DCS在卡爾多爐處理陽極泥過程控制的應用

祝智宏 王澤霞

（銅陵銅冠信息科技有限公司自動化部 安徽 銅陵 244000）

0 概述

卡爾多爐是一個既可以前后傾轉又可以繞爐子中心軸線轉動的冶煉爐，它是目前世界上技術先進的富氧頂吹法冶煉鉛、銅、陽極泥及貴重金屬的裝備之一，具有節能、工藝流程短、自動化程度高，綜合回收率高、能夠滿足當前嚴格的環保要求等優點。卡爾多爐處理銅電解陽極泥技術，是某稀貴金屬公司于2007年Outotec公司引進。

了解工藝，熟悉它的典型控制回路和連鎖點，便能更快得消化和掌握卡爾多爐控制策略，從而為設計、安裝調試該控制系統贏得時間。

1 工藝介紹

整個工藝主要流程為如圖1所示。

其主要工藝流程有:常壓浸出、壓力浸出、干燥、熔煉、煙氣凈化、硒回收工序等工序。

常壓浸出工序：浸出始液制備后，在攪拌的條件下，向浸出槽加入陽極泥。泥漿加熱至約80－85℃，并通過浸沒式管道通入氧氣。浸出完成后，使陽極泥沉積一段時間。過濾槽內的溶液用壓濾機進行過濾，濾液收集到緩沖槽。

圖1 工藝主要流程

壓力浸出工序：常壓浸出后陽極泥漿泵入反應釜，然后用高壓蒸汽加熱陽極泥漿，此時壓力大約為200kPa。沖洗后，關閉所有的閥門，并通氧直到反應釜壓力達到860kPa時，自動停止供氧。通過冷凝器，將蒸汽放出，將陽極泥冷卻，送入緩沖槽并進一步冷卻至＜80℃。在壓濾機中壓濾浸出后陽極泥。濾液收集入Ag/Se沉積槽，得到的濾餅沉積銀進入卡爾多爐，合格的濾液泵入銅電解。

干燥工序：濾餅由螺旋輸送機匯集，并輸送至料倉。料倉將浸出陽極泥加入漿葉式干燥機，用蒸汽間接加熱。干燥后物料匯集到儲料倉。

熔煉工序：通過船形加料器加入潮濕物料，第一批物料熔煉后，將加料倉中的干燥物料和（或）吹煉渣加入爐內。熔煉物料“充滿”卡爾多爐，還原階段開始，還原硒和全部的貴金屬。結束后熔煉渣放入渣包，放渣后，開始吹煉。陽極銀放入金屬包，然后金屬包轉入感應爐內。

煙氣凈化工序：卡爾多爐的工藝煙氣經文丘里系統進入濕式電收塵（高負壓下運行），濕式電收塵后有兩個文丘里風機，文丘里風機排出的煙氣直接進入吸收塔。硒沉積的通風煙氣也直接進入有一個吸收SO2氣體的循環系統的吸收塔，凈化煙氣從煙道排出。

硒回收工序：煙氣凈化溶液首先用蒸汽直接加熱至75－80℃，再把SO2通入溶液，沒有反應的SO2經過通風設施進入吸收塔。沉積后采用壓濾機過濾，濾餅洗滌后，產出＞99.5%的粗硒。一次沉積的濾液重復前面工序，二次沉積，二次沉硒返回卡爾多爐，濾液部分用于銅浸出工序，過量溶液送入廢水處理。

2 工藝要求及系統硬件配置

根據工藝要求，為安全穩定地生產，減少故障發生和提高生產效率，卡爾多爐的自動控制主要包括如下內容：

采用ABB 800F DCS控制系統實現熔煉過程的數據采集、控制管理等功能，控制器為1：1冗余。控制器可以在不中斷正在運行的程序或將控制轉換至后備處理器的情況下，具有在線編程和修改的能力。在熔煉車間設置車間主控制室和現場控制柜、電氣控制柜。主控室設置有計算機操作員站和頂吹轉爐操作臺，現場控制柜、電氣控制柜采用遠程I/O站。各現場控制單元和操作員站通過現場控制總線profibus-dp連接，數據資源共享。控制系統原理圖見圖2。

控制系統采用分布式配置，2個DCS控制器集中配置在熔煉車間的現場控制柜內，控制相對獨立的工藝流程。現場工藝控制點相對集中的地方，采用遠程I／O柜的方式配置，I/ O卡和控制器通信卡都安裝在I/O柜內。I/O柜分布于設備內部（或附近），以減少其與轉換器和變送器等裝置之間的連接線纜的長度和便于維護。卡爾多爐轉動調速變頻器也通過profibus-dp與控制器通訊。

頂吹轉爐操作臺可以為頂吹轉爐和噴槍提供很好的操作控制。它被安裝在控制室內，控制臺前面是安全玻璃窗，安全玻璃窗正面對頂吹轉爐所在的車間。

操作臺由裝配了監視器的PC視窗組成。操作臺可以為操作員提供所有必須的工藝信息，包括報警、測量值，曲線圖。操作員還可以通過控制臺控制PID控制器，電動機，自動閥門等等。

3 系統功能

根據以上要求和硬件配置，通過軟件編程實現以下主要功能。

1）人機界面

（1）所有的過程檢測參數(包括電氣設備的運行、啟停和故障信號)都納入計算機監控系統，以使操作人員全面掌控卡爾多爐的生產流程。數據一般分為：

A、生產關鍵參數(影響產品的產量和質量)；

B、生產安全參數(涉及設備安全和人身安全)；

C、一般性參數 (便于操作人員了解和操控整個工藝過程)。

（2）由于數據量比較大，系統在組態時，通過不同的標識將其在CRT上作適當的區分，以便于操作人員及時掌握重要訊息，快速處理突發事件。

（3）操作站為操作員提供以下幾類畫面：總貌畫面、分組畫面、單點畫面、趨勢畫面、報警畫面、分析數據畫面、流程圖畫面 (按照工藝流程利用系統提供的圖形生成軟件繪制背景圖，再嵌人多種動態數據顯示方式，包括數值顯示、棒圖、跟蹤曲線、開關變圖、開關變色等，形象展示生產工藝過程)；以及報表數據的收集和打印。

（4）對報警、連鎖、操作指令的變化等事件及日期、時間作為歷史數據加以儲存。

2）典型檢測與控制

（1）壓力釜溫度檢測與控制：

控制單元通過PID調節進入壓力釜蒸汽流量大小來控制壓力釜反應液的溫度；加氧前溫度控制在110-140℃，加氧后反應釜內溫度通常為150-165℃。鑒于壓力釜內有氧濃很高、壓力較大、泥漿需要攪拌，保護管要同時滿足強度和抗腐蝕性要求，采用鈦2（或254SMO）保護管。

（2）壓力釜壓力檢測與控制：

圖2 控制系統原理圖

壓力釜壓力小于低值時，0200壓力釜的泵，0200_XV3、0200_XV4、0200_XV5、0200_XV6

（3）壓力釜氧氣流量檢測與控制：

控制單元通過調節閥門開度，調節進入壓力釜氧氣流量大小；氧流量按工藝曲線圖采用批量給定方式控制。

（4）壓力釜液位、給料量的控制：

γ射線料位計檢測壓力釜液位；通過電磁流量計和用γ射線密度計對高壓釜泥漿進行流量和濃度的檢測，經DCS計算出泥漿的干量值（即沒有水份陽極泥的質量），當壓力釜液位高、干量值達到設定值時，停止壓力釜輸料泵的運行。

（5）干燥機的溫度控制：

干燥機旋轉后通過蒸汽加熱，干燥機的輸出物料處設置溫度測量儀表，該溫度應該為105－110℃。蒸汽管道上裝有開關控制閥，干燥器出口物料溫度低于105℃打開閥門，溫度高于110℃關閉閥門。

（6）干燥機壓力控制：

干燥機內既要保持為負壓，同時又要盡量減少通風量來使布袋收塵器的煙氣量最小，干燥機布袋收塵器前使用變頻風機，滿足生產對流量或壓力的要求，又能最大限度地節能，同時可以減少嘯聲和振動。

（7）卡爾多爐轉速的調節：

不同的操作階段，卡爾多爐旋轉的速度不同。因交流電動機價格低、可維護性好，調速性能好，本系統采用交流控制系統，本系統采用DCS與ABB ACS800標準型變頻器相結合，運用直接轉矩控制方式，直接轉矩控制變頻器所控制的對象是電機的轉矩電流，再通過控制轉矩電流來實現對定子電流的控制，實現了精確的轉矩控制，滿足控制要求。卡爾多爐的旋轉由兩臺交流電機同時驅動，且需要以相同的速度／轉矩運行，因此，本次設計采用一主一從的控制方式。

（8）爐體轉動、傾轉及噴槍升降、加料聯鎖控制：在加料和出多爾合金（陽極銀）／渣時爐體還要作傾斜動作，卡爾多爐內的噴槍升降與轉動、傾轉聯鎖。加料倉、船形加料器加料與爐體位置聯鎖；同時考慮系統的安全性和操作方便靈活，為此，在主控室設置有卡爾多爐專用設備運行操作臺，操作臺上設有操作手柄，按鈕和指示表，便于工人操作。

（9）精礦加料／風量配比控制：每批加入爐內的物料，浸出后的銅陽極泥及各種熔劑，如Na2CO3、石英石、鉛/氧化鉛、焦粉，濾塵、硒沉積、沉積銀和吹煉渣，按照一定的配比送到卡爾多爐加料倉。這些物料的計量和控制采用批稱量減重系統和配方控制來實現（根據物料屬性，底部采用采用測速傳感器的螺旋輸送機）。由設備制造商提供一次測控元件和控制要求，再由DCS系統組態完成其功能。

（10）氧油燃燒配比控制

卡爾多爐裝有兩支噴槍，一支吹煉噴槍用于噴射壓縮空氣與氧氣，另一支燃燒噴槍用于噴射氧氣和燃油。重油燃燒噴槍、氧氣/空氣吹煉氧氣和燃油按比例噴人爐內，根據不同的工況，氧氣的用量也是不斷變化的。控制單元設置為氧流量按工藝曲線圖采用批量給定方式控制，燃油流量則按比例隨氧量的變化而改變。

（11）噴槍、煙罩冷卻系統

噴槍和煙罩工作時，處于高溫環境，必須采取冷卻措施。工藝采用的是密閉式循環水冷降溫方式，控制單元通過調節進入熱交換器冷端流量的大小控制循環水的溫度，同時監測其流量和壓力的變化，并隨時補充水量。一旦變化超過設定值，就與相關設備(噴槍、水泵、閥門、爐體等)進行聯鎖，以確保卡爾多爐安全運行。

（12）洗滌器系統差壓、流量、溫度控制

整個工藝采用降溫除塵效果比較好的文丘里洗滌器。控制單元通過調整文丘里的物理結構和通過變頻調節文丘里風機的轉速來穩定文丘里洗滌差壓。文丘里頸部循環溶液流量小于低低值時，或者卡爾多爐爐體到驟冷器、文丘里管至氣液分離器之間的煙道大于高高值時，燃燒噴槍或吹煉噴槍將會自動撤回。

（13）吸收塔pH調節

吸收塔有一個吸收SO2氣體的循環系統。當溶液pH＜8時，加入NaOH。并經常從中排放掉一部分循環溶液。因為卡爾多爐也產生SO2煙氣，沉積硒時，溶液pH必須保持在3－4。這可以通過加入NaOH來實現。pH要安裝在測量具有代表性且傳感器始終浸沒在溶液內部的地方。

（14）硒沉積槽溫度液位控制

一次硒沉積槽溫度、液位要與文丘里泥壓濾器壓濾機泵的啟停、粗硒壓濾機壓濾機泵的啟停、送硒沉積槽的SO2、蒸汽的開關閥的開關連鎖；二次硒沉積槽溫度、液位要與文丘里泥壓濾器壓濾機泵的啟停、粗硒壓濾機壓濾機泵的啟停、二次沉積壓濾機送硒的啟停、沉積槽的SO2、蒸汽的開關閥的開合連鎖。

（15）粗硒精制系統檢測與控制

每臺氧化爐加溫為梯度順序控制。第一段爐腔預加熱（無溫控），當溫度升至400℃時停止加溫，當第二段爐腔溫度受控并加熱至680℃時，再加熱第三段溫度。每臺氧化爐第三段恒溫控制。當第三段溫度也680℃時，爐腔將保持恒溫。溫度測量與控制可控硅溫度控制器來實現，即熱電偶采集信號通過pid溫度調節器測量和輸出4～20ma控制觸發板控制可控硅導通角的大小，從而控制主回路加熱元件電流大小，使電阻爐保持在設定的溫度工作狀態。Pid最好使用溫度控制器自帶算法來實現（由于電阻爐純滯后特點，pid設計采用大林控制算法，使系統的閉環傳遞函數具有帶純滯后的一階慣性環節，使要求純延遲時間等于被控對象的純延遲時間）。

3）典型連鎖及報警

在斷電、緊急停車、噴槍定位故障或液壓裝置故障等情況下，燃燒噴槍或吹煉噴槍將會自動撤回。

在控制臺、控制室出入口處、液壓控制室設有緊急停車按鈕，在緊急情況下只要有一個緊急按鈕被按下，噴槍將會從爐內自動縮回、停止爐體傾轉。

用液位開關檢測各泵前管道液體，液位低時（未滿管），自動停泵；泵后閥門故障、或堵料（流量過低），也要自動停泵。

硫酸儲槽液位高高、壓力釜溫度高高報警、壓力釜壓力高高報警、壓力釜氧氣壓力高高、壓力釜蒸汽壓力高高、陽極泥干燥機干燥后溫度低低、卡爾多爐應急水箱液位高高、低低，文丘里風機溫度高高，吸收塔循環槽液位低。

4 探討與結語

目前，貴金屬生產系統平衡主要依托月度盤點的平衡表反映，該表的內容都是靠人工錄入，計量和實驗分析的數據都不能做到及時準確的反映生產平衡，具有很大的滯后性和不準確。而且數據都是紙質傳播，讀取和分析都不能方便，容易造成分析結果不真實。所以設計一套生產平衡監控系統，將現場的計量數據與實驗分析數據集成為一體，這樣可以實時跟蹤與分析的生產中各項要求的數據，加強物料平衡的管理,有利于及時發現物料的誤用和非正常流失,確保產品的質量。

按職能范圍確定數據來源，明確數據錄入與更新時間，設定相應計算公式，通過必要的參數修正，適時反應金屬平衡的直收率、綜合回收率等情況。

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