火法冶煉中富氧空氣濃度的測量與調節(jié)

楊帆

廣西南國銅業(yè)股份有限公司 廣西 崇左 532199

引言

富氧空氣的濃度與富氧空氣的流量在火法冶煉中是很關鍵的參數(shù)，通過這兩個參數(shù)換算出來的總氧量與入爐物料的配比直接關系到了中間產品是否合格，甚至是直接關系到爐座的安全問題。從控制富氧空氣濃度與流量的角度出發(fā)，空氣管道上要安裝調節(jié)閥與流量計，氧氣管道上也同樣要有調節(jié)閥和流量計。而空氣的氧濃一定，氧氣管道的氧濃也是可知的，通過兩個管道的流量就可以換算出混合后的氧濃。那么是否還需要再在混合后的官道上安裝一臺氧濃在線分析儀？而氧濃的調節(jié)中，控制閥控制邏輯不合理，調試不當，都將導致混氧后的氧濃波動大，控制效果差，不能實現(xiàn)真正的自動控制，甚至會出現(xiàn)生產事故。

1 用流量計換算出混合后的氧濃

假設空氣管道的流量是f1（單位：Nm3/h），氧氣管道的流量是f2（單位：Nm3/h），氧濃是a1%；則總氧量為：21%×f1+a1%×f2；總流量為：f1+f2；所以有混氧后的氧濃：

流量f1、f2通過流量計測量得出實時值，氧濃a1由上游的氧濃分析儀提供或者是固定濃度（比如由液氧，氣化而成的氧氣可以按98%~100%的氧濃計算）。而流量計的選擇，建議選擇熱式質量流量計。因為孔板流量計、巴類流量計這些節(jié)流元件類的流量計只是在計算書里規(guī)定的壓力下，才能保證測量的準確度，如果壓力有變化，也將導致流量測量存在不小的誤差。當調節(jié)閥動作，隨著流量的變化，壓力也是有變化的。因此導致誤差不穩(wěn)定，用補償系數(shù)的方法也不能使流量保持精準。而熱式質量流量計由于測量原理不同，壓力變化對精度的影響非常小。同時，此處的氧氣與空氣都是經過干燥的，不用擔心含水量高影響熱式質量流量計的測量精度。在這些關鍵的測量點上，選擇價格稍微貴一些的熱式質量流量計也是值得的[1]。

實際應用中，選用一些國外一線品牌的熱式流量計。用空氣流量和氧氣流量計算出來的混合后的氧濃，與剛標定過的氧濃在線分析儀（也是國外一線品牌）做對比，兩者間的偏差在1%的范圍內，而這個偏差是穩(wěn)定的。用流量來計算氧濃，建議濃度數(shù)值取 30秒內的移動平均值（按順序取一定數(shù)量的數(shù)據(jù)并算得其全部算術平均值，得到的數(shù)據(jù)就叫作移動平均值），保證計算出來的氧濃不會出現(xiàn)頻繁的波動。但要注意，氧氣和空氣流量在程序上不要再取30秒內的移動平均值，否則就會出現(xiàn)閥門調整開度后，濃度變化過于滯后的情況。而流量計的內部參數(shù)中，阻尼時間也不能設置過大，阻尼時間建議在5秒以內。如果流量計的阻尼時間大，一是也會使計算氧濃的變化過于滯后，二是與流量相關的當閥門投入自動，根據(jù)流量進行PID調節(jié)時，也會因為阻尼時間大導致PID控制滯后，影響到閥門的自動調節(jié)。

在實際控制中，總氧量/入爐物料（氧料比），這個比列是操作人員需要根據(jù)爐子的溫度、中間物料化驗的結果等因素進行微調的。也就是只要氧濃的偏差是穩(wěn)定的。操作人員就可以把這個固定比列的誤差，歸到氧料比的調整里面。所以用流量計算出來的氧濃，完全可以運用到實際生產中，而且是可以保證精度和穩(wěn)定性的。當然在一些特定情況下，這種方法也是存在一定的局限性。

往往在混氧點后，都會設計有一個放空調節(jié)閥，用于緊急放空，或者調整入爐總風量，抑或者調整壓力時需要打開一定開度。如果此放空閥安裝位置離混氧點很近時，會出現(xiàn)沒混合均勻就放空，排放出去的氣體就不按比例了。此時用流量計換算出來的氧濃就不是實際的入爐混合氣體的氧濃了，而且存在誤差的不確定性。此時就需要在靠近爐子的位置安裝氧濃分析儀來測量入爐風的真正氧濃。從這點也可以看出，安裝放空閥時，一定要遠離混氧點，不然沒混合均勻就放空掉了。存在的不確定性，對生產的控制會造成一定的影響。

2 氧氣在線分析儀

上面提到了在什么情況下一定需要安裝氧氣在線分析儀，理論上，避免在混氧點附近設置放空閥，氧氣在線分析儀是可以省掉的。如果是一個年產量很大的爐子，而且又必須是連續(xù)生產的。多裝一個氧氣在線分析儀是可以做到對比的作用，而且在線分析儀還可以與用流量算出來的氧濃做到一個互為備用的關系。當一方出現(xiàn)故障時，程序上可以快速切換成另一個數(shù)值進行氧料比計算，避免生產事故，甚至是停爐。如果是一個不怎么重要的爐子，為了節(jié)約設備成本，保證流量計準確的情況下，可以省掉一套氧氣在線分析儀。

然而，在線氧濃分析儀也會在特定的情況下，不能準確地反映出真實的入爐混氧濃度。當沒有混氧器，空氣和氧氣直接混合到總管上，而且混合點離入爐點又很近時，有可能會出現(xiàn)氧氣和空氣沒有均勻混合的情況。此種情況如果安裝在線分析儀很可能測量的氧濃與真實值會有比較大的出入。而用流量計算出的氧濃就能避免這種情況。從這種情況也可以看出，在線分析儀安裝在離爐子近，離混氧點遠的位置才是合理的[2]。

3 富氧空氣濃度調節(jié)的控制

閥門的選用，從安全的角度上說，必須選擇氣動閥。因為氣動閥能做到故障時全關，特別是兩臺截止閥必須故障時處于全關狀態(tài)。氣動閥還可以做到故障時全開，放空閥就需要故障時全開。而且氣動閥的動作比電動閥更迅速。從執(zhí)行器上來說，氣動執(zhí)行器比電動執(zhí)行器更耐用，故障率更低。還要注意，氧氣管道和富氧管道上的閥門安裝前需要禁油脫脂，避免使用過程中發(fā)生著火，出現(xiàn)安全事故。還建議控制閥門都要配上手輪，一是方便判斷閥門是否存在機械卡死現(xiàn)象，二是當執(zhí)行器出現(xiàn)故障時，或者沒接儀表壓縮氣前，能夠臨時手動控制開度，以便對管道進行吹掃等其他操作。

如果富氧空氣總管沒有放空閥，或者說放空閥一般都不會打開的情況下。可以在DCS或PLC上做相關程序，自動計算出氧氣管道的需要的流量和空氣管道的流量。只要操作人員輸入所需的總的入爐風量f總，和混氧濃度a%。我們就可以根據(jù)公式（1）算出：

分別用PID模塊控制對應閥門的開度。f2和f1就分別是兩個閥門PID控制的目標值，而兩個流量計的實時流量就是PID控制的實時值。我們在真正使用前，一定要先實際調試，經過反復修改PID參數(shù)來實現(xiàn)對閥門的穩(wěn)定控制。

一般情況下，總氧量和投料量通過一個系數(shù)進行關聯(lián)。確定料量，那氧量就根據(jù)料量自動算出。設定好混氧濃度，就可以用PID對調節(jié)閥進行自動控制。反過來，如果兩個調節(jié)閥開度確定了，就基本相當于總氧量確定了，反過來PID控制皮帶進行頻率的調節(jié)。兩種自動控制的方法，哪種適用性更強？

通過實踐，先確定總氧量，然后通過控制系統(tǒng)輸入固定閥門開度，讓風量達到穩(wěn)定值；如果比需要的總量低，則需繼續(xù)把閥門打開一定的開度，反之亦然；再讓皮帶進行自動調節(jié)這種方法更穩(wěn)定。因為閥門開度變化一點，風量就會變化很多，所以很難讓PID調節(jié)的風量達到穩(wěn)定。而輸送皮帶往往是同時運行幾臺，某臺輸送皮帶的波動相對總的料量影響就沒有那么大了，相當于波動被分攤了；甚至是可能正負波動相互抵消了，這樣總的波動就沒那么大了。

假設放空閥是偶爾需要打開的，這就讓入爐總風量無法確定，需要在放空閥后倒入爐前，安裝一臺測總管流量的流量計，建議還是采用熱式質量流量計。但并不影響用氧氣流量計和空氣流量計換算出氧濃，但是只能“定風控料”了。用氧濃和總管流量計相乘算出總氧量來控制下料量。需要注意的是，在“定風控料”的前提下，氧濃的波動不大，主要的變動在混氧后的總管流量計。為了保持自動控制時，皮帶秤的總流量不存在大的波動，可以在氧濃與總流量相乘后，得出的總氧量，取30秒內的移動平均值[3]。

4 結束語

安裝使用精度較高，穩(wěn)定性較好的國外一線品牌的熱式質量流量計（建議不要選用孔板、巴類等節(jié)流元件類的流量計，因為變化的工況下，誤差不穩(wěn)定），用氧氣流量和空氣流量計算出來的混合氣體的氧氣濃度是相對準確的，對于火法冶煉來說，這個精度是足夠的。即使稍有偏差，也可以通過長期的使用，通過經驗總結，在氧料比的設定上把這個偏差消除。

氧氣和空氣沒有混合均勻就進入爐子時，用流量計算出來的氧濃比在線氧濃分析儀更值得信賴。如果沒有混合均勻就放空了一部分氣體，在靠近入爐點的地方安裝在線氧濃分析儀，得到的氧濃數(shù)據(jù)比流量換算出來的氧濃更準確。所以，氣體混合的地方要遠離爐子，讓入爐的混合氣體混合均勻。混氧后的放空閥也要遠離氣體混合的地方，而在線分析儀安裝在離爐子近，離氣體混合地方遠的位置才是合理的?？紤]到調節(jié)閥需要與流量計配合使用，空氣管道和氧氣管道的流量計往往是需要安裝的。而氧氣在線分析儀需要考慮生產需要，綜合考慮成本，選擇性安裝。

氧氣和空氣管道的調節(jié)閥、截止閥、放空閥都應該采用氣動控制閥門，而且要正確選擇閥門的故障位置，安裝前要禁油脫脂，閥門還建議配手輪，以方便調試。氧濃、流量的控制通過調節(jié)閥進行。閥門的PID調節(jié)的參數(shù)一定要實際調試，切不可不調試就直接投入生產。為了閥門PID調節(jié)的響應速度達到要求，熱式質量流量計的阻尼時間建議設置在5秒以內。

與投料聯(lián)動的自動控制方案更建議“定風控料”，它比“定料控風”的波動更小，更加穩(wěn)定。需要注意的是“定風”具體是指，閥門開度在一定時間內是固定不變的，是手動調整的，風量也會是穩(wěn)定的。而不是輸入一個固定風量，讓閥門通過PID控制一直自動調節(jié)開度。其實最便捷的方法是：輸入需要的風量和氧濃，然后讓閥門自動，當閥門自動調整開度，氧氣和空氣的風量都基本穩(wěn)定在目標值附近時，把閥門切回手動，如果風量和氧濃稍有偏差，可以手動微調閥門開度?！翱亓稀笔侵福鶕?jù)入爐風量、入爐氧濃、氧料比等參數(shù)計算出實時的總料量，分配給相應的輸送皮帶（帶有變頻和計量功能），由輸送皮帶通過PID調節(jié)進行給料量調節(jié)。并不是所有的地方都用全自動控制就是最好的方案，自動控制點越多，會讓整個系統(tǒng)的振蕩越頻繁，越難穩(wěn)定。在火法冶煉中，穩(wěn)定配料是一個很關鍵的要素，因此“定風控料”這種半自動的控制方式是目前最適合的方案。