銅冶煉電氣自動化控制技術

王桂東，姜國濤，徐鵬飛

隨著科學技術的迅速發展，銅冶煉技術也在不斷改進、優化，同時該領域也引進了各種先進的技術，推動著銅冶煉效率與質量的不斷提高。電氣自動化控制技術目前在多個領域得到了應用，將銅冶煉技術與電氣自動化控制技術有機結合起來，可推動銅冶煉的自動化、智能化發展。

1 銅冶煉技術

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

（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，再次經過轉化爐、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，在造锍環節以及吹煉環節，礦石中含有的硫會轉變為二氧化硫廢氣，進而逸散至環境之中，且難以回收，從而會給生態環境造成一定的危害。隨著科學技術的發展，近年來火法冶煉技術也在不斷推陳出新，例如白銀法、諾蘭達法、三菱法等技術等。

（2）現代濕法冶煉也是常用的銅冶煉技術之一，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，在各種先進技術的支持下，濕法冶煉技術日益改進、完善，銅冶煉領域應用現代濕法冶煉技術，可以減少銅冶煉的成本。

2 銅冶煉技術的發展

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

2.1 銅吹煉技術

銅锍吹煉是熔融銅锍經氧化造渣脫除硫和鐵產出粗銅的火法煉銅過程，通常在轉爐內完成。銅吹煉技術是一種新興的火法冶煉技術，目前得到了越來越多的應用，并在實際應用中表現出了明顯的優勢。

（1）氧氣頂吹煉銅。目前我國銅冶煉行業使用的氧氣頂吹煉銅技術有澳斯麥特熔煉、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，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，冰銅是經過溜槽進入澳斯麥特煉吹煉爐。實踐發現，澳斯麥特熔煉技術實際使用過程中，初期階段可能出現明顯的爐體晃動現象，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，后續通過對該工藝流程進行適當的改進，目前已經能夠使用澳斯麥特熔煉技術進行持續生產，但該技術使用過程中，耐火材料、噴槍使用壽命短的問題尚未得到解決。其次，氧氣頂吹煉銅技術在冶煉速度快，品種多，質量好，建設速度快，投資小等方面都有很大的優越性。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，氧氣頂吹煉銅技術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量。

（2）浸沒頂吹熔煉。作為一種新興的銅吹煉技術，浸沒頂吹熔煉技術有著諸多優勢，目前在銅冶煉領域得到了越來越多的應用。浸沒頂吹熔煉技術可以在熔池內，使氣體三相流體間、熔體、爐料等實現有效融合，能夠促進熱量傳遞速度的大幅度提高，同時還可以實現化學反應速率的加快，減少燃料消耗，提高經濟效益。在實際使用浸沒頂吹熔煉技術的時候，其噴槍豎直浸沒在熔渣層中，設備整體結構比較簡單、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，浸沒頂吹熔煉技術的原料處理方式比較簡單，原料是從爐頂被投放到爐內，并以自由落體運動的狀態進入熔池，最后與氣流攪動卷起的熔體結合起來。根據統計，目前世界上已經建成和正在建設的頂吹浸式冶煉爐已經達到36 臺，這一技術在全球范圍內廣泛應用，在整個冶金史上都是罕見的。在國內加快推進浸沒頂吹熔煉，應用于銅、鉛、鋅、錫等行業，將對提高有色冶金技術的發展起到促進作用，并取得良好的經濟效益和社會效益。

2.2 銅熔煉技術

火法冶煉技術中，銅熔煉技術是一種常用技術，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煉銅方法，有著諸多缺點與不足，例如生產設備落后、材料損耗量較高、生產效率較低等，同時會給生態環境造成嚴重的污染，煙氣難以回收制酸，經濟效益不高，此外工作環境惡劣，不利于操作人員的身心健康。鑒于此，上述技術逐漸被新興銅熔煉技術所取代，主要包括：

（1）富氧強化熔煉。實際使用該技術的時候，需要采用富氧技術，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，并用于生產硫酸或其他硫酸產品，實現能源利用率的提高，還可以減少對生態環境的破壞，從而提高銅冶煉的經濟效益。

（2）閃速熔煉。作為一種新興的銅熔煉技術，閃速熔煉技術有著一定的先進性，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的富氧空氣混合，自上而下地噴入到爐內，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。其優點是技術成熟可靠，易于實現自動化控制，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、煙灰粘結比較嚴重等問題。

3 銅冶煉電氣自動化控制技術

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

3.1 電氣自動化控制技術

目前，銅冶煉領域中應用的電氣自動化控制技術，主要包括以下兩種：

（1）PLC 技術。可編程控制器（PLC），是數字運算操作的電子系統，是專門針對工業環境而開發的，具有連接相對緊湊、操作簡單等優勢。現如今PLC 正處于迅速發展的過程中，功能不斷優化、提高，其應用范圍也在不斷擴大。PLC 最初只能實現定時、控制等方面的功能，影響著PLC 的廣泛應用。隨著科學技術的不斷進步，PLC 的智能化水平不斷提高，因此在工業環境中得到了越來越多的應用。PLC 技術有著以下幾種優勢：第一，便捷性較好。PLC 有著結構簡單、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。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場景、生產任務，僅需簡單地修改控制軟件的編程內容，便可以得到全新應用。目前，PLC 已經在多個領域得到了應用，同時其對濕度、溫度等外界環境因素的要求不高，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范生產工藝制造的，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 的整體性能比較優越，如果設備存在故障或者是某個部件發生了異常，可以被及時發現并發出警報。在接收到警報之后，相關人員可以根據PLC 的自我診斷報告對設備進行有針對性的調查，以便于提高故障處理的效率與質量。由此可見，PLC 的抗干擾能力較好。銅冶煉領域，通過應用PLC 技術，可以保障在高溫、高電壓等惡劣的工作環境中，設備、工作人員的安全。例如，物料管理系統中，通過應用PLC 技術，可以針對性地開展物料管理，對不同倉庫的物料進行統一管理，PLC技術的運算能力非常高，可以確保大規模倉庫物流管理的高效、可控，同時借助PLC 技術還可以實現全部倉庫系統通訊網絡的有效連接，建立更加完善的通訊網絡。銅冶煉領域中應用PLC技術，可以對銅冶煉生產中所獲得的數據進行快速整理、分析，進而為銅冶煉生產提供有效依據。

（2）電氣自動化元件。銅冶煉領域中，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變成可用信號的裝置，目前傳感器已經在工業領域得到了廣泛應用。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，其可以在電路中發揮轉換電路、控制電流的作用。

3.2 銅冶煉電氣自動化控制技術的特征

（1）對電子技術的依賴性較大。銅冶煉電氣自動化控制技術功能的實現，在很大程度上依靠電子技術，否則便無法實現自動化水平的提升。從監控運算到結果執行，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的支持。鑒于此，為充分發揮銅冶煉電氣自動化控制技術的作用，銅冶煉企業應加強基礎設施建設，不斷對電子技術進行改進、優化，加大專業人才培養，以充分發揮技術優勢，提高銅冶煉效率與質量。

（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中，對PLC 技術進行了有效應用。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網的功能。PLC 的存儲器具有可編制程序，可用來執行存儲邏輯運算以及順序控制、計數、定時、算術運算等操作的指令，借助數字或模擬的輸入（I）、輸出（O）接口，可實現對各種機械設備的控制。通過充分發揮PLC 技術的優勢，可實現銅冶煉生產中自動化水平的提高。

（3）技術涵蓋面較廣。銅冶煉企業的生產工藝通常屬于流程型，生產過程的持續性較強、工藝步驟繁多，且涉及到諸多復雜的物理與化學反應，同時，生產過程中存在著一些不確定性因素、突發性狀況，原燃料組分、生產技術等也可能出現變化。面對這樣的情況，為確保銅冶煉生產的順利，工作人員應根據生產工藝要求，對能量、物料、質量等進行動態化調整；為實現銅冶煉生產的有序完成，工作人員應結合實際生產工藝需求，動態化調整質量、物料、能量等；為實現產量、品質與效益的提升，應在銅冶煉生產的各個環節有效應用電氣自動化控制技術，其技術涵蓋面較廣，可以適應銅冶煉生產中的各種情況，保障銅冶煉生產的高效、高質量完成。

3.3 銅冶煉電氣自動化控制技術的發展

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

（1）實現實時控制。如果想要提高銅冶煉產品的質量，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的要求。針對銅冶煉產業的相關信息數據，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節應堅持的準則。在生產技術的創新過程中，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、積累經驗，量變引起質變，勢必可以創造出適合我國銅冶煉行業需求的電氣自動化控制技術。自動化控制系統的效仿能力非常高，生產流程保持不變的前提下，對以往生產流程進行適當調整，并根據生產流程預測大致狀況，便可以實現生產過程的優化。

（3）提高系統的可靠性。銅冶煉領域中，電氣自動化控制技術已經得到了廣泛應用，并為銅冶煉行業的發展起到了良好的促進作用。可靠性是電氣自動化控制技術最關鍵的優勢，針對銅冶煉生產過程中產生的數據進行實時收集，并進行全面分析，才能實現整個系統的可靠性。在未來發展過程中，銅冶煉電氣自動化控制技術也要從提高可靠性入手進行優化與改善，從而為促進銅冶煉行業的持續健康發展做出更好的貢獻。

（4）數據挖掘與運用。通過有效應用銅冶煉電氣自動化控制技術，提高自動化、信息化水平，生產高質量的產品，是提高銅冶煉企業競爭力的有效措施。在目前的銅冶煉電氣自動化控制技術中，對于數據的挖掘和運用同樣日益完善，數學模型、控制算法等在自動化控制系統中的應用，可以提高銅冶煉電氣自動化控制技術的應用價值。

4 結語

綜上，隨著科學技術的進步，當前銅冶煉技術也在不斷創新、優化，氧氣頂吹煉銅、浸沒頂吹熔煉等銅吹煉技術以及富氧強化熔煉、閃速熔煉等銅熔煉技術的產生與應用，為推動提高銅冶煉效率；做出了重要貢獻。同時，為實現銅冶煉生產質量的提高，應積極應用電氣自動化控制技術，提高了銅冶煉生產的自動化、智能化水平。