銅冶煉電氣自動化控制技術(shù)

王桂東，姜國濤，徐鵬飛

隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，銅冶煉技術(shù)也在不斷改進、優(yōu)化，同時該領(lǐng)域也引進了各種先進的技術(shù)，推動著銅冶煉效率與質(zhì)量的不斷提高。電氣自動化控制技術(shù)目前在多個領(lǐng)域得到了應用，將銅冶煉技術(shù)與電氣自動化控制技術(shù)有機結(jié)合起來，可推動銅冶煉的自動化、智能化發(fā)展。

1 銅冶煉技術(shù)

就現(xiàn)階段來說，銅冶煉主要采取的是火法冶煉，其產(chǎn)量約占85%，除此之外，還有現(xiàn)代濕法冶煉等銅冶煉技術(shù)。

（1）火法冶煉過程中，首先要合理選擇銅礦石，其次在熔爐中將銅礦石煉成熔琉，再次經(jīng)過轉(zhuǎn)化爐、生成粗銅，最后進行氧化精煉，得到高純度的銅。具體來說，在實際使用火法冶煉技術(shù)的時候，第一步是選擇含銅量千分之幾至百分之幾的原礦石，經(jīng)過選礦，將比例提高到20%～30%之后，再將其作為銅精礦進行接下來的冶煉；第二步是對銅精礦進行造锍熔煉，根據(jù)實際情況，合理選擇電爐、反射爐、閃速爐或者是密閉鼓風爐等，得到熔锍，也被稱為冰銅；第三步是將熔锍送至轉(zhuǎn)爐中進行吹煉，得到粗銅；第四步是在另一種反射爐中，對粗銅進行氧化精煉脫雜，或者是鑄成陽極板實施電解，最終得到99.9%的電解銅。火法冶煉的主要優(yōu)勢在于，其一回收率相對較高，可達到95%以上；其二，工藝流程比較簡單。但是，火法冶煉也有一定的缺點，其中最主要的一個缺點是，在造锍環(huán)節(jié)以及吹煉環(huán)節(jié)，礦石中含有的硫會轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸驈U氣，進而逸散至環(huán)境之中，且難以回收，從而會給生態(tài)環(huán)境造成一定的危害。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，近年來火法冶煉技術(shù)也在不斷推陳出新，例如白銀法、諾蘭達法、三菱法等技術(shù)等。

（2）現(xiàn)代濕法冶煉也是常用的銅冶煉技術(shù)之一，其適用于含銅廢礦石、低品位復雜礦、氧化銅礦的就地浸出、堆浸、槽浸選用等方面，包括浸出-萃取-電積、硫酸化焙燒-浸出-電積、細菌浸出等。近年來，在各種先進技術(shù)的支持下，濕法冶煉技術(shù)日益改進、完善，銅冶煉領(lǐng)域應用現(xiàn)代濕法冶煉技術(shù)，可以減少銅冶煉的成本。

2 銅冶煉技術(shù)的發(fā)展

隨著我國重工業(yè)的迅速發(fā)展，對銅制品的需求量也越來越大。加快了我國銅冶煉工業(yè)的轉(zhuǎn)型步伐，簡言之，隨著時代的進步，銅冶煉技術(shù)也在不斷發(fā)展、完善。目前火法冶煉依然是最主要的銅冶煉技術(shù)，下文對火法冶煉技術(shù)的最新發(fā)展進行了分析。

2.1 銅吹煉技術(shù)

銅锍吹煉是熔融銅锍經(jīng)氧化造渣脫除硫和鐵產(chǎn)出粗銅的火法煉銅過程，通常在轉(zhuǎn)爐內(nèi)完成。銅吹煉技術(shù)是一種新興的火法冶煉技術(shù)，目前得到了越來越多的應用，并在實際應用中表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。

（1）氧氣頂吹煉銅。目前我國銅冶煉行業(yè)使用的氧氣頂吹煉銅技術(shù)有澳斯麥特熔煉、芒特艾薩熔煉兩種，均是從澳大利亞引進的。首先，針對澳斯麥特熔煉技術(shù)，需要設置一臺澳斯麥特煉熔煉爐、一臺澳斯麥特煉吹煉爐，同時將沉淀池設置在兩個煉爐之間，通過沉淀池，可以有效分離冰銅和渣，冰銅是經(jīng)過溜槽進入澳斯麥特煉吹煉爐。實踐發(fā)現(xiàn)，澳斯麥特熔煉技術(shù)實際使用過程中，初期階段可能出現(xiàn)明顯的爐體晃動現(xiàn)象，且耐火材料使用周期較短，同時渣含銅高，會導致一定的浪費，后續(xù)通過對該工藝流程進行適當?shù)母倪M，目前已經(jīng)能夠使用澳斯麥特熔煉技術(shù)進行持續(xù)生產(chǎn)，但該技術(shù)使用過程中，耐火材料、噴槍使用壽命短的問題尚未得到解決。其次，氧氣頂吹煉銅技術(shù)在冶煉速度快，品種多，質(zhì)量好，建設速度快，投資小等方面都有很大的優(yōu)越性。對入爐物料的要求相對較低，可以有效降低銅冶煉的成本；相比較于其他銅冶煉技術(shù)，氧氣頂吹煉銅技術(shù)對原料的預處理操作更為簡單不需要深度干燥處理。但由于熔煉過程中使用的是氧化式氣氛，不僅對脫硫效果不好，而且貴金屬極易被氧化，影響了煉鋼的品種和質(zhì)量。

（2）浸沒頂吹熔煉。作為一種新興的銅吹煉技術(shù)，浸沒頂吹熔煉技術(shù)有著諸多優(yōu)勢，目前在銅冶煉領(lǐng)域得到了越來越多的應用。浸沒頂吹熔煉技術(shù)可以在熔池內(nèi)，使氣體三相流體間、熔體、爐料等實現(xiàn)有效融合，能夠促進熱量傳遞速度的大幅度提高，同時還可以實現(xiàn)化學反應速率的加快，減少燃料消耗，提高經(jīng)濟效益。在實際使用浸沒頂吹熔煉技術(shù)的時候，其噴槍豎直浸沒在熔渣層中，設備整體結(jié)構(gòu)比較簡單、爐子尺寸緊湊，工藝流程簡單，且資金需求、操作難度比較低。相比較于其他銅冶煉技術(shù)，浸沒頂吹熔煉技術(shù)的原料處理方式比較簡單，原料是從爐頂被投放到爐內(nèi)，并以自由落體運動的狀態(tài)進入熔池，最后與氣流攪動卷起的熔體結(jié)合起來。根據(jù)統(tǒng)計，目前世界上已經(jīng)建成和正在建設的頂吹浸式冶煉爐已經(jīng)達到36 臺，這一技術(shù)在全球范圍內(nèi)廣泛應用，在整個冶金史上都是罕見的。在國內(nèi)加快推進浸沒頂吹熔煉，應用于銅、鉛、鋅、錫等行業(yè)，將對提高有色冶金技術(shù)的發(fā)展起到促進作用，并取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

2.2 銅熔煉技術(shù)

火法冶煉技術(shù)中，銅熔煉技術(shù)是一種常用技術(shù)，其方法相對較多，電爐、反射爐熔煉、鼓風爐熔煉等均屬于傳統(tǒng)煉銅方法，有著諸多缺點與不足，例如生產(chǎn)設備落后、材料損耗量較高、生產(chǎn)效率較低等，同時會給生態(tài)環(huán)境造成嚴重的污染，煙氣難以回收制酸，經(jīng)濟效益不高，此外工作環(huán)境惡劣，不利于操作人員的身心健康。鑒于此，上述技術(shù)逐漸被新興銅熔煉技術(shù)所取代，主要包括：

（1）富氧強化熔煉。實際使用該技術(shù)的時候，需要采用富氧技術(shù)，強化容量時，可對氧化反應帶來的能量進行充分使用，在接近自熱的前提下開展熔煉反應，且生成的二氧化硫煙氣濃度相對較高，比較容易回收硫元素，并用于生產(chǎn)硫酸或其他硫酸產(chǎn)品，實現(xiàn)能源利用率的提高，還可以減少對生態(tài)環(huán)境的破壞，從而提高銅冶煉的經(jīng)濟效益。

（2）閃速熔煉。作為一種新興的銅熔煉技術(shù)，閃速熔煉技術(shù)有著一定的先進性，其作用原理是，使用石英熔劑、低含水量的粉狀精礦與精礦噴嘴內(nèi)的富氧空氣混合，自上而下地噴入到爐內(nèi)，從而使爐料懸浮并充滿于整個反應塔中，達到相應溫度之后，便會著火，然后，空氣中的氧與精礦中的鐵、硫產(chǎn)生反應，提供熔煉所需熱量。精礦中的有色金屬硫化物熔化生成銅銃，石英熔劑、氧化亞鐵反應生成爐渣，在沉淀池內(nèi)完成造銃、造渣反應，澄清分層，由上升煙道排出煙氣，由放銃口排出銅銃，并送至吹煉工序，由放渣口排出爐渣，并送至渣選廠，對渣中殘余的銅進行回收處理。其優(yōu)點是技術(shù)成熟可靠，易于實現(xiàn)自動化控制，爐齡長，密封性好，富氧濃度高，反應效率高，煙氣中SO2濃度高，產(chǎn)量高。但是，它還存在著原料適應性不強、煙塵濃度高、煙灰粘結(jié)比較嚴重等問題。

3 銅冶煉電氣自動化控制技術(shù)

在科學技術(shù)迅速發(fā)展的當今時代背景下，電氣自動化控制技術(shù)也在不斷改進、完善，并在多個領(lǐng)域中得到了廣泛應用。銅冶煉領(lǐng)域中，通過有效應用電氣自動化控制技術(shù)，可有效提高銅冶煉效率與質(zhì)量。

3.1 電氣自動化控制技術(shù)

目前，銅冶煉領(lǐng)域中應用的電氣自動化控制技術(shù)，主要包括以下兩種：

（1）PLC 技術(shù)。可編程控制器（PLC），是數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，是專門針對工業(yè)環(huán)境而開發(fā)的，具有連接相對緊湊、操作簡單等優(yōu)勢。現(xiàn)如今PLC 正處于迅速發(fā)展的過程中，功能不斷優(yōu)化、提高，其應用范圍也在不斷擴大。PLC 最初只能實現(xiàn)定時、控制等方面的功能，影響著PLC 的廣泛應用。隨著科學技術(shù)的不斷進步，PLC 的智能化水平不斷提高，因此在工業(yè)環(huán)境中得到了越來越多的應用。PLC 技術(shù)有著以下幾種優(yōu)勢：第一，便捷性較好。PLC 有著結(jié)構(gòu)簡單、連接相對緊湊、高集成等特征，僅需少量接口、符號，便可以精確表達參數(shù)。同時，通過應用PLC，還可以開展仿真模擬實驗，僅需使用計算機設備，便可以對多種情況進行測試，改變了以往實驗需要安裝、調(diào)試裝置的過程，可以提高工作效率，而且對編程邏輯沒有過高的要求，可隨時進行編輯。第二，適應性較強。PLC 適用于多種不同的生產(chǎn)場景、生產(chǎn)任務，僅需簡單地修改控制軟件的編程內(nèi)容，便可以得到全新應用。目前，PLC 已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到了應用，同時其對濕度、溫度等外界環(huán)境因素的要求不高，即使是瞬間斷電也可以保持一段時間的正常運行，可以有效避免突然停運的問題。第三，抗干擾能力較強。PLC 中的所有電子器件均是按照規(guī)范生產(chǎn)工藝制造的，同時，因為各個模塊均設置了集成電路，且同時配備了屏蔽裝置，因此PLC 的整體性能比較優(yōu)越，如果設備存在故障或者是某個部件發(fā)生了異常，可以被及時發(fā)現(xiàn)并發(fā)出警報。在接收到警報之后，相關(guān)人員可以根據(jù)PLC 的自我診斷報告對設備進行有針對性的調(diào)查，以便于提高故障處理的效率與質(zhì)量。由此可見，PLC 的抗干擾能力較好。銅冶煉領(lǐng)域，通過應用PLC 技術(shù)，可以保障在高溫、高電壓等惡劣的工作環(huán)境中，設備、工作人員的安全。例如，物料管理系統(tǒng)中，通過應用PLC 技術(shù)，可以針對性地開展物料管理，對不同倉庫的物料進行統(tǒng)一管理，PLC技術(shù)的運算能力非常高，可以確保大規(guī)模倉庫物流管理的高效、可控，同時借助PLC 技術(shù)還可以實現(xiàn)全部倉庫系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡的有效連接，建立更加完善的通訊網(wǎng)絡。銅冶煉領(lǐng)域中應用PLC技術(shù)，可以對銅冶煉生產(chǎn)中所獲得的數(shù)據(jù)進行快速整理、分析，進而為銅冶煉生產(chǎn)提供有效依據(jù)。

（2）電氣自動化元件。銅冶煉領(lǐng)域中，電氣自動化元件有著非常廣泛的應用范圍。傳感器、高壓熔斷器、繼電器等是目前比較常用的電氣自動化元件。首先，傳感器是一種可以對外界各類信息進行有效感知，且可以將這些信息轉(zhuǎn)變成可用信號的裝置，目前傳感器已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應用。目前常用的傳感器主要有溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等，主要是由轉(zhuǎn)換組件與敏感元件組成。其次，當電路電流超載或者是超出限定值較長時間后，高壓熔斷器會自行融化，達到分離電流、阻隔電源的效果，保障電路安全、人員安全。最后，繼電器是一種輸入回路、輸出回路的電氣控制裝置，其可以在電路中發(fā)揮轉(zhuǎn)換電路、控制電流的作用。

3.2 銅冶煉電氣自動化控制技術(shù)的特征

（1）對電子技術(shù)的依賴性較大。銅冶煉電氣自動化控制技術(shù)功能的實現(xiàn)，在很大程度上依靠電子技術(shù)，否則便無法實現(xiàn)自動化水平的提升。從監(jiān)控運算到結(jié)果執(zhí)行，從收集信號的傳感器到信號處理的控制器，均無法離開電子技術(shù)的支持。鑒于此，為充分發(fā)揮銅冶煉電氣自動化控制技術(shù)的作用，銅冶煉企業(yè)應加強基礎設施建設，不斷對電子技術(shù)進行改進、優(yōu)化，加大專業(yè)人才培養(yǎng)，以充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，提高銅冶煉效率與質(zhì)量。

（2）自動化水平較高。實踐中，在對銅冶煉電氣自動化控制技術(shù)進行應用的時候，可有效提高銅冶煉的自動化水平。分析其原因可能是，銅冶煉電氣自動化控制技術(shù)中，對PLC 技術(shù)進行了有效應用。PLC 主要由存儲器、輸入模塊、輸出模塊等部分組成，其可以完成各種控制功能，同時具有與其他計算機通信聯(lián)網(wǎng)的功能。PLC 的存儲器具有可編制程序，可用來執(zhí)行存儲邏輯運算以及順序控制、計數(shù)、定時、算術(shù)運算等操作的指令，借助數(shù)字或模擬的輸入（I）、輸出（O）接口，可實現(xiàn)對各種機械設備的控制。通過充分發(fā)揮PLC 技術(shù)的優(yōu)勢，可實現(xiàn)銅冶煉生產(chǎn)中自動化水平的提高。

（3）技術(shù)涵蓋面較廣。銅冶煉企業(yè)的生產(chǎn)工藝通常屬于流程型，生產(chǎn)過程的持續(xù)性較強、工藝步驟繁多，且涉及到諸多復雜的物理與化學反應，同時，生產(chǎn)過程中存在著一些不確定性因素、突發(fā)性狀況，原燃料組分、生產(chǎn)技術(shù)等也可能出現(xiàn)變化。面對這樣的情況，為確保銅冶煉生產(chǎn)的順利，工作人員應根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，對能量、物料、質(zhì)量等進行動態(tài)化調(diào)整；為實現(xiàn)銅冶煉生產(chǎn)的有序完成，工作人員應結(jié)合實際生產(chǎn)工藝需求，動態(tài)化調(diào)整質(zhì)量、物料、能量等；為實現(xiàn)產(chǎn)量、品質(zhì)與效益的提升，應在銅冶煉生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)有效應用電氣自動化控制技術(shù)，其技術(shù)涵蓋面較廣，可以適應銅冶煉生產(chǎn)中的各種情況，保障銅冶煉生產(chǎn)的高效、高質(zhì)量完成。

3.3 銅冶煉電氣自動化控制技術(shù)的發(fā)展

科學技術(shù)日新月異的背景下，銅冶煉電氣自動化控制技術(shù)也會得到持續(xù)發(fā)展與進一步提高。銅冶煉電氣自動化控制技術(shù)發(fā)展過程中，應注意以下幾個方面：

（1）實現(xiàn)實時控制。如果想要提高銅冶煉產(chǎn)品的質(zhì)量，應當提高迅速診斷、快速處理的能力，這就提高了對銅冶煉電氣自動化控制技術(shù)的要求。針對銅冶煉產(chǎn)業(yè)的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，應進行及時收集、分析處理。

（2）以“我”為本。以“我”為本，是自主集成的制造環(huán)節(jié)應堅持的準則。在生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新過程中，不可避免地會遭受諸多難題，但千里之行始于足下，工作人員在日常工作中，不斷總結(jié)、積累經(jīng)驗，量變引起質(zhì)變，勢必可以創(chuàng)造出適合我國銅冶煉行業(yè)需求的電氣自動化控制技術(shù)。自動化控制系統(tǒng)的效仿能力非常高，生產(chǎn)流程保持不變的前提下，對以往生產(chǎn)流程進行適當調(diào)整，并根據(jù)生產(chǎn)流程預測大致狀況，便可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化。

（3）提高系統(tǒng)的可靠性。銅冶煉領(lǐng)域中，電氣自動化控制技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應用，并為銅冶煉行業(yè)的發(fā)展起到了良好的促進作用。可靠性是電氣自動化控制技術(shù)最關(guān)鍵的優(yōu)勢，針對銅冶煉生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行實時收集，并進行全面分析，才能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的可靠性。在未來發(fā)展過程中，銅冶煉電氣自動化控制技術(shù)也要從提高可靠性入手進行優(yōu)化與改善，從而為促進銅冶煉行業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展做出更好的貢獻。

（4）數(shù)據(jù)挖掘與運用。通過有效應用銅冶煉電氣自動化控制技術(shù)，提高自動化、信息化水平，生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品，是提高銅冶煉企業(yè)競爭力的有效措施。在目前的銅冶煉電氣自動化控制技術(shù)中，對于數(shù)據(jù)的挖掘和運用同樣日益完善，數(shù)學模型、控制算法等在自動化控制系統(tǒng)中的應用，可以提高銅冶煉電氣自動化控制技術(shù)的應用價值。

4 結(jié)語

綜上，隨著科學技術(shù)的進步，當前銅冶煉技術(shù)也在不斷創(chuàng)新、優(yōu)化，氧氣頂吹煉銅、浸沒頂吹熔煉等銅吹煉技術(shù)以及富氧強化熔煉、閃速熔煉等銅熔煉技術(shù)的產(chǎn)生與應用，為推動提高銅冶煉效率；做出了重要貢獻。同時，為實現(xiàn)銅冶煉生產(chǎn)質(zhì)量的提高，應積極應用電氣自動化控制技術(shù)，提高了銅冶煉生產(chǎn)的自動化、智能化水平。