銅轉(zhuǎn)爐冶煉操作優(yōu)化及智能控制應(yīng)用

紀(jì)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(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如何降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，需通過(guò)生產(chǎn)過(guò)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(jìn)行科研攻關(guān)，在2號(hào)轉(zhuǎn)爐設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套全自動(dòng)智能控制系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)將吹煉過(guò)程反應(yīng)體系變化的非線性描述轉(zhuǎn)化為實(shí)用的程序指導(dǎo)從而優(yōu)化轉(zhuǎn)爐工藝生產(chǎn)。通過(guò)在線連續(xù)檢測(cè)顯示轉(zhuǎn)爐煙氣成份變化曲線有效解決工藝過(guò)程傳統(tǒng)的人工目測(cè)渣銅樣造成終點(diǎn)判斷誤差的技術(shù)難題并達(dá)到穩(wěn)定爐溫，提高爐壽命，實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定生產(chǎn)［1］。

2 銅轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程檢測(cè)應(yīng)用

銅轉(zhuǎn)爐在銅的火法生產(chǎn)中，通過(guò)閃速熔煉獲得的銅锍要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)爐吹煉，進(jìn)一步除去鐵、硫等雜質(zhì)。銅吹煉過(guò)程按造渣期和造銅期分別進(jìn)行質(zhì)量控制［2］。造渣期工藝指標(biāo)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(dá)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(guò)程工作流程圖

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

根據(jù)銅锍吹煉原理，造渣期主要任務(wù)是盡量除盡Fe。通過(guò)連續(xù)檢測(cè)熔體Fe濃度變化以判斷Fe脫除情況難以實(shí)現(xiàn)，尋求一種能通過(guò)爐外連續(xù)檢測(cè)某種物質(zhì)濃度變化來(lái)推斷Fe濃度變化是本技術(shù)的構(gòu)思要點(diǎn)。因此造渣期只要監(jiān)測(cè)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(gè)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(qiáng)度的變化與熱動(dòng)態(tài)計(jì)算的結(jié)果相一致。在接近造渣階段結(jié)束的時(shí)候，PbS蒸汽壓力下降并且PbO蒸汽壓力上升。蒸汽壓力的相對(duì)變化與觀察到的PbO和PbS發(fā)射強(qiáng)度的變化是相對(duì)應(yīng)的。臨近造渣階段結(jié)束，PbO光譜的強(qiáng)度相對(duì)于PbS光譜的強(qiáng)度有所增加。通過(guò)在造渣階段連續(xù)監(jiān)測(cè)PbO/PbS強(qiáng)度的比值，能夠確定造渣階段的終止點(diǎn)。PbO、PbS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為光學(xué)和電學(xué)兩大部分，光學(xué)部分包括望遠(yuǎn)鏡、光纖和光譜儀；而電學(xué)部分則由探測(cè)器，數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)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(guò)PbS和PbO絕對(duì)發(fā)射強(qiáng)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(duì)于PbS，其相對(duì)強(qiáng)度變化明顯，從圖3中可以看出在不同時(shí)期由于S含量的不同造成PbS發(fā)射強(qiáng)度的變化。從S期的0.9上升到B期的1.01，變化明顯，通過(guò)PbO/PbS可以確定兩個(gè)階段。

圖3 S期、B期內(nèi)PbS和PbO絕對(duì)發(fā)射強(qiáng)度變化曲線

2.2 轉(zhuǎn)爐造銅期在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

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

本設(shè)計(jì)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(cè)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(guò)測(cè)量池吸收后，通過(guò)光纖進(jìn)入光譜儀，經(jīng)過(guò)光譜儀分光、探測(cè)器采集后的光譜信號(hào)通過(guò)串口，輸入到工控機(jī)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(lái)說(shuō)確定當(dāng)轉(zhuǎn)爐內(nèi)SO2濃度小于6%時(shí)，可以認(rèn)為造銅期的結(jié)束［5］。圖5為轉(zhuǎn)爐內(nèi)SO2濃度隨時(shí)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(diǎn)預(yù)報(bào)模型的軟件設(shè)計(jì)

銅轉(zhuǎn)爐吹煉工藝過(guò)程數(shù)學(xué)模型軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)面向現(xiàn)場(chǎng)操作人員，使用在當(dāng)今世界內(nèi)廣泛流行的操作系統(tǒng)和語(yǔ)言環(huán)境進(jìn)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(jiàn)圖7，在主窗體上方，除了配有Windows程序的標(biāo)準(zhǔn)菜單欄和工具欄外，在其右邊還設(shè)有主控工具欄。點(diǎn)擊主控工具欄中的＜優(yōu)化決策＞或＜動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)＞圓形按鈕，可分別將對(duì)應(yīng)狀態(tài)的界面切換至前臺(tái)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(xué)成分以吹煉投料計(jì)劃安排，動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)工作界面用于吹煉過(guò)程在線終點(diǎn)預(yù)測(cè)。同時(shí)主窗體中的6個(gè)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(guò)程仿真系統(tǒng)主界面

3 應(yīng)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(shí)施和應(yīng)用，先后對(duì)近30余爐次吹煉過(guò)程進(jìn)行了在線實(shí)時(shí)應(yīng)用對(duì)比。表1列出了其中連續(xù)20爐造銅期終點(diǎn)預(yù)測(cè)與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)操作終點(diǎn)的對(duì)比數(shù)據(jù)，系統(tǒng)預(yù)報(bào)的全程吹煉終點(diǎn)與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)操作終點(diǎn)平均誤差為±8min。結(jié)果表明：智能控制的結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際吻合性較為滿意，提高PS轉(zhuǎn)爐的送風(fēng)時(shí)率，降低銅冶煉綜合能耗，能全面指導(dǎo)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(shí)現(xiàn)銅轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程智能自動(dòng)控制［6］。

表1 控制系統(tǒng)預(yù)報(bào)的全程吹煉終點(diǎn)與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)操作終點(diǎn)比較