李林山,趙宇娟,金澤志

(銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司,安徽銅陵 244100 )

目前,大多銅生產(chǎn)企業(yè)在銅锍吹煉過(guò)程中采用人工經(jīng)驗(yàn)判斷吹煉終點(diǎn),比如通過(guò)火焰法、噴濺物法、爐后釬樣法等判斷造渣終點(diǎn)或者造銅終點(diǎn)[1],這些判斷方法需要長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累,雖能有效把控銅锍吹煉的終點(diǎn),但受操作員個(gè)人主觀因素居多,存在誤判情況,易導(dǎo)致欠吹或過(guò)吹情況發(fā)生,影響正常生產(chǎn),甚至導(dǎo)致噴爐事故發(fā)生,因此部分學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)智能判斷進(jìn)行了一系列的研究與應(yīng)用[2-3]。

“冶化流程計(jì)算與在線控制系統(tǒng)開(kāi)放平臺(tái)(METCAL)” 可以將冶金過(guò)程工藝流程圖、設(shè)備連接圖與計(jì)算流程圖融為一體,通過(guò)搭建全流程工藝數(shù)學(xué)模型,對(duì)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算,實(shí)現(xiàn)對(duì)造渣終點(diǎn)和造銅終點(diǎn)的判斷。銅陵有色金冠銅業(yè)分公司(以下簡(jiǎn)稱“公司”)采用METCAL 構(gòu)建了轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉終點(diǎn)判斷仿真模型,并根據(jù)質(zhì)量平衡、熱平衡和元素平衡三大體系來(lái)控制吹煉過(guò)程中的冷料添加量和添加時(shí)機(jī),應(yīng)用實(shí)踐表明該模型對(duì)指導(dǎo)銅锍吹煉終點(diǎn)判斷起到了有效的輔助作用[4-7]。

本文在介紹轉(zhuǎn)爐吹煉銅锍傳統(tǒng)終點(diǎn)判斷方法及依據(jù)的基礎(chǔ)上,詳細(xì)闡述了轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉終點(diǎn)判斷仿真模型的構(gòu)建過(guò)程,并對(duì)仿真誤差的處理進(jìn)行了論述。

1 轉(zhuǎn)爐吹煉銅锍傳統(tǒng)終點(diǎn)判斷方法及依據(jù)

公司奧爐廠區(qū)采用奧斯麥特熔煉-PS 轉(zhuǎn)爐吹煉-回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐火法精煉工藝生產(chǎn)陽(yáng)極銅。PS 轉(zhuǎn)爐以銅锍(FeS·Cu2S)為原料、以石英石(SiO2)為熔劑,將主要Fe 和S 元素脫除,得到98.5%的粗銅,其中Fe 元素生成鐵橄欖石(2FeO·SiO2)通過(guò)放渣排除,而S 元素被氧化生成SO2通過(guò)管道輸送進(jìn)入硫酸工序制酸。整個(gè)銅锍吹煉過(guò)程涉及造渣和造銅兩個(gè)終點(diǎn)判斷,常見(jiàn)的終點(diǎn)判斷有以下幾種方法[8-10],詳見(jiàn)表1。

表1 轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉終點(diǎn)判斷方法及依據(jù)

2 轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉仿真模型

轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉終點(diǎn)判斷仿真模型由物相計(jì)算數(shù)學(xué)模型、造渣1 期吹煉數(shù)學(xué)模型、造渣2 期吹煉數(shù)學(xué)模型和造銅期吹煉數(shù)學(xué)模型組成。單個(gè)模型分為單元?jiǎng)?chuàng)建、原料組成、產(chǎn)物組成、自定義約束條件、數(shù)學(xué)方程和運(yùn)行計(jì)算五個(gè)部分。

2.1 仿真模型原理及判斷依據(jù)

銅锍吹煉的主要化學(xué)反應(yīng)見(jiàn)式(1)～(5)。銅锍是Cu2S 和FeS 的熔體,根據(jù)式(5)可知銅對(duì)硫的親和力大于鐵,鐵對(duì)氧的親和力大于銅,銅锍吹煉過(guò)程中,鐵優(yōu)先于銅參與反應(yīng)[11]。

銅锍中的FeS 經(jīng)式(1)和式(2)造渣除去,將白銅锍中殘留的Fe 作為造渣期終點(diǎn)判斷依據(jù);銅锍中的Cu2S 經(jīng)式(4)和式(5)造銅生成粗銅,將粗銅中殘留的S 作為造銅期終點(diǎn)判斷依據(jù);白銅锍中的Fe含量和粗銅中的S 含量通過(guò)式(1)～(4)反應(yīng)所需理論用氧及實(shí)際供氧量來(lái)確認(rèn)。

2.2 終點(diǎn)判斷仿真流程

轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉終點(diǎn)判斷仿真模型實(shí)時(shí)在線讀取過(guò)程控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù),根據(jù)送風(fēng)系統(tǒng)和爐體編碼器信息自動(dòng)跟蹤銅锍吹煉進(jìn)程,通過(guò)對(duì)投入物料進(jìn)行元素與質(zhì)量分解,結(jié)合模型預(yù)測(cè)耗氧量和瞬時(shí)送氧信息預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉終點(diǎn)。具體仿真流程如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉終點(diǎn)判斷仿真流程

2.3 單元?jiǎng)?chuàng)建

通過(guò)對(duì)熱銅锍、固鈹(冷銅锍)、白鈹(冷白銅锍)、床下物、精煉渣、冷銅、銅包殼、黑銅板、石英熔劑及其他含銅物料創(chuàng)建單元,分別設(shè)定其單元名、質(zhì)量守恒策略、數(shù)量顯示格式等,其相應(yīng)的物料轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖2所示。

圖2 仿真模型物料轉(zhuǎn)化流程

2.4 原料組成

通過(guò)對(duì)創(chuàng)建的單元進(jìn)行原料組成分類,劃分元素、化合物組成及含量比例,為自定義約束關(guān)系創(chuàng)建自定義變量。以銅锍原料銅锍為例,銅锍類物料在使用時(shí)常常只會(huì)提供銅锍品位(Cu%)這一個(gè)成分?jǐn)?shù)據(jù),所以其中的SiO2百分含量預(yù)設(shè)值0.1%為生產(chǎn)實(shí)踐典型數(shù)據(jù),其余元素在此設(shè)為x。雖然Cu 元素百分含量是已知的,但為了方便輸入處理,其實(shí)際值放到自定義約束中處理,這里也設(shè)為x。其組成有Cu、Fe、S、SiO2、Other,相應(yīng)比例均設(shè)為x。

2.5 產(chǎn)物組成

通過(guò)對(duì)單元物料中的元素進(jìn)行產(chǎn)物分析,推導(dǎo)其產(chǎn)物組成并設(shè)置自定義變量。以銅锍為例,其物相組成簡(jiǎn)化為:Cu2S、FeS、Fe3O4、SiO2和Other,相應(yīng)組分比例均設(shè)為x。

2.6 約束條件

對(duì)目標(biāo)值進(jìn)行物相組成邏輯關(guān)系搭建,以Cu元素為例,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)式(6)～(7)分別計(jì)算S 和Fe元素的含量[12]。

銅锍物相計(jì)算自定義約束關(guān)系如下所述。

約束條件1:指定原料銅锍1 中的Cu 分?jǐn)?shù)含量=S1 銅锍G/100。其中S1 銅锍G 為全局變量,表示S1 期投入熱銅锍的銅锍品位(Cu%)。因?yàn)楸纠玫降氖怯糜赟1 期的熱銅锍原料單元,所以這里用S1 銅锍G。若是其他吹煉期或不是熱銅锍原料,則要用相應(yīng)的全局變量來(lái)替代S1 銅锍G。

約束條件2:用經(jīng)驗(yàn)公式(6)描述鐵與銅的定量關(guān)系。

約束條件3:用經(jīng)驗(yàn)公式(7)描述硫與銅的定量關(guān)系。

約束條件4:指定銅锍量。

若指定添加的熱銅锍質(zhì)量,即可通過(guò)自定義的四個(gè)約束條件確定Fe 和S 的質(zhì)量。通過(guò)對(duì)單個(gè)單元?jiǎng)?chuàng)建數(shù)模方程,可確定物料指定與投入的函數(shù)關(guān)系。以銅锍單元為例,構(gòu)建的數(shù)模方程見(jiàn)表2。

表2 銅锍數(shù)模方程

表中10#和11#函數(shù)可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(6)和(7)得到,表1 方程中:x1為設(shè)定銅锍1,kg;x2為設(shè)定銅锍1 中的Cu,kg;x3為設(shè)定銅锍1 中的Fe,kg;x4為設(shè)定銅锍1 中的S,kg;x5為設(shè)定銅锍1 中的O,kg;x6為設(shè)定銅锍1 中的Other,kg;x7為投入銅锍,kg;x8為投入銅锍中的Cu2S,kg;x9為投入銅锍中的FeS,kg;x10為投入銅锍中的Fe3O4,kg;x11為投入銅锍中的SiO2,kg;x12為投入銅锍中的Other,kg。

2.7 運(yùn)行計(jì)算

以銅锍單元為例,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 銅锍單元計(jì)算表

3 仿真數(shù)據(jù)分析

銅锍吹煉過(guò)程分造渣一期(簡(jiǎn)稱S1)、造渣二期(簡(jiǎn)稱S2)和造銅期(B)三個(gè)階段,兩次造渣期的數(shù)值分析相互獨(dú)立,結(jié)合原料投入量和送風(fēng)流量預(yù)測(cè)造渣終點(diǎn),造銅期以造渣期數(shù)值分析結(jié)果為基礎(chǔ)完成造銅終點(diǎn)預(yù)測(cè)。

3.1 造渣一期數(shù)據(jù)分析

轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉終點(diǎn)判斷仿真模型通過(guò)在線讀取銅锍、石英熔劑和低品位的含銅冷料等生產(chǎn)數(shù)據(jù),自動(dòng)進(jìn)行跟蹤計(jì)算。通過(guò)追蹤觀察10 爐次的轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉過(guò)程,其S1 期用氧、吹煉時(shí)長(zhǎng)及偏差分別見(jiàn)表4 和表5。S1 期整體用氧偏差在- 5.48%～2.46%之間,其中±3%以內(nèi)占比80%,最小偏差為-0.60%;S1 期整體吹煉時(shí)長(zhǎng)偏差在-4.65%～3.45%之間,負(fù)值表示過(guò)吹(下同),正值表示欠吹(下同),其中第六組預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際吹煉時(shí)長(zhǎng)完全一致。

表4 造渣一期實(shí)際與預(yù)測(cè)用氧對(duì)照表

表5 造渣一期實(shí)際與預(yù)測(cè)吹煉時(shí)長(zhǎng)對(duì)照表

3.2 造渣二期數(shù)據(jù)分析

造渣二期數(shù)值分析繼一期完成造渣、放渣作業(yè)后重新讀取第二次投料數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值分析,其S2 期用氧、吹煉時(shí)長(zhǎng)及偏差分別見(jiàn)表6 和表7。S2 期整體用氧偏差在± 5% 以內(nèi),其中± 3% 以內(nèi)占比70%,最小偏差為-0.10%;S2 期整體吹煉時(shí)長(zhǎng)偏差在±5%以內(nèi),其中第三組預(yù)測(cè)結(jié)果與吹煉時(shí)長(zhǎng)一致。S2 期數(shù)值分析結(jié)果與S1 期偏差度較為一致,預(yù)測(cè)效果良好。

表6 造渣二期實(shí)際與預(yù)測(cè)用氧對(duì)照表

表7 造渣二期實(shí)際與預(yù)測(cè)吹煉時(shí)長(zhǎng)對(duì)照表

3.3 造銅期數(shù)據(jù)分析

銅锍吹煉造渣反應(yīng)完成后剩余大量白銅锍(Cu2S),結(jié)合添加冷銅信息作為造銅期的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。由表8 可知,預(yù)測(cè)的用氧量較實(shí)際用氧量正偏差居多,少數(shù)爐次預(yù)測(cè)準(zhǔn)確,但波動(dòng)較大,其中最高偏差達(dá)6.92%。從表9 可以看出,B 期整體吹煉時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)(超過(guò)S1 和S2 之和),預(yù)測(cè)吹煉時(shí)長(zhǎng)同樣表現(xiàn)為正偏差居多,10 爐次中僅1 爐次表現(xiàn)為過(guò)吹,起到了良好的預(yù)警作用。

表8 造銅期實(shí)際與預(yù)測(cè)用氧對(duì)照表

表9 造銅期實(shí)際與預(yù)測(cè)吹煉時(shí)長(zhǎng)對(duì)照表

4 仿真誤差處理

銅锍吹煉結(jié)束后對(duì)白銅锍(Cu2S)中殘留的Fe含量進(jìn)行分析化驗(yàn),其結(jié)果見(jiàn)表10、表11,S1 期Cu2S 中Fe 含量在2.41%～4.78%范圍內(nèi),S2 期Cu2S中Fe 含量在0.63%～3.44%范圍內(nèi)。

表10 S1 期仿真誤差修正參數(shù)

表11 S2 期仿真誤差修正參數(shù)

銅锍吹煉結(jié)束后對(duì)粗銅中S 含量進(jìn)行分析化驗(yàn),其結(jié)果如表12所示,B 期粗銅中S 含量在0.05%～0.99%范圍內(nèi)。

表12 B 期仿真誤差修正參數(shù)

通過(guò)求取10 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Cu2S 中含F(xiàn)e 含量和粗銅中S 含量的平均值,將S1 期造渣終點(diǎn)仿真誤差修正參數(shù)(Cu2S 中Fe 含量)設(shè)為3.38%,S2 設(shè)為2.34%,B 期造銅終點(diǎn)仿真誤差修正參數(shù)(粗銅中S含量)設(shè)為0.49%。修正前后的造渣一、二期和造銅期的預(yù)測(cè)結(jié)果誤差如圖3～5所示。

圖3 造渣一期修正前后誤差對(duì)比圖

圖4 造渣二期修正前后誤差對(duì)比圖

通過(guò)圖3～5 造渣一期、造渣二期和造銅期修正前后誤差對(duì)比圖可以看出,造渣一期的偏差由-4.65%～3.45%縮小至-2.50%～3.23%,造渣二期的偏差由-4.92%～4.11%縮小至-3.28%～3.45%,造銅期的偏差由-3.06%～6.92%縮小至-3.05%～3.29%。造渣期和造銅期終點(diǎn)判斷值經(jīng)修正后,誤差范圍有所縮小,判斷精準(zhǔn)度提高。以此類推,通過(guò)進(jìn)一步擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)次數(shù),最終獲取的仿真誤差修正參數(shù)會(huì)更接近生產(chǎn)實(shí)際值,起到的終點(diǎn)判斷效果更好,判斷精準(zhǔn)度更高。

圖5 造銅期修正前后誤差對(duì)比圖

5 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉仿真模型結(jié)果顯示,造渣期時(shí)長(zhǎng)終點(diǎn)判斷誤差在±5%,造銅期時(shí)長(zhǎng)終點(diǎn)判斷誤差在±7%,同時(shí)分析了白銅锍中鐵含量對(duì)造渣終點(diǎn)判斷的影響和粗銅中硫含量對(duì)造銅終點(diǎn)判斷的影響程度,造渣期對(duì)應(yīng)的Cu2S 中Fe 含量在0.63%～4.78% 范圍內(nèi),造銅期對(duì)應(yīng)的粗銅中S 含量在0.05%～0.99%范圍內(nèi)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析,S1 期仿真誤差修正參數(shù)設(shè)置為3.38%,S2 期仿真誤差修正參數(shù)設(shè)置為2.34%,B 期仿真誤差修正參數(shù)設(shè)置為0.49%。從本文造渣和造銅的終點(diǎn)判斷結(jié)果來(lái)看,確實(shí)起到了輔導(dǎo)轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉的工藝操作,后期可通過(guò)大數(shù)據(jù)的積累進(jìn)一步提高銅锍吹煉終點(diǎn)判斷仿真模型判斷精準(zhǔn)度。