濕法銅冶煉廠自動化系統的設計及應用

余 堅

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330000）

銅礦資源是我國工業(yè)發(fā)展和社會進步的重要資源，開發(fā)利用及提煉工作受到政府及相關部門的高度重視，技術水平不斷提升，尤其是近些年隨著科學技術的發(fā)展，銅礦冶煉技術逐漸向著自動化和智能化發(fā)展。為了更加深入地了解濕法銅冶煉廠自動化系統的設計應用，以西北部某省區(qū)域內的大型廠區(qū)濕法煉銅為實際案例進行探討。項目位于我國西北部，首先完成銅礦資源的采集工作，主要包括礦石的粉碎，輸送，然后完成浸出、萃取和電積等一系列項目，最后完成銅礦冶煉工作。此項目投資金額高達11億美元，項目占地28.5km2，采礦區(qū)域范圍較廣。自2016年投產后陰極銅產量100kt/a。項目的銅礦采集和冶煉工作對專業(yè)技術和設備的要求較高，尤其是冶煉所用設備和料液必須符合標準，同時也對系統的安全性和可靠性提出了更高要求。

1 銅資源及其在我國的生產現狀簡述

中國作為資源大國，銅礦資源對外依存度高，本土銅礦資源并不豐富，目前已經有所記錄或者完成開采的銅礦資源大部分都屬于中小型資源，大型的銅礦資源含量非常少；并且大多數銅礦成分復雜，精度并不高；另外，我國的銅礦資源大部分為地下資源，開采難度大，探查難度大；礦產組成復雜，原礦質量低下，難以滿足社會發(fā)展需求，冶煉成本高。近些年隨著社會經濟發(fā)展水平的不斷提升，我國大多數銅礦冶煉通過對濕法煉銅的應用，生產成本大大降低，從初始礦產冶煉成本6.5萬/t 降低到1.5萬/t 左右，既實現企業(yè)經濟效益，又為社會經濟發(fā)展提供了更多資源。

2 銅濕法冶煉發(fā)展分析

2.1 堆場大型化，銅元素的重復性利用

堆浸法在我國銅礦冶煉工作中應用非常普遍，技術難度水平偏低，投資成本低，屬于銅礦直接浸出。通過堆浸法完成銅礦冶煉有利于緩解工作壓力，提升工作效率，降低生產成本，作為機械化銅礦資源開采工作為我國銅礦資源采集提供幫助。結合實際發(fā)展情況來看，堆浸法雖然在銅礦資源冶煉過程中應用廣泛，但是由于我國技術發(fā)展水平有限，目前并未建設大型場地，這也在一定程度上限制了我國銅礦資源的開發(fā)利用。部分國外發(fā)達地區(qū)與周邊地區(qū)積極合作創(chuàng)建共贏關系，通過大量資金的投入建設大型施工廠，完成堆進工作，銅礦冶煉水平顯著提升，尤其是大型礦場的機械化水平更高，一些專用設備移動和運輸更加簡單快捷，符合現代化銅礦資源發(fā)展需求。例如，大型冶煉廠通過機械化處理提升運輸水平，礦渣運輸至廢棄市場后可進行二次處理，相對小型工廠來講，施工成本雖然高，但是周期更短，效率更高。

2.2 生物浸出的大范圍應用

隨著社會發(fā)展水平的不斷提升，生物發(fā)展技術逐漸邁入人們視野。我國銅礦資源屬于貧礦，自身資源并不豐富，另外已經開采的礦資源通常含有多類伴生元素，開采效率低下。例如，銅礦除了銅元素外，還含有金元素，鐵元素，等等。常規(guī)情況下，生產企業(yè)通過火法完成銅礦冶煉，但是這種方法使用范圍并不廣泛，而且成本投資高。近些年隨著生物浸出技術的快速發(fā)展，一些國家和生產企業(yè)開始利用生物浸出提取銅礦資源的額外元素，生產成本更低，更適合用于大規(guī)模生產。生物技術的快速發(fā)展有利于提升銅元素的提取比例，為銅礦資源開發(fā)利用提供技術幫助，而且通過生物技術的調節(jié)還能降低生產投資成本，實現節(jié)能環(huán)保施工。需要注意的是，應用生物技術要注意高效生物氧化器設計，確保氧化器的溫度，酸堿值符合銅礦開發(fā)規(guī)范。

2.3 地下浸出技術

地下浸出技術融合了采集、選擇、冶煉為一體，按照施工情況分為原地浸出和地下破碎浸出兩種施工情況。我國大部分的銅礦資源均為地下資源，因此兩種浸出方案使用范圍非常廣泛。理論來講，使用地下破碎浸出方案需要提前確定銅礦采集位置，明確爆破處理區(qū)域；如果施工團隊選擇了原地浸出，那么需要工作人員通過專用設備將料液注入地下銅礦當中，處理后運送到地表。結合我國銅礦資源發(fā)展現狀來看，地下浸入技術非常適用于我國地下銅礦資源的開發(fā)利用，在一些開采難度大，埋藏較深的復雜銅礦更能體現這一技術優(yōu)勢，而且地下浸入技術對周圍環(huán)境幾乎不存在污染問題，符合綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展目標。礦產資源采集工作風險高，安全保障低，地下銅礦資源的開發(fā)利用施工環(huán)境嚴峻，稍有不慎就會出現塌方，嚴重威脅工作人員的生命安全，通過地下處理技術可以直接使用泵運輸到地面，改善施工人員的生產條件，而且本身技術就有較高的銅礦資源開發(fā)利用水平，未來發(fā)展前景良好。

3 銅濕法冶金原理

銅礦資源包含多種豐富資源，例如氧化銅，硫化銅，黃銅礦等。濕法冶金原理包括以下五個方面。

（1）氧化銅的礦石浸出。氧化銅的礦石浸出一般是通過化學反應完成的，主要包括孔雀石、天然銅浸出劑以及赤銅礦，藍銅礦等，具體化學反應如下：

赤銅礦Cu2O+2H+=Cu2++Cu+H2O；藍銅礦Cu（OH）2CuCO3+2H2SO4=2CuSO4+CO2+3H2O。

（2）目前結合我國硫化銅礦是浸出發(fā)展來看，生物氧化銅技術應用范圍廣泛，且受到硫化銅礦石浸出的青睞，整體發(fā)展態(tài)勢良好，為我國銅礦資源的開發(fā)利用提供新的發(fā)展思路。硫化銅礦時所使用的生物浸出技術主要利用了微生物，包括氧化亞鐵硫桿菌等，這種菌群可以和高濃度的重金屬共存，主要是通過吸附作用溶解銅礦資源中所含有的部分礦物質，直接在表面形成相互作用，例如，銅礦中所含的Fe2+可以直接由生物細菌溶解釋放，部分則被氧化成Fe3+，這部分溶液又作為氧化劑，進一步堆浸了氧化硫化反應的發(fā)展。

（3）黃銅礦的浸出也與生物技術聯系緊密。黃銅礦在生物細菌和氧化反應同時作用下，可以生成FeSO4、Cu2S+、FeSO4+S、然后經過循環(huán)將FeSO4和S 氧化成為Fe2（SO4）3和H2SO4，整個反應不斷循環(huán)發(fā)展，受到細菌作用和氧化作用不斷溶解。在此生產過程中，一般將細菌作為間接氧化劑。

（4）銅藍細菌浸出。需要注意的是，此次浸出工作環(huán)境并沒有三價鐵離子作為氧化劑，所以主要通過細菌作為氧化劑進行氧化反應，與其他幾個反應不同的是，此次反應的酸消耗量幾乎等于零，化學反應：CuS+2O2=CuSO4。相對來講，整個反應過程是非常簡單的，而且最終的化學反應是表明整個反應過程中并未出現新的反應物，也就是說轉化過程中并未出現硫化物，更沒有其他元素。

（5）黃銅礦和斑銅礦可以直接在細菌條件下完成氧化反應，主要是與Fe2（SO）3進行化學碰撞，之后生成的FeSO4和Fe2o2在受到酸性環(huán)境和細菌條件的影響，可以直接轉化為Fe2（SO4）3，并且后續(xù)會持續(xù)進行相應反應，完成提取工作。

4 全廠自動化控制系統設計

此次項目銅礦資源濕法煉銅自動化系統包括多個方面，分別是露天采礦、原礦粗碎、礦石輸送堆筑、堆浸、萃取電積、中央調度室。自動化系統主要使用了德國西門子PCS7的硬件和軟件，專業(yè)水平高，包含服務器和客戶端兩個端口，整體工作水平高。另外尺度動畫系統中所使用的系統網和以太網協議，內部雖然有第三方設備，但均接入主環(huán)網當中，其余移動通信設備為無線通信。

5 主要工藝段系統介紹

5.1 露天采場系統

露天采場設備主要配備了大型變電站，除此之外，還有信息系統，另外還配置了單模交換機。

5.2 原礦粗碎系統

原礦粗碎系統的主要配置如下：①PLC控制系統，且系統通過以太網接入主系統當中。②配置現場操作站，確保后續(xù)工作的順利進行。

5.3 礦石輸送堆筑系統

主要配置：①通過以太網接入通信系統當中的PLC 控制系統。②礦石輸送和運輸，通過無線通信方式完成連鎖控制，同樣包括PLC 控制系統。③遠程監(jiān)控和控制系統，另外還配備有操作員站和工程師站。

5.4 堆浸控制系統

主要配置如下：①用于讀取高壓電機、變頻器等設備運行數據的通信裝置。②大型泵站，還有遠程站點完成信號后數據的接入以及控制工作。③此系統所使用的操作員站和工程師站與萃取電積系統是通用的。

5.5 萃取電積控制系統

萃取電積是濕法煉銅自動化系統的重要組成，也是銅礦資源開發(fā)利用的主要工藝，此施工階段需要使用到多種儀表測點和電氣設備，對工藝的精準性要求非常高，自動化系統配置如下：①為了實現重要施工階段的全過程監(jiān)督，在辦公樓位置設置了冶煉控制室，除此之外還配備了冗余CPU，為后續(xù)工作進行提供技術保障。②萃取工作設置有三個低壓配電室，電積則有兩個配電室，除此之外，分別配備遠程I/O 站。總的來講，萃取電積作為主要施工階段，所配置的設備大多用于發(fā)電和全過程監(jiān)督，是正常施工工序順利進行的保障。

5.6 網絡及中央調度室

中央調度室、網絡系統作為濕法煉銅技術自動化系統的核心組成部分，與系統運行有直接關聯，簡單來講，網絡的安全性和可靠性直接決定系統是否可靠，此次自動化系統的中央調度室配置情況如下：①由于施工規(guī)模較大，整個網絡系統非常大，中央調度式承擔了重要責任，作為主要的制指揮中心，選址在廠區(qū)核心位置。②使用光纖環(huán)網，主要設備是德國西門子交換機，網絡通信速度非?？?。③為了確保大量數據的有效儲存和處理，中央調度室配備大量數據服務器，確保重要數據能夠進行分類歸檔處理，是后續(xù)工作的保障。

6 關鍵工藝段的自動化控制技術應用

6.1 關鍵工藝說明

此次項目銅礦資源的濕法冶煉工作自動化系統處理工藝包括細菌生物浸出、萃取、電積等部分。使用的料液符合生產建設需求，具體工藝如下：①工作人員將對進場的浸出液泵入萃取車間的料液儲存槽內；②再由輸送泵輸送到黃河區(qū)域經過充分攪拌后進行萃取和洗滌、反萃取；③完成反萃取工作后進行電積，生產出最終的陰極銅。萃取生產中需要注意，使用的催取劑類型是LIX984N，新試劑為260號溶劑油。

6.2 自動化技術應用的關鍵點

本次廠區(qū)濕法煉銅技術自動化系統的關鍵點包括3個萃取電積單元，自動化系統工藝特點如下：此次銅礦資源的開發(fā)利用屬于大型項目，包含多個電氣設備，例如，風機，攪拌器，料液泵等，整個電氣設備數量高達130臺。為了提升冶煉水平，明確自動化系統的發(fā)展重難點，整個儀表測量點位置非常多，包括液位、流量、制法等位置的具體測量。另外，自動化系統的控制模式非常多樣，包括實際冶煉萃取過程中的變速控制、液位控制、pH 值控制，等等。為了確保濕法煉銅工藝的順利進行，使用了多個網絡通信設備，包括變頻器、接入設備、電子數據處理設備等等。因此總結來看，濕法煉銅的自動化系統具有流程長、波動大、復雜性高等特點，如何實現自動化控制系統的順利應用需要工作人員做好多方面控制，了解技術要點，具體如下：①確保設備的順啟順停。作為銅礦資源冶煉工作人員必須明確設備是整個萃取工作的施工重點。尤其是銅礦資源的萃取和電積工藝是連續(xù)性施工，如果中間出現中斷或者出現某些位置故障，都有可能造成意外事故發(fā)生，嚴重影響銅礦資源的萃取效率。調查車間實際生產現狀來看，目前在崗的施工人員缺乏專業(yè)證書，技術能力水平很難達到規(guī)范施工要求，對于設備的順啟順停了解較少，遇到突發(fā)事故應急處理能力低下，然而連續(xù)性工作對料液的傳輸、攪拌、配比都提出了較高的專業(yè)性要求，稍有不慎就可能造成工序中斷。因此要通過培訓工作，提升設計人員的專業(yè)水平，幫助工作人員了解控制線路，及時停止或者開啟施工線。②pH 的高效管控。許多工作人員重視料液的配比，但是會忽略pH 控制工作。然而實際生產當中，無論是料液偏堿性還是偏酸性，都有可能導致萃取失敗，因此pH 值與銅礦資源的開發(fā)萃取的滯后性和嚴重非線性有著直接關聯，本次項目中使用料液當中添加了純度較高的硫酸，pH 值控制水平要求更高。自動化系統當中的控制器通過分段控制形式，可以隨時了解采樣周期，進行動態(tài)優(yōu)化調整，符合生產需求。

7 結束語

綜上所述，隨著銅礦資源的不斷開發(fā)利用，我國已經面臨了嚴重的銅礦資源緊缺問題，目前如何提升銅礦資源的開采利用率，實現智能化、自動化發(fā)展是技術研究重點，本文分析自動化系統的發(fā)展現狀，明確自動化系統的安全性，可靠性，為銅濕法冶煉自動化系統的施工重難點研究和工藝水平的提升提供參考。