一種在線銅透氣底吹智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究

嚴(yán)明

（江西瑞林電氣自動化公司，江西 南昌 330038)

隨著近年來中國銅工業(yè)的快速發(fā)展，銅冶煉廠數(shù)量越來越多，生產(chǎn)規(guī)模也越來越大。目前，火法精煉的產(chǎn)品是銅品位達(dá)99.0%～99.6%的粗銅，主要通過陽極爐粗銅精煉或者廢雜銅精煉實現(xiàn)[1]。隨著國家各類節(jié)能環(huán)保政策的推行，如何更好地提高生產(chǎn)作業(yè)率、降低能量消耗，成為銅火法冶煉生產(chǎn)設(shè)備及過程控制的優(yōu)化目標(biāo)。本文擬針對銅陽極精煉過程中銅透氣底吹應(yīng)用效果不理想的情況，提出一種在線銅透氣底吹智能監(jiān)控系統(tǒng)，以期為銅火法冶煉的優(yōu)化提供參考。

1 技術(shù)背景

1.1 銅精煉工藝過程

以采用“閃速熔煉+轉(zhuǎn)爐吹煉+陽極精煉”工藝的銅冶煉過程為例，轉(zhuǎn)爐吹煉產(chǎn)出的粗銅由包子和吊車裝入陽極爐，首先進行氧化，通過氧化還原口向粗銅熔體中鼓入壓縮空氣，熔體中的鐵、鉛等雜質(zhì)氧化后形成爐渣；氧化期結(jié)束后，將爐渣排出，即可進入還原期[2]。還原期的任務(wù)是去除銅液中多余的氧，還原劑采用天然氣，仍由氧化還原口鼓入，控制還原期結(jié)束后的銅液銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99.3%以上。

1.2 陽極精煉現(xiàn)有吹氣模式

在陽極精煉過程中，為了提高反應(yīng)效率，需要加強爐內(nèi)熔體的傳熱傳質(zhì)效果[3]?，F(xiàn)有方法主要是通過設(shè)置由透氣磚及相應(yīng)管路組成的銅透氣底吹裝置，定期定量地向爐內(nèi)鼓入氮氣或者氬氣實現(xiàn)上述功能。但是由于銅透氣底吹裝置流量小、出口管徑小、工藝介質(zhì)成分高溫易堵、自動化程度不高等原因，造成實際應(yīng)用效果不夠理想。因此，亟待研發(fā)一種可靠、實用、方便、經(jīng)濟的銅透氣底吹監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)對熔煉爐透氣底吹的在線智能監(jiān)控，優(yōu)化透氣底吹的效果。

2 銅透氣底吹系統(tǒng)設(shè)計

本文針對上述陽極精煉現(xiàn)有吹氣模式存在的問題，提出一種銅透氣底吹系統(tǒng)，通過實現(xiàn)流量自動調(diào)節(jié)、旁路吹開、壓力/溫度監(jiān)測等功能來實現(xiàn)對陽極爐氮氣攪拌裝置的在線智能監(jiān)控。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

開功能模塊。大流量旁路吹開功能由電磁閥控制，當(dāng)氣體出口工作壓力過大時，系統(tǒng)可以判斷是否自動打開或手動打開旁路，以減輕氣體出口工作壓力，同時達(dá)到清潔透氣磚表面的效果。3）電源故障旁路吹開功能模塊。當(dāng)因流量控制器故障導(dǎo)致流過主管路的流量過低，或者電源被突然切斷時，系統(tǒng)模塊控制低流量旁路的電磁閥自打開或失電打開，實現(xiàn)緊急供氣。4）壓力/溫度監(jiān)測功能模塊。在每個管線出口端都安裝壓力傳感器以監(jiān)測管線動態(tài)壓力；同時，系統(tǒng)還接收透氣磚溫度檢測信號，觀察透氣磚的實時工作狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)配置

通過對系統(tǒng)功能需求的分析，將整個控制過程設(shè)計為4個主要模塊。1）流量自動調(diào)節(jié)功能模塊。將系統(tǒng)連入氮氣，通過專用的氣體質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)氣體流量。質(zhì)量流量控制器由氣體質(zhì)量流量計和比例調(diào)節(jié)閥兩部分組成，其中質(zhì)量流量計測量氣體具有免除壓力和溫度補償?shù)膬?yōu)點[4]。2）大流量旁路吹

2.2.1 主要配置方案

本監(jiān)控系統(tǒng)由1個氣控柜和1個電氣柜組成。系統(tǒng)通過在不同階段調(diào)節(jié)不同的流量，精確控制每塊透氣磚的送氣量。每塊透氣磚的氣體流量在10~200 L/min變化。操作人員在參數(shù)設(shè)定頁面進行流量設(shè)置即可。系統(tǒng)相關(guān)配置見圖1、圖2。

圖1 氣控柜布置示意

圖2 電氣柜配置（單位：mm）

2.2.2 主要技術(shù)參數(shù)

本系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)為：1）主調(diào)節(jié)管路數(shù)量為3；2）主進氣管路數(shù)量為1；3）輸入氣體管路管徑為DN20；4）輸出氣體管路管徑為DN15；5）最大輸入氣體壓強為2.0×106Pa；6）流量調(diào)節(jié)范圍為5~300 L/min；7）氮氣調(diào)壓壓強不低于6×105Pa，最好為8×105Pa；8）每個主供氣管路配一條旁通管路，設(shè)置電磁閥，電磁閥斷電開；9）主流量控制器采用4~20 mA的控制回路，0~300 L/min連續(xù)可調(diào)。

2.3.3 主要聯(lián)鎖控制

本監(jiān)控系統(tǒng)主要聯(lián)鎖說明如下。

1）當(dāng)滿足下述任一條件時，LINE1旁通電磁閥V11打開：（1）PT11高報警（大于支管壓力最大值）；（2）MFC1低報警（小于支管流量最小值）；（3）計時處于0~TIME1；（4）計時處于TIME2~TIME3。否則，關(guān)閉電磁閥V11。

2）當(dāng)滿足下述任一條件時，LINE2旁通電磁閥V21打開：（1）PT21高報警（大于支管壓力最大值）；（2）MFC2低報警（小于支管流量最小值）；（3）計時處于0~TIME1；（4）計時處于TIME2~TIME3。否則，關(guān)閉電磁閥V21。

3）當(dāng)滿足下述任一條件時，LINE3旁通電磁閥V31打開：（1）PT31高報警（大于支管壓力最大值）；（2）MFC3低報警（小于支管流量最小值）；（3）計時處于0~TIME1；（4）計時處于TIME2~TIME3。否則，關(guān)閉電磁閥V31。

4）當(dāng)系統(tǒng)為開時，打開總管電磁閥V1；當(dāng)系統(tǒng)為關(guān)時，關(guān)閉V1。

5）對于LINE1質(zhì)量流量計控制器MFC1：當(dāng)計時處于0~TIME1、TIME1~TIME2時，MFC1設(shè)定值設(shè)置為“參數(shù)設(shè)置”畫面中的人工給定值。當(dāng)計時處于TIME2~TIME3時，MFC1設(shè)定值設(shè)置為固定值20。

6）對于LINE2質(zhì)量流量計控制器MFC2：當(dāng)計時處于0~TIME1、TIME1~TIME2時，MFC2設(shè)定值設(shè)置為“參數(shù)設(shè)置”畫面中的人工給定值。當(dāng)計時處于TIME2~TIME3時，MFC2設(shè)定值設(shè)置為固定值20。

7）對于LINE3質(zhì)量流量計控制器MFC3：當(dāng)計時處于0~TIME1、TIME1~TIME2時，MFC3設(shè)定值設(shè)置為“參數(shù)設(shè)置”畫面中的人工給定值。當(dāng)計時處于TIME2~TIME3時，MFC3設(shè)定值設(shè)置為固定值20。

3 銅透氣底吹系統(tǒng)實施

3.1 系統(tǒng)運行界面

本監(jiān)控系統(tǒng)實際運行主界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)運行主界面

3.2 系統(tǒng)實施典型步驟

系統(tǒng)實施典型步驟簡述如下：1）在參數(shù)設(shè)置畫面中設(shè)置相應(yīng)模式的流量設(shè)定值，見圖4。2）設(shè)置模式循環(huán)運行時間。最大流量時間(TIME1)建議設(shè)定為5~10 s；旁通反吹時間(TIME3)建議設(shè)定為30 s；循環(huán)周期(TIME1+TIME2+TIME3)建議設(shè)定為120 s。上述建議值可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調(diào)整。正常反吹流量應(yīng)控制在200 L/min以內(nèi)，因為反吹流量太大會對透氣磚有侵蝕傷害。3）設(shè)置報警值。支管流量低限建議設(shè)定為30~40 L/min；入口壓力低限建議設(shè)定為5.0×105Pa；支管壓力高限建議設(shè)定為1.5×106Pa；溫度高限報警值建議設(shè)定為800℃。上述建議值可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調(diào)整。4）根據(jù)實際熔煉爐的所處階段，從熔化、氧化、排渣、還原、澆鑄/保溫5種模式中選擇相應(yīng)按鈕點擊。盤柜外部也有相應(yīng)功能按鈕，與觸摸屏上按鈕功能一致，互為備用。5）按下“系統(tǒng)開/關(guān)”2 s，啟動系統(tǒng)。盤柜外部也有相應(yīng)功能按鈕，與觸摸屏上按鈕功能一致，互為備用。

圖4 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置畫面

4 結(jié)語

本文提供了一種可靠、實用、方便、經(jīng)濟的熔煉爐透氣底吹在線智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用“氣控柜+電氣柜+儀表”的配置模式，將相關(guān)流量計、壓力變送器和閥門控制信號送至電氣柜的PLC進行集中監(jiān)控，通過流量自動調(diào)節(jié)、大流量旁路吹開、電源故障旁路吹開、壓力/溫度監(jiān)測等功能模塊，以及直觀的在線銅透氣底吹智能監(jiān)控人機界面實現(xiàn)了自動循環(huán)透氣底吹功能，部分實現(xiàn)了無人值守。該系統(tǒng)能節(jié)約大量的人力物力，通過自動調(diào)節(jié)，使底吹攪拌達(dá)到均勻溫度的效果，顯著縮短出爐時間，提高生產(chǎn)作業(yè)率，降低能量消耗。本研究目前處于試驗優(yōu)化階段，已投入工廠實踐。在銅火法冶煉生產(chǎn)設(shè)備及過程控制領(lǐng)域，工業(yè)優(yōu)化控制系統(tǒng)仍在朝著全面、優(yōu)化的方向不斷發(fā)展[5]。