1. 引言
锡的结晶分离法是将含铅、铋的锡熔液降温冷却，产生晶体和液体，在融析分离作用下降低铅、铋在晶体中的含量，实现锡的提纯 [1] [2]。连续结晶机作为锡精炼过程三大工序中的重要技术和设备，自1975年投入应用以来，连续结晶机虽然经过40余年的应用，但其装备水平基本上停留在发明初期的水平，虽经过一些改进但依旧停留在初期人工经验操作的水平上，操作工在结晶槽面手持喷水喷头对结晶槽某个局部进行降温实现锡液的冷却结晶，从而实现将锡与铅、铋等杂质的分离 [3] [4]。
前期研究发现，通过调整粗锡进料量、喷水量等参数，能有效改善锡精炼过程的结晶状态和结晶机槽面温度等参数，这为电热连续结晶机的自动化提供了参考，但人工机械喷水难以实现喷水过程喷水方式、方向及喷水量的精准操作和安全控制 [5] [6]。开发结晶机自动喷水系统，将实现“传统的人工槽面喷水不可控作业模式”向“远程自动喷水可控模式”转变，有效改进结晶机人工喷水工艺现状。
本文主要围绕锡冶炼结晶机自动喷水系统对锡精炼的结晶性能进行评价分析，为电热结晶机由人工作业改进为模拟人工自动控制提供基础理论数据，以及后续自动控制的工艺参数的设定奠定基础。
2. 电热结晶机的运行原理
电热结晶机结构与运行原理
电热连续结晶机的结构见图1所示，主要由电炉体、螺旋器、传动机和电气控制4部分组成。电热结晶机是在具有一定坡度、带有螺旋叶片的电热U型槽内进行除铅、铋。物料(锡液)入槽后开始降温，使其产生晶体和液体，依靠螺旋转动，螺旋上的叶片将锡的结晶体和液体混合物上提，使晶体进入熔析段，在每一段温度梯度下产生新的晶体和液体，使晶体逐步提纯。当晶体上提到槽头，物料温度接近232℃时，达到精锡的标准。
Figure 1. Schematic diagram of electrothermal crystallizer structure
图1. 电热结晶机结构示意图
依据Pb-Sn二元合金相图如图2所示，在理想情况下，晶体含铅量以及液体含铅量与平衡温度有如下对应关系：
式中，X为液体含Pb量，%；
Y为晶体含Pb量；
t为平衡温度，℃。
由上述两式可以看出，在同一温度下，液体含铅量是晶体含铅量的14.6倍，晶体含铅量比液体含铅量小得多 [7] [8]。
Figure 2. Binary phase diagram of Pb-Sn
图2. Pb-Sn体系二元相图
由于温度与成分存在严格对应的关系，并且温度的控制比成分的控制更易于实现，因此在实际中总是通过对温度的调控来达到对成分的控制。在其他条件相同时，当槽头温度等于或略高于232℃时，得到精炼锡的质量最好；当槽头温度降低时，精炼铅的质量明显变差。
3. 试验
3.1. 试验研究内容
根据上述对电热结晶机运行原理和关键控制指标的分析，电热结晶机的U型槽的长度；电热结晶机的安装倾角；电热结晶机螺旋器转速；三项正要控制条件，在设计和安装时已经确定，故不开展实验调查。
此次实验研究重点，主要针对结晶机人工控制过程，操作人员根据对U型槽内锡结晶体和锡熔液混合情况的观察，对U型槽内某一点位因温度过高，致使物料不能冷却形成锡结晶与锡液进行分离除杂质。为了实现过程控制，操作人员根据观察对U型槽内温度较高的区域，造成锡结晶体和锡熔液分离不好的区域进行喷水降温，实现物料中锡结晶和锡熔液在螺旋器搅拌下的充分混合和结晶分离，最终达到融析除杂质的目的。
实验的目的是通过对结晶机温度区域与喷水量之间关系的研究，摸索出电热结晶机人工喷水操作规律，最终实现电热结晶机喷水自动控制的人工智能模拟操作。
实验课题组根据电热结晶机操作人员的操作经验和现场调查将电热结晶机的加热U型槽按长度6.1米，从槽尾向槽头移动0.6米为基准，按1米的距离依次将结晶机划定为1~5段不同的温度控制区域进行实验研究，对1~5段温区的控制温度；喷水量；喷水时间；技术参数进行统计调查研究。以确定各个温度控制区域人工模拟控制参数。实验主要内容详见表1。
3.2. 试验设备
为获取准确的实验数据实验组购置了计时器、高精度的测温仪和电磁流量计对实验过程的数据进行准确计时、计量详见表2。
3.3. 计算方法
结晶机喷水量的理论值计算公式如下：
C——表示比热容；
Q——吸收或释放的热量，J；
m——表示物体的质量，kg；
t0——表示物体的初温，℃；
t——表示物体的末温，℃。
4. 结果与讨论
4.1. 结晶机温度的变化情况
按照实验方案对电热结晶机按照1~5段温区的划分，开展了5周的温度测量，详见表3 (电热结晶机1~5段温度统计表)。
从表3可以看出，通过对电热结晶机的U型槽内1~5段温区温度为期五周的监测，温区喷水前后的温度平均值为：1段温区由193℃ ± 2℃降至182℃ ± 2℃；2段温区由208℃ ± 2℃降至196℃ ± 2℃；3段温区214℃ ± 2℃降至208℃ ± 2℃；4段温区222℃ ± 2℃降至220℃ ± 2℃；5段温区237℃ ± 2℃降至235℃ ± 2℃。喷水的重要区段为1~3段，喷水降温的幅度为10℃ ± 2℃；4~5段，喷水降温的幅度为5℃ ± 2℃。电热结晶机1~5段喷水前后槽内平均温度变化趋势图见图3。采用自动喷水后，槽内温度有所降低。
Table 3. Temperature statistics of each section of electrothermal crystallizer 1~5 (℃)
表3. 电热结晶机1~5段温度统计表(℃)
Figure 3. Trend of temperature variation before and after spraying water of electrothermal crystallizer 1~5
图3. 电热结晶机1~5段喷水前后温度变化情况
4.2. 结晶机喷水量的变化情况
查阅资料得知各物料的比容热：
铅：130 J/(kg∙℃)；锡：235 J/(kg∙℃)；
水：4200 J/(kg∙℃)；汽化热：2258 J/kg；
设定：水的温度为20℃水蒸汽温度为120℃；
物料成份：锡含量：95%；铅含量0.5%；
结晶机型槽内锡的总质量为30,000 kg，平均分为5段每段的质量分别为600 kg进行计算。可以得出电热结晶机各段的喷水量见表4。
Table 4. Statistical results of water spraying of electrothermal crystallizer 1~5
表4. 电热结晶机1~5段喷水量统计表
根据在现实验记录及分析。结晶机平均产量为28 t/d；用水量为2.8~3.0 t/d；螺旋控制的转速在0.6 r/min至0.8 r/min；进料流量为1.2~1.3 t/h。二段进料口表观温度在195℃~190℃波动，原料成分的波动，螺旋器的转速及进料流量会发生改变，表观温度是重要控制条件，由于人工操作原因每个操作工人观察和喷水时间和喷水量的控制不一样人工喷水时间未进行有效整理。
4.3. 结晶机自动喷水效果
以生产粗锡10吨/班生产线开展远程自动喷水试验，对比其与模拟人工半自动喷水，分析其自动喷水对铅、铋含量的影响，其效果见表5。
Table 5. The effect of the operation of automatic water spraying on crystallizer
表5. 自动喷水对结晶机运行的效果
对比分析认为，自动喷水有利于铅、铋杂质的有效去除，提升粗锡产品的纯度。自动喷水生产的产品中，铅含量为0.0068%、铋含量0.0138%，均低于《锡锭》(GB/T 728-2010)的标准。其中铅合格率高达99.68%，铋合格率98.50%。产品质量和产量稳定均能得到有效保障。
5. 结论
通过试验研究和数据分析表明，结晶机自动喷水能使槽内温度梯度分布更合理，槽内结晶状态更稳定。结晶机自动喷水系统能改善粗锡产品质量，提高产品质量和产量的稳定性。本实验通过对喷水点与喷水量控制统计，为电热结晶机自动化喷淋结晶控制提供了理论依据。