轉爐銅锍智能數控吹煉技術簡介

金澤志，李林山

（銅陵有色金屬集團控股有限公司，安徽 銅陵 244100 ）

傳統轉爐煉銅工藝一直依靠個人經驗，憑肉眼判斷爐體內溫度和造渣、造銅終點。由于人為判斷誤差，不僅會造成產出粗銅品位偏差影響陽極爐操作，而且由于爐溫波動大，造成耐火磚易損壞進而影響爐襯壽命，轉爐吹煉產生的熱量得不到充分利用，熱量浪費影響冷料處理能力；同時由于爐口頻繁轉出，增加轉爐煙氣泄漏量，影響環保。

隨著工業自動化技術的快速發展，以及對基礎工業行業節能減排要求日益緊迫，傳統的銅轉爐吹煉工藝過程控制已不能滿足銅工業發展的要求，并嚴重制約我國銅冶煉行業的發展，無法實現“操作標準化、作業高效化、廠區綠色化、企業效益化”的目標。亟需創新一種吹煉過程相關參數檢測手段及計算方式，對轉爐吹煉過程進行優化及吹煉終點進行準確判斷。銅陵有色金冠銅業分公司通過近3年的探索，創新研發了“銅轉爐吹煉過程控制優化決策系統”及“轉爐銅锍智能數控吹煉模型”，并得到了成功應用，完全實現了轉爐煉銅過程控制的智能化以及技經指標的最優化。

1 轉爐銅锍吹煉基礎原理

銅锍主要以冰銅（FeS·Cu2S）為主，其吹煉過程分為造渣和造銅兩個階段。造渣過程中，因鐵的性質較銅更活潑，FeS優先氧化，該階段反應主要表現為式（1）和式（2）；扒渣作業后即進入造銅期，該階段反應主要以式（3）和式（4）為主。銅锍吹煉的整個過程溫度基本控制在1100°C～1250°C，通過吉布斯自由能可知，主要反應均為放熱反應，維持反應持續進行。

2 傳統轉爐吹煉終點的判斷方法

2.1 S期（造渣期）吹煉終點判斷

（1）火焰判斷法

觀察爐口火焰的顏色，當火焰顏色由黃色轉為乳白色、溫度高且剛性好，爐口煙氣發亮，終點到。

（2）噴濺物判斷法

觀察爐口噴濺物較始吹時變得細小、密集，頻繁呈絮狀，漂浮無力、發亮，凝固樣呈空心粒狀，終點到。

（3）爐后釬樣判斷法

爐后釬樣粘結物的顏色由灰白色轉為青灰色，再轉為油黑色，有光澤，結構松脆，能自動斷裂脫離，終點到。

（4）圖示法

在配有溫度指示表和二氧化硫濃度指示表的情況下，溫度指示值上下移動頻繁，在1100℃～1300℃范圍內，溫度由線圖呈鋸齒狀，二氧化硫濃度指示值由低逐漸升高，當穩定在一、二個格內上下移動作曲線圖時，終點到。

（5）爐內熔體觀察法

停風后，爐口上的噴濺物布滿金紅色且蠕動（俗稱“油花”），形成相互連接的小球泡；爐內熔體表面平整，石英石化盡，在渣層不過厚的情況下，表面會出現半球狀的小泡沫，相互之間間隙明顯，互不相連，爐內熔體溫度適中；用渣釬插入熔體中測樣，渣和銅之間的界面十分清晰，上層為發亮的渣層，下層為發暗的白鈹層，排渣時渣流動性良好，終點到。

（6）爐口渣板測試法

從爐口取樣可見銅、渣分離清晰，渣板上能見到一個個象小雞眼一樣不停的閃動的小泡泡，閃動靜止后，小泡泡變成小圓點并呈銅綠色，俗稱銅斑點。篩爐越老，熔體中含銅量越高，銅斑點在空氣中閃動的時間越長，反則越短，有舒瞬間即逝的感覺。從渣板樣表面看，渣樣呈灰白色，整體有光量感，并有許多圓點狀小坑，點狀坑邊緣高于渣面。

2.2 B期（造銅期）終點判斷

（1）煙氣及火焰判斷法：

觀察爐口煙氣，煙氣顏色由混濁變為清亮，煙氣量變小，能見度增大，黃綠色煙氣逐漸消失，火焰從灰白色變為棕紅色，最后變為橘紅色，火焰低落，搖擺無力，終點到。

（2）噴濺物判斷法

俗稱“看花”，終點前10分鐘左右，爐口開始出現銅液噴濺物，最初細小且多，如禮花狀，逐漸噴濺物從點滴狀變為爆裂狀，再轉為球狀，并產生“眨眼”現象，球狀噴濺物落在護板上彈跳起來，由少到多，由細散到密集，再逐漸消失，球狀物邊針狀時，終點到。

（3）溫度指示和SO2濃度值

溫度指示值由較低點逐漸向高點上升，再趨于向下降態勢作圖，SO2濃度值由低值逐漸上升至最高值，穩定一段時間后由高值下降至最低值（小于0.5%），終點到。

（4）爐后釬樣判斷法

觀察釬樣粘結物，表面色澤由金黃色轉為黑褐色，再轉為橘紅色，最后是玫瑰紅色，粘結物結構由粘延性向松脆變化，表面有許多小孔，當表面由粗糙向光滑無細孔變化且硫色消失、表面隆起接連不斷時，終點到。

傳統的吹煉終點判斷方法完全依賴于爐長的技能水平，由于存在判斷誤差，不僅造成產出粗銅品位偏差影響陽極爐操作，而且由于爐溫波動大，造成耐火磚易損壞影響壽命，轉爐熱量浪費，影響冷料處理能力；同時由于需頻繁制動爐體，增加轉爐煙氣泄漏量，影響環保。另外，各大冶煉廠都出現過由于判斷誤差和操作失誤造成的噴爐事故，嚴重威脅設備和人身安全。

3 創新終點判斷法

3.1 數學模型

數學模型主要由物料平衡（質量平衡）、元素平衡和熱量平衡三大體系構成，通過對銅锍吹煉過程的理論行為進行模擬，進而量化分析含銅物料投入、產出及轉化過程，最終為關鍵指標參數控制指導工藝操作提供理論依據。

根據生產實際對銅锍吹煉進行模塊化處理，對造渣和造銅兩個階段進行三次建模，分為造渣一期（S1）、造渣二期（S2）和造銅期（B）三個階段。模型要求精確輸入吹煉過程中的冰銅、冷料、冷銅的重量、品位和溫度數據，僅須提前設置S1開吹時間，通過自身SQL（數據庫）與OPC（過程控制體系）聯鎖，該模型根據爐體傾轉角度和送風信號自動判斷吹煉過程、放渣作業、放銅作業和吹煉結束。通過模型計算各個階段的氧氣需求量，依據送風量大小計算吹煉時間。吹煉過程中溫度和煙氣濃度始終處于變化狀態，依據溫度傳感和煙氣檢測分析設備實時感應變化過程，最終結合數學模型預測造渣和造銅終點，終點倒計時顯正表示欠吹，負值表示過吹。

圖1 智能數控吹煉模型界面

（1）物料平衡體系

物料平衡主要以造渣期冰銅數據為基礎，模型將自動保存并根據后期物料的添加實時更新計算。造渣期物料投入冰銅和含銅冷料，冷料包括床下物、固鈹、精煉渣和黑銅渣，造渣期主要產出爐渣和白冰銅；造銅期物料以造渣期產生的白冰銅為原料，添加純度較高的冷銅（包括電解殘極、廢陽極板、大塊銅、溜槽銅、白鈹和銅模等），造銅期主要產出粗銅和煙氣。具體的物料平衡如下表1～3所示：

根據表1和2中投入的冰銅量和品位計算石英熔劑需求量，結合造渣末期白冰銅中殘留含鐵量計算造渣反應（反應式1）所需耗氧量，造銅期以出銅時粗銅中殘留含硫量計算造銅反應（反應式3）氧氣需求量量，殘留含鐵與含硫量百分比由大數據積累確定，通過系統追蹤實際送風時率和送氧時率，以倒計時方式指導放渣作業和放銅作業時間。同時通過的物料平衡表1～3，根據理論模型計算參考出渣量和出銅量。

（2）元素平衡體系

元素平衡體系依據冰銅量及品位確定含鐵量和石英熔劑需求量，造渣過程本質即以除鐵為主的除雜過程，從而將Cu元素品位提升至75%左右，造銅過程本質即除硫將Cu元素進一步提升至98.5%以上，其余的Cu以底銅、爐渣和煙塵含銅形式存在。

圖2 Cu-Fe-S三元相圖

表1 造渣一期物料平衡表

表3 造銅期物料平衡表

銅锍吹煉以冰銅為原料，主要含Cu、Fe和S三種元素。當冰銅中含Cu元素超過55%時，由圖2三元相圖可知，銅锍中冰銅的元素比重將超過94%。造渣期冰銅中的鐵元素與石英熔劑形成鐵橄欖石以爐渣形式外排，造銅期白冰銅脫硫形成粗銅。

銅锍吹煉主要包含Cu、Fe、S、Si、Ca、Mg、Al、N和O等九種元素，其本質是Cu元素不斷富集的過程。冰銅原料的含Cu品位在54～60%之間。通過造渣反應Cu元素可提升至75%左右，最終產出粗銅的Cu元素品位達98.5%以上。通過智能數控吹煉模型計算，由物料投入元素分布表4可知，60.90%的Cu元素來自于冰銅原料，39.44%的Cu元素來自于含銅冷料，其余來自底銅和底渣，97.14%的Si元素來自于石英熔劑，85.31%的O元素來自于富氧空氣。

由物料產出元素分布表5可知，95.17%的Cu元素進入粗銅，1.45%的Cu元素以金屬銅形式存在，0.43%的Cu元素被煙氣帶走進入煙塵中，1.57%的Cu元素進入到爐渣中，余下的Cu元素殘留在底渣和底銅中。

通過元素平衡體系，可較完整的追蹤Cu元素的走向，結合物料平衡體系，可精準控制石英熔劑量、保持單爐產量穩定，且有利于穩定爐況，減少噴爐現象。

（3） 熱量平衡體系

在Cu元素不斷富集的過程中，反應溫度控制顯得尤為重要。溫度過高或過低均不利于銅锍吹煉的進行。由熱量平衡體系可知，吹煉期間將近70%的熱量來自于造渣和造銅產生的反應熱，結合物料系統合理控制冷料的添加量和添加時間，確保最大程度高效利用熱能、增加冷料處理量和提高單爐粗銅產量，且穩定的吹煉溫度有利于保護爐襯、延長爐齡壽命。

表4 物料投入元素分布表

表5 物料產出元素分布表

銅锍吹煉的控制主要體現在溫度和冷料兩個方面，冷料處理量取決于溫度的高低，而溫度又取決于吹煉過程的熱量值。由造渣期熱量平衡表6可知，模型的熱收入來源于熱態冰銅自身的物理熱（占比31.20%）和造渣反應產生的化學熱（占比67.89%），模型的熱支出除爐渣（占比25.04%）、白冰銅（占比22.41%）及煙氣（占比36.47%）的物理熱，另包括其它熱損失（占比12.33%）和自然散熱（占比2.85%）。根據造渣期熱量的大數據積累可調控造渣期的含銅冷料的加入量。

造銅期的熱收入主要來源于造渣結束殘留的白冰銅的物理熱和造銅反應產生的化學熱，由造銅期熱量平衡表7可知，58.69%的熱量由煙氣帶走，58.69%的熱量以粗銅的物理熱形式存在，其它熱損和自然散熱分別占比9.85%和3.39%，通過模型對熱量數據的統計與自動計算，可指導造銅期冷銅的處理量，一方面高效利用多余熱能提高單爐粗銅產量，另一方面保證造銅期溫度控制在1200°C～1250°C，保護爐襯、延長爐齡壽命。

3.2 設備傳感器

（1）溫度傳感系統

智能數控吹煉熔體二維溫度場紅外監測系統由銅陵有色金冠銅業聯合合肥金星機電科技發展有限公司共同研發。外窺式成像測溫系統既可以實現對爐內燃燒工況的視頻監視，也能同步檢測視場內任意感興趣區域的溫度。該系統主要由測溫攝像儀、控制箱、傳輸線纜、空氣凈化過濾裝置、圖像數據服務器主機等幾部分組成，詳見系統組成如圖3所示。

表6 造渣期熱量平衡表

表7 造銅期熱量平衡表

該系統采用外窺式安裝方式，測溫攝像儀獲取吹煉爐內的二維紅外溫度場視頻圖像，通過控制箱內的千兆光纖收發器將信號傳輸到圖像數據服務器，通過服務器主機實時顯示吹煉爐內的可見光彩色圖像及溫度信息，結合數學模型共同指導冷銅添加量和添加時間。

（2）煙氣成分檢測系統

① PbO和PbS成分檢測

智能數控吹煉煙氣（PbO和PbS）成分檢測系統利用發射光譜檢測技術對銅锍吹煉過程進行實時分析。該系統主要由光學遙測裝置、電子恒溫箱、高分辨光譜分析儀、傳輸等幾部分組成，詳見圖4。

圖3 溫度傳感系統組態圖

圖4 PbO和PbS成分檢測系統組成示意圖

圖5 SO2成分檢測系統組成示意圖

在銅锍吹煉的造渣起始階段，冰銅中的FeS優先參與造渣，而其它雜質主要以硫化物存在；在造渣后期，鉛的硫化物逐漸向氧化物轉化，直至最后全部轉化為氧化鉛。因此造渣前中期的發射光譜主要來源于PbS，而中后期的發射光譜主要來源于PbO，通過實時在線檢測PbO/PbS的特征發射光譜通過在線學習結合數學模型共同預測造渣終點。

② SO2成分檢測

智能數控吹煉煙氣（SO2）成分檢測系統利用主動式紫外差分光譜分析方法(DOAS)可實時監測出口煙氣中SO2濃度值，具有實時性強、測量精度高、可靠性好、響應速度快等特點。該系統主要由煙氣預處理（煙氣采樣器、煙氣取樣管、廢氣回排管、PLC電氣控制等）、SO2氣體分析儀（紫外光源、光纖光譜儀、紫外光纖、氣體分析主機等）、終點判斷儀（工業控制計算機及終點判斷軟件、液晶顯示屏、擴展參數輸入接口等）等部分組成，詳見圖5。

在銅锍吹煉的造銅階段，通過煙氣采樣器把煙道中氣體輸送到氣體分析儀，利用DOAS技術分析出煙氣中SO2濃度，然后把檢測后的煙氣回排到煙道中，防止二次污染。SO2氣體分析儀計算結果再通過光纖傳輸到控制室終點判斷系統，結合數學模型共同預測造銅終點。

轉爐銅锍智能數控吹煉模型的建立、研發及相應傳感設備開發，使銅锍吹煉過程公式化、數字化、可視化。通過搭建聯鎖機制實時跟蹤反應階段，建立一個包含物料數據、送風數據、熱量數據和吹煉時長的大型數據庫，自動采集爐次信息，根據需求模塊化導出報表數據；通過大數據積累的造渣終點含鐵量和造銅終點含硫量，結合溫度、煙氣成分傳感設備共同輔助人工吹煉終點判斷，穩定工藝操作，提高單爐粗銅產量，讓傳統銅冶煉生產企業向智能化工廠轉型邁近一大步。

4 結論

銅陵有色公司歷經70年沉淀，始終秉承科學技術就是第一生產力的理念，肩負“高效利用資源、貢獻社會進步”的企業使命，積極探索新技術、新工藝、新方法，逐步實現了轉爐吹煉由粗放化、定性化、經驗化操作跨入為精細化、定量化、智能化發展階段。這些工作作為智能化企業建設的一個重要組成部分，有力的推動了銅冶煉行業的發展。