铜转炉冶炼操作优化及智能控制应用

纪利华

（金隆铜业有限公司，安徽 铜陵 244021）

1 引言

铜转炉吹炼是火法炼铜的一个关键环节，如何降低成本、提高产品质量，需通过生产过程的优化控制予以解决，金隆公司与相关科研院所联合进行科研攻关，在2号转炉设计开发了一套全自动智能控制系统，利用计算机仿真技术将吹炼过程反应体系变化的非线性描述转化为实用的程序指导从而优化转炉工艺生产。通过在线连续检测显示转炉烟气成份变化曲线有效解决工艺过程传统的人工目测渣铜样造成终点判断误差的技术难题并达到稳定炉温，提高炉寿命，实现安全、稳定生产［1］。

2 铜转炉冶炼过程检测应用

铜转炉在铜的火法生产中，通过闪速熔炼获得的铜锍要经过转炉吹炼，进一步除去铁、硫等杂质。铜吹炼过程按造渣期和造铜期分别进行质量控制［2］。造渣期工艺指标是渣型和渣温；造铜期则希望尽量投入更多的冷料，从而提高单炉的粗铜产量，并要保证出铜温度达到工艺要求。其作业流程如图1所示。

图1 铜转炉吹炼过程工作流程图

2.1 转炉造渣期在线监测系统工作原理

根据铜锍吹炼原理，造渣期主要任务是尽量除尽Fe。通过连续检测熔体Fe浓度变化以判断Fe脱除情况难以实现，寻求一种能通过炉外连续检测某种物质浓度变化来推断Fe浓度变化是本技术的构思要点。因此造渣期只要监测冶炼气态中铅的硫化物、氧化物浓度变化就可推断FeS脱除程度［3］。

在整个铜转炉生产周期中所观察到的PbO和PbS光谱的相关强度的变化与热动态计算的结果相一致。在接近造渣阶段结束的时候，PbS蒸汽压力下降并且PbO蒸汽压力上升。蒸汽压力的相对变化与观察到的PbO和PbS发射强度的变化是相对应的。临近造渣阶段结束，PbO光谱的强度相对于PbS光谱的强度有所增加。通过在造渣阶段连续监测PbO/PbS强度的比值，能够确定造渣阶段的终止点。PbO、PbS在线监测系统可分为光学和电学两大部分，光学部分包括望远镜、光纤和光谱仪；而电学部分则由探测器，数据采集卡和计算机组成差分吸收光谱技术（DOAS系统），图2为DOAS系统框图。

图2 DOAS系统框图

通过PbS和PbO绝对发射强度变化曲线的分析，可以清楚的看出S期与B期PbS和PbO的变化。尤其对于PbS，其相对强度变化明显，从图3中可以看出在不同时期由于S含量的不同造成PbS发射强度的变化。从S期的0.9上升到B期的1.01，变化明显，通过PbO/PbS可以确定两个阶段。

图3 S期、B期内PbS和PbO绝对发射强度变化曲线

2.2 转炉造铜期在线监测系统设计原理

造铜期主要任务是脱硫，吹炼过程中产生的SO2气体浓度变化明显，根据检测SO2浓度变化来确定造铜期终点［4］。生产实践表明，造铜期SO2浓度大约稳定在10%～15%之间，后期，当Cu2S中硫基本脱除时SO2浓度会迅速下降，其突变区域即造铜期终点。

本设计将差分吸收光谱技术、可变光程样品池技术、光纤光谱探测与控制技术相结合。系统的工作流程为氘灯发出的紫外光经过测量池吸收后，通过光纤进入光谱仪，经过光谱仪分光、探测器采集后的光谱信号通过串口，输入到工控机中反演，如图4所示。根据转炉中SO2浓度的含量变化可以推断出造铜期的结束，一般来说确定当转炉内SO2浓度小于6%时，可以认为造铜期的结束［5］。图5为转炉内SO2浓度随时间的变化曲线。

图4 SO2烟气分析仪

图5 SO2浓度曲线

2.3 铜转炉吹炼终点预报模型的软件设计

铜转炉吹炼工艺过程数学模型软件设计系统面向现场操作人员，使用在当今世界内广泛流行的操作系统和语言环境进行编程。图6为系统模块组成与结构。

控制系统程序主界面采用多文档窗体见图7，在主窗体上方，除了配有Windows程序的标准菜单栏和工具栏外，在其右边还设有主控工具栏。点击主控工具栏中的＜优化决策＞或＜动态预测＞圆形按钮，可分别将对应状态的界面切换至前台显示。优化决策工作界面用于操作人员输入数据，包括各种吹炼物料的化学成分以吹炼投料计划安排，动态预测工作界面用于吹炼过程在线终点预测。同时主窗体中的6个子窗体分别用作结果数据输出及曲线图形输出。

图6 系统模块组成与结构

图7 铜转炉吹炼过程仿真系统主界面

3 应用效果及影响

转炉吹炼工艺智能化控制系统在公司2#转炉的实施和应用，先后对近30余炉次吹炼过程进行了在线实时应用对比。表1列出了其中连续20炉造铜期终点预测与实际经验操作终点的对比数据，系统预报的全程吹炼终点与实际经验操作终点平均误差为±8min。结果表明：智能控制的结果与生产实际吻合性较为满意，提高PS转炉的送风时率，降低铜冶炼综合能耗，能全面指导铜转炉生产作业，使转炉吹炼在工艺参数优化、智能决策领域实现了零的突破，实现铜转炉吹炼过程智能自动控制［6］。

表1 控制系统预报的全程吹炼终点与实际经验操作终点比较