雙側(cè)吹富氧冶煉工藝自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李海濤

(北京礦冶研究總院，北京 100160)

1 引言

康西銅業(yè)公司原有銅冶煉工藝是富氧密閉鼓風(fēng)爐熔煉，該工藝的缺點(diǎn)是環(huán)境污染嚴(yán)重，床能率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，能耗高，煙氣成分波動(dòng)大，SO2濃度低，全硫利用率低。根據(jù)最新的國(guó)家銅冶煉行業(yè)準(zhǔn)入條件，新建和改造銅冶煉項(xiàng)目，單系統(tǒng)的生產(chǎn)能力不低于10萬t/a，必須淘汰能耗高、污染大的鼓風(fēng)爐煉銅工藝，采用生產(chǎn)效率高、工藝先進(jìn)、能耗低、環(huán)保達(dá)標(biāo)、資源綜合利用效果好的現(xiàn)代銅熔煉工藝［1］。為了符合國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策，康西銅業(yè)公司投資7億元人民幣對(duì)原有粗銅冶煉工藝進(jìn)行改造，經(jīng)過工藝方案論證，選擇雙側(cè)吹的金峰熔煉工藝替代原有的富氧密閉鼓風(fēng)爐熔煉工藝，技改后年產(chǎn)粗銅10萬t。本文以康西銅業(yè)公司銅冶煉技改工程為背景，重點(diǎn)介紹雙側(cè)吹富氧銅冶煉自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

2 雙側(cè)吹富氧銅冶煉工藝簡(jiǎn)介

目前用于工業(yè)生產(chǎn)的富氧熔煉工藝包括閃速熔煉、富氧底吹、富氧側(cè)吹、富氧頂吹、白銀爐熔煉等［2］。金峰爐屬于雙側(cè)吹富氧熔池熔煉爐，在爐體的不同部位分別設(shè)有沉淀分離區(qū)、反應(yīng)區(qū)和煙化區(qū)，爐壁兩側(cè)均設(shè)置風(fēng)道，可實(shí)現(xiàn)多風(fēng)道送風(fēng)，并且富氧空氣通過風(fēng)道吹混合層，使得氧化反應(yīng)速度加快，它比單風(fēng)道送風(fēng)大大減少了爐料局部過氧化現(xiàn)象，從而降低了爐渣中磁鐵和氧化銅的含量。金峰熔煉工藝與其它熔煉工藝相比有以下技術(shù)特點(diǎn):流程較短、爐料準(zhǔn)備簡(jiǎn)單、原料適應(yīng)性強(qiáng)、燃料適應(yīng)范圍廣、銅回收率高，煙塵率小，渣含銅低，煙氣SO2濃度高，爐體壽命長(zhǎng)、投資相對(duì)較小，生產(chǎn)成本低。

金峰熔煉工藝流程如下:銅精礦、石英石、石灰石、焦粉、煙塵按照設(shè)定比例混合配料后，連續(xù)從加料口加至熔池，采用高濃度(最高可達(dá)95%)富氧空氣鼓風(fēng)。使?fàn)t料在爐內(nèi)熔化并發(fā)生強(qiáng)烈的氧化和造渣反應(yīng)，生成銅锍和爐渣。銅锍和爐渣因比重不同在爐缸區(qū)域澄清分離，銅锍送轉(zhuǎn)爐吹煉，爐渣通過爐缸底兩端的虹吸口排至貧化電爐進(jìn)一步分離銅锍，貧化后的爐渣經(jīng)水淬后外售。熔煉產(chǎn)生的高溫高濃度SO2煙氣夾帶少量煙塵經(jīng)余熱回收、收塵后，由高溫風(fēng)機(jī)送煙氣制酸系統(tǒng)。收集的煙塵返回至熔煉配料系統(tǒng)。轉(zhuǎn)爐吹煉過程中鐵的硫化物被氧化為氧化物，與加入的石英石造渣生成轉(zhuǎn)爐渣，轉(zhuǎn)爐渣經(jīng)鑄渣機(jī)冷卻后送選礦處理;銅的硫化物被吹煉成粗銅，粗銅澆鑄成銅錠。轉(zhuǎn)爐吹煉產(chǎn)出的煙氣經(jīng)余熱回收、收塵后與熔煉爐煙氣合并由高溫風(fēng)機(jī)送煙氣制酸［3］。

3 雙側(cè)吹粗銅冶煉自控系統(tǒng)

爐料、燃料、風(fēng)氧和生產(chǎn)操作是影響熔煉正常作業(yè)的主要因素。在手動(dòng)操作條件下，要求各因素間相互關(guān)聯(lián)并迅速反應(yīng)、保證工藝參數(shù)穩(wěn)定、準(zhǔn)確是相當(dāng)困難的［4］。目前世界上各大型冶煉廠均采用先進(jìn)的儀表實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)，通過計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)熔煉生產(chǎn)過程進(jìn)行在線控制。計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)利用采集到的工藝參數(shù)作為輸入條件，按照事先引入的數(shù)學(xué)模型自動(dòng)進(jìn)行精確計(jì)算，迅速而準(zhǔn)確地改變控制參數(shù)，可以減少人工因素的影響［5］。為此，根據(jù)工藝的具體要求，為康西銅業(yè)公司銅冶煉技改項(xiàng)目設(shè)計(jì)了先進(jìn)的生產(chǎn)工藝過程自動(dòng)控制系統(tǒng)，操作人員通過DCS控制系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行工藝設(shè)備及工藝過程參數(shù)的監(jiān)視、生產(chǎn)操作與聯(lián)鎖控制，保證了金峰爐生產(chǎn)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。

3.1 DCS過程控制系統(tǒng)

康西銅業(yè)公司金峰熔煉的計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)采用和利時(shí)第四代DCS控制系統(tǒng)即MACSV系統(tǒng)。系統(tǒng)由兩層網(wǎng)絡(luò)組成，即上層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)(MNET)和下層控制網(wǎng)絡(luò)(SNET)［6］。上層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要用于工程師站、操作員站和現(xiàn)場(chǎng)控制站的通訊連接;下層控制網(wǎng)絡(luò)存在于各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站內(nèi)部，主要用于主控單元和智能I/O單元的通訊連接。MACSV系統(tǒng)控制功能強(qiáng)大，組態(tài)簡(jiǎn)易、故障率低、維護(hù)容易、有獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)支持。本工程分別在熔煉車間、制酸車間、渣選車間、余熱電站均設(shè)置了冗余的MACSV系統(tǒng)，同時(shí)各系統(tǒng)通過光纖連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的傳輸，MACSV控制系統(tǒng)配置圖如圖1所示。

圖1 MACSV系統(tǒng)配置圖

3.2 控制內(nèi)容

生產(chǎn)工藝過程自動(dòng)控制以MACSV系統(tǒng)為核心，對(duì)熔煉的配料、風(fēng)氧、啟停等生產(chǎn)過程工藝參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)與控制，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控和優(yōu)化管理;并可以將生產(chǎn)過程的各種信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送到全廠生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)，為生產(chǎn)決策提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)［7］，過程檢測(cè)與控制流程圖如圖2所示。

圖2 過程檢測(cè)與控制流程圖

(1)熔煉配料控制

配料是銅冶煉生產(chǎn)過程的第一道工序，配料的準(zhǔn)確與穩(wěn)定直接影響銅冶煉的正常生產(chǎn)。康西銅業(yè)公司的金峰爐采用倉(cāng)式配料方式，配料車間共設(shè)11個(gè)配料倉(cāng)，每個(gè)料倉(cāng)下設(shè)有定量給料機(jī)。定量給料機(jī)設(shè)有稱重儀表，用于檢測(cè)瞬時(shí)流量，并可以根據(jù)流量設(shè)定值自動(dòng)調(diào)節(jié)給料機(jī)的運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)定量給料。配料前生產(chǎn)調(diào)度人員從入廠的各種銅精礦中選定若干銅精礦，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃、銅精礦品位、生產(chǎn)工藝狀態(tài)人工調(diào)配各種銅精礦的配比，制成配料單，下達(dá)至備料及熔煉車間。操作人員將配料單中的投料總量及各種物料的比例輸入至DCS過程控制系統(tǒng)中的電子配料單，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算各配料的投料量，控制定量給料機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、連續(xù)的配料。

(2)熔煉風(fēng)氧控制

熔煉風(fēng)氧控制的目的是有效的保證富氧濃度均勻、穩(wěn)定、安全的供給。制氧站制備的氧氣與二次風(fēng)機(jī)供給的空氣在風(fēng)管中均勻混合后送入熔煉爐，為此在氧氣管及空氣管分別設(shè)置流量計(jì)及氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，并在風(fēng)氧混合后的總管設(shè)置了氧濃分析儀，構(gòu)成風(fēng)氧比例調(diào)節(jié)閉環(huán)控制回路;為了保證進(jìn)入爐內(nèi)氧氣的壓力及溫度在正常范圍內(nèi)，在爐前的風(fēng)氧總管道上設(shè)置了溫度及壓力檢測(cè)點(diǎn)，并在氧氣管道設(shè)置了事故放空閥。上述儀表及調(diào)節(jié)閥信號(hào)全部進(jìn)入熔煉車間DCS過程控制系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)視與控制。在余熱鍋爐出口煙道設(shè)置氧濃分析儀，DCS過程控制系統(tǒng)根據(jù)余熱鍋爐出口煙道的氧氣濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)二次風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

(3)熔煉啟停控制

金峰熔煉系統(tǒng)的啟停控制由各車間DCS過程控制系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)、配合實(shí)現(xiàn)，相關(guān)聯(lián)鎖控制信號(hào)通過硬接線方式接入過程控制系統(tǒng)。具體的啟停控制流程如下，首先啟動(dòng)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，觀察冷卻水總管壓力及流量滿足工藝要求后，啟動(dòng)熔煉余熱鍋爐系統(tǒng)，待余熱鍋爐循環(huán)泵及給水泵運(yùn)行穩(wěn)定后，啟動(dòng)SO2風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及高溫風(fēng)機(jī)，SO2風(fēng)機(jī)和高溫風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，依次啟動(dòng)5#上料皮帶、4#上料皮帶、3#上料皮帶、2#上料皮帶、1#上料皮帶及定量給料機(jī);上料系統(tǒng)啟動(dòng)正常后，延時(shí)5min啟動(dòng)送氧系統(tǒng)，同時(shí)打開熔煉爐氧氣總管的防空閥，操作人員通過視頻監(jiān)控觀察熔煉爐爐口開始進(jìn)料，遠(yuǎn)程關(guān)閉氧氣總管放空閥;送氧正常后操作人員遠(yuǎn)程啟動(dòng)二次風(fēng)風(fēng)機(jī)，最后啟動(dòng)環(huán)集煙氣風(fēng)機(jī)。

啟動(dòng)過程中，當(dāng)出現(xiàn)熔煉爐冷卻水總管壓力和流量低于設(shè)定值、氧氣壓力低于設(shè)定值、上料系統(tǒng)設(shè)備故障、風(fēng)機(jī)故障等異常情況時(shí)，熔煉系統(tǒng)延時(shí)10s后進(jìn)入ESD緊急停車流程。現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警裝置啟動(dòng)，待控制室DCS操作人員確認(rèn)之后，首先停上料系統(tǒng)，依次停止1#～5#皮帶、1#～6#圓盤給料機(jī)和1#～11#自動(dòng)給料機(jī)，之后停二次風(fēng)機(jī)，同時(shí)將熔煉爐ESD信號(hào)通過硬接線送制氧站PLC控制系統(tǒng)，延遲1min后打開熔煉爐氧氣總管上的氧氣放空閥，延時(shí)10min后停止環(huán)集煙氣風(fēng)機(jī)。熔煉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)、高溫風(fēng)機(jī)及SO2風(fēng)機(jī)在ESD緊急停車過程中不停機(jī)。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)自2013年2月投入運(yùn)行，目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作員在中央控制室即可對(duì)粗銅冶煉各工段相關(guān)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，部分工段實(shí)現(xiàn)無人值守。該DCS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雙側(cè)吹富氧冶煉工藝流程的集中監(jiān)測(cè)與控制，從響應(yīng)速度到控制精度，再到操作的人性化程度都能夠滿足生產(chǎn)要求。實(shí)際效果表明，該系統(tǒng)在提高設(shè)備安全保障、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、降低生產(chǎn)成本方面成效顯著。

［1］銅冶煉行業(yè)準(zhǔn)入條件(2013).

［2］黃賢盛，王國(guó)軍.金峰銅業(yè)有限公司雙側(cè)吹熔池熔煉工藝試生產(chǎn)總結(jié)［J］.中國(guó)有色冶金，2009(2):9-13.

［3］鄒小平，馮亞平，魏幫，等.康西銅業(yè)粗銅熔煉技術(shù)改造工程工藝選擇［J］.中國(guó)資源綜合利用，2012.30(10):54-57.

［4］王舉良.富氧側(cè)吹熔池熔煉工藝的冶金計(jì)算與生產(chǎn)實(shí)踐［J］.中國(guó)有色冶金，2012(1):6-10.

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