阳极铜智能精炼探讨

李昱民，孙丽娜

（江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂, 江西 贵溪 335424）

1 引言

粗铜火法精炼主要包括：加料保温期、氧化期、还原期、浇铸期。氧化、还原期是一个涉及化学反应、传热、传质、流体流动的复杂过程，给氧化、还原终点自动反馈预报带来了极大的困难。

目前国内外阳极铜精炼的氧化、还原终点仍然是采取以人工取样判断的方式，完全依赖操作人员的工作经验和工作态度。通常会导致阳极铜氧化不到位、氧化过头或还原不到位、还原过头等现象，直接影响阳极铜品质。人为主观因素延误氧化、还原时间也会加大冶炼成本；造成生产的被动降低生产效率。

设想阳极炉工序通过建立在线数据采集与智能分析系统，最终实现阳极炉还原终点智能判断；从而优化阳极炉生产工艺，辅助阳极炉精细化生产［1］，提高阳极铜品质，降低还原天然气［2］和重油单耗。

2 智能精炼理论依据

阳极炉的精炼过程基本可分为：加料保温期、氧化期、还原期、浇铸期四个阶段；还原期采用还原剂（天然气），其它周期使用重油为炉内提供热源，所以整个精炼过程，主要生产成本来源于燃材料的消耗。智能终点判断、铜液温度实时跟踪系统的建立尤为重要，工艺可依据智能系统辅助生产精细化操作。

2.1 铜火法精炼的氧化过程［3］

粗铜氧化精炼的基本原理基于铜水中存在的大多数杂质对氧的亲和力都大于铜对氧的亲和力,且多数杂质的氧化物在铜水中的溶解度很小.其实质就是利用空气中的氧鼓入铜熔体中使杂质除去,但熔体中铜占绝大多数,而杂质占极少数,故其氧化机理可认为铜首先发生氧化作用:

所生成的氧化亚铜立即溶解于铜熔体中.从Cu-O 系状态图（图1）可知,产出的氧化亚铜在铜熔体中的溶解度随温度升高而增加，见表1。

表1 氧化亚铜在铜液中的溶解度

图1 Cu-O 系状态图

2.2 铜火法精炼的还原过程

粗铜经氧化精炼后，从熔体铜中较完全地除出了二氧化硫和大部分杂质。但是铜液中仍还饱和了约7～8%的氧化亚铜。为了减少氧化亚铜的析出。应从熔铜中用碳氢物质除去大部分氧。因为铜中含氧量过多将使铜的性质变脆，延展性和导电性降低，因此必须进行氧化亚铜的还原作业。

精炼过程中采用的还原剂有木材、重油、天然气、液氨、液化石油气等。而我厂使用的还原剂为天然气。上述还原剂均属于碳、氢化合物。用碳氢物质从熔铜中脱氧的还原反应：

天然气的主要成分是甲烷（CH4）。它是一种烃类有机化合物，具有强烈的还原作用。但甲烷是不能直接还原氧化亚铜的。当还原时，将天然气由风管通入熔融铜中，一部分甲烷受热分解成C 和H2，另一部分甲烷以碳粒在炉膛的高温中与氧生成CO 和H2，而这种CO 和H 是主要的有效还原成分。还原反应如下：

以气体为还原剂进行的还原作业，其气体是从专门设置的喷吹管喷入炉体，当还原气体喷入炉体铜液中，在铜液中形成连续的气泡，铜液中氧原子由铜向气-液界面传递，不断与CO 气体发生反应，产生CO2，这时CO 气体由于其浓度差，也向铜液不断扩散，使反应式⑴彻底向右进行。随着铜中氧浓度降低反应速度迅速发生变化。当氧浓度大于0.1%时反应速度不随氧浓度变化，为一常数，气相传质成为限制步骤。当氧浓度降至0.1%以下时，脱氧速度随氧浓度的降低而减慢，不是常数，液相中氧传质成为限制步骤。铜液的含氧量若低，发生反应的天然气量随之也低，故还原效率也低下。天然气的蒸发效率差，在此过程中CO 和H2生成量少，还原剂的利用率低。

2.3 智能精炼理论依据

阳极铜精炼过程中主要参与因素为：组织燃烧、铜液温度、铜液含氧量、铜液含硫量等。目前在阳极铜精炼过程中，最要依靠人工多次取样判断，受人为影响较大，且在对燃烧过程中的调整、提高燃烧效率、减少炉体耐火砖的消耗方面，均来源于人工对炉内火焰燃烧情况进行判断调整，氧油比的设定也根据实际生产摸索出一个认为较合理的设定值，未能做到能源合理的精准控制，造成重油或者氧能源的部分浪费。

氧化、还原期阳极铜氧化、还原终点的判断完全依靠人工取样，凭经验判定。缺乏准确性的数据指导，难以做到精细化冶炼水平，天然气的利用率未能达到理想的效果，有较大提升空间。为降低能耗，阳极炉工序现采用的操作模式为浅氧化还原（带硫还原）［4］，较常规的深氧化工艺操作，浅氧化操作中铜液中0 低S 高，铜液中氧的含量的降低，为降低天然气单耗带来了先天优势。生产实践证明天然气使用效率最佳的结果是浅氧化终点，在还原阶段脱硫除氧同进行并达到生产要求（含氧0.15%，含硫0.008%以内），此时天然气单耗应该为最佳。所以阳极炉氧化、还原判断，氧化终点判断是整个终点判断的核心。

综上所述阳极铜精炼理论上可以通过检测铜精炼炉烟气中的O、CO、CO2的含量，反馈出重油的燃烧情况；在炉膛内是否完全燃烧，结合实际，合理调整氧油比，确保能源的最大化使用。在降低能耗的同时，也减少CO 的排放量，优化尾排指标。

通过检测阳极炉烟气中S02的含量，与检测出的铜熔液中硫含量之间对比，建立数学模型关系。匹配最佳氧化终点，实现氧化终点的智能判定，结合阳极炉氧化终点，对转炉粗铜终点判断提供准确需求，做到工序之间进一步优化。

通过阳极炉烟气中S02、O、CO、CO2含量的综合分析。指导还原期间天然气量和助燃氧气量的控制，并对还原终点进行精准智能判定；达到提高还原天然气利用率，降低能耗的目的以及保证铜品质。

3 智能精炼方案设计

根据阳极铜精炼理论依据以及工艺生产具体现状和需求，设计以烟气在线监测系统判断为主，熔体形态和色度分析系统与在线式无线熔体热电偶测温为辅的智能终点判断系统。

阳极炉工序增设一台烟气采集装置，将阳极炉烟气抽至气体分析、监测系统实时检测阳极炉烟气中S02、O、CO、CO2成份，并结合生产实际来修正阳极炉燃烧系统的参数设置，做到智能控制准备。

通过检测阳极炉烟气成分与铜熔液中S、O 元素含量的对比关系，建立根据烟气成分自动判定氧化终点和还原终点数模系统。

通过在线式无线溶体热电偶测温实时跟踪铜液温度并及时调整燃烧氧量。

3.1 系统构成

系统构成主要包括以下四大块：

①烟尘在线监测分析系统；

②阳极炉氧化还原终点判断系统（包括画面监视与操作，以及与上位DCS 系统Modbus-RTU 或Profibus-DP 通讯接口）；

③熔体形态和色度分析系统（包括图像监视系统、图像算法处理系统）；

④在线式无线高温热电偶系统。

图2 系统总装图

图3 实时数据趋势图

3.2 烟气在线监测分析系统

系统通过在线测量烟气中的SO2、CO 浓度和实时监测炉体铜熔液图像，以及实时采集阳极炉DCS/PLC 系统在线各阶段监视与控制参数如炉膛送风量、炉膛内负压、送风压力、天然气流量、中心氧流量、压缩空气流量、N2流量等，分别建立氧化还原期SO2、CO 浓度数学定量分析模型和氧化还原炉内温度推导计算模型，以及图像识别算法模型，最终形成融合人工智能的阳极炉氧化还原的作业指导系统。

3.3 熔体形态和色度分析系统

通过图像数值分析和熔体形状辅助分析，得出终点；替代或减少人工取样分析，或人工经验预判断，尽量做到傻瓜化或标准化操作。

（1）镜头安装位置是位于阳极炉尾端偏上位置，对准炉体相应位置开一个直径8cm 的通孔用于镜头拍摄（如总装图所示）；

（2）在火焰较少的炉体尾部中上方位置开孔，避开火焰遮挡位置；孔径（R＞8cm），光学设备固定支架距离炉体1～2m，固定立杆高度2～2.5m 略高于开孔位置，控制柜供电，过道下方布线。

（3）系统配置图像识别相机，现场控制箱，工作站，工业网络交换机，分析软件，单模光缆，电缆，超五类网线，工业光纤收发器，相机冷却护套，设备支架。

（4）本系统需在阳极炉尾端搭建高度可让镜头俯视视孔的固定架，用于固定图像识别相机，固定架下方搭建平台放置系统柜。

图4 还原终点对照图

图5 图像识别实时监测图

3.4 在线式无线高温热电偶系统

（1）开孔位置如总装图所示，位于炉体尾部侧面偏上，于耐火砖上斜30℃—45℃开一斜孔，孔径约30mm；开孔处应避开底部的通气管道尽量靠近炉体尾部，无线设备与安装孔径大小以实际现场勘察为准。

（2）本体主要设备清单：高温探头，XI-1500PH 耐高温无线收发器，单模光缆，电缆，温度显示器，隔热材料，保护盒等。

（3）金属陶瓷探头保护管材料成分：65%：铬 ：35%：Al2O3；生产工艺：胶体滑浆-液体吸收-浇铸-烧结-共价氧化；物理特性：熔点：2266℃。

（4）XI-1500PH 无线收发器M625。

图6 金属陶瓷探头

4 预期效果、效益

熔炼车间阳极炉工序2019 年年初开始进行生产现场实践研发，期间取得了大量的生产数据，系统分析后找出了最佳氧化脱硫还原终点，氧化、还原终点实现精准可控；还原阶段对CO 进行控制，确保安全和节省还原天然气；降低能耗［5］、提高了经济效益。

表2 重油、天然气单耗对比表

2019 年初阳极炉工序增设了烟气在线监测分析系统和熔体形态、色度分析系统，投入使用后还原天然气单耗由4.25 Nm3/t.cu 降至≤3.95 Nm3/t.cu，重油单耗由8.25 kg/t.cu 降至≤7.95 kg/t.cu。2018 年、2019 年天然气［6］、重油单耗对比如表2。

5 结语

目前对阳极铜氧化、还原终点判断，在国内外均是凭人工经验现场判断与分析样化验品位结果相结合，对终点判断不能做到及时准确；操作上缺乏系统性指导。智能精炼系统能够辅助操作组织燃烧、及时判断阳极铜终点的S、O 含量，消除不合格阳极铜的产生，降低阳极炉工序燃材料成本；延长阳极炉寿命。因此在铜冶炼行业有着广阔的前景。