铜冶炼电气自动化控制技术

2023-01-09王桂东姜国涛徐鹏飞

中国金属通报 2022年18期

王桂东，姜国涛，徐鹏飞

随着科学技术的迅速发展，铜冶炼技术也在不断改进、优化，同时该领域也引进了各种先进的技术，推动着铜冶炼效率与质量的不断提高。电气自动化控制技术目前在多个领域得到了应用，将铜冶炼技术与电气自动化控制技术有机结合起来，可推动铜冶炼的自动化、智能化发展。

1 铜冶炼技术

就现阶段来说，铜冶炼主要采取的是火法冶炼，其产量约占85%，除此之外，还有现代湿法冶炼等铜冶炼技术。

（1）火法冶炼过程中，首先要合理选择铜矿石，其次在熔炉中将铜矿石炼成熔琉，再次经过转化炉、生成粗铜，最后进行氧化精炼，得到高纯度的铜。具体来说，在实际使用火法冶炼技术的时候，第一步是选择含铜量千分之几至百分之几的原矿石，经过选矿，将比例提高到20%～30%之后，再将其作为铜精矿进行接下来的冶炼；第二步是对铜精矿进行造锍熔炼，根据实际情况，合理选择电炉、反射炉、闪速炉或者是密闭鼓风炉等，得到熔锍，也被称为冰铜；第三步是将熔锍送至转炉中进行吹炼，得到粗铜；第四步是在另一种反射炉中，对粗铜进行氧化精炼脱杂，或者是铸成阳极板实施电解，最终得到99.9%的电解铜。火法冶炼的主要优势在于，其一回收率相对较高，可达到95%以上；其二，工艺流程比较简单。但是，火法冶炼也有一定的缺点，其中最主要的一个缺点是，在造锍环节以及吹炼环节，矿石中含有的硫会转变为二氧化硫废气，进而逸散至环境之中，且难以回收，从而会给生态环境造成一定的危害。随着科学技术的发展，近年来火法冶炼技术也在不断推陈出新，例如白银法、诺兰达法、三菱法等技术等。

（2）现代湿法冶炼也是常用的铜冶炼技术之一，其适用于含铜废矿石、低品位复杂矿、氧化铜矿的就地浸出、堆浸、槽浸选用等方面，包括浸出-萃取-电积、硫酸化焙烧-浸出-电积、细菌浸出等。近年来，在各种先进技术的支持下，湿法冶炼技术日益改进、完善，铜冶炼领域应用现代湿法冶炼技术，可以减少铜冶炼的成本。

2 铜冶炼技术的发展

随着我国重工业的迅速发展，对铜制品的需求量也越来越大。加快了我国铜冶炼工业的转型步伐，简言之，随着时代的进步，铜冶炼技术也在不断发展、完善。目前火法冶炼依然是最主要的铜冶炼技术，下文对火法冶炼技术的最新发展进行了分析。

2.1 铜吹炼技术

铜锍吹炼是熔融铜锍经氧化造渣脱除硫和铁产出粗铜的火法炼铜过程，通常在转炉内完成。铜吹炼技术是一种新兴的火法冶炼技术，目前得到了越来越多的应用，并在实际应用中表现出了明显的优势。

（1）氧气顶吹炼铜。目前我国铜冶炼行业使用的氧气顶吹炼铜技术有澳斯麦特熔炼、芒特艾萨熔炼两种，均是从澳大利亚引进的。首先，针对澳斯麦特熔炼技术，需要设置一台澳斯麦特炼熔炼炉、一台澳斯麦特炼吹炼炉，同时将沉淀池设置在两个炼炉之间，通过沉淀池，可以有效分离冰铜和渣，冰铜是经过溜槽进入澳斯麦特炼吹炼炉。实践发现，澳斯麦特熔炼技术实际使用过程中，初期阶段可能出现明显的炉体晃动现象，且耐火材料使用周期较短，同时渣含铜高，会导致一定的浪费，后续通过对该工艺流程进行适当的改进，目前已经能够使用澳斯麦特熔炼技术进行持续生产，但该技术使用过程中，耐火材料、喷枪使用寿命短的问题尚未得到解决。其次，氧气顶吹炼铜技术在冶炼速度快，品种多，质量好，建设速度快，投资小等方面都有很大的优越性。对入炉物料的要求相对较低，可以有效降低铜冶炼的成本；相比较于其他铜冶炼技术，氧气顶吹炼铜技术对原料的预处理操作更为简单不需要深度干燥处理。但由于熔炼过程中使用的是氧化式气氛，不仅对脱硫效果不好，而且贵金属极易被氧化，影响了炼钢的品种和质量。

（2）浸没顶吹熔炼。作为一种新兴的铜吹炼技术，浸没顶吹熔炼技术有着诸多优势，目前在铜冶炼领域得到了越来越多的应用。浸没顶吹熔炼技术可以在熔池内，使气体三相流体间、熔体、炉料等实现有效融合，能够促进热量传递速度的大幅度提高，同时还可以实现化学反应速率的加快，减少燃料消耗，提高经济效益。在实际使用浸没顶吹熔炼技术的时候，其喷枪竖直浸没在熔渣层中，设备整体结构比较简单、炉子尺寸紧凑，工艺流程简单，且资金需求、操作难度比较低。相比较于其他铜冶炼技术，浸没顶吹熔炼技术的原料处理方式比较简单，原料是从炉顶被投放到炉内，并以自由落体运动的状态进入熔池，最后与气流搅动卷起的熔体结合起来。根据统计，目前世界上已经建成和正在建设的顶吹浸式冶炼炉已经达到36 台，这一技术在全球范围内广泛应用，在整个冶金史上都是罕见的。在国内加快推进浸没顶吹熔炼，应用于铜、铅、锌、锡等行业，将对提高有色冶金技术的发展起到促进作用，并取得良好的经济效益和社会效益。

2.2 铜熔炼技术

火法冶炼技术中，铜熔炼技术是一种常用技术，其方法相对较多，电炉、反射炉熔炼、鼓风炉熔炼等均属于传统炼铜方法，有着诸多缺点与不足，例如生产设备落后、材料损耗量较高、生产效率较低等，同时会给生态环境造成严重的污染，烟气难以回收制酸，经济效益不高，此外工作环境恶劣，不利于操作人员的身心健康。鉴于此，上述技术逐渐被新兴铜熔炼技术所取代，主要包括：

（1）富氧强化熔炼。实际使用该技术的时候，需要采用富氧技术，强化容量时，可对氧化反应带来的能量进行充分使用，在接近自热的前提下开展熔炼反应，且生成的二氧化硫烟气浓度相对较高，比较容易回收硫元素，并用于生产硫酸或其他硫酸产品，实现能源利用率的提高，还可以减少对生态环境的破坏，从而提高铜冶炼的经济效益。

（2）闪速熔炼。作为一种新兴的铜熔炼技术，闪速熔炼技术有着一定的先进性，其作用原理是，使用石英熔剂、低含水量的粉状精矿与精矿喷嘴内的富氧空气混合，自上而下地喷入到炉内，从而使炉料悬浮并充满于整个反应塔中，达到相应温度之后，便会着火，然后，空气中的氧与精矿中的铁、硫产生反应，提供熔炼所需热量。精矿中的有色金属硫化物熔化生成铜铳，石英熔剂、氧化亚铁反应生成炉渣，在沉淀池内完成造铳、造渣反应，澄清分层，由上升烟道排出烟气，由放铳口排出铜铳，并送至吹炼工序，由放渣口排出炉渣，并送至渣选厂，对渣中残余的铜进行回收处理。其优点是技术成熟可靠，易于实现自动化控制，炉龄长，密封性好，富氧浓度高，反应效率高，烟气中SO2浓度高，产量高。但是，它还存在着原料适应性不强、烟尘浓度高、烟灰粘结比较严重等问题。

3 铜冶炼电气自动化控制技术

在科学技术迅速发展的当今时代背景下，电气自动化控制技术也在不断改进、完善，并在多个领域中得到了广泛应用。铜冶炼领域中，通过有效应用电气自动化控制技术，可有效提高铜冶炼效率与质量。

3.1 电气自动化控制技术

目前，铜冶炼领域中应用的电气自动化控制技术，主要包括以下两种：

（1）PLC 技术。可编程控制器（PLC），是数字运算操作的电子系统，是专门针对工业环境而开发的，具有连接相对紧凑、操作简单等优势。现如今PLC 正处于迅速发展的过程中，功能不断优化、提高，其应用范围也在不断扩大。PLC 最初只能实现定时、控制等方面的功能，影响着PLC 的广泛应用。随着科学技术的不断进步，PLC 的智能化水平不断提高，因此在工业环境中得到了越来越多的应用。PLC 技术有着以下几种优势：第一，便捷性较好。PLC 有着结构简单、连接相对紧凑、高集成等特征，仅需少量接口、符号，便可以精确表达参数。同时，通过应用PLC，还可以开展仿真模拟实验，仅需使用计算机设备，便可以对多种情况进行测试，改变了以往实验需要安装、调试装置的过程，可以提高工作效率，而且对编程逻辑没有过高的要求，可随时进行编辑。第二，适应性较强。PLC 适用于多种不同的生产场景、生产任务，仅需简单地修改控制软件的编程内容，便可以得到全新应用。目前，PLC 已经在多个领域得到了应用，同时其对湿度、温度等外界环境因素的要求不高，即使是瞬间断电也可以保持一段时间的正常运行，可以有效避免突然停运的问题。第三，抗干扰能力较强。PLC 中的所有电子器件均是按照规范生产工艺制造的，同时，因为各个模块均设置了集成电路，且同时配备了屏蔽装置，因此PLC 的整体性能比较优越，如果设备存在故障或者是某个部件发生了异常，可以被及时发现并发出警报。在接收到警报之后，相关人员可以根据PLC 的自我诊断报告对设备进行有针对性的调查，以便于提高故障处理的效率与质量。由此可见，PLC 的抗干扰能力较好。铜冶炼领域，通过应用PLC 技术，可以保障在高温、高电压等恶劣的工作环境中，设备、工作人员的安全。例如，物料管理系统中，通过应用PLC 技术，可以针对性地开展物料管理，对不同仓库的物料进行统一管理，PLC技术的运算能力非常高，可以确保大规模仓库物流管理的高效、可控，同时借助PLC 技术还可以实现全部仓库系统通讯网络的有效连接，建立更加完善的通讯网络。铜冶炼领域中应用PLC技术，可以对铜冶炼生产中所获得的数据进行快速整理、分析，进而为铜冶炼生产提供有效依据。

（2）电气自动化元件。铜冶炼领域中，电气自动化元件有着非常广泛的应用范围。传感器、高压熔断器、继电器等是目前比较常用的电气自动化元件。首先，传感器是一种可以对外界各类信息进行有效感知，且可以将这些信息转变成可用信号的装置，目前传感器已经在工业领域得到了广泛应用。目前常用的传感器主要有温度传感器、压力传感器、流量传感器等，主要是由转换组件与敏感元件组成。其次，当电路电流超载或者是超出限定值较长时间后，高压熔断器会自行融化，达到分离电流、阻隔电源的效果，保障电路安全、人员安全。最后，继电器是一种输入回路、输出回路的电气控制装置，其可以在电路中发挥转换电路、控制电流的作用。

3.2 铜冶炼电气自动化控制技术的特征

（1）对电子技术的依赖性较大。铜冶炼电气自动化控制技术功能的实现，在很大程度上依靠电子技术，否则便无法实现自动化水平的提升。从监控运算到结果执行，从收集信号的传感器到信号处理的控制器，均无法离开电子技术的支持。鉴于此，为充分发挥铜冶炼电气自动化控制技术的作用，铜冶炼企业应加强基础设施建设，不断对电子技术进行改进、优化，加大专业人才培养，以充分发挥技术优势，提高铜冶炼效率与质量。

（2）自动化水平较高。实践中，在对铜冶炼电气自动化控制技术进行应用的时候，可有效提高铜冶炼的自动化水平。分析其原因可能是，铜冶炼电气自动化控制技术中，对PLC 技术进行了有效应用。PLC 主要由存储器、输入模块、输出模块等部分组成，其可以完成各种控制功能，同时具有与其他计算机通信联网的功能。PLC 的存储器具有可编制程序，可用来执行存储逻辑运算以及顺序控制、计数、定时、算术运算等操作的指令，借助数字或模拟的输入（I）、输出（O）接口，可实现对各种机械设备的控制。通过充分发挥PLC 技术的优势，可实现铜冶炼生产中自动化水平的提高。

（3）技术涵盖面较广。铜冶炼企业的生产工艺通常属于流程型，生产过程的持续性较强、工艺步骤繁多，且涉及到诸多复杂的物理与化学反应，同时，生产过程中存在着一些不确定性因素、突发性状况，原燃料组分、生产技术等也可能出现变化。面对这样的情况，为确保铜冶炼生产的顺利，工作人员应根据生产工艺要求，对能量、物料、质量等进行动态化调整；为实现铜冶炼生产的有序完成，工作人员应结合实际生产工艺需求，动态化调整质量、物料、能量等；为实现产量、品质与效益的提升，应在铜冶炼生产的各个环节有效应用电气自动化控制技术，其技术涵盖面较广，可以适应铜冶炼生产中的各种情况，保障铜冶炼生产的高效、高质量完成。

3.3 铜冶炼电气自动化控制技术的发展

科学技术日新月异的背景下，铜冶炼电气自动化控制技术也会得到持续发展与进一步提高。铜冶炼电气自动化控制技术发展过程中，应注意以下几个方面：

（1）实现实时控制。如果想要提高铜冶炼产品的质量，应当提高迅速诊断、快速处理的能力，这就提高了对铜冶炼电气自动化控制技术的要求。针对铜冶炼产业的相关信息数据，应进行及时收集、分析处理。

（2）以“我”为本。以“我”为本，是自主集成的制造环节应坚持的准则。在生产技术的创新过程中，不可避免地会遭受诸多难题，但千里之行始于足下，工作人员在日常工作中，不断总结、积累经验，量变引起质变，势必可以创造出适合我国铜冶炼行业需求的电气自动化控制技术。自动化控制系统的效仿能力非常高，生产流程保持不变的前提下，对以往生产流程进行适当调整，并根据生产流程预测大致状况，便可以实现生产过程的优化。

（3）提高系统的可靠性。铜冶炼领域中，电气自动化控制技术已经得到了广泛应用，并为铜冶炼行业的发展起到了良好的促进作用。可靠性是电气自动化控制技术最关键的优势，针对铜冶炼生产过程中产生的数据进行实时收集，并进行全面分析，才能实现整个系统的可靠性。在未来发展过程中，铜冶炼电气自动化控制技术也要从提高可靠性入手进行优化与改善，从而为促进铜冶炼行业的持续健康发展做出更好的贡献。

（4）数据挖掘与运用。通过有效应用铜冶炼电气自动化控制技术，提高自动化、信息化水平，生产高质量的产品，是提高铜冶炼企业竞争力的有效措施。在目前的铜冶炼电气自动化控制技术中，对于数据的挖掘和运用同样日益完善，数学模型、控制算法等在自动化控制系统中的应用，可以提高铜冶炼电气自动化控制技术的应用价值。