. Thiết bị và chương trình điều khiển công nghệ do Việt Nam chế tạo không những không thua kém mà còn có một số mặt tốt hơn những hệ thống của Trung Quốc đã có mặt ở Việt Nam. Tuy nhiên để phát huy hết năng lực sản xuất của các nhà máy, nâng cao hơn nữa sản lượng và chất lượng xi măng lò đứng, vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết:

- Tiếp tục cải tiến thiết kế các mạch điện tử có chất lượng cao hơn, đơn giản hơn.

- Thiết lập một hệ thống phần mềm điều chỉnh và ổn định phối liệu thông qua kết quả phân tích nhanh nhiều thành phần của phối liệu.

- Sau khi khôi phục hệ thống đo và chỉ thị nhiệt độ lò nung, phải thiết kế một hệ thống phần mềm điều chỉnh chế độ nung clanhke thông qua điều chỉnh áp lực gió chính, van gió hông, tốc độ ghi quay, tốc độ nạp liệu vào lò.

Nói chung trong công nghệ sản xuất vật liệu xây dựng, hệ thống điện tử, điều khiển tự động có nhiều điểm tương tự nhau. Qua việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điện tử, điều khiển tự động cho xi măng lò đứng, nhiều vấn đề chung trong công nghệ xi măng và vật liệu xây dựng đã được sáng tỏ. Nếu tập hợp được một đội ngũ những người làm công nghệ, tin học, điện tử, tự động hóa thì chúng ta có thể làm được nhiều việc phục vụ sản xuất, không chỉ cho xi măng lò đứng mà còn cho sản xuất xi măng lò quay và các lĩnh vực sản xuất vật liệu xây dựng khác.

Nguồn tin: http://www.tchdkh.org.vn