湿法铜冶炼厂自动化系统的设计及应用

2022-03-24余坚

今日自动化 2022年8期

余坚

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330000）

铜矿资源是我国工业发展和社会进步的重要资源，开发利用及提炼工作受到政府及相关部门的高度重视，技术水平不断提升，尤其是近些年随着科学技术的发展，铜矿冶炼技术逐渐向着自动化和智能化发展。为了更加深入地了解湿法铜冶炼厂自动化系统的设计应用，以西北部某省区域内的大型厂区湿法炼铜为实际案例进行探讨。项目位于我国西北部，首先完成铜矿资源的采集工作，主要包括矿石的粉碎，输送，然后完成浸出、萃取和电积等一系列项目，最后完成铜矿冶炼工作。此项目投资金额高达11亿美元，项目占地28.5km2，采矿区域范围较广。自2016年投产后阴极铜产量100kt/a。项目的铜矿采集和冶炼工作对专业技术和设备的要求较高，尤其是冶炼所用设备和料液必须符合标准，同时也对系统的安全性和可靠性提出了更高要求。

1 铜资源及其在我国的生产现状简述

中国作为资源大国，铜矿资源对外依存度高，本土铜矿资源并不丰富，目前已经有所记录或者完成开采的铜矿资源大部分都属于中小型资源，大型的铜矿资源含量非常少；并且大多数铜矿成分复杂，精度并不高；另外，我国的铜矿资源大部分为地下资源，开采难度大，探查难度大；矿产组成复杂，原矿质量低下，难以满足社会发展需求，冶炼成本高。近些年随着社会经济发展水平的不断提升，我国大多数铜矿冶炼通过对湿法炼铜的应用，生产成本大大降低，从初始矿产冶炼成本6.5万/t 降低到1.5万/t 左右，既实现企业经济效益，又为社会经济发展提供了更多资源。

2 铜湿法冶炼发展分析

2.1 堆场大型化，铜元素的重复性利用

堆浸法在我国铜矿冶炼工作中应用非常普遍，技术难度水平偏低，投资成本低，属于铜矿直接浸出。通过堆浸法完成铜矿冶炼有利于缓解工作压力，提升工作效率，降低生产成本，作为机械化铜矿资源开采工作为我国铜矿资源采集提供帮助。结合实际发展情况来看，堆浸法虽然在铜矿资源冶炼过程中应用广泛，但是由于我国技术发展水平有限，目前并未建设大型场地，这也在一定程度上限制了我国铜矿资源的开发利用。部分国外发达地区与周边地区积极合作创建共赢关系，通过大量资金的投入建设大型施工厂，完成堆进工作，铜矿冶炼水平显著提升，尤其是大型矿场的机械化水平更高，一些专用设备移动和运输更加简单快捷，符合现代化铜矿资源发展需求。例如，大型冶炼厂通过机械化处理提升运输水平，矿渣运输至废弃市场后可进行二次处理，相对小型工厂来讲，施工成本虽然高，但是周期更短，效率更高。

2.2 生物浸出的大范围应用

随着社会发展水平的不断提升，生物发展技术逐渐迈入人们视野。我国铜矿资源属于贫矿，自身资源并不丰富，另外已经开采的矿资源通常含有多类伴生元素，开采效率低下。例如，铜矿除了铜元素外，还含有金元素，铁元素，等等。常规情况下，生产企业通过火法完成铜矿冶炼，但是这种方法使用范围并不广泛，而且成本投资高。近些年随着生物浸出技术的快速发展，一些国家和生产企业开始利用生物浸出提取铜矿资源的额外元素，生产成本更低，更适合用于大规模生产。生物技术的快速发展有利于提升铜元素的提取比例，为铜矿资源开发利用提供技术帮助，而且通过生物技术的调节还能降低生产投资成本，实现节能环保施工。需要注意的是，应用生物技术要注意高效生物氧化器设计，确保氧化器的温度，酸碱值符合铜矿开发规范。

2.3 地下浸出技术

地下浸出技术融合了采集、选择、冶炼为一体，按照施工情况分为原地浸出和地下破碎浸出两种施工情况。我国大部分的铜矿资源均为地下资源，因此两种浸出方案使用范围非常广泛。理论来讲，使用地下破碎浸出方案需要提前确定铜矿采集位置，明确爆破处理区域；如果施工团队选择了原地浸出，那么需要工作人员通过专用设备将料液注入地下铜矿当中，处理后运送到地表。结合我国铜矿资源发展现状来看，地下浸入技术非常适用于我国地下铜矿资源的开发利用，在一些开采难度大，埋藏较深的复杂铜矿更能体现这一技术优势，而且地下浸入技术对周围环境几乎不存在污染问题，符合绿色环保可持续发展目标。矿产资源采集工作风险高，安全保障低，地下铜矿资源的开发利用施工环境严峻，稍有不慎就会出现塌方，严重威胁工作人员的生命安全，通过地下处理技术可以直接使用泵运输到地面，改善施工人员的生产条件，而且本身技术就有较高的铜矿资源开发利用水平，未来发展前景良好。

3 铜湿法冶金原理

铜矿资源包含多种丰富资源，例如氧化铜，硫化铜，黄铜矿等。湿法冶金原理包括以下五个方面。

（1）氧化铜的矿石浸出。氧化铜的矿石浸出一般是通过化学反应完成的，主要包括孔雀石、天然铜浸出剂以及赤铜矿，蓝铜矿等，具体化学反应如下：

赤铜矿Cu2O+2H+=Cu2++Cu+H2O；蓝铜矿Cu（OH）2CuCO3+2H2SO4=2CuSO4+CO2+3H2O。

（2）目前结合我国硫化铜矿是浸出发展来看，生物氧化铜技术应用范围广泛，且受到硫化铜矿石浸出的青睐，整体发展态势良好，为我国铜矿资源的开发利用提供新的发展思路。硫化铜矿时所使用的生物浸出技术主要利用了微生物，包括氧化亚铁硫杆菌等，这种菌群可以和高浓度的重金属共存，主要是通过吸附作用溶解铜矿资源中所含有的部分矿物质，直接在表面形成相互作用，例如，铜矿中所含的Fe2+可以直接由生物细菌溶解释放，部分则被氧化成Fe3+，这部分溶液又作为氧化剂，进一步堆浸了氧化硫化反应的发展。

（3）黄铜矿的浸出也与生物技术联系紧密。黄铜矿在生物细菌和氧化反应同时作用下，可以生成FeSO4、Cu2S+、FeSO4+S、然后经过循环将FeSO4和S 氧化成为Fe2（SO4）3和H2SO4，整个反应不断循环发展，受到细菌作用和氧化作用不断溶解。在此生产过程中，一般将细菌作为间接氧化剂。

（4）铜蓝细菌浸出。需要注意的是，此次浸出工作环境并没有三价铁离子作为氧化剂，所以主要通过细菌作为氧化剂进行氧化反应，与其他几个反应不同的是，此次反应的酸消耗量几乎等于零，化学反应：CuS+2O2=CuSO4。相对来讲，整个反应过程是非常简单的，而且最终的化学反应是表明整个反应过程中并未出现新的反应物，也就是说转化过程中并未出现硫化物，更没有其他元素。

（5）黄铜矿和斑铜矿可以直接在细菌条件下完成氧化反应，主要是与Fe2（SO）3进行化学碰撞，之后生成的FeSO4和Fe2o2在受到酸性环境和细菌条件的影响，可以直接转化为Fe2（SO4）3，并且后续会持续进行相应反应，完成提取工作。

4 全厂自动化控制系统设计

此次项目铜矿资源湿法炼铜自动化系统包括多个方面，分别是露天采矿、原矿粗碎、矿石输送堆筑、堆浸、萃取电积、中央调度室。自动化系统主要使用了德国西门子PCS7的硬件和软件，专业水平高，包含服务器和客户端两个端口，整体工作水平高。另外尺度动画系统中所使用的系统网和以太网协议，内部虽然有第三方设备，但均接入主环网当中，其余移动通信设备为无线通信。

5 主要工艺段系统介绍

5.1 露天采场系统

露天采场设备主要配备了大型变电站，除此之外，还有信息系统，另外还配置了单模交换机。

5.2 原矿粗碎系统

原矿粗碎系统的主要配置如下：①PLC控制系统，且系统通过以太网接入主系统当中。②配置现场操作站，确保后续工作的顺利进行。

5.3 矿石输送堆筑系统

主要配置：①通过以太网接入通信系统当中的PLC 控制系统。②矿石输送和运输，通过无线通信方式完成连锁控制，同样包括PLC 控制系统。③远程监控和控制系统，另外还配备有操作员站和工程师站。

5.4 堆浸控制系统

主要配置如下：①用于读取高压电机、变频器等设备运行数据的通信装置。②大型泵站，还有远程站点完成信号后数据的接入以及控制工作。③此系统所使用的操作员站和工程师站与萃取电积系统是通用的。

5.5 萃取电积控制系统

萃取电积是湿法炼铜自动化系统的重要组成，也是铜矿资源开发利用的主要工艺，此施工阶段需要使用到多种仪表测点和电气设备，对工艺的精准性要求非常高，自动化系统配置如下：①为了实现重要施工阶段的全过程监督，在办公楼位置设置了冶炼控制室，除此之外还配备了冗余CPU，为后续工作进行提供技术保障。②萃取工作设置有三个低压配电室，电积则有两个配电室，除此之外，分别配备远程I/O 站。总的来讲，萃取电积作为主要施工阶段，所配置的设备大多用于发电和全过程监督，是正常施工工序顺利进行的保障。

5.6 网络及中央调度室

中央调度室、网络系统作为湿法炼铜技术自动化系统的核心组成部分，与系统运行有直接关联，简单来讲，网络的安全性和可靠性直接决定系统是否可靠，此次自动化系统的中央调度室配置情况如下：①由于施工规模较大，整个网络系统非常大，中央调度式承担了重要责任，作为主要的制指挥中心，选址在厂区核心位置。②使用光纤环网，主要设备是德国西门子交换机，网络通信速度非常快。③为了确保大量数据的有效储存和处理，中央调度室配备大量数据服务器，确保重要数据能够进行分类归档处理，是后续工作的保障。

6 关键工艺段的自动化控制技术应用

6.1 关键工艺说明

此次项目铜矿资源的湿法冶炼工作自动化系统处理工艺包括细菌生物浸出、萃取、电积等部分。使用的料液符合生产建设需求，具体工艺如下：①工作人员将对进场的浸出液泵入萃取车间的料液储存槽内；②再由输送泵输送到黄河区域经过充分搅拌后进行萃取和洗涤、反萃取；③完成反萃取工作后进行电积，生产出最终的阴极铜。萃取生产中需要注意，使用的催取剂类型是LIX984N，新试剂为260号溶剂油。

6.2 自动化技术应用的关键点

本次厂区湿法炼铜技术自动化系统的关键点包括3个萃取电积单元，自动化系统工艺特点如下：此次铜矿资源的开发利用属于大型项目，包含多个电气设备，例如，风机，搅拌器，料液泵等，整个电气设备数量高达130台。为了提升冶炼水平，明确自动化系统的发展重难点，整个仪表测量点位置非常多，包括液位、流量、制法等位置的具体测量。另外，自动化系统的控制模式非常多样，包括实际冶炼萃取过程中的变速控制、液位控制、pH 值控制，等等。为了确保湿法炼铜工艺的顺利进行，使用了多个网络通信设备，包括变频器、接入设备、电子数据处理设备等等。因此总结来看，湿法炼铜的自动化系统具有流程长、波动大、复杂性高等特点，如何实现自动化控制系统的顺利应用需要工作人员做好多方面控制，了解技术要点，具体如下：①确保设备的顺启顺停。作为铜矿资源冶炼工作人员必须明确设备是整个萃取工作的施工重点。尤其是铜矿资源的萃取和电积工艺是连续性施工，如果中间出现中断或者出现某些位置故障，都有可能造成意外事故发生，严重影响铜矿资源的萃取效率。调查车间实际生产现状来看，目前在岗的施工人员缺乏专业证书，技术能力水平很难达到规范施工要求，对于设备的顺启顺停了解较少，遇到突发事故应急处理能力低下，然而连续性工作对料液的传输、搅拌、配比都提出了较高的专业性要求，稍有不慎就可能造成工序中断。因此要通过培训工作，提升设计人员的专业水平，帮助工作人员了解控制线路，及时停止或者开启施工线。②pH 的高效管控。许多工作人员重视料液的配比，但是会忽略pH 控制工作。然而实际生产当中，无论是料液偏碱性还是偏酸性，都有可能导致萃取失败，因此pH 值与铜矿资源的开发萃取的滞后性和严重非线性有着直接关联，本次项目中使用料液当中添加了纯度较高的硫酸，pH 值控制水平要求更高。自动化系统当中的控制器通过分段控制形式，可以随时了解采样周期，进行动态优化调整，符合生产需求。