銅轉(zhuǎn)爐冶煉操作優(yōu)化及智能控制應用

紀利華

（金隆銅業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244021）

1 引言

銅轉(zhuǎn)爐吹煉是火法煉銅的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如何降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，需通過生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制予以解決，金隆公司與相關(guān)科研院所聯(lián)合進行科研攻關(guān)，在2號轉(zhuǎn)爐設(shè)計開發(fā)了一套全自動智能控制系統(tǒng)，利用計算機仿真技術(shù)將吹煉過程反應體系變化的非線性描述轉(zhuǎn)化為實用的程序指導從而優(yōu)化轉(zhuǎn)爐工藝生產(chǎn)。通過在線連續(xù)檢測顯示轉(zhuǎn)爐煙氣成份變化曲線有效解決工藝過程傳統(tǒng)的人工目測渣銅樣造成終點判斷誤差的技術(shù)難題并達到穩(wěn)定爐溫，提高爐壽命，實現(xiàn)安全、穩(wěn)定生產(chǎn)［1］。

2 銅轉(zhuǎn)爐冶煉過程檢測應用

銅轉(zhuǎn)爐在銅的火法生產(chǎn)中，通過閃速熔煉獲得的銅锍要經(jīng)過轉(zhuǎn)爐吹煉，進一步除去鐵、硫等雜質(zhì)。銅吹煉過程按造渣期和造銅期分別進行質(zhì)量控制［2］。造渣期工藝指標是渣型和渣溫；造銅期則希望盡量投入更多的冷料，從而提高單爐的粗銅產(chǎn)量，并要保證出銅溫度達到工藝要求。其作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 銅轉(zhuǎn)爐吹煉過程工作流程圖

2.1 轉(zhuǎn)爐造渣期在線監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

根據(jù)銅锍吹煉原理，造渣期主要任務是盡量除盡Fe。通過連續(xù)檢測熔體Fe濃度變化以判斷Fe脫除情況難以實現(xiàn)，尋求一種能通過爐外連續(xù)檢測某種物質(zhì)濃度變化來推斷Fe濃度變化是本技術(shù)的構(gòu)思要點。因此造渣期只要監(jiān)測冶煉氣態(tài)中鉛的硫化物、氧化物濃度變化就可推斷FeS脫除程度［3］。

在整個銅轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)周期中所觀察到的PbO和PbS光譜的相關(guān)強度的變化與熱動態(tài)計算的結(jié)果相一致。在接近造渣階段結(jié)束的時候，PbS蒸汽壓力下降并且PbO蒸汽壓力上升。蒸汽壓力的相對變化與觀察到的PbO和PbS發(fā)射強度的變化是相對應的。臨近造渣階段結(jié)束，PbO光譜的強度相對于PbS光譜的強度有所增加。通過在造渣階段連續(xù)監(jiān)測PbO/PbS強度的比值，能夠確定造渣階段的終止點。PbO、PbS在線監(jiān)測系統(tǒng)可分為光學和電學兩大部分，光學部分包括望遠鏡、光纖和光譜儀；而電學部分則由探測器，數(shù)據(jù)采集卡和計算機組成差分吸收光譜技術(shù)（DOAS系統(tǒng)），圖2為DOAS系統(tǒng)框圖。

圖2 DOAS系統(tǒng)框圖

通過PbS和PbO絕對發(fā)射強度變化曲線的分析，可以清楚的看出S期與B期PbS和PbO的變化。尤其對于PbS，其相對強度變化明顯，從圖3中可以看出在不同時期由于S含量的不同造成PbS發(fā)射強度的變化。從S期的0.9上升到B期的1.01，變化明顯，通過PbO/PbS可以確定兩個階段。

圖3 S期、B期內(nèi)PbS和PbO絕對發(fā)射強度變化曲線

2.2 轉(zhuǎn)爐造銅期在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計原理

造銅期主要任務是脫硫，吹煉過程中產(chǎn)生的SO2氣體濃度變化明顯，根據(jù)檢測SO2濃度變化來確定造銅期終點［4］。生產(chǎn)實踐表明，造銅期SO2濃度大約穩(wěn)定在10%～15%之間，后期，當Cu2S中硫基本脫除時SO2濃度會迅速下降，其突變區(qū)域即造銅期終點。

本設(shè)計將差分吸收光譜技術(shù)、可變光程樣品池技術(shù)、光纖光譜探測與控制技術(shù)相結(jié)合。系統(tǒng)的工作流程為氘燈發(fā)出的紫外光經(jīng)過測量池吸收后，通過光纖進入光譜儀，經(jīng)過光譜儀分光、探測器采集后的光譜信號通過串口，輸入到工控機中反演，如圖4所示。根據(jù)轉(zhuǎn)爐中SO2濃度的含量變化可以推斷出造銅期的結(jié)束，一般來說確定當轉(zhuǎn)爐內(nèi)SO2濃度小于6%時，可以認為造銅期的結(jié)束［5］。圖5為轉(zhuǎn)爐內(nèi)SO2濃度隨時間的變化曲線。

圖4 SO2煙氣分析儀

圖5 SO2濃度曲線

2.3 銅轉(zhuǎn)爐吹煉終點預報模型的軟件設(shè)計

銅轉(zhuǎn)爐吹煉工藝過程數(shù)學模型軟件設(shè)計系統(tǒng)面向現(xiàn)場操作人員，使用在當今世界內(nèi)廣泛流行的操作系統(tǒng)和語言環(huán)境進行編程。圖6為系統(tǒng)模塊組成與結(jié)構(gòu)。

控制系統(tǒng)程序主界面采用多文檔窗體見圖7，在主窗體上方，除了配有Windows程序的標準菜單欄和工具欄外，在其右邊還設(shè)有主控工具欄。點擊主控工具欄中的＜優(yōu)化決策＞或＜動態(tài)預測＞圓形按鈕，可分別將對應狀態(tài)的界面切換至前臺顯示。優(yōu)化決策工作界面用于操作人員輸入數(shù)據(jù)，包括各種吹煉物料的化學成分以吹煉投料計劃安排，動態(tài)預測工作界面用于吹煉過程在線終點預測。同時主窗體中的6個子窗體分別用作結(jié)果數(shù)據(jù)輸出及曲線圖形輸出。

圖6 系統(tǒng)模塊組成與結(jié)構(gòu)

圖7 銅轉(zhuǎn)爐吹煉過程仿真系統(tǒng)主界面

3 應用效果及影響

轉(zhuǎn)爐吹煉工藝智能化控制系統(tǒng)在公司2#轉(zhuǎn)爐的實施和應用，先后對近30余爐次吹煉過程進行了在線實時應用對比。表1列出了其中連續(xù)20爐造銅期終點預測與實際經(jīng)驗操作終點的對比數(shù)據(jù)，系統(tǒng)預報的全程吹煉終點與實際經(jīng)驗操作終點平均誤差為±8min。結(jié)果表明：智能控制的結(jié)果與生產(chǎn)實際吻合性較為滿意，提高PS轉(zhuǎn)爐的送風時率，降低銅冶煉綜合能耗，能全面指導銅轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)作業(yè)，使轉(zhuǎn)爐吹煉在工藝參數(shù)優(yōu)化、智能決策領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了零的突破，實現(xiàn)銅轉(zhuǎn)爐吹煉過程智能自動控制［6］。

表1 控制系統(tǒng)預報的全程吹煉終點與實際經(jīng)驗操作終點比較