CN103667740B - 铜转炉吹炼自动控制系统 - Google Patents

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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

铜转炉吹炼自动控制系统
技术领域
本发明涉及铜精矿冶炼领域，具体涉及一种铜转炉吹炼自动控制系统。
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
本发明的目的是提供一种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。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
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（10），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；
数据处理单元采用如下方法对造渣终点检测单元（10）采集的PbO和PbS特征光谱发射强度信号进行分析处理：
将造渣终点检测单元（10）采集的PbO和PbS的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光强曲线，光强曲线的横坐标为时间，纵坐标为光强；判断两条光强曲线是否相交，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。
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为造渣终点检测单元的原理示意图；
图2为造铜终点检测单元的安装状态示意图；
图3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4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
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10，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。数据处理单元可为一计算机构成，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。
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、造铜期对铜转炉内熔体温度进行信号采集的温度检测单元，数据处理单元分析处理温度检测单元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。
如图1所示，具体操作时，造渣终点检测单元10设置在铜转炉炉口上方，其包括依次连接的第一望远镜11、第一光谱仪12、PDA探测器13、DSP数据采集卡14，第一光谱仪12对接收到的光信号进行分光，然后由PDA探测器13完成光电信号的转换，进而由DSP数据采集卡14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进行分析处理判断是否到达造渣终点。第一光谱仪12的波长范围为495～628nm，光谱分辨率为0.5nm。
数据处理单元对造渣终点检测单元检测的信号进行如下处理：将造渣终点检测单元10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4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。
造铜终点检测单元设置在铜转炉的烟道壁上，包括烟道同一高度相对的两侧壁处对应设置的发射光源21和第二光谱仪22，第二光谱仪22对发射光源21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进行分析处理判断否到达造铜终点。所述发射光源11为氘灯，发射波长为200nm～260nm的紫外光，第二光谱仪22及数据处理单元对该波段的经烟气吸收后的光强进行检测计算。
数据处理单元对造铜终点检测单元检测的信号进行如下处理：将造铜终点检测单元采集的烟气中SO2的体积浓度信号绘制成曲线并进行实时显示。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分为光学与电学两大部分，光学部分由第二望远镜、光纤和第二光谱仪22组成；电学部分工作流程为氘灯(发射光源21)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，经过第二光谱仪22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。发射光源21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，光源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光谱仪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/数转化后输入计算机进行处理，得到炉内烟气中SO2体积浓度。
温度检测单元设置在铜转炉炉口上方，温度检测单元为双色红外测温仪，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。

Claims (5)

1.一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（10），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；
数据处理单元采用如下方法对造渣终点检测单元（10）采集的PbO和PbS的特征光谱发射强度信号进行分析处理：将造渣终点检测单元（10）采集的PbO和PbS的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光强曲线，光强曲线的横坐标为时间，纵坐标为光强；判断两条光强曲线是否相交，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；
数据处理单元采用如下方法对造铜终点检测单元采集的SO2吸收光谱强度信号进行分析处理：将采集的SO2吸收光谱强度信号转换成SO2体积浓度信号，将处理得到的SO2体积浓度信号与造铜终点时铜转炉烟道中终点SO2体积浓度范围0.8～1.2%进行比较，若到达终点SO2体积浓度范围内则进行停风吹炼作业，否则继续造铜吹炼操作。
2.如权利要求1所述的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，数据处理单元分析处理温度检测单元采集的信号并调控冷料的投加。
3.如权利要求1所述的铜转炉吹炼的控制系统，其特征在于：造渣终点检测单元（10）设置在铜转炉炉口上方，其包括依次连接的第一望远镜（11）、第一光谱仪（12）、PDA探测器（13）、DSP数据采集卡（14），第一光谱仪（12）对接收到的光信号进行分光，然后由PDA探测器（13）完成光电信号转换，进而由DSP数据采集卡（14）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。
4.如权利要求1所述的铜转炉吹炼的控制系统，其特征在于：造铜终点检测单元设置在铜转炉的烟道壁上，包括烟道同一高度相对的两侧壁处对应设置的发射光源（21）和第二光谱仪（22），第二光谱仪（22）对发射光源（21）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进行分析处理判断是否到达造铜终点。
5.如权利要求2所述的铜转炉吹炼的控制系统，其特征在于：温度检测单元设置在铜转炉炉口上方，温度检测单元为双色红外测温仪。
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