陽極銅智能精煉探討

李昱民，孫麗娜

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠, 江西 貴溪 335424）

1 引言

粗銅火法精煉主要包括：加料保溫期、氧化期、還原期、澆鑄期。氧化、還原期是一個涉及化學反應、傳熱、傳質、流體流動的復雜過程，給氧化、還原終點自動反饋預報帶來了極大的困難。

目前國內外陽極銅精煉的氧化、還原終點仍然是采取以人工取樣判斷的方式，完全依賴操作人員的工作經驗和工作態度。通常會導致陽極銅氧化不到位、氧化過頭或還原不到位、還原過頭等現象，直接影響陽極銅品質。人為主觀因素延誤氧化、還原時間也會加大冶煉成本；造成生產的被動降低生產效率。

設想陽極爐工序通過建立在線數據采集與智能分析系統，最終實現陽極爐還原終點智能判斷；從而優化陽極爐生產工藝，輔助陽極爐精細化生產［1］，提高陽極銅品質，降低還原天然氣［2］和重油單耗。

2 智能精煉理論依據

陽極爐的精煉過程基本可分為：加料保溫期、氧化期、還原期、澆鑄期四個階段；還原期采用還原劑（天然氣），其它周期使用重油為爐內提供熱源，所以整個精煉過程，主要生產成本來源于燃材料的消耗。智能終點判斷、銅液溫度實時跟蹤系統的建立尤為重要，工藝可依據智能系統輔助生產精細化操作。

2.1 銅火法精煉的氧化過程［3］

粗銅氧化精煉的基本原理基于銅水中存在的大多數雜質對氧的親和力都大于銅對氧的親和力,且多數雜質的氧化物在銅水中的溶解度很小.其實質就是利用空氣中的氧鼓入銅熔體中使雜質除去,但熔體中銅占絕大多數,而雜質占極少數,故其氧化機理可認為銅首先發生氧化作用:

所生成的氧化亞銅立即溶解于銅熔體中.從Cu-O 系狀態圖（圖1）可知,產出的氧化亞銅在銅熔體中的溶解度隨溫度升高而增加，見表1。

表1 氧化亞銅在銅液中的溶解度

圖1 Cu-O 系狀態圖

2.2 銅火法精煉的還原過程

粗銅經氧化精煉后，從熔體銅中較完全地除出了二氧化硫和大部分雜質。但是銅液中仍還飽和了約7～8%的氧化亞銅。為了減少氧化亞銅的析出。應從熔銅中用碳氫物質除去大部分氧。因為銅中含氧量過多將使銅的性質變脆，延展性和導電性降低，因此必須進行氧化亞銅的還原作業。

精煉過程中采用的還原劑有木材、重油、天然氣、液氨、液化石油氣等。而我廠使用的還原劑為天然氣。上述還原劑均屬于碳、氫化合物。用碳氫物質從熔銅中脫氧的還原反應：

天然氣的主要成分是甲烷（CH4）。它是一種烴類有機化合物，具有強烈的還原作用。但甲烷是不能直接還原氧化亞銅的。當還原時，將天然氣由風管通入熔融銅中，一部分甲烷受熱分解成C 和H2，另一部分甲烷以碳粒在爐膛的高溫中與氧生成CO 和H2，而這種CO 和H 是主要的有效還原成分。還原反應如下：

以氣體為還原劑進行的還原作業，其氣體是從專門設置的噴吹管噴入爐體，當還原氣體噴入爐體銅液中，在銅液中形成連續的氣泡，銅液中氧原子由銅向氣-液界面傳遞，不斷與CO 氣體發生反應，產生CO2，這時CO 氣體由于其濃度差，也向銅液不斷擴散，使反應式⑴徹底向右進行。隨著銅中氧濃度降低反應速度迅速發生變化。當氧濃度大于0.1%時反應速度不隨氧濃度變化，為一常數，氣相傳質成為限制步驟。當氧濃度降至0.1%以下時，脫氧速度隨氧濃度的降低而減慢，不是常數，液相中氧傳質成為限制步驟。銅液的含氧量若低，發生反應的天然氣量隨之也低，故還原效率也低下。天然氣的蒸發效率差，在此過程中CO 和H2生成量少，還原劑的利用率低。

2.3 智能精煉理論依據

陽極銅精煉過程中主要參與因素為：組織燃燒、銅液溫度、銅液含氧量、銅液含硫量等。目前在陽極銅精煉過程中，最要依靠人工多次取樣判斷，受人為影響較大，且在對燃燒過程中的調整、提高燃燒效率、減少爐體耐火磚的消耗方面，均來源于人工對爐內火焰燃燒情況進行判斷調整，氧油比的設定也根據實際生產摸索出一個認為較合理的設定值，未能做到能源合理的精準控制，造成重油或者氧能源的部分浪費。

氧化、還原期陽極銅氧化、還原終點的判斷完全依靠人工取樣，憑經驗判定。缺乏準確性的數據指導，難以做到精細化冶煉水平，天然氣的利用率未能達到理想的效果，有較大提升空間。為降低能耗，陽極爐工序現采用的操作模式為淺氧化還原（帶硫還原）［4］，較常規的深氧化工藝操作，淺氧化操作中銅液中0 低S 高，銅液中氧的含量的降低，為降低天然氣單耗帶來了先天優勢。生產實踐證明天然氣使用效率最佳的結果是淺氧化終點，在還原階段脫硫除氧同進行并達到生產要求（含氧0.15%，含硫0.008%以內），此時天然氣單耗應該為最佳。所以陽極爐氧化、還原判斷，氧化終點判斷是整個終點判斷的核心。

綜上所述陽極銅精煉理論上可以通過檢測銅精煉爐煙氣中的O、CO、CO2的含量，反饋出重油的燃燒情況；在爐膛內是否完全燃燒，結合實際，合理調整氧油比，確保能源的最大化使用。在降低能耗的同時，也減少CO 的排放量，優化尾排指標。

通過檢測陽極爐煙氣中S02的含量，與檢測出的銅熔液中硫含量之間對比，建立數學模型關系。匹配最佳氧化終點，實現氧化終點的智能判定，結合陽極爐氧化終點，對轉爐粗銅終點判斷提供準確需求，做到工序之間進一步優化。

通過陽極爐煙氣中S02、O、CO、CO2含量的綜合分析。指導還原期間天然氣量和助燃氧氣量的控制，并對還原終點進行精準智能判定；達到提高還原天然氣利用率，降低能耗的目的以及保證銅品質。

3 智能精煉方案設計

根據陽極銅精煉理論依據以及工藝生產具體現狀和需求，設計以煙氣在線監測系統判斷為主，熔體形態和色度分析系統與在線式無線熔體熱電偶測溫為輔的智能終點判斷系統。

陽極爐工序增設一臺煙氣采集裝置，將陽極爐煙氣抽至氣體分析、監測系統實時檢測陽極爐煙氣中S02、O、CO、CO2成份，并結合生產實際來修正陽極爐燃燒系統的參數設置，做到智能控制準備。

通過檢測陽極爐煙氣成分與銅熔液中S、O 元素含量的對比關系，建立根據煙氣成分自動判定氧化終點和還原終點數模系統。

通過在線式無線溶體熱電偶測溫實時跟蹤銅液溫度并及時調整燃燒氧量。

3.1 系統構成

系統構成主要包括以下四大塊：

①煙塵在線監測分析系統；

②陽極爐氧化還原終點判斷系統（包括畫面監視與操作，以及與上位DCS 系統Modbus-RTU 或Profibus-DP 通訊接口）；

③熔體形態和色度分析系統（包括圖像監視系統、圖像算法處理系統）；

④在線式無線高溫熱電偶系統。

圖2 系統總裝圖

圖3 實時數據趨勢圖

3.2 煙氣在線監測分析系統

系統通過在線測量煙氣中的SO2、CO 濃度和實時監測爐體銅熔液圖像，以及實時采集陽極爐DCS/PLC 系統在線各階段監視與控制參數如爐膛送風量、爐膛內負壓、送風壓力、天然氣流量、中心氧流量、壓縮空氣流量、N2流量等，分別建立氧化還原期SO2、CO 濃度數學定量分析模型和氧化還原爐內溫度推導計算模型，以及圖像識別算法模型，最終形成融合人工智能的陽極爐氧化還原的作業指導系統。

3.3 熔體形態和色度分析系統

通過圖像數值分析和熔體形狀輔助分析，得出終點；替代或減少人工取樣分析，或人工經驗預判斷，盡量做到傻瓜化或標準化操作。

（1）鏡頭安裝位置是位于陽極爐尾端偏上位置，對準爐體相應位置開一個直徑8cm 的通孔用于鏡頭拍攝（如總裝圖所示）；

（2）在火焰較少的爐體尾部中上方位置開孔，避開火焰遮擋位置；孔徑（R＞8cm），光學設備固定支架距離爐體1～2m，固定立桿高度2～2.5m 略高于開孔位置，控制柜供電，過道下方布線。

（3）系統配置圖像識別相機，現場控制箱，工作站，工業網絡交換機，分析軟件，單模光纜，電纜，超五類網線，工業光纖收發器，相機冷卻護套，設備支架。

（4）本系統需在陽極爐尾端搭建高度可讓鏡頭俯視視孔的固定架，用于固定圖像識別相機，固定架下方搭建平臺放置系統柜。

圖4 還原終點對照圖

圖5 圖像識別實時監測圖

3.4 在線式無線高溫熱電偶系統

（1）開孔位置如總裝圖所示，位于爐體尾部側面偏上，于耐火磚上斜30℃—45℃開一斜孔，孔徑約30mm；開孔處應避開底部的通氣管道盡量靠近爐體尾部，無線設備與安裝孔徑大小以實際現場勘察為準。

（2）本體主要設備清單：高溫探頭，XI-1500PH 耐高溫無線收發器，單模光纜，電纜，溫度顯示器，隔熱材料，保護盒等。

（3）金屬陶瓷探頭保護管材料成分：65%：鉻 ：35%：Al2O3；生產工藝：膠體滑漿-液體吸收-澆鑄-燒結-共價氧化；物理特性：熔點：2266℃。

（4）XI-1500PH 無線收發器M625。

圖6 金屬陶瓷探頭

4 預期效果、效益

熔煉車間陽極爐工序2019 年年初開始進行生產現場實踐研發，期間取得了大量的生產數據，系統分析后找出了最佳氧化脫硫還原終點，氧化、還原終點實現精準可控；還原階段對CO 進行控制，確保安全和節省還原天然氣；降低能耗［5］、提高了經濟效益。

表2 重油、天然氣單耗對比表

2019 年初陽極爐工序增設了煙氣在線監測分析系統和熔體形態、色度分析系統，投入使用后還原天然氣單耗由4.25 Nm3/t.cu 降至≤3.95 Nm3/t.cu，重油單耗由8.25 kg/t.cu 降至≤7.95 kg/t.cu。2018 年、2019 年天然氣［6］、重油單耗對比如表2。

5 結語

目前對陽極銅氧化、還原終點判斷，在國內外均是憑人工經驗現場判斷與分析樣化驗品位結果相結合，對終點判斷不能做到及時準確；操作上缺乏系統性指導。智能精煉系統能夠輔助操作組織燃燒、及時判斷陽極銅終點的S、O 含量，消除不合格陽極銅的產生，降低陽極爐工序燃材料成本；延長陽極爐壽命。因此在銅冶煉行業有著廣闊的前景。