余 堅(jiān)

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330000）

銅礦資源是我國(guó)工業(yè)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要資源，開(kāi)發(fā)利用及提煉工作受到政府及相關(guān)部門(mén)的高度重視，技術(shù)水平不斷提升，尤其是近些年隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，銅礦冶煉技術(shù)逐漸向著自動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，以西北部某省區(qū)域內(nèi)的大型廠區(qū)濕法煉銅為實(shí)際案例進(jìn)行探討。項(xiàng)目位于我國(guó)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(xiàng)目，最后完成銅礦冶煉工作。此項(xiàng)目投資金額高達(dá)11億美元，項(xiàng)目占地28.5km2，采礦區(qū)域范圍較廣。自2016年投產(chǎn)后陰極銅產(chǎn)量100kt/a。項(xiàng)目的銅礦采集和冶煉工作對(duì)專業(yè)技術(shù)和設(shè)備的要求較高，尤其是冶煉所用設(shè)備和料液必須符合標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也對(duì)系統(tǒng)的安全性和可靠性提出了更高要求。

1 銅資源及其在我國(guó)的生產(chǎn)現(xiàn)狀簡(jiǎn)述

中國(guó)作為資源大國(guó)，銅礦資源對(duì)外依存度高，本土銅礦資源并不豐富，目前已經(jīng)有所記錄或者完成開(kāi)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(shù)銅礦成分復(fù)雜，精度并不高；另外，我國(guó)的銅礦資源大部分為地下資源，開(kāi)采難度大，探查難度大；礦產(chǎn)組成復(fù)雜，原礦質(zhì)量低下，難以滿足社會(huì)發(fā)展需求，冶煉成本高。近些年隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提升，我國(guó)大多數(shù)銅礦冶煉通過(guò)對(duì)濕法煉銅的應(yīng)用，生產(chǎn)成本大大降低，從初始礦產(chǎn)冶煉成本6.5萬(wàn)/t 降低到1.5萬(wàn)/t 左右，既實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，又為社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(chǎng)大型化，銅元素的重復(fù)性利用

堆浸法在我國(guó)銅礦冶煉工作中應(yīng)用非常普遍，技術(shù)難度水平偏低，投資成本低，屬于銅礦直接浸出。通過(guò)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(chǎn)成本，作為機(jī)械化銅礦資源開(kāi)采工作為我國(guó)銅礦資源采集提供幫助。結(jié)合實(shí)際發(fā)展情況來(lái)看，堆浸法雖然在銅礦資源冶煉過(guò)程中應(yīng)用廣泛，但是由于我國(guó)技術(shù)發(fā)展水平有限，目前并未建設(shè)大型場(chǎng)地，這也在一定程度上限制了我國(guó)銅礦資源的開(kāi)發(fā)利用。部分國(guó)外發(fā)達(dá)地區(qū)與周邊地區(qū)積極合作創(chuàng)建共贏關(guān)系，通過(guò)大量資金的投入建設(shè)大型施工廠，完成堆進(jìn)工作，銅礦冶煉水平顯著提升，尤其是大型礦場(chǎng)的機(jī)械化水平更高，一些專用設(shè)備移動(dòng)和運(yùn)輸更加簡(jiǎn)單快捷，符合現(xiàn)代化銅礦資源發(fā)展需求。例如，大型冶煉廠通過(guò)機(jī)械化處理提升運(yùn)輸水平，礦渣運(yùn)輸至廢棄市場(chǎng)后可進(jìn)行二次處理，相對(duì)小型工廠來(lái)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(yīng)用

隨著社會(huì)發(fā)展水平的不斷提升，生物發(fā)展技術(shù)逐漸邁入人們視野。我國(guó)銅礦資源屬于貧礦，自身資源并不豐富，另外已經(jīng)開(kāi)采的礦資源通常含有多類伴生元素，開(kāi)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(chǎn)企業(yè)通過(guò)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(shù)的快速發(fā)展，一些國(guó)家和生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)始利用生物浸出提取銅礦資源的額外元素，生產(chǎn)成本更低，更適合用于大規(guī)模生產(chǎn)。生物技術(shù)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(kāi)發(fā)利用提供技術(shù)幫助，而且通過(guò)生物技術(shù)的調(diào)節(jié)還能降低生產(chǎn)投資成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保施工。需要注意的是，應(yīng)用生物技術(shù)要注意高效生物氧化器設(shè)計(jì)，確保氧化器的溫度，酸堿值符合銅礦開(kāi)發(fā)規(guī)范。

2.3 地下浸出技術(shù)

地下浸出技術(shù)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(guó)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(lái)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(tuán)隊(duì)選擇了原地浸出，那么需要工作人員通過(guò)專用設(shè)備將料液注入地下銅礦當(dāng)中，處理后運(yùn)送到地表。結(jié)合我國(guó)銅礦資源發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，地下浸入技術(shù)非常適用于我國(guó)地下銅礦資源的開(kāi)發(fā)利用，在一些開(kāi)采難度大，埋藏較深的復(fù)雜銅礦更能體現(xiàn)這一技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而且地下浸入技術(shù)對(duì)周?chē)h(huán)境幾乎不存在污染問(wèn)題，符合綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。礦產(chǎn)資源采集工作風(fēng)險(xiǎn)高，安全保障低，地下銅礦資源的開(kāi)發(fā)利用施工環(huán)境嚴(yán)峻，稍有不慎就會(huì)出現(xiàn)塌方，嚴(yán)重威脅工作人員的生命安全，通過(guò)地下處理技術(shù)可以直接使用泵運(yùn)輸?shù)降孛?，改善施工人員的生產(chǎn)條件，而且本身技術(shù)就有較高的銅礦資源開(kāi)發(fā)利用水平，未來(lái)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(gè)方面。

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

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

（2）目前結(jié)合我國(guó)硫化銅礦是浸出發(fā)展來(lái)看，生物氧化銅技術(shù)應(yīng)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(shì)良好，為我國(guó)銅礦資源的開(kāi)發(fā)利用提供新的發(fā)展思路。硫化銅礦時(shí)所使用的生物浸出技術(shù)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(guò)吸附作用溶解銅礦資源中所含有的部分礦物質(zhì)，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(xì)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(jìn)一步堆浸了氧化硫化反應(yīng)的發(fā)展。

（3）黃銅礦的浸出也與生物技術(shù)聯(lián)系緊密。黃銅礦在生物細(xì)菌和氧化反應(yīng)同時(shí)作用下，可以生成FeSO4、Cu2S+、FeSO4+S、然后經(jīng)過(guò)循環(huán)將FeSO4和S 氧化成為Fe2（SO4）3和H2SO4，整個(gè)反應(yīng)不斷循環(huán)發(fā)展，受到細(xì)菌作用和氧化作用不斷溶解。在此生產(chǎn)過(guò)程中，一般將細(xì)菌作為間接氧化劑。

（4）銅藍(lán)細(xì)菌浸出。需要注意的是，此次浸出工作環(huán)境并沒(méi)有三價(jià)鐵離子作為氧化劑，所以主要通過(guò)細(xì)菌作為氧化劑進(jìn)行氧化反應(yīng)，與其他幾個(gè)反應(yīng)不同的是，此次反應(yīng)的酸消耗量幾乎等于零，化學(xué)反應(yīng)：CuS+2O2=CuSO4。相對(duì)來(lái)講，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程是非常簡(jiǎn)單的，而且最終的化學(xué)反應(yīng)是表明整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中并未出現(xiàn)新的反應(yīng)物，也就是說(shuō)轉(zhuǎn)化過(guò)程中并未出現(xiàn)硫化物，更沒(méi)有其他元素。

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

4 全廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此次項(xiàng)目銅礦資源濕法煉銅自動(dòng)化系統(tǒng)包括多個(gè)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(diào)度室。自動(dòng)化系統(tǒng)主要使用了德國(guó)西門(mén)子PCS7的硬件和軟件，專業(yè)水平高，包含服務(wù)器和客戶端兩個(gè)端口，整體工作水平高。另外尺度動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)中所使用的系統(tǒng)網(wǎng)和以太網(wǎng)協(xié)議，內(nèi)部雖然有第三方設(shè)備，但均接入主環(huán)網(wǎng)當(dāng)中，其余移動(dòng)通信設(shè)備為無(wú)線通信。

5 主要工藝段系統(tǒng)介紹

5.1 露天采場(chǎng)系統(tǒng)

露天采場(chǎng)設(shè)備主要配備了大型變電站，除此之外，還有信息系統(tǒng)，另外還配置了單模交換機(jī)。

5.2 原礦粗碎系統(tǒng)

原礦粗碎系統(tǒng)的主要配置如下：①PLC控制系統(tǒng)，且系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)接入主系統(tǒng)當(dāng)中。②配置現(xiàn)場(chǎng)操作站，確保后續(xù)工作的順利進(jìn)行。

5.3 礦石輸送堆筑系統(tǒng)

主要配置：①通過(guò)以太網(wǎng)接入通信系統(tǒng)當(dāng)中的PLC 控制系統(tǒng)。②礦石輸送和運(yùn)輸，通過(guò)無(wú)線通信方式完成連鎖控制，同樣包括PLC 控制系統(tǒng)。③遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制系統(tǒng)，另外還配備有操作員站和工程師站。

5.4 堆浸控制系統(tǒng)

主要配置如下：①用于讀取高壓電機(jī)、變頻器等設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的通信裝置。②大型泵站，還有遠(yuǎn)程站點(diǎn)完成信號(hào)后數(shù)據(jù)的接入以及控制工作。③此系統(tǒng)所使用的操作員站和工程師站與萃取電積系統(tǒng)是通用的。

5.5 萃取電積控制系統(tǒng)

萃取電積是濕法煉銅自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成，也是銅礦資源開(kāi)發(fā)利用的主要工藝，此施工階段需要使用到多種儀表測(cè)點(diǎn)和電氣設(shè)備，對(duì)工藝的精準(zhǔn)性要求非常高，自動(dòng)化系統(tǒng)配置如下：①為了實(shí)現(xiàn)重要施工階段的全過(guò)程監(jiān)督，在辦公樓位置設(shè)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(jìn)行提供技術(shù)保障。②萃取工作設(shè)置有三個(gè)低壓配電室，電積則有兩個(gè)配電室，除此之外，分別配備遠(yuǎn)程I/O 站。總的來(lái)講，萃取電積作為主要施工階段，所配置的設(shè)備大多用于發(fā)電和全過(guò)程監(jiān)督，是正常施工工序順利進(jìn)行的保障。

5.6 網(wǎng)絡(luò)及中央調(diào)度室

中央調(diào)度室、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為濕法煉銅技術(shù)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心組成部分，與系統(tǒng)運(yùn)行有直接關(guān)聯(lián)，簡(jiǎn)單來(lái)講，網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性直接決定系統(tǒng)是否可靠，此次自動(dòng)化系統(tǒng)的中央調(diào)度室配置情況如下：①由于施工規(guī)模較大，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)非常大，中央調(diào)度式承擔(dān)了重要責(zé)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(wǎng)，主要設(shè)備是德國(guó)西門(mén)子交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)通信速度非?？?。③為了確保大量數(shù)據(jù)的有效儲(chǔ)存和處理，中央調(diào)度室配備大量數(shù)據(jù)服務(wù)器，確保重要數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行分類歸檔處理，是后續(xù)工作的保障。

6 關(guān)鍵工藝段的自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用

6.1 關(guān)鍵工藝說(shuō)明

此次項(xiàng)目銅礦資源的濕法冶煉工作自動(dòng)化系統(tǒng)處理工藝包括細(xì)菌生物浸出、萃取、電積等部分。使用的料液符合生產(chǎn)建設(shè)需求，具體工藝如下：①工作人員將對(duì)進(jìn)場(chǎng)的浸出液泵入萃取車(chē)間的料液儲(chǔ)存槽內(nèi)；②再由輸送泵輸送到黃河區(qū)域經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢韬筮M(jìn)行萃取和洗滌、反萃取；③完成反萃取工作后進(jìn)行電積，生產(chǎn)出最終的陰極銅。萃取生產(chǎn)中需要注意，使用的催取劑類型是LIX984N，新試劑為260號(hào)溶劑油。

6.2 自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)

本次廠區(qū)濕法煉銅技術(shù)自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)包括3個(gè)萃取電積單元，自動(dòng)化系統(tǒng)工藝特點(diǎn)如下：此次銅礦資源的開(kāi)發(fā)利用屬于大型項(xiàng)目，包含多個(gè)電氣設(shè)備，例如，風(fēng)機(jī)，攪拌器，料液泵等，整個(gè)電氣設(shè)備數(shù)量高達(dá)130臺(tái)。為了提升冶煉水平，明確自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展重難點(diǎn)，整個(gè)儀表測(cè)量點(diǎn)位置非常多，包括液位、流量、制法等位置的具體測(cè)量。另外，自動(dòng)化系統(tǒng)的控制模式非常多樣，包括實(shí)際冶煉萃取過(guò)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(jìn)行，使用了多個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，包括變頻器、接入設(shè)備、電子數(shù)據(jù)處理設(shè)備等等。因此總結(jié)來(lái)看，濕法煉銅的自動(dòng)化系統(tǒng)具有流程長(zhǎng)、波動(dòng)大、復(fù)雜性高等特點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的順利應(yīng)用需要工作人員做好多方面控制，了解技術(shù)要點(diǎn)，具體如下：①確保設(shè)備的順啟順停。作為銅礦資源冶煉工作人員必須明確設(shè)備是整個(gè)萃取工作的施工重點(diǎn)。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(xiàn)中斷或者出現(xiàn)某些位置故障，都有可能造成意外事故發(fā)生，嚴(yán)重影響銅礦資源的萃取效率。調(diào)查車(chē)間實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀來(lái)看，目前在崗的施工人員缺乏專業(yè)證書(shū)，技術(shù)能力水平很難達(dá)到規(guī)范施工要求，對(duì)于設(shè)備的順啟順停了解較少，遇到突發(fā)事故應(yīng)急處理能力低下，然而連續(xù)性工作對(duì)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(guò)培訓(xùn)工作，提升設(shè)計(jì)人員的專業(yè)水平，幫助工作人員了解控制線路，及時(shí)停止或者開(kāi)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(huì)忽略pH 控制工作。然而實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，無(wú)論是料液偏堿性還是偏酸性，都有可能導(dǎo)致萃取失敗，因此pH 值與銅礦資源的開(kāi)發(fā)萃取的滯后性和嚴(yán)重非線性有著直接關(guān)聯(lián)，本次項(xiàng)目中使用料液當(dāng)中添加了純度較高的硫酸，pH 值控制水平要求更高。自動(dòng)化系統(tǒng)當(dāng)中的控制器通過(guò)分段控制形式，可以隨時(shí)了解采樣周期，進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整，符合生產(chǎn)需求。

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著銅礦資源的不斷開(kāi)發(fā)利用，我國(guó)已經(jīng)面臨了嚴(yán)重的銅礦資源緊缺問(wèn)題，目前如何提升銅礦資源的開(kāi)采利用率，實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化發(fā)展是技術(shù)研究重點(diǎn)，本文分析自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，明確自動(dòng)化系統(tǒng)的安全性，可靠性，為銅濕法冶煉自動(dòng)化系統(tǒng)的施工重難點(diǎn)研究和工藝水平的提升提供參考。