DCS在卡爾多爐處理陽極泥過程控制的應(yīng)用

祝智宏 王澤霞

（銅陵銅冠信息科技有限公司自動(dòng)化部 安徽 銅陵 244000）

0 概述

卡爾多爐是一個(gè)既可以前后傾轉(zhuǎn)又可以繞爐子中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的冶煉爐，它是目前世界上技術(shù)先進(jìn)的富氧頂吹法冶煉鉛、銅、陽極泥及貴重金屬的裝備之一，具有節(jié)能、工藝流程短、自動(dòng)化程度高，綜合回收率高、能夠滿足當(dāng)前嚴(yán)格的環(huán)保要求等優(yōu)點(diǎn)。卡爾多爐處理銅電解陽極泥技術(shù)，是某稀貴金屬公司于2007年Outotec公司引進(jìn)。

了解工藝，熟悉它的典型控制回路和連鎖點(diǎn)，便能更快得消化和掌握卡爾多爐控制策略，從而為設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試該控制系統(tǒng)贏得時(shí)間。

1 工藝介紹

整個(gè)工藝主要流程為如圖1所示。

其主要工藝流程有:常壓浸出、壓力浸出、干燥、熔煉、煙氣凈化、硒回收工序等工序。

常壓浸出工序：浸出始液制備后，在攪拌的條件下，向浸出槽加入陽極泥。泥漿加熱至約80－85℃，并通過浸沒式管道通入氧氣。浸出完成后，使陽極泥沉積一段時(shí)間。過濾槽內(nèi)的溶液用壓濾機(jī)進(jìn)行過濾，濾液收集到緩沖槽。

圖1 工藝主要流程

壓力浸出工序：常壓浸出后陽極泥漿泵入反應(yīng)釜，然后用高壓蒸汽加熱陽極泥漿，此時(shí)壓力大約為200kPa。沖洗后，關(guān)閉所有的閥門，并通氧直到反應(yīng)釜壓力達(dá)到860kPa時(shí)，自動(dòng)停止供氧。通過冷凝器，將蒸汽放出，將陽極泥冷卻，送入緩沖槽并進(jìn)一步冷卻至＜80℃。在壓濾機(jī)中壓濾浸出后陽極泥。濾液收集入Ag/Se沉積槽，得到的濾餅沉積銀進(jìn)入卡爾多爐，合格的濾液泵入銅電解。

干燥工序：濾餅由螺旋輸送機(jī)匯集，并輸送至料倉。料倉將浸出陽極泥加入漿葉式干燥機(jī)，用蒸汽間接加熱。干燥后物料匯集到儲(chǔ)料倉。

熔煉工序：通過船形加料器加入潮濕物料，第一批物料熔煉后，將加料倉中的干燥物料和（或）吹煉渣加入爐內(nèi)。熔煉物料“充滿”卡爾多爐，還原階段開始，還原硒和全部的貴金屬。結(jié)束后熔煉渣放入渣包，放渣后，開始吹煉。陽極銀放入金屬包，然后金屬包轉(zhuǎn)入感應(yīng)爐內(nèi)。

煙氣凈化工序：卡爾多爐的工藝煙氣經(jīng)文丘里系統(tǒng)進(jìn)入濕式電收塵（高負(fù)壓下運(yùn)行），濕式電收塵后有兩個(gè)文丘里風(fēng)機(jī)，文丘里風(fēng)機(jī)排出的煙氣直接進(jìn)入吸收塔。硒沉積的通風(fēng)煙氣也直接進(jìn)入有一個(gè)吸收SO2氣體的循環(huán)系統(tǒng)的吸收塔，凈化煙氣從煙道排出。

硒回收工序：煙氣凈化溶液首先用蒸汽直接加熱至75－80℃，再把SO2通入溶液，沒有反應(yīng)的SO2經(jīng)過通風(fēng)設(shè)施進(jìn)入吸收塔。沉積后采用壓濾機(jī)過濾，濾餅洗滌后，產(chǎn)出＞99.5%的粗硒。一次沉積的濾液重復(fù)前面工序，二次沉積，二次沉硒返回卡爾多爐，濾液部分用于銅浸出工序，過量溶液送入廢水處理。

2 工藝要求及系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)工藝要求，為安全穩(wěn)定地生產(chǎn)，減少故障發(fā)生和提高生產(chǎn)效率，卡爾多爐的自動(dòng)控制主要包括如下內(nèi)容：

采用ABB 800F DCS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熔煉過程的數(shù)據(jù)采集、控制管理等功能，控制器為1：1冗余。控制器可以在不中斷正在運(yùn)行的程序或?qū)⒖刂妻D(zhuǎn)換至后備處理器的情況下，具有在線編程和修改的能力。在熔煉車間設(shè)置車間主控制室和現(xiàn)場(chǎng)控制柜、電氣控制柜。主控室設(shè)置有計(jì)算機(jī)操作員站和頂吹轉(zhuǎn)爐操作臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)控制柜、電氣控制柜采用遠(yuǎn)程I/O站。各現(xiàn)場(chǎng)控制單元和操作員站通過現(xiàn)場(chǎng)控制總線profibus-dp連接，數(shù)據(jù)資源共享。控制系統(tǒng)原理圖見圖2。

控制系統(tǒng)采用分布式配置，2個(gè)DCS控制器集中配置在熔煉車間的現(xiàn)場(chǎng)控制柜內(nèi)，控制相對(duì)獨(dú)立的工藝流程。現(xiàn)場(chǎng)工藝控制點(diǎn)相對(duì)集中的地方，采用遠(yuǎn)程I／O柜的方式配置，I/ O卡和控制器通信卡都安裝在I/O柜內(nèi)。I/O柜分布于設(shè)備內(nèi)部（或附近），以減少其與轉(zhuǎn)換器和變送器等裝置之間的連接線纜的長度和便于維護(hù)。卡爾多爐轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)速變頻器也通過profibus-dp與控制器通訊。

頂吹轉(zhuǎn)爐操作臺(tái)可以為頂吹轉(zhuǎn)爐和噴槍提供很好的操作控制。它被安裝在控制室內(nèi)，控制臺(tái)前面是安全玻璃窗，安全玻璃窗正面對(duì)頂吹轉(zhuǎn)爐所在的車間。

操作臺(tái)由裝配了監(jiān)視器的PC視窗組成。操作臺(tái)可以為操作員提供所有必須的工藝信息，包括報(bào)警、測(cè)量值，曲線圖。操作員還可以通過控制臺(tái)控制PID控制器，電動(dòng)機(jī)，自動(dòng)閥門等等。

3 系統(tǒng)功能

根據(jù)以上要求和硬件配置，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)以下主要功能。

1）人機(jī)界面

（1）所有的過程檢測(cè)參數(shù)(包括電氣設(shè)備的運(yùn)行、啟停和故障信號(hào))都納入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，以使操作人員全面掌控卡爾多爐的生產(chǎn)流程。數(shù)據(jù)一般分為：

A、生產(chǎn)關(guān)鍵參數(shù)(影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量)；

B、生產(chǎn)安全參數(shù)(涉及設(shè)備安全和人身安全)；

C、一般性參數(shù) (便于操作人員了解和操控整個(gè)工藝過程)。

（2）由于數(shù)據(jù)量比較大，系統(tǒng)在組態(tài)時(shí)，通過不同的標(biāo)識(shí)將其在CRT上作適當(dāng)?shù)膮^(qū)分，以便于操作人員及時(shí)掌握重要訊息，快速處理突發(fā)事件。

（3）操作站為操作員提供以下幾類畫面：總貌畫面、分組畫面、單點(diǎn)畫面、趨勢(shì)畫面、報(bào)警畫面、分析數(shù)據(jù)畫面、流程圖畫面 (按照工藝流程利用系統(tǒng)提供的圖形生成軟件繪制背景圖，再嵌人多種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示方式，包括數(shù)值顯示、棒圖、跟蹤曲線、開關(guān)變圖、開關(guān)變色等，形象展示生產(chǎn)工藝過程)；以及報(bào)表數(shù)據(jù)的收集和打印。

（4）對(duì)報(bào)警、連鎖、操作指令的變化等事件及日期、時(shí)間作為歷史數(shù)據(jù)加以儲(chǔ)存。

2）典型檢測(cè)與控制

（1）壓力釜溫度檢測(cè)與控制：

控制單元通過PID調(diào)節(jié)進(jìn)入壓力釜蒸汽流量大小來控制壓力釜反應(yīng)液的溫度；加氧前溫度控制在110-140℃，加氧后反應(yīng)釜內(nèi)溫度通常為150-165℃。鑒于壓力釜內(nèi)有氧濃很高、壓力較大、泥漿需要攪拌，保護(hù)管要同時(shí)滿足強(qiáng)度和抗腐蝕性要求，采用鈦2（或254SMO）保護(hù)管。

（2）壓力釜壓力檢測(cè)與控制：

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

壓力釜壓力小于低值時(shí)，0200壓力釜的泵，0200_XV3、0200_XV4、0200_XV5、0200_XV6

（3）壓力釜氧氣流量檢測(cè)與控制：

控制單元通過調(diào)節(jié)閥門開度，調(diào)節(jié)進(jìn)入壓力釜氧氣流量大小；氧流量按工藝曲線圖采用批量給定方式控制。

（4）壓力釜液位、給料量的控制：

γ射線料位計(jì)檢測(cè)壓力釜液位；通過電磁流量計(jì)和用γ射線密度計(jì)對(duì)高壓釜泥漿進(jìn)行流量和濃度的檢測(cè)，經(jīng)DCS計(jì)算出泥漿的干量值（即沒有水份陽極泥的質(zhì)量），當(dāng)壓力釜液位高、干量值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，停止壓力釜輸料泵的運(yùn)行。

（5）干燥機(jī)的溫度控制：

干燥機(jī)旋轉(zhuǎn)后通過蒸汽加熱，干燥機(jī)的輸出物料處設(shè)置溫度測(cè)量儀表，該溫度應(yīng)該為105－110℃。蒸汽管道上裝有開關(guān)控制閥，干燥器出口物料溫度低于105℃打開閥門，溫度高于110℃關(guān)閉閥門。

（6）干燥機(jī)壓力控制：

干燥機(jī)內(nèi)既要保持為負(fù)壓，同時(shí)又要盡量減少通風(fēng)量來使布袋收塵器的煙氣量最小，干燥機(jī)布袋收塵器前使用變頻風(fēng)機(jī)，滿足生產(chǎn)對(duì)流量或壓力的要求，又能最大限度地節(jié)能，同時(shí)可以減少嘯聲和振動(dòng)。

（7）卡爾多爐轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)：

不同的操作階段，卡爾多爐旋轉(zhuǎn)的速度不同。因交流電動(dòng)機(jī)價(jià)格低、可維護(hù)性好，調(diào)速性能好，本系統(tǒng)采用交流控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用DCS與ABB ACS800標(biāo)準(zhǔn)型變頻器相結(jié)合，運(yùn)用直接轉(zhuǎn)矩控制方式，直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器所控制的對(duì)象是電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流，再通過控制轉(zhuǎn)矩電流來實(shí)現(xiàn)對(duì)定子電流的控制，實(shí)現(xiàn)了精確的轉(zhuǎn)矩控制，滿足控制要求。卡爾多爐的旋轉(zhuǎn)由兩臺(tái)交流電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，且需要以相同的速度／轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，因此，本次設(shè)計(jì)采用一主一從的控制方式。

（8）爐體轉(zhuǎn)動(dòng)、傾轉(zhuǎn)及噴槍升降、加料聯(lián)鎖控制：在加料和出多爾合金（陽極銀）／渣時(shí)爐體還要作傾斜動(dòng)作，卡爾多爐內(nèi)的噴槍升降與轉(zhuǎn)動(dòng)、傾轉(zhuǎn)聯(lián)鎖。加料倉、船形加料器加料與爐體位置聯(lián)鎖；同時(shí)考慮系統(tǒng)的安全性和操作方便靈活，為此，在主控室設(shè)置有卡爾多爐專用設(shè)備運(yùn)行操作臺(tái)，操作臺(tái)上設(shè)有操作手柄，按鈕和指示表，便于工人操作。

（9）精礦加料／風(fēng)量配比控制：每批加入爐內(nèi)的物料，浸出后的銅陽極泥及各種熔劑，如Na2CO3、石英石、鉛/氧化鉛、焦粉，濾塵、硒沉積、沉積銀和吹煉渣，按照一定的配比送到卡爾多爐加料倉。這些物料的計(jì)量和控制采用批稱量減重系統(tǒng)和配方控制來實(shí)現(xiàn)（根據(jù)物料屬性，底部采用采用測(cè)速傳感器的螺旋輸送機(jī)）。由設(shè)備制造商提供一次測(cè)控元件和控制要求，再由DCS系統(tǒng)組態(tài)完成其功能。

（10）氧油燃燒配比控制

卡爾多爐裝有兩支噴槍，一支吹煉噴槍用于噴射壓縮空氣與氧氣，另一支燃燒噴槍用于噴射氧氣和燃油。重油燃燒噴槍、氧氣/空氣吹煉氧氣和燃油按比例噴人爐內(nèi)，根據(jù)不同的工況，氧氣的用量也是不斷變化的。控制單元設(shè)置為氧流量按工藝曲線圖采用批量給定方式控制，燃油流量則按比例隨氧量的變化而改變。

（11）噴槍、煙罩冷卻系統(tǒng)

噴槍和煙罩工作時(shí)，處于高溫環(huán)境，必須采取冷卻措施。工藝采用的是密閉式循環(huán)水冷降溫方式，控制單元通過調(diào)節(jié)進(jìn)入熱交換器冷端流量的大小控制循環(huán)水的溫度，同時(shí)監(jiān)測(cè)其流量和壓力的變化，并隨時(shí)補(bǔ)充水量。一旦變化超過設(shè)定值，就與相關(guān)設(shè)備(噴槍、水泵、閥門、爐體等)進(jìn)行聯(lián)鎖，以確保卡爾多爐安全運(yùn)行。

（12）洗滌器系統(tǒng)差壓、流量、溫度控制

整個(gè)工藝采用降溫除塵效果比較好的文丘里洗滌器。控制單元通過調(diào)整文丘里的物理結(jié)構(gòu)和通過變頻調(diào)節(jié)文丘里風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來穩(wěn)定文丘里洗滌差壓。文丘里頸部循環(huán)溶液流量小于低低值時(shí)，或者卡爾多爐爐體到驟冷器、文丘里管至氣液分離器之間的煙道大于高高值時(shí)，燃燒噴槍或吹煉噴槍將會(huì)自動(dòng)撤回。

（13）吸收塔pH調(diào)節(jié)

吸收塔有一個(gè)吸收SO2氣體的循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)溶液pH＜8時(shí)，加入NaOH。并經(jīng)常從中排放掉一部分循環(huán)溶液。因?yàn)榭柖酄t也產(chǎn)生SO2煙氣，沉積硒時(shí)，溶液pH必須保持在3－4。這可以通過加入NaOH來實(shí)現(xiàn)。pH要安裝在測(cè)量具有代表性且傳感器始終浸沒在溶液內(nèi)部的地方。

（14）硒沉積槽溫度液位控制

一次硒沉積槽溫度、液位要與文丘里泥壓濾器壓濾機(jī)泵的啟停、粗硒壓濾機(jī)壓濾機(jī)泵的啟停、送硒沉積槽的SO2、蒸汽的開關(guān)閥的開關(guān)連鎖；二次硒沉積槽溫度、液位要與文丘里泥壓濾器壓濾機(jī)泵的啟停、粗硒壓濾機(jī)壓濾機(jī)泵的啟停、二次沉積壓濾機(jī)送硒的啟停、沉積槽的SO2、蒸汽的開關(guān)閥的開合連鎖。

（15）粗硒精制系統(tǒng)檢測(cè)與控制

每臺(tái)氧化爐加溫為梯度順序控制。第一段爐腔預(yù)加熱（無溫控），當(dāng)溫度升至400℃時(shí)停止加溫，當(dāng)?shù)诙螤t腔溫度受控并加熱至680℃時(shí)，再加熱第三段溫度。每臺(tái)氧化爐第三段恒溫控制。當(dāng)?shù)谌螠囟纫?80℃時(shí)，爐腔將保持恒溫。溫度測(cè)量與控制可控硅溫度控制器來實(shí)現(xiàn)，即熱電偶采集信號(hào)通過pid溫度調(diào)節(jié)器測(cè)量和輸出4～20ma控制觸發(fā)板控制可控硅導(dǎo)通角的大小，從而控制主回路加熱元件電流大小，使電阻爐保持在設(shè)定的溫度工作狀態(tài)。Pid最好使用溫度控制器自帶算法來實(shí)現(xiàn)（由于電阻爐純滯后特點(diǎn)，pid設(shè)計(jì)采用大林控制算法，使系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)具有帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，使要求純延遲時(shí)間等于被控對(duì)象的純延遲時(shí)間）。

3）典型連鎖及報(bào)警

在斷電、緊急停車、噴槍定位故障或液壓裝置故障等情況下，燃燒噴槍或吹煉噴槍將會(huì)自動(dòng)撤回。

在控制臺(tái)、控制室出入口處、液壓控制室設(shè)有緊急停車按鈕，在緊急情況下只要有一個(gè)緊急按鈕被按下，噴槍將會(huì)從爐內(nèi)自動(dòng)縮回、停止?fàn)t體傾轉(zhuǎn)。

用液位開關(guān)檢測(cè)各泵前管道液體，液位低時(shí)（未滿管），自動(dòng)停泵；泵后閥門故障、或堵料（流量過低），也要自動(dòng)停泵。

硫酸儲(chǔ)槽液位高高、壓力釜溫度高高報(bào)警、壓力釜壓力高高報(bào)警、壓力釜氧氣壓力高高、壓力釜蒸汽壓力高高、陽極泥干燥機(jī)干燥后溫度低低、卡爾多爐應(yīng)急水箱液位高高、低低，文丘里風(fēng)機(jī)溫度高高，吸收塔循環(huán)槽液位低。

4 探討與結(jié)語

目前，貴金屬生產(chǎn)系統(tǒng)平衡主要依托月度盤點(diǎn)的平衡表反映，該表的內(nèi)容都是靠人工錄入，計(jì)量和實(shí)驗(yàn)分析的數(shù)據(jù)都不能做到及時(shí)準(zhǔn)確的反映生產(chǎn)平衡，具有很大的滯后性和不準(zhǔn)確。而且數(shù)據(jù)都是紙質(zhì)傳播，讀取和分析都不能方便，容易造成分析結(jié)果不真實(shí)。所以設(shè)計(jì)一套生產(chǎn)平衡監(jiān)控系統(tǒng)，將現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)量數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)集成為一體，這樣可以實(shí)時(shí)跟蹤與分析的生產(chǎn)中各項(xiàng)要求的數(shù)據(jù)，加強(qiáng)物料平衡的管理,有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)物料的誤用和非正常流失,確保產(chǎn)品的質(zhì)量。

按職能范圍確定數(shù)據(jù)來源，明確數(shù)據(jù)錄入與更新時(shí)間，設(shè)定相應(yīng)計(jì)算公式，通過必要的參數(shù)修正，適時(shí)反應(yīng)金屬平衡的直收率、綜合回收率等情況。

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