金澤志，李林山

（銅陵有色金屬集團控股有限公司，安徽 銅陵 244100 ）

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐煉銅工藝一直依靠個人經(jīng)驗，憑肉眼判斷爐體內(nèi)溫度和造渣、造銅終點。由于人為判斷誤差，不僅會造成產(chǎn)出粗銅品位偏差影響陽極爐操作，而且由于爐溫波動大，造成耐火磚易損壞進而影響爐襯壽命，轉(zhuǎn)爐吹煉產(chǎn)生的熱量得不到充分利用，熱量浪費影響冷料處理能力；同時由于爐口頻繁轉(zhuǎn)出，增加轉(zhuǎn)爐煙氣泄漏量，影響環(huán)保。

隨著工業(yè)自動化技術(shù)的快速發(fā)展，以及對基礎(chǔ)工業(yè)行業(yè)節(jié)能減排要求日益緊迫，傳統(tǒng)的銅轉(zhuǎn)爐吹煉工藝過程控制已不能滿足銅工業(yè)發(fā)展的要求，并嚴重制約我國銅冶煉行業(yè)的發(fā)展，無法實現(xiàn)“操作標準化、作業(yè)高效化、廠區(qū)綠色化、企業(yè)效益化”的目標。亟需創(chuàng)新一種吹煉過程相關(guān)參數(shù)檢測手段及計算方式，對轉(zhuǎn)爐吹煉過程進行優(yōu)化及吹煉終點進行準確判斷。銅陵有色金冠銅業(yè)分公司通過近3年的探索，創(chuàng)新研發(fā)了“銅轉(zhuǎn)爐吹煉過程控制優(yōu)化決策系統(tǒng)”及“轉(zhuǎn)爐銅锍智能數(shù)控吹煉模型”，并得到了成功應(yīng)用，完全實現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐煉銅過程控制的智能化以及技經(jīng)指標的最優(yōu)化。

1 轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉基礎(chǔ)原理

銅锍主要以冰銅（FeS·Cu2S）為主，其吹煉過程分為造渣和造銅兩個階段。造渣過程中，因鐵的性質(zhì)較銅更活潑，F(xiàn)eS優(yōu)先氧化，該階段反應(yīng)主要表現(xiàn)為式（1）和式（2）；扒渣作業(yè)后即進入造銅期，該階段反應(yīng)主要以式（3）和式（4）為主。銅锍吹煉的整個過程溫度基本控制在1100°C～1250°C，通過吉布斯自由能可知，主要反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，維持反應(yīng)持續(xù)進行。

2 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐吹煉終點的判斷方法

2.1 S期（造渣期）吹煉終點判斷

（1）火焰判斷法

觀察爐口火焰的顏色，當火焰顏色由黃色轉(zhuǎn)為乳白色、溫度高且剛性好，爐口煙氣發(fā)亮，終點到。

（2）噴濺物判斷法

觀察爐口噴濺物較始吹時變得細小、密集，頻繁呈絮狀，漂浮無力、發(fā)亮，凝固樣呈空心粒狀，終點到。

（3）爐后釬樣判斷法

爐后釬樣粘結(jié)物的顏色由灰白色轉(zhuǎn)為青灰色，再轉(zhuǎn)為油黑色，有光澤，結(jié)構(gòu)松脆，能自動斷裂脫離，終點到。

（4）圖示法

在配有溫度指示表和二氧化硫濃度指示表的情況下，溫度指示值上下移動頻繁，在1100℃～1300℃范圍內(nèi)，溫度由線圖呈鋸齒狀，二氧化硫濃度指示值由低逐漸升高，當穩(wěn)定在一、二個格內(nèi)上下移動作曲線圖時，終點到。

（5）爐內(nèi)熔體觀察法

停風(fēng)后，爐口上的噴濺物布滿金紅色且蠕動（俗稱“油花”），形成相互連接的小球泡；爐內(nèi)熔體表面平整，石英石化盡，在渣層不過厚的情況下，表面會出現(xiàn)半球狀的小泡沫，相互之間間隙明顯，互不相連，爐內(nèi)熔體溫度適中；用渣釬插入熔體中測樣，渣和銅之間的界面十分清晰，上層為發(fā)亮的渣層，下層為發(fā)暗的白鈹層，排渣時渣流動性良好，終點到。

（6）爐口渣板測試法

從爐口取樣可見銅、渣分離清晰，渣板上能見到一個個象小雞眼一樣不停的閃動的小泡泡，閃動靜止后，小泡泡變成小圓點并呈銅綠色，俗稱銅斑點。篩爐越老，熔體中含銅量越高，銅斑點在空氣中閃動的時間越長，反則越短，有舒瞬間即逝的感覺。從渣板樣表面看，渣樣呈灰白色，整體有光量感，并有許多圓點狀小坑，點狀坑邊緣高于渣面。

2.2 B期（造銅期）終點判斷

（1）煙氣及火焰判斷法：

觀察爐口煙氣，煙氣顏色由混濁變?yōu)榍辶?，煙氣量變小，能見度增大，黃綠色煙氣逐漸消失，火焰從灰白色變?yōu)樽丶t色，最后變?yōu)殚偌t色，火焰低落，搖擺無力，終點到。

（2）噴濺物判斷法

俗稱“看花”，終點前10分鐘左右，爐口開始出現(xiàn)銅液噴濺物，最初細小且多，如禮花狀，逐漸噴濺物從點滴狀變?yōu)楸褷睿俎D(zhuǎn)為球狀，并產(chǎn)生“眨眼”現(xiàn)象，球狀噴濺物落在護板上彈跳起來，由少到多，由細散到密集，再逐漸消失，球狀物邊針狀時，終點到。

（3）溫度指示和SO2濃度值

溫度指示值由較低點逐漸向高點上升，再趨于向下降態(tài)勢作圖，SO2濃度值由低值逐漸上升至最高值，穩(wěn)定一段時間后由高值下降至最低值（小于0.5%），終點到。

（4）爐后釬樣判斷法

觀察釬樣粘結(jié)物，表面色澤由金黃色轉(zhuǎn)為黑褐色，再轉(zhuǎn)為橘紅色，最后是玫瑰紅色，粘結(jié)物結(jié)構(gòu)由粘延性向松脆變化，表面有許多小孔，當表面由粗糙向光滑無細孔變化且硫色消失、表面隆起接連不斷時，終點到。

傳統(tǒng)的吹煉終點判斷方法完全依賴于爐長的技能水平，由于存在判斷誤差，不僅造成產(chǎn)出粗銅品位偏差影響陽極爐操作，而且由于爐溫波動大，造成耐火磚易損壞影響壽命，轉(zhuǎn)爐熱量浪費，影響冷料處理能力；同時由于需頻繁制動爐體，增加轉(zhuǎn)爐煙氣泄漏量，影響環(huán)保。另外，各大冶煉廠都出現(xiàn)過由于判斷誤差和操作失誤造成的噴爐事故，嚴重威脅設(shè)備和人身安全。

3 創(chuàng)新終點判斷法

3.1 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型主要由物料平衡（質(zhì)量平衡）、元素平衡和熱量平衡三大體系構(gòu)成，通過對銅锍吹煉過程的理論行為進行模擬，進而量化分析含銅物料投入、產(chǎn)出及轉(zhuǎn)化過程，最終為關(guān)鍵指標參數(shù)控制指導(dǎo)工藝操作提供理論依據(jù)。

根據(jù)生產(chǎn)實際對銅锍吹煉進行模塊化處理，對造渣和造銅兩個階段進行三次建模，分為造渣一期（S1）、造渣二期（S2）和造銅期（B）三個階段。模型要求精確輸入吹煉過程中的冰銅、冷料、冷銅的重量、品位和溫度數(shù)據(jù)，僅須提前設(shè)置S1開吹時間，通過自身SQL（數(shù)據(jù)庫）與OPC（過程控制體系）聯(lián)鎖，該模型根據(jù)爐體傾轉(zhuǎn)角度和送風(fēng)信號自動判斷吹煉過程、放渣作業(yè)、放銅作業(yè)和吹煉結(jié)束。通過模型計算各個階段的氧氣需求量，依據(jù)送風(fēng)量大小計算吹煉時間。吹煉過程中溫度和煙氣濃度始終處于變化狀態(tài)，依據(jù)溫度傳感和煙氣檢測分析設(shè)備實時感應(yīng)變化過程，最終結(jié)合數(shù)學(xué)模型預(yù)測造渣和造銅終點，終點倒計時顯正表示欠吹，負值表示過吹。

圖1 智能數(shù)控吹煉模型界面

（1）物料平衡體系

物料平衡主要以造渣期冰銅數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，模型將自動保存并根據(jù)后期物料的添加實時更新計算。造渣期物料投入冰銅和含銅冷料，冷料包括床下物、固鈹、精煉渣和黑銅渣，造渣期主要產(chǎn)出爐渣和白冰銅；造銅期物料以造渣期產(chǎn)生的白冰銅為原料，添加純度較高的冷銅（包括電解殘極、廢陽極板、大塊銅、溜槽銅、白鈹和銅模等），造銅期主要產(chǎn)出粗銅和煙氣。具體的物料平衡如下表1～3所示：

根據(jù)表1和2中投入的冰銅量和品位計算石英熔劑需求量，結(jié)合造渣末期白冰銅中殘留含鐵量計算造渣反應(yīng)（反應(yīng)式1）所需耗氧量，造銅期以出銅時粗銅中殘留含硫量計算造銅反應(yīng)（反應(yīng)式3）氧氣需求量量，殘留含鐵與含硫量百分比由大數(shù)據(jù)積累確定，通過系統(tǒng)追蹤實際送風(fēng)時率和送氧時率，以倒計時方式指導(dǎo)放渣作業(yè)和放銅作業(yè)時間。同時通過的物料平衡表1～3，根據(jù)理論模型計算參考出渣量和出銅量。

（2）元素平衡體系

元素平衡體系依據(jù)冰銅量及品位確定含鐵量和石英熔劑需求量，造渣過程本質(zhì)即以除鐵為主的除雜過程，從而將Cu元素品位提升至75%左右，造銅過程本質(zhì)即除硫?qū)u元素進一步提升至98.5%以上，其余的Cu以底銅、爐渣和煙塵含銅形式存在。

圖2 Cu-Fe-S三元相圖

表1 造渣一期物料平衡表

表3 造銅期物料平衡表

銅锍吹煉以冰銅為原料，主要含Cu、Fe和S三種元素。當冰銅中含Cu元素超過55%時，由圖2三元相圖可知，銅锍中冰銅的元素比重將超過94%。造渣期冰銅中的鐵元素與石英熔劑形成鐵橄欖石以爐渣形式外排，造銅期白冰銅脫硫形成粗銅。

銅锍吹煉主要包含Cu、Fe、S、Si、Ca、Mg、Al、N和O等九種元素，其本質(zhì)是Cu元素不斷富集的過程。冰銅原料的含Cu品位在54～60%之間。通過造渣反應(yīng)Cu元素可提升至75%左右，最終產(chǎn)出粗銅的Cu元素品位達98.5%以上。通過智能數(shù)控吹煉模型計算，由物料投入元素分布表4可知，60.90%的Cu元素來自于冰銅原料，39.44%的Cu元素來自于含銅冷料，其余來自底銅和底渣，97.14%的Si元素來自于石英熔劑，85.31%的O元素來自于富氧空氣。

由物料產(chǎn)出元素分布表5可知，95.17%的Cu元素進入粗銅，1.45%的Cu元素以金屬銅形式存在，0.43%的Cu元素被煙氣帶走進入煙塵中，1.57%的Cu元素進入到爐渣中，余下的Cu元素殘留在底渣和底銅中。

通過元素平衡體系，可較完整的追蹤Cu元素的走向，結(jié)合物料平衡體系，可精準控制石英熔劑量、保持單爐產(chǎn)量穩(wěn)定，且有利于穩(wěn)定爐況，減少噴爐現(xiàn)象。

（3） 熱量平衡體系

在Cu元素不斷富集的過程中，反應(yīng)溫度控制顯得尤為重要。溫度過高或過低均不利于銅锍吹煉的進行。由熱量平衡體系可知，吹煉期間將近70%的熱量來自于造渣和造銅產(chǎn)生的反應(yīng)熱，結(jié)合物料系統(tǒng)合理控制冷料的添加量和添加時間，確保最大程度高效利用熱能、增加冷料處理量和提高單爐粗銅產(chǎn)量，且穩(wěn)定的吹煉溫度有利于保護爐襯、延長爐齡壽命。

表4 物料投入元素分布表

表5 物料產(chǎn)出元素分布表

銅锍吹煉的控制主要體現(xiàn)在溫度和冷料兩個方面，冷料處理量取決于溫度的高低，而溫度又取決于吹煉過程的熱量值。由造渣期熱量平衡表6可知，模型的熱收入來源于熱態(tài)冰銅自身的物理熱（占比31.20%）和造渣反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)熱（占比67.89%），模型的熱支出除爐渣（占比25.04%）、白冰銅（占比22.41%）及煙氣（占比36.47%）的物理熱，另包括其它熱損失（占比12.33%）和自然散熱（占比2.85%）。根據(jù)造渣期熱量的大數(shù)據(jù)積累可調(diào)控造渣期的含銅冷料的加入量。

造銅期的熱收入主要來源于造渣結(jié)束殘留的白冰銅的物理熱和造銅反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)熱，由造銅期熱量平衡表7可知，58.69%的熱量由煙氣帶走，58.69%的熱量以粗銅的物理熱形式存在，其它熱損和自然散熱分別占比9.85%和3.39%，通過模型對熱量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與自動計算，可指導(dǎo)造銅期冷銅的處理量，一方面高效利用多余熱能提高單爐粗銅產(chǎn)量，另一方面保證造銅期溫度控制在1200°C～1250°C，保護爐襯、延長爐齡壽命。

3.2 設(shè)備傳感器

（1）溫度傳感系統(tǒng)

智能數(shù)控吹煉熔體二維溫度場紅外監(jiān)測系統(tǒng)由銅陵有色金冠銅業(yè)聯(lián)合合肥金星機電科技發(fā)展有限公司共同研發(fā)。外窺式成像測溫系統(tǒng)既可以實現(xiàn)對爐內(nèi)燃燒工況的視頻監(jiān)視，也能同步檢測視場內(nèi)任意感興趣區(qū)域的溫度。該系統(tǒng)主要由測溫攝像儀、控制箱、傳輸線纜、空氣凈化過濾裝置、圖像數(shù)據(jù)服務(wù)器主機等幾部分組成，詳見系統(tǒng)組成如圖3所示。

表6 造渣期熱量平衡表

表7 造銅期熱量平衡表

該系統(tǒng)采用外窺式安裝方式，測溫攝像儀獲取吹煉爐內(nèi)的二維紅外溫度場視頻圖像，通過控制箱內(nèi)的千兆光纖收發(fā)器將信號傳輸?shù)綀D像數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過服務(wù)器主機實時顯示吹煉爐內(nèi)的可見光彩色圖像及溫度信息，結(jié)合數(shù)學(xué)模型共同指導(dǎo)冷銅添加量和添加時間。

（2）煙氣成分檢測系統(tǒng)

① PbO和PbS成分檢測

智能數(shù)控吹煉煙氣（PbO和PbS）成分檢測系統(tǒng)利用發(fā)射光譜檢測技術(shù)對銅锍吹煉過程進行實時分析。該系統(tǒng)主要由光學(xué)遙測裝置、電子恒溫箱、高分辨光譜分析儀、傳輸?shù)葞撞糠纸M成，詳見圖4。

圖3 溫度傳感系統(tǒng)組態(tài)圖

圖4 PbO和PbS成分檢測系統(tǒng)組成示意圖

圖5 SO2成分檢測系統(tǒng)組成示意圖

在銅锍吹煉的造渣起始階段，冰銅中的FeS優(yōu)先參與造渣，而其它雜質(zhì)主要以硫化物存在；在造渣后期，鉛的硫化物逐漸向氧化物轉(zhuǎn)化，直至最后全部轉(zhuǎn)化為氧化鉛。因此造渣前中期的發(fā)射光譜主要來源于PbS，而中后期的發(fā)射光譜主要來源于PbO，通過實時在線檢測PbO/PbS的特征發(fā)射光譜通過在線學(xué)習(xí)結(jié)合數(shù)學(xué)模型共同預(yù)測造渣終點。

② SO2成分檢測

智能數(shù)控吹煉煙氣（SO2）成分檢測系統(tǒng)利用主動式紫外差分光譜分析方法(DOAS)可實時監(jiān)測出口煙氣中SO2濃度值，具有實時性強、測量精度高、可靠性好、響應(yīng)速度快等特點。該系統(tǒng)主要由煙氣預(yù)處理（煙氣采樣器、煙氣取樣管、廢氣回排管、PLC電氣控制等）、SO2氣體分析儀（紫外光源、光纖光譜儀、紫外光纖、氣體分析主機等）、終點判斷儀（工業(yè)控制計算機及終點判斷軟件、液晶顯示屏、擴展參數(shù)輸入接口等）等部分組成，詳見圖5。

在銅锍吹煉的造銅階段，通過煙氣采樣器把煙道中氣體輸送到氣體分析儀，利用DOAS技術(shù)分析出煙氣中SO2濃度，然后把檢測后的煙氣回排到煙道中，防止二次污染。SO2氣體分析儀計算結(jié)果再通過光纖傳輸?shù)娇刂剖医K點判斷系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型共同預(yù)測造銅終點。

轉(zhuǎn)爐銅锍智能數(shù)控吹煉模型的建立、研發(fā)及相應(yīng)傳感設(shè)備開發(fā)，使銅锍吹煉過程公式化、數(shù)字化、可視化。通過搭建聯(lián)鎖機制實時跟蹤反應(yīng)階段，建立一個包含物料數(shù)據(jù)、送風(fēng)數(shù)據(jù)、熱量數(shù)據(jù)和吹煉時長的大型數(shù)據(jù)庫，自動采集爐次信息，根據(jù)需求模塊化導(dǎo)出報表數(shù)據(jù)；通過大數(shù)據(jù)積累的造渣終點含鐵量和造銅終點含硫量，結(jié)合溫度、煙氣成分傳感設(shè)備共同輔助人工吹煉終點判斷，穩(wěn)定工藝操作，提高單爐粗銅產(chǎn)量，讓傳統(tǒng)銅冶煉生產(chǎn)企業(yè)向智能化工廠轉(zhuǎn)型邁近一大步。

4 結(jié)論

銅陵有色公司歷經(jīng)70年沉淀，始終秉承科學(xué)技術(shù)就是第一生產(chǎn)力的理念，肩負“高效利用資源、貢獻社會進步”的企業(yè)使命，積極探索新技術(shù)、新工藝、新方法，逐步實現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐吹煉由粗放化、定性化、經(jīng)驗化操作跨入為精細化、定量化、智能化發(fā)展階段。這些工作作為智能化企業(yè)建設(shè)的一個重要組成部分，有力的推動了銅冶煉行業(yè)的發(fā)展。