李昱民，孫麗娜

（江西銅業(yè)集團有限公司 貴溪冶煉廠, 江西 貴溪 335424）

1 引言

粗銅火法精煉主要包括：加料保溫期、氧化期、還原期、澆鑄期。氧化、還原期是一個涉及化學(xué)反應(yīng)、傳熱、傳質(zhì)、流體流動的復(fù)雜過程，給氧化、還原終點自動反饋預(yù)報帶來了極大的困難。

目前國內(nèi)外陽極銅精煉的氧化、還原終點仍然是采取以人工取樣判斷的方式，完全依賴操作人員的工作經(jīng)驗和工作態(tài)度。通常會導(dǎo)致陽極銅氧化不到位、氧化過頭或還原不到位、還原過頭等現(xiàn)象，直接影響陽極銅品質(zhì)。人為主觀因素延誤氧化、還原時間也會加大冶煉成本；造成生產(chǎn)的被動降低生產(chǎn)效率。

設(shè)想陽極爐工序通過建立在線數(shù)據(jù)采集與智能分析系統(tǒng)，最終實現(xiàn)陽極爐還原終點智能判斷；從而優(yōu)化陽極爐生產(chǎn)工藝，輔助陽極爐精細(xì)化生產(chǎn)［1］，提高陽極銅品質(zhì)，降低還原天然氣［2］和重油單耗。

2 智能精煉理論依據(jù)

陽極爐的精煉過程基本可分為：加料保溫期、氧化期、還原期、澆鑄期四個階段；還原期采用還原劑（天然氣），其它周期使用重油為爐內(nèi)提供熱源，所以整個精煉過程，主要生產(chǎn)成本來源于燃材料的消耗。智能終點判斷、銅液溫度實時跟蹤系統(tǒng)的建立尤為重要，工藝可依據(jù)智能系統(tǒng)輔助生產(chǎn)精細(xì)化操作。

2.1 銅火法精煉的氧化過程［3］

粗銅氧化精煉的基本原理基于銅水中存在的大多數(shù)雜質(zhì)對氧的親和力都大于銅對氧的親和力,且多數(shù)雜質(zhì)的氧化物在銅水中的溶解度很小.其實質(zhì)就是利用空氣中的氧鼓入銅熔體中使雜質(zhì)除去,但熔體中銅占絕大多數(shù),而雜質(zhì)占極少數(shù),故其氧化機理可認(rèn)為銅首先發(fā)生氧化作用:

所生成的氧化亞銅立即溶解于銅熔體中.從Cu-O 系狀態(tài)圖（圖1）可知,產(chǎn)出的氧化亞銅在銅熔體中的溶解度隨溫度升高而增加，見表1。

表1 氧化亞銅在銅液中的溶解度

圖1 Cu-O 系狀態(tài)圖

2.2 銅火法精煉的還原過程

粗銅經(jīng)氧化精煉后，從熔體銅中較完全地除出了二氧化硫和大部分雜質(zhì)。但是銅液中仍還飽和了約7～8%的氧化亞銅。為了減少氧化亞銅的析出。應(yīng)從熔銅中用碳?xì)湮镔|(zhì)除去大部分氧。因為銅中含氧量過多將使銅的性質(zhì)變脆，延展性和導(dǎo)電性降低，因此必須進行氧化亞銅的還原作業(yè)。

精煉過程中采用的還原劑有木材、重油、天然氣、液氨、液化石油氣等。而我廠使用的還原劑為天然氣。上述還原劑均屬于碳、氫化合物。用碳?xì)湮镔|(zhì)從熔銅中脫氧的還原反應(yīng)：

天然氣的主要成分是甲烷（CH4）。它是一種烴類有機化合物，具有強烈的還原作用。但甲烷是不能直接還原氧化亞銅的。當(dāng)還原時，將天然氣由風(fēng)管通入熔融銅中，一部分甲烷受熱分解成C 和H2，另一部分甲烷以碳粒在爐膛的高溫中與氧生成CO 和H2，而這種CO 和H 是主要的有效還原成分。還原反應(yīng)如下：

以氣體為還原劑進行的還原作業(yè)，其氣體是從專門設(shè)置的噴吹管噴入爐體，當(dāng)還原氣體噴入爐體銅液中，在銅液中形成連續(xù)的氣泡，銅液中氧原子由銅向氣-液界面?zhèn)鬟f，不斷與CO 氣體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生CO2，這時CO 氣體由于其濃度差，也向銅液不斷擴散，使反應(yīng)式⑴徹底向右進行。隨著銅中氧濃度降低反應(yīng)速度迅速發(fā)生變化。當(dāng)氧濃度大于0.1%時反應(yīng)速度不隨氧濃度變化，為一常數(shù)，氣相傳質(zhì)成為限制步驟。當(dāng)氧濃度降至0.1%以下時，脫氧速度隨氧濃度的降低而減慢，不是常數(shù)，液相中氧傳質(zhì)成為限制步驟。銅液的含氧量若低，發(fā)生反應(yīng)的天然氣量隨之也低，故還原效率也低下。天然氣的蒸發(fā)效率差，在此過程中CO 和H2生成量少，還原劑的利用率低。

2.3 智能精煉理論依據(jù)

陽極銅精煉過程中主要參與因素為：組織燃燒、銅液溫度、銅液含氧量、銅液含硫量等。目前在陽極銅精煉過程中，最要依靠人工多次取樣判斷，受人為影響較大，且在對燃燒過程中的調(diào)整、提高燃燒效率、減少爐體耐火磚的消耗方面，均來源于人工對爐內(nèi)火焰燃燒情況進行判斷調(diào)整，氧油比的設(shè)定也根據(jù)實際生產(chǎn)摸索出一個認(rèn)為較合理的設(shè)定值，未能做到能源合理的精準(zhǔn)控制，造成重油或者氧能源的部分浪費。

氧化、還原期陽極銅氧化、還原終點的判斷完全依靠人工取樣，憑經(jīng)驗判定。缺乏準(zhǔn)確性的數(shù)據(jù)指導(dǎo)，難以做到精細(xì)化冶煉水平，天然氣的利用率未能達(dá)到理想的效果，有較大提升空間。為降低能耗，陽極爐工序現(xiàn)采用的操作模式為淺氧化還原（帶硫還原）［4］，較常規(guī)的深氧化工藝操作，淺氧化操作中銅液中0 低S 高，銅液中氧的含量的降低，為降低天然氣單耗帶來了先天優(yōu)勢。生產(chǎn)實踐證明天然氣使用效率最佳的結(jié)果是淺氧化終點，在還原階段脫硫除氧同進行并達(dá)到生產(chǎn)要求（含氧0.15%，含硫0.008%以內(nèi)），此時天然氣單耗應(yīng)該為最佳。所以陽極爐氧化、還原判斷，氧化終點判斷是整個終點判斷的核心。

綜上所述陽極銅精煉理論上可以通過檢測銅精煉爐煙氣中的O、CO、CO2的含量，反饋出重油的燃燒情況；在爐膛內(nèi)是否完全燃燒，結(jié)合實際，合理調(diào)整氧油比，確保能源的最大化使用。在降低能耗的同時，也減少CO 的排放量，優(yōu)化尾排指標(biāo)。

通過檢測陽極爐煙氣中S02的含量，與檢測出的銅熔液中硫含量之間對比，建立數(shù)學(xué)模型關(guān)系。匹配最佳氧化終點，實現(xiàn)氧化終點的智能判定，結(jié)合陽極爐氧化終點，對轉(zhuǎn)爐粗銅終點判斷提供準(zhǔn)確需求，做到工序之間進一步優(yōu)化。

通過陽極爐煙氣中S02、O、CO、CO2含量的綜合分析。指導(dǎo)還原期間天然氣量和助燃氧氣量的控制，并對還原終點進行精準(zhǔn)智能判定；達(dá)到提高還原天然氣利用率，降低能耗的目的以及保證銅品質(zhì)。

3 智能精煉方案設(shè)計

根據(jù)陽極銅精煉理論依據(jù)以及工藝生產(chǎn)具體現(xiàn)狀和需求，設(shè)計以煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)判斷為主，熔體形態(tài)和色度分析系統(tǒng)與在線式無線熔體熱電偶測溫為輔的智能終點判斷系統(tǒng)。

陽極爐工序增設(shè)一臺煙氣采集裝置，將陽極爐煙氣抽至氣體分析、監(jiān)測系統(tǒng)實時檢測陽極爐煙氣中S02、O、CO、CO2成份，并結(jié)合生產(chǎn)實際來修正陽極爐燃燒系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，做到智能控制準(zhǔn)備。

通過檢測陽極爐煙氣成分與銅熔液中S、O 元素含量的對比關(guān)系，建立根據(jù)煙氣成分自動判定氧化終點和還原終點數(shù)模系統(tǒng)。

通過在線式無線溶體熱電偶測溫實時跟蹤銅液溫度并及時調(diào)整燃燒氧量。

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成主要包括以下四大塊：

①煙塵在線監(jiān)測分析系統(tǒng)；

②陽極爐氧化還原終點判斷系統(tǒng)（包括畫面監(jiān)視與操作，以及與上位DCS 系統(tǒng)Modbus-RTU 或Profibus-DP 通訊接口）；

③熔體形態(tài)和色度分析系統(tǒng)（包括圖像監(jiān)視系統(tǒng)、圖像算法處理系統(tǒng)）；

④在線式無線高溫?zé)犭娕枷到y(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)總裝圖

圖3 實時數(shù)據(jù)趨勢圖

3.2 煙氣在線監(jiān)測分析系統(tǒng)

系統(tǒng)通過在線測量煙氣中的SO2、CO 濃度和實時監(jiān)測爐體銅熔液圖像，以及實時采集陽極爐DCS/PLC 系統(tǒng)在線各階段監(jiān)視與控制參數(shù)如爐膛送風(fēng)量、爐膛內(nèi)負(fù)壓、送風(fēng)壓力、天然氣流量、中心氧流量、壓縮空氣流量、N2流量等，分別建立氧化還原期SO2、CO 濃度數(shù)學(xué)定量分析模型和氧化還原爐內(nèi)溫度推導(dǎo)計算模型，以及圖像識別算法模型，最終形成融合人工智能的陽極爐氧化還原的作業(yè)指導(dǎo)系統(tǒng)。

3.3 熔體形態(tài)和色度分析系統(tǒng)

通過圖像數(shù)值分析和熔體形狀輔助分析，得出終點；替代或減少人工取樣分析，或人工經(jīng)驗預(yù)判斷，盡量做到傻瓜化或標(biāo)準(zhǔn)化操作。

（1）鏡頭安裝位置是位于陽極爐尾端偏上位置，對準(zhǔn)爐體相應(yīng)位置開一個直徑8cm 的通孔用于鏡頭拍攝（如總裝圖所示）；

（2）在火焰較少的爐體尾部中上方位置開孔，避開火焰遮擋位置；孔徑（R＞8cm），光學(xué)設(shè)備固定支架距離爐體1～2m，固定立桿高度2～2.5m 略高于開孔位置，控制柜供電，過道下方布線。

（3）系統(tǒng)配置圖像識別相機，現(xiàn)場控制箱，工作站，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機，分析軟件，單模光纜，電纜，超五類網(wǎng)線，工業(yè)光纖收發(fā)器，相機冷卻護套，設(shè)備支架。

（4）本系統(tǒng)需在陽極爐尾端搭建高度可讓鏡頭俯視視孔的固定架，用于固定圖像識別相機，固定架下方搭建平臺放置系統(tǒng)柜。

圖4 還原終點對照圖

圖5 圖像識別實時監(jiān)測圖

3.4 在線式無線高溫?zé)犭娕枷到y(tǒng)

（1）開孔位置如總裝圖所示，位于爐體尾部側(cè)面偏上，于耐火磚上斜30℃—45℃開一斜孔，孔徑約30mm；開孔處應(yīng)避開底部的通氣管道盡量靠近爐體尾部，無線設(shè)備與安裝孔徑大小以實際現(xiàn)場勘察為準(zhǔn)。

（2）本體主要設(shè)備清單：高溫探頭，XI-1500PH 耐高溫?zé)o線收發(fā)器，單模光纜，電纜，溫度顯示器，隔熱材料，保護盒等。

（3）金屬陶瓷探頭保護管材料成分：65%：鉻 ：35%：Al2O3；生產(chǎn)工藝：膠體滑漿-液體吸收-澆鑄-燒結(jié)-共價氧化；物理特性：熔點：2266℃。

（4）XI-1500PH 無線收發(fā)器M625。

圖6 金屬陶瓷探頭

4 預(yù)期效果、效益

熔煉車間陽極爐工序2019 年年初開始進行生產(chǎn)現(xiàn)場實踐研發(fā)，期間取得了大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析后找出了最佳氧化脫硫還原終點，氧化、還原終點實現(xiàn)精準(zhǔn)可控；還原階段對CO 進行控制，確保安全和節(jié)省還原天然氣；降低能耗［5］、提高了經(jīng)濟效益。

表2 重油、天然氣單耗對比表

2019 年初陽極爐工序增設(shè)了煙氣在線監(jiān)測分析系統(tǒng)和熔體形態(tài)、色度分析系統(tǒng)，投入使用后還原天然氣單耗由4.25 Nm3/t.cu 降至≤3.95 Nm3/t.cu，重油單耗由8.25 kg/t.cu 降至≤7.95 kg/t.cu。2018 年、2019 年天然氣［6］、重油單耗對比如表2。

5 結(jié)語

目前對陽極銅氧化、還原終點判斷，在國內(nèi)外均是憑人工經(jīng)驗現(xiàn)場判斷與分析樣化驗品位結(jié)果相結(jié)合，對終點判斷不能做到及時準(zhǔn)確；操作上缺乏系統(tǒng)性指導(dǎo)。智能精煉系統(tǒng)能夠輔助操作組織燃燒、及時判斷陽極銅終點的S、O 含量，消除不合格陽極銅的產(chǎn)生，降低陽極爐工序燃材料成本；延長陽極爐壽命。因此在銅冶煉行業(yè)有著廣闊的前景。