稀土生产的质量管理研究.pdf

Aug ust 2020 No . 15 To tal No . 457 2020年8月 第15期总第457期 内蒙古科技与经济 I nner Mo ng o lia Sc ienc e Tec h no lo g y 2.中国北方稀土（集团）高科技股份有限公司冶炼分公司，内蒙古包头014010） 摘 要基于控制图理论，研究了 一种在稀土生产冶炼分离过程中进行质量管理的方法。采用在线 分析自控设备快速收集质量管理关键生产数据，依据这些数据绘制休■哈特控制图，从而判断生产过程是 否稳定，建立一种科学的稀土生产质量管理方法，并进行生产现场实际应用。 关键词稀土生产；质量管理；控制图 中图分类号TD865 文献标识码A 文章编号10076921（2020）15003703 稀土元素是元素周期表MB族中原子序数为 21.39和57〜71的17种元素的总称。稀土元素在 光、电、磁等功能材料中具有非常重要的作用。欧美 等国家均将其列为“战略元素”旳。稀土元素已被广 泛应用于冶金⑵、军事⑶、石油化工⑷、玻璃陶瓷页、 农业⑷和新材料闪等领域。稀土元素具有两个特 点①其化学性质十分相近，这是因为稀土元素的电 子结构相近，不同的稀土元素通常会共生，这给稀土 元素的分离造成了非常大的困难。稀土元素是典型 的金属元素，化学活性很高，仅次于碱土金属。在輪 系元素里，金属的活泼性随原子序数逐渐递减，而 铳、兌、铜的活泼逐渐递增，因此錮是最活泼的稀土 元素。稀土金属能与氧、氢、卤族元素、硫化物、碳、 氮、磷及其他一些元素作用，生成稳定的化合物。稀 土金属可使水分解，能溶于无机酸，不与碱作用，并 且能同多种金属元素生成金属间化合物或合金。② 其物理性质差异明显，这是因为4f亚层的轨道电子 不能参与成键，对于稀土元素的开发应用，特别是新 材料领域的应用创造了非常多的机遇。例如稀土金 属的沸点一般较高，钵组元素的沸点（除彫和镐外） 要高于兌组（除错外），沸点最低的是德（1 4309）。 而熔点一般随着原子序数的增加而升高（除错和虑 外），且铉组稀土元素的熔点普遍高于（除德外）钵 组，熔点最低的是钵（7959）。稀土金属的电性能较 差，电导率较低，爾在较低温度下（47k）表现出超导 性。高纯的稀土金属具有可塑性，可塑做成板材或 线材。除钵、镐、德外，稀土金属的硬度会随着原子 序数的增加而增加，其中侈和镜的可塑性最好。一 般情况下，稀土金属都会表现出顺磁性，且其顺磁性 会随着温度的降低而增加，其中轧、锚和钦具有铁磁 性。目前我国稀土资源产业的发展现已进人关键时 期，稀土问题受到国内外政治家、经济学家的广泛关 注。 1 稀土生产工艺流程与质量管理现状 稀土元素间化学性质相似，获得单一稀土的主 要方法是串级萃取分离。早期主要采用Ald er s提 出的分馅萃取理论，但该理论基础是假设易萃组分 和难萃组分在各级萃取器的萃取比分别恒定，而稀 土实际生产情况很复杂，偏差很大，存在稀土分离工 艺设计参数的计算问题。我国稀土治炼分离企业主 要采用的是串级萃取理论，经过多年的实际应用，证 明该理论与生产现场情况接近，一直应用至今。 1. 1 工艺流程 20世纪70年代，通过总结国内外稀土串级萃 取的大量实验资料和数据，结合企业生产现场实际 情况，北京大学徐光宪教授进行科学的假设以及严 谨的数学推导和计算，得到了稀土萃取分离工艺流 程设计中主要的工艺参数的计算公式，包括有分馅 萃取过程的极值公式、级数公式、最优萃取比方程 等，并依据这些计算公式建立了串级萃取理论。稀 土萃取过程是一个多阶段的化学反应过程。通过萃 取分离、富集和萃取混合的稀土溶液，以获得需要的 纯度和产量的稀土产品。尽管Ald er s在特定的条 件下推导出了分憎萃取方程，可以依据这一方程计 算出萃取段和洗涤段的级数，但是通过计算与生产 现场实际情况差别很大，为了解决实际设计问题，徐 光宪提出了 5个基本假设，分别是①两组分体系； ②平均分离系数；③恒定混合萃取比体系；④进料级 物料组成假设；⑤恒定流比假设。稀土萃取分离的 工艺流程如图1所示。 组分B 组分A 图1稀土串级萃取分离工艺示意 在萃取工业生产中，①需要良好的分离效果，即 高纯度，高收率的产品；②需要大的产量，以便降低 生产成本，因此，最佳的串级萃取工艺就是在萃取设 备的总容积与日产量相同的情况下，效果最好的分 离工艺。优化有很多方面，对于指定的分离任务，首 收稿日期2020-04-09 作者简介任迪（1990-）,硕士研究生，工程管理专业硕士，研究方向质量管理。 孙斌（1974 ）,副教授，研究生指导教师。 ・37・ 总第457期内蒙古科技与经济 先要选择最佳的萃取系统，该系统要求有很大的分 离系数、较大的萃取容量、工艺相对简单、安全的操 作和价格低廉消耗少的萃取剂等。这些条件通常无 法同时满足，因此需要权衡重量并选择最合适的萃 取系统。所谓最优化的任务就是在给定的条件下设 计出一种或几种比较好的工艺方案以供实际采用时 的选择。因此，我国的冶炼分离企业均采用串级萃 取。 1. 2 质量管理现状 在我国的稀土萃取分离过程中，含量检测主要 采用的方法是实验室离线I CP-AES检测方法，中 间控制分析指导生产，分析周期需要1天甚至更长 时间，这种方式检测的数据虽然较准确，但时间延迟 很大，需经取样、送样、化验室分析、出具分析报告及 取报告等过程，需要1〜2天时间，导致企业生产效 率低，无法及时地进行生产质量管理的实时调整，使 生产过程处于不可控制状态，进而导致产品不稳定， 波动大。因此，迫切需要一种高效稳定的稀土生产 质量管理方法，实现关键工艺点稀土生产的实时、连 续在线监测，反馈给工艺控制系统，进行及时的工艺 调整，这样就可以极大地提高生产效率，提高产品质 量，增加企业竞争力。 2 质量管理理论 实践以理论为基础，理论在实践中完善。对生 产进行质量管理研究应以相关的理论为支撑，使研 究结果兼具科学性与可靠性。笔者对稀土生产的质 量管理进行采用了休哈特控制图理论。 2. 1 休哈特控制图理论 在各行业的生产过程中，产品质量主要受两方 面原因影响①随机因素，这是由于存在很多偶然原 因；②系统因素，这是通过可以识别的显著变化引起 的。由于存在这两方面原因，造成产品质量会下降。 对于企业生产的质量管理，主要就是需要采取适当 的措施来减少这两方面原因造成的影响。在日常生 产质量管理中，可以在生产线关键工艺控制点抽取 固定大小的样本以计算其质量特征。 确定数学模型后将某段生产工艺关键控制点数 据进行描点，如果在图中的控制线范围内，可以认为 该段生产过程是正常的，否则，该段生产过程不稳 定，同时需要进行检査，找到原因并且确保改进后的 生产过程正常稳定。笔者研究采用了目前最为通用 的休哈特控制图。 而休哈特控制图需要收集众多的关键指标数据 进行分析，因此能够在线连续分析生产数据的设备 就显得尤为重要。而近些年随着自控技术的不断发 展，由国外开始，已经出现了对各个行业生产过程进 行在线监控的设备，国内在稀土行业从2016年开始 出现了第一家运用自控设备进行在线分析稀土生产 配分数据的企业，未来将成为稀土行业发展的趋势。 因此我们对该类设备进行了研究，并运用到稀土生 产过程质量管理中。 2. 2 休哈特控制图的判稳准则 针对如何判断生产过程的稳定性，其分为两种 ・38・ 情况①过程本来是稳定的，判断是正确的,②过程 不稳定，存在误判或漏报。因此，一个点未超出范 围，不能用作确定稳定性的基础。如果没有连续的 点子都没有出界，那么生产过程就是稳定的。如果 点子连续在控制界内，即使偶尔出现个别出界的点 子，我们仍然可以认为该过程是稳定的。 如果这些点子是随机的，那么能够满足以下条 件之一就可以判稳①连续25个点无出界；②连续 35个点出界点数VI;③连续100个点出界点数V 2。 在进行描点判定生产过程稳定性，为了减少偶 然因素造成的误差，对于描点中在界外的点也需要 按照“查出异因，采取措施，加以消除，不再出现，纳 入标准”这“20字方针”去做。 3 稀土生产质量管理应用 在稀土生产中进行质量管理首先需要连续快速 的收集工艺关键控制点的生产数据，获得生产数据 后再进行生产过程的判稳，从而进行质量管理。 3. 1 数据收集系统 笔者采用在线分析系统进行数据收集，该系统 可以连续对关键工艺控制点进行数据收集，获得生 产质量管理生产数据的时间由原本的人工取样送至 化检验中心进行I CP-AES离线分析的至少半天 缩短为现在最短仅需要2min即可获得生产数据， 为验证该数据可靠性，需要首先对数据收集系统进 行检验。 3.1.1 仪器稳定性。在中国某稀土冶炼分离企业 生产现场，取样萃取分离段25级样品进行稳定性实 验，通过测定样品短期稳定性，并计算RSD判定该 仪器稳定性，计算数据如表1所示。 稀土配分在线监测系统的稳定性 测试轻稀土样品25配分含量 次数LaCePr Nd 117.3581.070.880.69 217. 5680.850.860,73 317.5180. 760.970.76 417.4581.020.880.66 517.4380. 960.920.68 617.2180. 940.960.89 717.3381.040.870.77 817.4080. 960.890.74 917. 5081.010.780,71 1017. 6980. 760.840.71 1117.6180. 720.940.73 平均值17.4680. 920.890.73 RSD/0. 780.150.620.83 从表1可以看出，各元素测试结果RSD均在 1以下，仪器稳定性良好，可以为质量管理提供生 产现场关键工艺控制点参数。 3.1.2 仪器准确度。为了验证该系统检测的准确 性，并与实验室结果进行了准确度比对。将待测样 品分别通过本方法和国家标准方法GBT 16484. 3 2009氯化稀土、碳酸稀土化学分析方法第3部 任迪，等・稀土生产的质量管理研究2020年第15期 分J 5个稀土元素氧化物配分量的测定电感耦合等 离子体发射光谱法I CP-AES进行测定河，对比 结果如下表2所示。 表2轻稀土分离段稀土配分含量结果对比％ 测试 元素 25566476108 XRFI CPXRFI CPXRFI CPXRFI CPXRFI CP La34,2334.13 17.5217.661461 893.112.971.571.51 Ce64.6064.7265.9565.74 79.44 80.101.491,341.561.47 Pr0.650.6314.9815,062.001.0159.4559.2536.8836.97 Nd0.530.521.551.540035.9536.4459.9960.05 通过数据比对发现，现场检测结果与实验室离 线分析结果一致，检测准确性和稳定性都能够满足 生产需求，证明该仪器完全满足快速收集生产现场 质量管理的需求，所收集的数据可以采用进行质量 管理。 3. 2 基于控制图的质量管理应用 采用上文中验证过的系统进行稀土生产关键指 标的收集，进行休哈特控制图绘制，来判定生产是否 稳定。首先收集工艺关键控制点生产数据，如表3 所示。 表3 生产数据 组薜号组序号12345 12 232 272 252 282 242 27 22 262 242 272 282 242 24 32 272 232 262 242 282 23 42 272 292 252 262 242 29 52 2728. 262 242 292 222 26 62 262 292 232 292 252 29 72 292 242 272 282 252 24 82 272 242 292 212 232 24 92 232 242 252 222 242 24 102 232 282 272 272 232 28 112 272 232 232 262 232 23 122 232 242 252 232 302 24 132 262 282 232 292 242 28 142 262 232 242 272 232 23 152 252 292 232 252 242 29 162 232 272 2928.232 302 27 172 242 252 252 292 292 25 182 232 292 272 232 242 29 192 232 282 262 292 272 28 202 302 242 252 262 272 24 212 242 262 252 232 242 24 222 242 272 232 242 262 24 232 222 242 272 252 252 22 242 262 242 242 222 242 26 252 242 262 242 272 232 24 通过计算绘制休哈特控制图，并根据休哈特控 制图判断稀土生产的稳定性。所绘制的休哈特控制 图如图2所示。 通过观察休哈特控制图可以发现该生产过程是 稳定的。再通过瞬时分布一致性对结果进行验证， 可以发现与休哈特控制图结果一致，可以说明该段 时间生产过程是稳定的。 4 结论 目前我国稀土串级萃取分离工业的自动化水平 还基本处于手动操作开环控制的现状中。由于稀土 串级萃取分离过程复杂变化大，因此难以采用常规 的质量管理控制方法实现稀土生产关键指标的优化 控制。随着稀土产品应用越来越广，稀土产品的产 量和质量要求越来越高。稀土工业的大规模、集中 化和连续生产，迫切需要科学的质量管理。我国稀 土冶炼分离生产过程的质量管理相对不足，大部分 企业还采用人工取样离线分析和传统经验调整生 产，造成了稀土产品的生产效率低，产品质量不稳 定，在稀土产品的产量和质量要求日渐提高的今天， 成为我国稀土产品在国际市场提高竞争力的重要制 约。因此，笔者提出了一种基于控制图的稀土生产 管理方法。采用自动化设备收集关键的生产质量管 理数据，通过这些质量参数绘制休哈特控制图来判 定生产过程是否稳定，从而科学地进行质量管理。 在生产现场的实际应用证明这种质量管理方法是完 全可行的，具有很大的实用价值。 [参考文献] 1] 严纯华，吴声，廖春生，等.稀土分离理论及其 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