銅陵“雙閃”銅冶煉廠爐前快速分析系統

熊少華，錢慶長

(1.中國瑞林工程技術有限公司，江西 南昌330031;2.銅陵有色金屬集團控股有限公司，安徽 銅陵244001)

1 引言

閃速熔煉、閃速吹煉工藝是當今世界最清潔環保的先進礦銅冶煉技術［1］，銅陵“雙閃”銅冶煉廠熔煉主廠房配置了一臺Ф7m×7.93m閃速熔煉爐及配套冰銅粒化及脫水裝置，一臺Ф5m×7m閃速吹煉爐及配套爐渣粒化及脫水裝置。閃速冶煉工藝要求嚴格控制入爐精礦和中間產品化學含量，特別是Cu、S、Fe、SiO2的含量，故要快速并盡量準確的完成爐前分析并及時反饋進行工藝參數調整。

X熒光光譜法可實現試樣多形態無破壞分析，具有線性范圍寬，分析速度快、準確性高等優點，常用作冶煉生產工藝爐前中間控制分析首選方法，目前已成為冶金產品標準分析方法［2］。

為最大程度的縮短爐前生產控制分析的時間，借鑒了現代化鋼廠化驗系統模式［3-4］，將X熒光快速分析儀設在熔煉爐車間附近的控制室內，并結合先進的風動送樣系統和數據傳輸系統，通過大幅度縮短樣品傳輸時間，保障及時反饋爐前分析數據用于指導生產。

2 爐前分析系統的任務

爐前分析系統的分析任務主要包括:

(1)爐前配料干燥后干礦(含銅精礦、渣精礦、石英砂等原料和生灰石熔劑)、Na2S、NaOH、HCI等輔料分析;

(2)閃速熔煉爐冰銅、熔煉爐渣及電收塵煙灰;

(3)閃速吹煉爐冰銅粉、棒渣及電收塵煙灰。具體分析工作量見表1。

表1 爐前分析工作量一覽表

3 爐前快速分析系統

3.1 X熒光分析系統

3.1.1 儀器及配置

冶煉中控室設在靠近熔煉主廠房西南側，大小為二層24m×42m冶煉中控室，爐前分析室設在冶煉中控室二樓，包括一間6m×9m的X熒光分析室和一間6m×9m樣品前處理室。

主要設備配置了島津公司生產的XRF-1800型X-熒光光譜儀及配套的循環水機、UPS電源，輔助制樣設備浙江福特FTFS-180單頭振動磨和北京合眾ZHY-401型自動壓片機。

XRF-1800型 X-熒光光譜儀是島津公司一款使用功能完備、技上成熟可靠、采用波長色散順序掃描式熒光儀，能夠分析測定 Cu、S、Fe、Si、Ca、Mg、Al等多種元素的含量，主要由X光管、固態高頻高壓發生器、測角儀、分光系統、探測器、12位自動進樣器、防塵裝置、計算機、數據處理軟件等裝置組成

XRF-1800型 X-熒光光譜儀主要分析元素測量條件見表2。

3.1.2 樣品制備

對固態非金屬樣品X熒光制樣方法有壓片法和熔融法，結合銅冶煉廠自身特點和要求，對干礦、冰銅及爐渣等樣品選用壓片法制樣。使用壓片法進行制樣分析的誤差主要來源于基體效應，而基體效應主要有顆粒效應、礦物效應和元素間效應等，且基體效應無法消除，只能通過合理的制樣過程使標準樣品和待測試樣的基體效應盡量趨于一致，從而達到減小基體效應的目的。

當使用壓片法時，為使物料中的基體效應趨于一致，可用同類型的磨機，定時定量磨樣的方式，盡可能使顆粒效應趨于一致。為消除礦物效應可通過選擇更長的磨樣時間，以獲得最佳的粉磨效果。在制樣時，盡可能采用加壓速度恒定的自動壓片機，以消除顆粒分布及顆粒堆積密度對分析結果的影響。

表2 分析元素測量條件

鑒于此，通過多次實驗最終確定的樣品制樣方法為:稱取樣品100g，在FTFS-180單頭振動磨中振動45s打磨加工到120目以上，盛放在鋁質樣品盒中，在40t壓力下保壓30s，制成上機試樣，備測。

3.1.3 標準樣品制備

由于原料和生產控制樣品的特殊性，不同批次的原料來源不同，樣品的基體效應就不一樣，市場上沒有現成與爐前樣品匹配的X射線熒光光譜工作標準樣品，因此需要通過實驗研制出一套適合銅冶煉爐前控制分析的X射線熒光光譜儀標樣［5］，主要包括以下幾大類:入爐干礦、熔煉爐渣、冰銅、棒渣等。

標準樣品中待測元素應有一定濃度梯度并可覆蓋生產工藝波動的全部范圍，最為理想的狀態是在標準樣品中每一種元素都存在最大值和最小值，并有均勻覆蓋的濃度梯度，但在實際留樣過程中這種情況不太可能，只能首先顧及主要元素的濃度梯度。爐前分析樣品主要化學成分數據見表3。

表3 爐前分析樣品化學成分的含量范圍%

標準樣品的制備過程:選擇生產中各元素含量有梯度的樣品(每種樣品的每個元素至少需10個)制備作為“標準點”，盡量保證其中的 Cu、S、Fe、SiO2含量在所制備的標準曲線的范圍內均勻分布，每個標準點的樣品重量為200～500g，計算每個標準點的樣品所需要的試料配料比進行準確稱量后，打磨加工到180目以上，混勻烘干后用錫箔袋封裝備用。

3.2 風動送樣系統。

3.2.1 系統配置及組成

作為鋼鐵廠已普遍應用先進快速的樣品傳送裝置，風動送樣裝置在國內銅冶煉廠的應用也越來越普遍［6］。廠區內設計了2套風動送樣系統，均為重慶三意電子設備有限公自ZWF系列單管組合式正壓氣送試樣裝置，每一套系統包含一個主站及一個分站(即所謂的一對一系統)系統，主站設在爐前分析室內，兩套分站分別設在閃速熔煉爐區域▽6.800平臺和吹煉區域▽10.350平臺。風動系統主要由收發柜、減速裝置、儲氣罐、送樣管道(彎管、直管)、電控柜、等部分組成(見圖1)。

圖1 風動送樣系統組成圖

(1)收發柜

主站設置兩臺收發柜，二個分站各設一臺，主要由收發箱體、氣路裝置、機架主體等組成，用于接收或發送樣盒及發樣到樣提醒(警燈及蜂鳴器)，(見圖2)。收發柜自帶油水分離器裝置，自帶進氣截止閥，方便單臺設備檢修。

圖2 收發柜

(2)排氣減速裝置

減速裝置由手動閥和氣動閥組成，其主要功能是排出負壓端氣體，降低樣盒下落速度，平穩著陸，達到緩沖減震效果，降低噪音，延長樣盒使用壽命。排氣(減速)裝置安裝于主站、分站收發柜后，見圖3排氣減速裝置示意圖。

圖3 排氣(減速)裝置示意圖

(3)儲氣罐

儲氣罐主要由空氣過濾裝置、排污閥、安全閥、設備本體組成，用于存儲壓縮空氣，保證樣盒供氣充足平穩傳送。主站配備一臺1.5立方米的儲氣罐，給2臺主站收發裝置提供工作氣源;在閃速熔煉爐收發裝置和閃速吹煉區域收發裝置附近各設一臺1立方米儲氣罐，分別給2臺從站收發裝置提供工作氣源。由工廠管網壓縮空氣管網接入儲氣罐進氣口。為便于設備的安裝與維修，在供氣管道前端(儲氣罐進氣口處)加裝一臺截止閥，儲氣罐均安裝安全閥、排污閥。

(4)送樣管道

二套系統的送樣管線起止于熔煉主廠房和冶煉中控室的爐前分析室，長度均為350米左右。送樣管道采用冷拔無縫鋼管。鋼管外徑81mm，內徑75mm，壁厚3.0mm。包括安裝于風動送樣路段平直段或豎直段的送樣直管和安裝于風動送樣路由拐彎處的送樣彎管。彎管半徑2000mm;彎管角度:90°。其它角度彎管需現場截取(R2000mm，管道圓度誤差不超過0.1mm，橢圓度誤差不超過0.15mm)。二套系統的送樣管線長度均為350米左右。

3.2.2 送樣操作過程及性能保證指標

送樣工將取好的試樣裝入樣盒，按下“發射”按鈕時，發送氣源打開，樣盒在壓縮空氣流的作用下，經過送樣管道到達爐前分析室主站。當PLC系統檢測到樣盒到達信號時，停止送氣，打開排氣閥，經過一定時間延時后，收發柜門打開，推樣閥開，系統將樣盒推入接收池中，同時，聲光信號同時顯示，提示制樣人員接樣。之后，收發柜門自動關閉，經延時后，關閉樣盒到達信號，至此，一個送樣過程結束。

風動送樣系統性能保證值及考核方法見下表4。

4 問題及建議

(1)按照工藝生產要求，爐前分析室最初設計了一臺X熒光光譜儀，公司熔煉車間國外培訓人員根據肯尼科特培訓反饋的情況，閃速熔煉和閃速吹煉對檢測的頻次要求很高，每小時需出一次檢測結果，作為熔煉系統檢測的關鍵主打設備，這臺X熒光儀一旦其出現故障不能正常運行，將對熔煉系統正常生產的指導作用產生不利的影響。因此爐前分析室增設了一臺X-熒光儀。目前為止，兩臺儀器互為備用，完全能滿足熔煉系統爐前檢測的要求。

表4 風動送樣系統性能保證值及考核方法

(2)X熒光光譜儀的選用能為生產快速準確的提供數據，但由于儀器價格昂貴，前期的安裝和使用過程中的設備維護顯得更為重要。

大型分析儀器都要求單獨良好的接地，這不單起著靜電保護作為，對儀器的工作穩定性也起重要作用，同時也可以降低儀器的故障率，X熒光儀的接地電阻最好不超過2歐，同時每年還應對地線進行測試是否出現不良變化。同時，X熒光儀使用的是220V單相輸入電源，有可能存在大尖峰干擾脈沖，其尖峰高度可達1000V以上，可能會對X光管的高壓電源系統產生致命的損害，建議配備在線式UPS不間斷電源。

X熒光儀配套的循環水系統包括外循環水和內循環水，循環水系統對X光管、高壓發生器進行冷卻，儀器腔體溫度恒定也依靠循環水，因此日常使用過程需定期檢查及時發現問題，確保儀器正常工作。

作為大型分析儀器，X熒光儀涉及電學、光學、機械、水路、氣路等領域的知識，要求分析、維護人員從整體把握。尤其是作為爐前中控分析，儀器經常處在高負荷率的情況下，對影響儀器正常運行的關鍵部件如供電地線系統、冷卻循環水系統、真空系統［7］等做好前期設計、使用期間的預防性維護有助于減少儀器的故障率。

(3)爐前分析室除配置了X熒光儀及風動送樣裝置外，還配置了鹵素燈快速水份分析儀用于入爐干礦和冰銅粉的水份分析，激光粒度儀用于冰銅粉的粒度分析，飽和磁性分析儀用于Fe3O4的檢測，這些設備作為X熒光儀和風動送樣裝置的補充，可更為全面、及時地為熔煉系統生產提供指導性分析數據。

(4)風動送樣裝置自投入使用二年來比較順利，主要出現的問題是試樣盒兩端的緩沖膠頭易脫落，留在風動送樣管中，極易阻塞管道(已發生二次)。主要解決辦法是采用手動送樣方式，在不放入試樣盒的情況下，反復用壓縮空氣在兩側助推，可使試樣盒松動后取出。

［1］周松林.祥光“雙閃”銅冶煉工藝及生產實踐.有色金屬(冶煉部分)，2009(2):11-15，20.

［2］GB/T 16597-1996冶金產品分析方法 X射線熒光光譜法通則.中華人民共和國國家標準，2006-07-12發布:134-138.

［3］王德智，何志明，葛青鋒.全自動檢化驗系統在煉鋼生產中應用.梅山科技，2013(4):5-8.

［4］付百林，孫建林，劉衛平.現代化鋼鋼鐵企業檢化驗設施建議思路探討。物理測試，2011，29(11):52-52，58.

［5］李新民，何秀梅，張二平.銅冶煉分析X射線熒光儀工作標準樣的研制。銅業工程，2014(2):77-80..

［6］周亮亮，周麗娜.風動送樣系統在銅冶煉企業中的應用。中國有色冶金，2013，A(4):55-57.

［7］竇勇，陳玲華.島津XRF-1800X熒光光譜分析儀真空系統的故障處理及維護。寬厚板，2013，19(1):30-31.