DCS在卡爾多爐處理陽極泥過程控制的應用

祝智宏 王澤霞

（銅陵銅冠信息科技有限公司自動化部 安徽 銅陵 244000）

0 概述

卡爾多爐是一個既可以前后傾轉(zhuǎn)又可以繞爐子中心軸線轉(zhuǎn)動的冶煉爐，它是目前世界上技術(shù)先進的富氧頂吹法冶煉鉛、銅、陽極泥及貴重金屬的裝備之一，具有節(jié)能、工藝流程短、自動化程度高，綜合回收率高、能夠滿足當前嚴格的環(huán)保要求等優(yōu)點?？柖酄t處理銅電解陽極泥技術(shù)，是某稀貴金屬公司于2007年Outotec公司引進。

了解工藝，熟悉它的典型控制回路和連鎖點，便能更快得消化和掌握卡爾多爐控制策略，從而為設(shè)計、安裝調(diào)試該控制系統(tǒng)贏得時間。

1 工藝介紹

整個工藝主要流程為如圖1所示。

其主要工藝流程有:常壓浸出、壓力浸出、干燥、熔煉、煙氣凈化、硒回收工序等工序。

常壓浸出工序：浸出始液制備后，在攪拌的條件下，向浸出槽加入陽極泥。泥漿加熱至約80－85℃，并通過浸沒式管道通入氧氣。浸出完成后，使陽極泥沉積一段時間。過濾槽內(nèi)的溶液用壓濾機進行過濾，濾液收集到緩沖槽。

圖1 工藝主要流程

壓力浸出工序：常壓浸出后陽極泥漿泵入反應釜，然后用高壓蒸汽加熱陽極泥漿，此時壓力大約為200kPa。沖洗后，關(guān)閉所有的閥門，并通氧直到反應釜壓力達到860kPa時，自動停止供氧。通過冷凝器，將蒸汽放出，將陽極泥冷卻，送入緩沖槽并進一步冷卻至＜80℃。在壓濾機中壓濾浸出后陽極泥。濾液收集入Ag/Se沉積槽，得到的濾餅沉積銀進入卡爾多爐，合格的濾液泵入銅電解。

干燥工序：濾餅由螺旋輸送機匯集，并輸送至料倉。料倉將浸出陽極泥加入漿葉式干燥機，用蒸汽間接加熱。干燥后物料匯集到儲料倉。

熔煉工序：通過船形加料器加入潮濕物料，第一批物料熔煉后，將加料倉中的干燥物料和（或）吹煉渣加入爐內(nèi)。熔煉物料“充滿”卡爾多爐，還原階段開始，還原硒和全部的貴金屬。結(jié)束后熔煉渣放入渣包，放渣后，開始吹煉。陽極銀放入金屬包，然后金屬包轉(zhuǎn)入感應爐內(nèi)。

煙氣凈化工序：卡爾多爐的工藝煙氣經(jīng)文丘里系統(tǒng)進入濕式電收塵（高負壓下運行），濕式電收塵后有兩個文丘里風機，文丘里風機排出的煙氣直接進入吸收塔。硒沉積的通風煙氣也直接進入有一個吸收SO2氣體的循環(huán)系統(tǒng)的吸收塔，凈化煙氣從煙道排出。

硒回收工序：煙氣凈化溶液首先用蒸汽直接加熱至75－80℃，再把SO2通入溶液，沒有反應的SO2經(jīng)過通風設(shè)施進入吸收塔。沉積后采用壓濾機過濾，濾餅洗滌后，產(chǎn)出＞99.5%的粗硒。一次沉積的濾液重復前面工序，二次沉積，二次沉硒返回卡爾多爐，濾液部分用于銅浸出工序，過量溶液送入廢水處理。

2 工藝要求及系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)工藝要求，為安全穩(wěn)定地生產(chǎn)，減少故障發(fā)生和提高生產(chǎn)效率，卡爾多爐的自動控制主要包括如下內(nèi)容：

采用ABB 800F DCS控制系統(tǒng)實現(xiàn)熔煉過程的數(shù)據(jù)采集、控制管理等功能，控制器為1：1冗余?？刂破骺梢栽诓恢袛嗾谶\行的程序或?qū)⒖刂妻D(zhuǎn)換至后備處理器的情況下，具有在線編程和修改的能力。在熔煉車間設(shè)置車間主控制室和現(xiàn)場控制柜、電氣控制柜。主控室設(shè)置有計算機操作員站和頂吹轉(zhuǎn)爐操作臺，現(xiàn)場控制柜、電氣控制柜采用遠程I/O站。各現(xiàn)場控制單元和操作員站通過現(xiàn)場控制總線profibus-dp連接，數(shù)據(jù)資源共享?？刂葡到y(tǒng)原理圖見圖2。

控制系統(tǒng)采用分布式配置，2個DCS控制器集中配置在熔煉車間的現(xiàn)場控制柜內(nèi)，控制相對獨立的工藝流程?，F(xiàn)場工藝控制點相對集中的地方，采用遠程I／O柜的方式配置，I/ O卡和控制器通信卡都安裝在I/O柜內(nèi)。I/O柜分布于設(shè)備內(nèi)部（或附近），以減少其與轉(zhuǎn)換器和變送器等裝置之間的連接線纜的長度和便于維護?？柖酄t轉(zhuǎn)動調(diào)速變頻器也通過profibus-dp與控制器通訊。

頂吹轉(zhuǎn)爐操作臺可以為頂吹轉(zhuǎn)爐和噴槍提供很好的操作控制。它被安裝在控制室內(nèi)，控制臺前面是安全玻璃窗，安全玻璃窗正面對頂吹轉(zhuǎn)爐所在的車間。

操作臺由裝配了監(jiān)視器的PC視窗組成。操作臺可以為操作員提供所有必須的工藝信息，包括報警、測量值，曲線圖。操作員還可以通過控制臺控制PID控制器，電動機，自動閥門等等。

3 系統(tǒng)功能

根據(jù)以上要求和硬件配置，通過軟件編程實現(xiàn)以下主要功能。

1）人機界面

（1）所有的過程檢測參數(shù)(包括電氣設(shè)備的運行、啟停和故障信號)都納入計算機監(jiān)控系統(tǒng)，以使操作人員全面掌控卡爾多爐的生產(chǎn)流程。數(shù)據(jù)一般分為：

A、生產(chǎn)關(guān)鍵參數(shù)(影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量)；

B、生產(chǎn)安全參數(shù)(涉及設(shè)備安全和人身安全)；

C、一般性參數(shù) (便于操作人員了解和操控整個工藝過程)。

（2）由于數(shù)據(jù)量比較大，系統(tǒng)在組態(tài)時，通過不同的標識將其在CRT上作適當?shù)膮^(qū)分，以便于操作人員及時掌握重要訊息，快速處理突發(fā)事件。

（3）操作站為操作員提供以下幾類畫面：總貌畫面、分組畫面、單點畫面、趨勢畫面、報警畫面、分析數(shù)據(jù)畫面、流程圖畫面 (按照工藝流程利用系統(tǒng)提供的圖形生成軟件繪制背景圖，再嵌人多種動態(tài)數(shù)據(jù)顯示方式，包括數(shù)值顯示、棒圖、跟蹤曲線、開關(guān)變圖、開關(guān)變色等，形象展示生產(chǎn)工藝過程)；以及報表數(shù)據(jù)的收集和打印。

（4）對報警、連鎖、操作指令的變化等事件及日期、時間作為歷史數(shù)據(jù)加以儲存。

2）典型檢測與控制

（1）壓力釜溫度檢測與控制：

控制單元通過PID調(diào)節(jié)進入壓力釜蒸汽流量大小來控制壓力釜反應液的溫度；加氧前溫度控制在110-140℃，加氧后反應釜內(nèi)溫度通常為150-165℃。鑒于壓力釜內(nèi)有氧濃很高、壓力較大、泥漿需要攪拌，保護管要同時滿足強度和抗腐蝕性要求，采用鈦2（或254SMO）保護管。

（2）壓力釜壓力檢測與控制：

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

壓力釜壓力小于低值時，0200壓力釜的泵，0200_XV3、0200_XV4、0200_XV5、0200_XV6

（3）壓力釜氧氣流量檢測與控制：

控制單元通過調(diào)節(jié)閥門開度，調(diào)節(jié)進入壓力釜氧氣流量大??；氧流量按工藝曲線圖采用批量給定方式控制。

（4）壓力釜液位、給料量的控制：

γ射線料位計檢測壓力釜液位；通過電磁流量計和用γ射線密度計對高壓釜泥漿進行流量和濃度的檢測，經(jīng)DCS計算出泥漿的干量值（即沒有水份陽極泥的質(zhì)量），當壓力釜液位高、干量值達到設(shè)定值時，停止壓力釜輸料泵的運行。

（5）干燥機的溫度控制：

干燥機旋轉(zhuǎn)后通過蒸汽加熱，干燥機的輸出物料處設(shè)置溫度測量儀表，該溫度應該為105－110℃。蒸汽管道上裝有開關(guān)控制閥，干燥器出口物料溫度低于105℃打開閥門，溫度高于110℃關(guān)閉閥門。

（6）干燥機壓力控制：

干燥機內(nèi)既要保持為負壓，同時又要盡量減少通風量來使布袋收塵器的煙氣量最小，干燥機布袋收塵器前使用變頻風機，滿足生產(chǎn)對流量或壓力的要求，又能最大限度地節(jié)能，同時可以減少嘯聲和振動。

（7）卡爾多爐轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)：

不同的操作階段，卡爾多爐旋轉(zhuǎn)的速度不同。因交流電動機價格低、可維護性好，調(diào)速性能好，本系統(tǒng)采用交流控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用DCS與ABB ACS800標準型變頻器相結(jié)合，運用直接轉(zhuǎn)矩控制方式，直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器所控制的對象是電機的轉(zhuǎn)矩電流，再通過控制轉(zhuǎn)矩電流來實現(xiàn)對定子電流的控制，實現(xiàn)了精確的轉(zhuǎn)矩控制，滿足控制要求?？柖酄t的旋轉(zhuǎn)由兩臺交流電機同時驅(qū)動，且需要以相同的速度／轉(zhuǎn)矩運行，因此，本次設(shè)計采用一主一從的控制方式。

（8）爐體轉(zhuǎn)動、傾轉(zhuǎn)及噴槍升降、加料聯(lián)鎖控制：在加料和出多爾合金（陽極銀）／渣時爐體還要作傾斜動作，卡爾多爐內(nèi)的噴槍升降與轉(zhuǎn)動、傾轉(zhuǎn)聯(lián)鎖。加料倉、船形加料器加料與爐體位置聯(lián)鎖；同時考慮系統(tǒng)的安全性和操作方便靈活，為此，在主控室設(shè)置有卡爾多爐專用設(shè)備運行操作臺，操作臺上設(shè)有操作手柄，按鈕和指示表，便于工人操作。

（9）精礦加料／風量配比控制：每批加入爐內(nèi)的物料，浸出后的銅陽極泥及各種熔劑，如Na2CO3、石英石、鉛/氧化鉛、焦粉，濾塵、硒沉積、沉積銀和吹煉渣，按照一定的配比送到卡爾多爐加料倉。這些物料的計量和控制采用批稱量減重系統(tǒng)和配方控制來實現(xiàn)（根據(jù)物料屬性，底部采用采用測速傳感器的螺旋輸送機）。由設(shè)備制造商提供一次測控元件和控制要求，再由DCS系統(tǒng)組態(tài)完成其功能。

（10）氧油燃燒配比控制

卡爾多爐裝有兩支噴槍，一支吹煉噴槍用于噴射壓縮空氣與氧氣，另一支燃燒噴槍用于噴射氧氣和燃油。重油燃燒噴槍、氧氣/空氣吹煉氧氣和燃油按比例噴人爐內(nèi)，根據(jù)不同的工況，氧氣的用量也是不斷變化的?？刂茊卧O(shè)置為氧流量按工藝曲線圖采用批量給定方式控制，燃油流量則按比例隨氧量的變化而改變。

（11）噴槍、煙罩冷卻系統(tǒng)

噴槍和煙罩工作時，處于高溫環(huán)境，必須采取冷卻措施。工藝采用的是密閉式循環(huán)水冷降溫方式，控制單元通過調(diào)節(jié)進入熱交換器冷端流量的大小控制循環(huán)水的溫度，同時監(jiān)測其流量和壓力的變化，并隨時補充水量。一旦變化超過設(shè)定值，就與相關(guān)設(shè)備(噴槍、水泵、閥門、爐體等)進行聯(lián)鎖，以確?？柖酄t安全運行。

（12）洗滌器系統(tǒng)差壓、流量、溫度控制

整個工藝采用降溫除塵效果比較好的文丘里洗滌器?？刂茊卧ㄟ^調(diào)整文丘里的物理結(jié)構(gòu)和通過變頻調(diào)節(jié)文丘里風機的轉(zhuǎn)速來穩(wěn)定文丘里洗滌差壓。文丘里頸部循環(huán)溶液流量小于低低值時，或者卡爾多爐爐體到驟冷器、文丘里管至氣液分離器之間的煙道大于高高值時，燃燒噴槍或吹煉噴槍將會自動撤回。

（13）吸收塔pH調(diào)節(jié)

吸收塔有一個吸收SO2氣體的循環(huán)系統(tǒng)。當溶液pH＜8時，加入NaOH。并經(jīng)常從中排放掉一部分循環(huán)溶液。因為卡爾多爐也產(chǎn)生SO2煙氣，沉積硒時，溶液pH必須保持在3－4。這可以通過加入NaOH來實現(xiàn)。pH要安裝在測量具有代表性且傳感器始終浸沒在溶液內(nèi)部的地方。

（14）硒沉積槽溫度液位控制

一次硒沉積槽溫度、液位要與文丘里泥壓濾器壓濾機泵的啟停、粗硒壓濾機壓濾機泵的啟停、送硒沉積槽的SO2、蒸汽的開關(guān)閥的開關(guān)連鎖；二次硒沉積槽溫度、液位要與文丘里泥壓濾器壓濾機泵的啟停、粗硒壓濾機壓濾機泵的啟停、二次沉積壓濾機送硒的啟停、沉積槽的SO2、蒸汽的開關(guān)閥的開合連鎖。

（15）粗硒精制系統(tǒng)檢測與控制

每臺氧化爐加溫為梯度順序控制。第一段爐腔預加熱（無溫控），當溫度升至400℃時停止加溫，當?shù)诙螤t腔溫度受控并加熱至680℃時，再加熱第三段溫度。每臺氧化爐第三段恒溫控制。當?shù)谌螠囟纫?80℃時，爐腔將保持恒溫。溫度測量與控制可控硅溫度控制器來實現(xiàn)，即熱電偶采集信號通過pid溫度調(diào)節(jié)器測量和輸出4～20ma控制觸發(fā)板控制可控硅導通角的大小，從而控制主回路加熱元件電流大小，使電阻爐保持在設(shè)定的溫度工作狀態(tài)。Pid最好使用溫度控制器自帶算法來實現(xiàn)（由于電阻爐純滯后特點，pid設(shè)計采用大林控制算法，使系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)具有帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，使要求純延遲時間等于被控對象的純延遲時間）。

3）典型連鎖及報警

在斷電、緊急停車、噴槍定位故障或液壓裝置故障等情況下，燃燒噴槍或吹煉噴槍將會自動撤回。

在控制臺、控制室出入口處、液壓控制室設(shè)有緊急停車按鈕，在緊急情況下只要有一個緊急按鈕被按下，噴槍將會從爐內(nèi)自動縮回、停止爐體傾轉(zhuǎn)。

用液位開關(guān)檢測各泵前管道液體，液位低時（未滿管），自動停泵；泵后閥門故障、或堵料（流量過低），也要自動停泵。

硫酸儲槽液位高高、壓力釜溫度高高報警、壓力釜壓力高高報警、壓力釜氧氣壓力高高、壓力釜蒸汽壓力高高、陽極泥干燥機干燥后溫度低低、卡爾多爐應急水箱液位高高、低低，文丘里風機溫度高高，吸收塔循環(huán)槽液位低。

4 探討與結(jié)語

目前，貴金屬生產(chǎn)系統(tǒng)平衡主要依托月度盤點的平衡表反映，該表的內(nèi)容都是靠人工錄入，計量和實驗分析的數(shù)據(jù)都不能做到及時準確的反映生產(chǎn)平衡，具有很大的滯后性和不準確。而且數(shù)據(jù)都是紙質(zhì)傳播，讀取和分析都不能方便，容易造成分析結(jié)果不真實。所以設(shè)計一套生產(chǎn)平衡監(jiān)控系統(tǒng)，將現(xiàn)場的計量數(shù)據(jù)與實驗分析數(shù)據(jù)集成為一體，這樣可以實時跟蹤與分析的生產(chǎn)中各項要求的數(shù)據(jù)，加強物料平衡的管理,有利于及時發(fā)現(xiàn)物料的誤用和非正常流失,確保產(chǎn)品的質(zhì)量。

按職能范圍確定數(shù)據(jù)來源，明確數(shù)據(jù)錄入與更新時間，設(shè)定相應計算公式，通過必要的參數(shù)修正，適時反應金屬平衡的直收率、綜合回收率等情況。

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