doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2018.08.003蒸汽弹射
铜终点在线监测系统对转炉吹炼终点判断的应用范进军，何建平，刘奇，谢中建
（金隆铜业有限公司，安徽 铜陵 244021）
摘要：转炉吹炼终点判断对整个火法冶炼过程至关重要，过吹、欠吹都会对产品质量、周期控制造成重大影响，前期的终点判断完全由炉长个人经验判断。研究开发一套铜终点在线监测系统，通过对造渣期炉内PbO和热点文学PbS强度采集和分析、造铜期内烟气中SO2浓度采样分析、吹炼过程中熔体温度监测以及吹炼过程仿真预测，帮助炉长判断造渣期及造铜期终点，避免了转炉过吹、欠吹对生产的影响，保证生产安全，提高生产效率，初步实现了铜转炉吹炼过程智能控制。 关键词：转炉；铜；吹炼；终点控制；在线监测
中图分类号：TF811 文献标志码：A 文章编号：1007-7545（2018）08-0000-00
Application of Copper End Point On-Line Monitoring System to Judge End Point of Converter Blowing
FAN Jin-jun, HE Jian-ping, LIU Qi, XIE Zhong-jian
(Jinlong Copper Co. Ltd., Tongling 244021, Anhui, China)
Abstract：Judgment of converter blowing ending is essential for entire smelting process. Either over blowing or less blowing will have a tremendous influence on product quality and cycle control. Early judgment of end point is entirely performed based on personal experience of the furnace. By analyzing characteristic spectra of PbO and PbS in melt during slagging and SO相对标准偏差2 concentration in flue gas of boiler during copper production, monitoring temperature of melt, and forecast by simulation of smelting, copper end point on-line monitoring system is developed to help operator to judge end point of converter blowing, ensure production safety and improve production efficiency. Intelligent control of converting process of copper converter is preliminarily realized.
Key words：zipaconverter; copper; blowing; terminal point; on-line monitoring
PS转炉自1905年使用碱性耐火材料以来，成为铜锍吹炼的主要工艺，目前世界上超过50%的矿产铜仍然使用PS转炉吹炼。由于转炉吹炼过程是间歇式的周期性作业，进料和放渣中逸散出含有SO2的烟气需要进行环保处理，促使广大工程技术人员不断研究和开发新的工艺技术进行替代，三菱法连续熔炼、闪速吹炼炉、诺兰达转炉、澳斯麦特吹炼炉、“双底吹”连续炼铜等其他吹炼技术的开发与运用，慢慢改变着传统的PS转炉的主导局面。 尽管目前PS转炉面临多种吹炼新设备、新技术的挑战，但由于PS操作性转炉吹炼具有工艺成熟、操作灵活多变、适应性强、成本低廉，可以处理不同品位、不同形状物料，尤其是大块状物料等优点。在不增加额外投资的前提下，可以通过提高用氧量增强吹炼强度，加大冷料处理量，提高产量。同时，通过研究和开发新的监测设备系统，减少生产操作中由于人工经验判断失误导致的喷炉、过吹、欠吹等操作事故，降低给下游阳极板生产带来不利影响，提高PS转炉竞争力[1]。为保证生产安全，减少烟气污染，提高生产效率，降低转炉吹炼终点判断带来的生产波动，金隆公司与高校和科研院所共同合作研发了铜终点在线监测系统，在吹炼工况下，通过对吹炼过程目标的在线检测和仿真，为作业人员的操作提供了实时数据，代替了传统的肉眼观察、炉后取样等操作方式，实现了对转炉吹炼的终点与过程判断操作的自动化，初步实现了铜转炉吹炼过程智能控制
[2]。本文将对该系统进行简单的介绍。
1 国内外研究成果
转炉终点的判断方法在国内外已经开始研究多年，张云生等[3]利用吹炼时间理论计算，温度、目标气体（SO2）浓度现场检测，物料参数在线读入等方式采集数据进行信息集成，进行吹炼过程中的操作和终点控制。系统具有操作提示功能，实现了人机交互自组织、自学习，克服了由于操作人员差异带来的质量不稳定的影响。该系统在云南冶炼厂投运后，缩短了吹炼时间。
收稿日期：2018-03-16
基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项（2012YQ22011907）
作者简介：范进军（1985-），男，安徽定远人，工程师.
孙鑫红等[4]提出将主元分析法与Elm肌神经网络相结合的方法对铜转炉吹炼终点进行预报，并采用遗传算法搜索神经网络的连接权值、网络结构或学习规则。建立的模型对造渣
期（1期、2期）、造铜期预测结果与操作对比平均误差分别为0.89%、1.05%、1.87%。
瑞典隆斯卡尔冶炼厂由SEMTECH开发的光学气体检测系统进行终点预报[5]，同时基于物料平衡，建立转炉吹炼数学模型，通过入炉物料量、风量的计算，为操作者预估吹炼时间、风量、渣量、粗铜量、熔体温度，目前正在使用中。
国外同行提出了部分新的吹炼终点判断依据[6]，如造渣期，PbS蒸汽浓度减小，PbO蒸汽浓度增加。造铜期，烟气中PbO的浓度降低，CuO浓度增加。
之前的研究方法多基于物料、热量从微观反应平衡态的方向研究，预先假定部分物化参数，建立数学模型进行终点与过程的预报。现实工况下，在吹炼过程中，空气或富氧不断鼓入炉内熔体，与之反生氧化反应并放出热量。反应产生的烟气不断从炉内逸出，而其它产物滞留炉内，其间还常常加入各种冷料，产物组成与温度随着吹炼过程的进行而不断变化，属高温多相非平衡冶金反应过程，多项参数难以准确、连续检测或数据滞后，导致多数系统运行结果与人工操作对比波动大。
2 铜终点在线监测系统的研究
2.1 造渣期监测设备的开发
造渣终点检测选择对PbS、PbO强度的监测，在吹炼过程中，炉内温度超过1 000 ℃，熔体中的部分PbS挥发进入烟气，随着物理化学反应的进行，烟气中极少的PbO和绝大多数的PbS相对浓度基本不发生变化，在接近造渣阶段结束的时候，烟气中PbO开始上升和PbS开始下降，两者的相对浓度发生变化，其发射光谱强度也会有相应的变化趋势。通过实时在线监测PbS/PbO的特征发射光谱强度推导出目标浓度，判断出造渣阶段的终点。
PbO、PbS在线监测系统分为光学和电学两大部分，光学部分包括望远镜、光纤和光谱仪；电学部分则由探测器，数据采集卡和计算机组成，具体结构如图1所示。通过望远镜采样后通过光纤进行光谱仪分光，通过探测器后进入现场工控机，得出PbS、PbO相对光强数据曲线，依据曲线进行操作判断。由于转炉吹炼时，炉口处于高温、熔体喷溅、高烟尘等恶劣的工况条件，极大地影响设备正常运行，常用设备无法满足现场要求；本系统通过采用非浸入式的取样方式，开发导入光学装置和防护装置，将转炉内火焰的光线通过一系列外置的光学系统导入，经光纤输入光谱仪进行分析后再输出至系统进行分析处理。
图1 PbO、PbS在线监测系统结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of structure of PbO and PbS on-line monitoring system
2.2造铜期监测设备的开发
造铜期熔体中的硫化物氧化后以SO2的形式随烟气排出，造铜过程中SO2的浓度大致会稳定维持在10%~15%，当白冰铜氧化反应快结束时，排出烟气中的SO2belinsky浓度会迅速下降。因此通过实时监测转炉排出的SO2浓度，能够很准确地判断出造铜过程的终点。
造铜终点监测系统主要由探测器、光谱仪、光源、冷却原件、主机等构成，利用目标气体分子对特定波段紫外光的“指纹”特征吸收光谱，通过差分吸收光谱技术来定性定量得到目标气体的浓度，将结果进行反馈并显示出来。本系统不需要进行人工取样和对取样气体进
行复杂的预处理，具有检测快速、精准度高，避免了测量的滞后，实现了在线、实时、精确的监测。
2.3 转炉熔体二维温度场监测设备的开发
转炉整个吹炼过程为强烈的物理化学反应过程，放出大量的热量，为维持炉内热平衡，须根据炉温适时加入冷料来调节炉内温度，防止炉内过热，减少对炉体耐火材料的使用寿命产生不利影响，从而可以降低成本。由于冶炼过程基本处于密闭状态，一般通过人工观察炉口火焰和插钎取样来判断，存在经验差别，很难形成统一的判断标准，影响生产控制。
转炉熔体二维温度场监测系统由气动一体化测温摄像仪、空气净化过滤装置、图像数据服务器等构成，采用单探测器多重检测技术，将可见光视频与红外线热成像融合，显示二维红外温度场视频图像，得到铜转炉温度场分布状况。本系统满足了转炉高温、高粉尘、腐蚀强度高的工况条件，为现场操作人员提供直观的炉内熔体温度显示，为优化操作控制奠定基础。
2.4 吹炼过程仿真系统的开发
由于转炉吹炼过程属非平衡冶金过程，为动态解析吹炼过程炉内熔体(烟气)的质量、成分与温度，对吹炼过程进行时间离散，基于最小自由能法构建组成模型，通过合理的简化转炉传热过程，建立起转炉一维非稳态传热过程数学模型，并确定了相应的解析算法，形成整个转炉吹炼过程仿真系统。仿真系统包含熔剂加入量仿真计算模型、冷料仿真决策模型，并对转炉吹炼终点进行判断，进而预报终点。在整个仿真过程中，通过对相关物料加入量、送风量、用氧量、熔体温度以及造渣、造铜期监测数据的读取、验证与反馈，不断修正整个仿真过程，优化熔剂加入量、冷料加入时机和加入量，及时做出各阶段终点预判与提示，初步实现了铜转炉吹炼过程智能控制。同时，为生产管理人员制定生产作业计划提供依据。
吹炼过程仿真系统模块组成与结构见图2，其中系统总控模块将系统分为优化决策与在线动态预测两大部分；数据存储管理模块为数据库存储物料成分等基本数据，以文件形式保存各炉吹炼过程数据记录；实时数据数据采集模块采用OPC技术读取各相关实时数据；数据输入模块主要供操作人员输入投料计划表及物料成分等使用；计算结果输出模块用于将仿真计算结果(组成与温度)以文字或曲线图形式输出。
图2 吹炼过程仿真系统模块组成与结构
Fig.2 Composition and structure of simulation system module of blowing process
3 系统运行应用情况
铜终点在线监测系统经过应用测试，解决了在实际应用过程中暴露出的采样信号波动大、设备积尘严重影响精度等问题，通过对取样亮度、强度、自动清理方面的测试，已稳定在生产中使用。图3为造渣期的PbS、PbO强度与时间监测曲线，PbS、PbO强度曲线变化趋势在标识处发生交叉，表示造渣即将结束，可以进行摇炉放渣。曲线图中出现水平线为监测时出现因行车、残极加料机等设备运行是导致监测平台震动而短暂的偏离取样孔所致。
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