CN103667739B - 用于铜转炉吹炼的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜转炉吹炼的控制系统，其包括在造渣期在线对铜转炉内熔体中PbO和PbS特征光谱发射强度信号进行采集的造渣终点检测单元以及在造铜期在线对铜转炉烟道烟气中的SO₂气体浓度信号进行采集的造铜终点检测单元，数据处理单元分析处理造渣、造铜终点检测单元采集的信号判断是否到达造渣、造铜终点并调控是否停风吹炼。上述控制系统可实现对铜转炉吹炼过程中造渣终点、造铜终点的精确判断，避免出现过吹、欠吹等现象，保证铜转炉吹炼的安全生产，提高铜冶炼的效率。

Description

用于铜转炉吹炼的控制系统

技术领域

本发明涉及铜精矿冶炼技术领域，特别涉及一种用于铜转炉吹炼的控制系统。

背景技术

铜锍吹炼主要采用PS转炉吹炼技术，目前全球矿产粗铜80％产能均采用PS转炉吹炼。冰铜吹炼是分周期进行的，分为造渣期和造铜期，在造渣期，从风口向炉内熔体中鼓入空气或富氧空气，通过空气的搅拌，冰铜中的FeS被氧化，生成FeO和SO₂；FeO再与添加的熔剂中的SiO₂进行造渣反应。造渣反应一结束，暂时停止送风，进行排渣操作。在造铜期，留在炉内的白冰铜(主要以Cu₂S的形式存在)与鼓入的空气中的氧反应，生成粗铜和SO₂。

铜锍吹炼过程中，对造渣期和造铜期终点的判断极其重要，终点判断误差几分钟就会使得后续的处理延长数小时，严重影响铜冶炼的效率。如在造渣期，渣过吹，会使FeO进一步氧化成Fe₃O₄，渣欠吹，Fe除不尽，易生成Fe₃O₄，产生铁酸铜（Cu₂O.Fe₂O₃）均使得渣型恶化，渣含铜升高，同时粘度高的Fe₃O₄化合物易粘接在炉内壁，缩小炉容积，使得铜转炉的生产能力降低；若过吹（老铜），含氧高，对后续工序阳极炉作业还原时间过长，增加还原天然气消耗；若欠吹（嫩铜），含硫高，对后续工序阳极炉作业影响是氧化时间过长，增加燃烧天然气消耗。同时，都会降低粗铜品位，影响粗铜质量。另外，在转炉吹炼过程中，发生的反应几乎全部是放热反应，为维持热平衡，必须根据炉温变化适时加入冷料减少温度波动，保护炉衬和延长炉寿命。但是，目前关于铜转炉吹炼终点判断所采用方法大多是人工取样、目测渣样、铜样变化及火焰摆动、飞溅火花变化情况判断吹炼终点，炉温的测定也是采取人工取样目测其流动性，或者观察炉膛亮度。而人工取样容易受操作工人的精神状态以及个人实践经验的影响，造成终点判断不准、命中率低，容易造成过吹、“冷炉”或“喷炉”等安全隐患。同时命中率低，需重复取样，迫使倾转炉体频繁，大量冶炼废气从炉口外排造成空气污染，影响操作工人的身体健康。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于铜转炉吹炼的控制系统,其可实现对铜转炉吹炼过程中造渣终点、造铜终点的精确判断，避免出现过吹、欠吹等现象，保证铜转炉吹炼的安全生产，提高铜冶炼的效率。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种用于铜转炉吹炼的控制系统，包括在造渣期在线对铜转炉内熔体中PbO和PbS特征光谱发射强度信号进行采集的造渣终点检测单元，以及在造铜期在线对铜转炉烟道烟气中的SO₂气体浓度信号进行采集的造铜终点检测单元，数据处理单元分析处理造渣、造铜终点检测单元采集的信号判断是否到达造渣、造铜终点并调控是否停风吹炼；造渣终点检测单元设置在铜转炉炉口上方，其包括依次连接的光学导入装置、第一光谱仪、光电探测器、数据采集卡，第一光谱仪对接收到的光信号进行分光，然后由光电探测器完成光电信号转换，进而由数据采集卡完成整个光谱数据采集工作，并将采集到的光谱数据传送至数据处理单元进行分析处理判断是否到达造渣终点。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：通过研究发现，在造渣期接近终点时，铜转炉内的PbS开始氧化反应生成PbO，因此可通过检测铜转炉造渣冶炼过程中PbS、PbO浓度变化来对造渣终点进行准确判断；造铜期熔体主要成份是Cu₂S，其冶炼任务是脱硫，生成气体SO₂浓度变化明显。通过大量生产实践表明，造铜期吹炼期间，烟气中SO₂浓度大约稳定在10～15%之间，在造铜期后期，浓度下降到突变短暂时段区域即造铜期终点，浓度约在0.8～1.2%之间。因此本发明中通过在造渣期对铜转炉内熔体中PbO和PbS以及在造铜期对铜转炉烟道烟气中SO₂的数据采集，可实现对造渣、造铜终点的准确判断，调控停风吹炼，从而达到避免出现过吹、欠吹等现象，保证铜转炉吹炼的安全生产，提高铜冶炼的效率。造渣终点检测单元采集的信号应当间接或者直接的能够表征出熔体中PbO和PbS的浓度变化。在本发明中，具体操作时是利用造渣终点检测单元采集铜转炉熔体中PbO和PbS的特征光谱发射强度信号，而该强度信号直接反应出熔体中PbO和PbS的浓度变化最终可依据PbO、PbS的特征光谱发射强度变化曲线交点进行造渣终点的准确判断。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明光学导入装置实施例一的光路示意图；

图3是本发明光学导入装置实施例二的光路示意图；

图4是本发明光学导入装置实施例一结构示意图；

图5是图4的A-A剖视图；

图6是图4的B-B剖视图；

图7为数据处理单元对造渣终点检测单元采集的信号进行分析处理的结果；

图8为数据处理单元对造铜终点检测单元采集的信号进行分析处理的结果。

具体实施方式

下面结合图1至图8，对本发明做进一步详细叙述。

参阅图1，本发明提供的铜转炉吹炼的控制系统，其包括在造渣期在线对铜转炉10内熔体中PbO和PbS特征光谱发射强度进行信号采集的造渣终点检测单元20，以及在造铜期在线对铜转炉烟道烟气中的SO₂气体浓度信号进行采集的造铜终点检测单元30，数据处理单元50分析处理造渣、造铜终点检测单元20、30采集的信号判断是否到达造渣、造铜终点并调控是否停风吹炼。数据处理单元50可为一计算机构成，显示分析处理的数据和结果，操作人员可根据结果手动调节是否停止吹炼，或者通过计算机调控执行机构自动调节是否停止吹炼。

具体操作时，造渣终点检测单元20设置在铜转炉10炉口上方，其包括依次连接的光学导入装置21、第一光谱仪22、光电探测器23、数据采集卡24，第一光谱仪22对接收到的光信号进行分光，然后由光电探测器23完成光电信号的转换，进而由数据采集卡24完成整个光谱数据采集工作，最后通过RS232串口与数据处理单元进行通信，将采集到的光谱数据传送至数据处理单元50进行分析处理判断是否到达造渣终点。第一光谱仪22的波长范围为495～628nm，光谱分辨率为0.5nm。这里的光电探测器23可选用PDA系列的，数据采集卡24使用基于DSP（数字信号处理器）设计的。

数据处理单元50对造渣终点检测单元20检测的信号进行如下处理：将造渣终点检测单元20检测的PbO、PbS特征光谱发射强度信号在同一坐标系下分别绘制生成PbO光强曲线和PbS的光强曲线，曲线坐标的横坐标为时间，纵坐标为光强，如图7所示，判断两条曲线是否相交，如果相交，则该交点前后五分钟的时间区间为造渣终点区间，在该造渣终点区间内进行停风吹炼作业；否则继续造渣吹炼操作。

造铜终点检测单元30设置在铜转炉10的烟道壁上，包括烟道同一高度相对的两侧壁处对应设置的发射光源31和第二光谱仪32，第二光谱仪32对发射光源31发出的经烟气吸收后的光强进行检测，并将检测到的光信号传输给数据处理单元50进行分析处理判断否到达造铜终点。所述发射光源31为氘灯，发射波长为200nm～260nm的紫外光，第二光谱仪32及数据处理单元50对该波段的经烟气吸收后的光强进行检测计算。

数据处理单元50对造铜终点检测单元30检测的信号进行如下处理：将造铜终点检测单元30采集的烟气中SO₂的体积浓度信号绘制成曲线并进行实时显示，如图8所示。当SO₂体积浓度达到造铜期终点区间，造铜期终点区间是指烟道烟气中SO₂体积浓度范围为0.8%～1.2%的时期，则进行停风操作，否则继续造铜吹炼；

造铜终点信号采集单元30的发射光源31为氘灯，氘灯发出的紫外光经过测量池吸收后，通过光纤进入第二光谱仪32，经过第二光谱仪32分光输出至数据处理单元50进行处理。发射光源31采用氘灯，光谱波段为185nm～400nm，满足测量所需的200nm～260nm的需要。氘灯直接耦合输入，光纤输出。本发明中的造铜终点信号采集单元30能适应烟气中SO₂体积浓度的波动变化，解决了因光纤多次耦合效率低、传输能量损失大、信号减弱、数据延迟等关键技术难题，克服普通SO₂烟气分析仪无法长期适应转炉工况问题，具体检测流程为：

1、当炉内烟气经过测量池时，发光光源31发射的紫外光照射在被测气体上，其中200nm～260nm波长的光被SO₂气体吸收。

2、吸收后的紫外光信号通过光纤传送到第二光谱仪32中的分光系统进行分光后，出射光谱由光敏二级管阵列按波长接收，由前置放大器放大并由采集卡采集。

3、最终经模/数转化后输入数据处理单元50进行处理，得到炉内烟气中SO₂体积浓度。

进一步的，在本发明提供的铜转炉吹炼的控制系统中，还包括对造渣期、造铜期对铜转炉10内熔体温度进行信号采集的温度检测单元40，数据处理单元50分析处理温度检测单元40采集的信号并调控冷料的投加，防止“冷炉”或“喷炉”的现象发生以及延长铜转炉寿命。

温度检测单元40设置在铜转炉10炉口上方，温度检测单元40为双色红外测温仪，该测温仪包括比色测温探头，测温仪的测温范围：600～2000℃。转炉炼铜熔体温度高且吹炼过程中搅动剧烈，高尘、飞渣，传统测温无法连续检测。本发明根据比色测温原理，将带有自动清理功能的双色红外测温装置安装在炉口上方合适位置，测温探头伸缩与炉体倾转连锁控制，避免因炉膛内飞溅的铜渣粘附力在探头表面形成了一层坚固的废渣层导致采集孔逐渐变小、信号逐渐变弱，提高设备使用寿命和减小维修成本。

采用双色红外测温仪，即一个双色探测器测定两个红外光谱的能量，其比值确定目标温度。另由于测量结果靠近测量视场中的最高温度，而不是平均温度，因此双色比色测温可以安装的更远，适宜于对铜转炉熔体温度的测量。

总之，本发明提供的用于铜转炉吹炼的控制系统，其可实现对铜转炉10吹炼过程中造渣终点、造铜终点的精确判断以及炉温的准确控制，避免出现过吹、冷炉、喷炉等现象，保证铜转炉吹炼的安全生产，提高铜冶炼的效率。下面对造渣终点检测单元20中的光学导入装置21作进一步详细叙述：

参阅图2、图3、图4，所述的导入光学装置21包括设置在镜筒211内的透镜212、平面反射镜213以及反射镜214，所述的透镜212布置在镜筒211前段或中段位置处，光线自镜筒211的前端进入，镜筒211的后端布置所述的平面反射镜213，平面反射镜213将经过透镜212聚集的光线反射至透镜212一侧，透镜212靠近平面反射镜213的一侧或透镜212的周边相邻布置所述的反射镜214用于接收平面反射镜213反射的光线，反射镜214相对应位置处的镜筒211筒壁上开设通孔用于布置光纤217输出光信号至所述的第一光谱仪22。这里，通过在透镜211的一侧设置平面反射镜213，将透镜212聚集的光线再反射回透镜212那一侧，通过巧妙地布置透镜212、平面反射镜213、反射镜214，充分利用透镜212后侧的区域，减小镜筒211的长度；同时该设计中，光线反射次数较少，能量损耗少。平面反射镜213将透镜212聚集的光线反射至透镜212一侧，其反射的角度与反射镜214的布置位置有关。

实施例一中，所述的反射镜214贴合透镜212靠近平面反射镜213的一侧布置，透镜212、平面反射镜213以及反射镜214的中心位于同一直线上，光路图如图1所示。当反射镜214设置在透镜212的一侧而不是周边位置时，反射镜214对入射光线有一定的阻挡，但是由于反射镜214的尺寸很小，其阻挡掉的光线非常少，可以忽略不计；采用这种光路进行设计时，镜筒211的结构简单，光纤217的布置更为简便。

实施例二中，所述的反射镜214位于透镜212的周边相邻布置，所述的平面反射镜213与镜筒211的轴芯呈一定夹角，该夹角使得平面反射镜213将光线发射到所述的反射镜214上，光路图如图2所示。使用这种光路设计时，由于斜线长于直线，镜筒211可以进一步缩短，且反射镜214布置在透镜212的周边，不会对入射光线产生阻挡，但由于反射镜214也布置在镜筒211的筒壁处，所以镜筒211的结构、光纤217的布置比实施例一中繁琐一些。

参阅图4、图5、图6，相较而言，采用实施例一中的方案，光纤217的布置以及镜筒211的结构更为简单、方便设计，下面以实施例一为例进行详细叙述。作为本发明的优选方案，为了便于透镜212与反射镜214之间的安装，所述的透镜212为K9玻璃材料制作的平凸透镜，其平面一侧朝向平面反射镜213，所述的反射镜214为45°棱镜反射镜，45°棱镜反射镜的一个直角面粘合在平凸透镜的平面上。由于平凸透镜和45°棱镜反射镜相贴合的面都是平面，两者直接粘合即可，安装非常的方便。

由于本装置主要用于铜冶炼过程发射光谱分析系统中，其工作环境非常差，灰尘、杂质很多，很容易对透镜212造成损害，因此，更优选地，所述镜筒211的光线入射端与透镜212之间设置有防护窗片215用于保护所述的透镜212。防护窗片215就选用普通的通透的玻璃即可，当防护窗片215污染严重，无法清理时，可以更换一块新的，其更换成本远低于更换透镜212的成本。

由于镜筒211内要安装防护窗片215、透镜212以及平面反射镜213，为了便于各镜片的安装，所述的镜筒211包括前段、后段以及端盖，前段与后段一端通过螺纹连接，后段的另一端通过端盖密封，所述的防护窗片215设置在镜筒211的前段的后端位置处，透镜212布置在镜筒211的后段的前端位置处，平面反射镜213固定在端盖上。通过将镜筒211分为多段，方便装配透镜212、平面反射镜213以及防护窗片215；同时，通过这样的设计，将透镜212、平面反射镜213以及反射镜214密封在镜筒211中，防止各镜片受到环境的污染。

设置了防护窗片215后，可以保护透镜212不受灰尘、杂质的污染，但是，防护窗片215本身需要经常更换，也是比较麻烦的。这里，在所述镜筒211的光线入射端与防护窗片215之间的筒壁上设置有吹气单元216。所述的吹气单元216有两组，其中一组靠近镜筒211的光线入射端布置，该组吹气单元216朝镜筒211外吹气且其气帘呈锥状，另外一组靠近防护窗片215且其吹气方向垂直镜筒211的轴芯布置，每组吹气单元216包括三个吹气孔，三个吹气孔沿镜筒211筒壁的周向间隔均匀布置，如图5所示。吹气单元216的设置，避免灰尘、杂质进入镜筒211，有效保护防护窗片215。

Claims (10)

1.一种用于铜转炉吹炼的控制系统，其特征在于：包括在造渣期在线对铜转炉(10)内熔体中PbO和PbS特征光谱发射强度信号进行采集的造渣终点检测单元(20)，以及在造铜期在线对铜转炉烟道烟气中的SO₂气体浓度信号进行采集的造铜终点检测单元(30)，数据处理单元(50)分析处理造渣、造铜终点检测单元(20、30)采集的信号判断是否到达造渣、造铜终点并调控是否停风吹炼；

造渣终点检测单元(20)设置在铜转炉(10)炉口上方，其包括依次连接的光学导入装置(21)、第一光谱仪(22)、光电探测器(23)、数据采集卡(24)，第一光谱仪(22)对接收到的光信号进行分光，然后由光电探测器(23)完成光电信号转换，进而由数据采集卡(24)完成整个光谱数据采集工作，并将采集到的光谱数据传送至数据处理单元(50)进行分析处理判断是否到达造渣终点。

2.如权利要求1所述的用于铜转炉吹炼的控制系统，其特征在于：造铜终点检测单元(30)设置在铜转炉(10)的烟道壁上，包括烟道同一高度相对的两侧壁处对应设置的发射光源(31)和第二光谱仪(32)，第二光谱仪(32)对发射光源(31)发出的经烟气吸收后的光进行光强检测，并将检测到的光强信号传输给数据处理单元(50)进行分析处理判断是否到达造铜终点。

3.如权利要求1所述的用于铜转炉吹炼的控制系统，其特征在于：还包括在造渣期、造铜期对铜转炉内熔体温度进行信号采集的温度检测单元(40)，数据处理单元(50)分析处理温度检测单元(40)采集的信号并调控冷料的投加；所述的温度检测单元(40)设置在铜转炉(10)炉口上方，温度检测单元(40)为双色红外测温仪。

4.如权利要求1、2或3所述的用于铜转炉吹炼的控制系统，其特征在于：所述的光学导入装置(21)包括设置在镜筒(211)内的透镜(212)、平面反射镜(213)以及反射镜(214)，所述的透镜(212)布置在镜筒(211)前段或中段位置处，光线自镜筒(211)的前端进入，镜筒(211)的后端布置所述的平面反射镜(213)，平面反射镜(213)将经过透镜(212)聚集的光线反射至透镜(212)一侧，透镜(212)靠近平面反射镜(213)的一侧或透镜(212)的周边相邻布置所述的反射镜(214)用于接收平面反射镜(213)反射的光线，反射镜(214)相对应位置处的镜筒(211)筒壁上开设通孔用于布置光纤(217)输出光信号至所述的第一光谱仪(22)。

5.如权利要求4所述的用于铜转炉吹炼的控制系统，其特征在于：所述的反射镜(214)贴合透镜(212)靠近平面反射镜(213)的一侧布置，透镜(212)、平面反射镜(213)以及反射镜(214)的中心位于同一直线上。

6.如权利要求4所述的用于铜转炉吹炼的控制系统，其特征在于：所述的反射镜(214)位于透镜(212)的周边相邻布置，所述的平面反射镜(213)与镜筒(211)的轴芯呈一定夹角，该夹角使得平面反射镜(213)将光线反射到所述的反射镜(214)上。

7.如权利要求5所述的用于铜转炉吹炼的控制系统，其特征在于：所述的透镜(212)为K9玻璃材料制作的平凸透镜，其平面一侧朝向平面反射镜(213)，所述的反射镜(214)为45°棱镜反射镜，45°棱镜反射镜的一个直角面粘合在平凸透镜的平面上。

8.如权利要求7所述的用于铜转炉吹炼的控制系统，其特征在于：所述镜筒(211)的光线入射端与透镜(212)之间设置有防护窗片(215)用于保护所述的透镜(212)。

9.如权利要求8所述的用于铜转炉吹炼的控制系统，其特征在于：所述的镜筒(211)包括前段、后段以及端盖，前段与后段一端通过螺纹连接，后段的另一端通过端盖密封，所述的防护窗片(215)设置在镜筒(211)的前段的后端位置处，透镜(212)布置在镜筒(211)的后段的前端位置处，平面反射镜(213)固定在端盖上。

10.如权利要求8或9所述的用于铜转炉吹炼的控制系统，其特征在于：所述镜筒(211)的光线入射端与防护窗片(215)之间的筒壁上设置有吹气单元(216)；所述的吹气单元(216)有两组，其中一组靠近镜筒(211)的光线入射端布置，该组吹气单元(216)朝镜筒(211)外吹气且其气帘呈锥状，另外一组靠近防护窗片(215)且其吹气方向垂直镜筒(211)的轴芯布置，每组吹气单元(216)包括三个吹气孔，三个吹气孔沿镜筒(211)筒壁的周向间隔均匀布置。