铜火法精炼固体还原剂自动喷吹系统的开发与应用.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年3 期9 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - - 7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．0 3 ．0 0 3 铜火法精炼固体还原剂自动喷吹系统的开发与应用 沈强华1 ，毛庆2 ，张建坤2 ，冯丽辉3 ，刘中华4 ，陈雯4 1 ．昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明6 5 0 0 9 3 ；2 ．云南铜业股份有限公司，昆明6 5 0 1 0 2 ； 3 ．昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明6 5 0 0 5 1 ； 4 ．昆明理工精诚科技有限责任公司，昆明6 5 0 0 5 1 摘要针对铜火法精炼固体还原剂的特点，采用R o c k w e l l 公司的C o m p a c tP L C 、I ／O 模块及其组态软件， 进行自动喷吹系统硬件集成设计与应用软件开发，并在多台回转式阳极炉上成功运行，取得了明显的经 济效益，作业环境得到较大改善，降低了操作工人的劳动强度。 关键词铜；火法精炼；固体还原剂；自动喷吹系统；R o c k w e l lC o m p a c tP L C ；应用软件开发 中图分类号T P 2 7 3文献标识码B文章编号1 0 0 7 - - 7 5 4 5 2 0 1 1 0 3 一0 0 0 9 一0 4 A p p l i c a t i o na n dD e v e l o p m e n to fA u t o m a t i cB l o w i n gS y s t e mo f S o l i dR e d u c t a n tf o rC o p p e rP y r o m e t a l l u r g i c a lR e f i n i n g B a s e do nR o c k w e l lC o m p a c tP L C S H E NQ i a n g h u a l ，M A OQ i n 9 2 ，Z H A NJ i a n k u n 2 ，F E N GL i h u i 3 ，L I UZ h o n g h u a 4 。C H E NW e n 4 1 ．T h eF a c u l t yo fM e t a l l u r g ya n dE n e r g yE n g i n e e r i n g ，K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，K u n m i n g6 5 0 0 9 3 。C h i n a ； Z ．Y u n n a nC o p p e rC o ．，L t d ．，K u n m i n g6 5 0 1 0 2 ，C h i n a 3 ．T h eF a c u l t yo fI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n ga n dA u t o m a t i o n ，K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，K u n m i n g6 5 0 0 5 1 ，C h i n a ； 4 ．K u n m i n gL i g o n gJ i n g c h e n gS c i e n c e T e c h n o l o g yC o ．，L t d ．，K u n m i n g6 5 0 0 5 1 。C h i n a A b s t r a c t R o c k w e l l ’Sc o m p a c tP L C ，I ／0m o d e l e r sa n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew e r ea d o p t e dt Od e s i g na n d d e v e l o pa u t o m a t i cb l o w i n gs y s t e mh a r d w a r ei na c c o r d a c ew i t hc h a r a c t e r i s t i c so fs o l i dr e d u c t a n tf o rc o p p e r p y r o m e t a l l u r g i c a lr e f i n i n g ．T h es y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt Om u l t if u r n a c e so fr o t a r yp o s i t i v e p o l ea n dh a sr e c e i v e dg o o dr e s u l t sf o ri t sc o m m e r c i a l i z a t i o n ．T h eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n tc a nb ef u r t h e ri m p r o v e da n dt h eo p e r a t o rw o r k i n gs t r e n g t hc a nb er e d u c e d ． K e y w o r d s C o p p e r ；P y r o m e t a l l u r g i c a lr e f i n i n g ；S o l i dr e d u c t a n t ；A u t o m a t i cb l o w i n gs y s t e m ； R o c k w e l l ’Sc o m p a c tP L C ；A p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p i n g 铜火法精炼是铜冶金过程的关键环节，铜火法 精炼包括加料、熔化、氧化、还原和出铜浇铸等过程， 实现铜火法精炼的设备主要有反射炉、回转式阳极 炉及倾动式阳极炉。由于回转式或倾动式阳极炉具 有生产能力大、操作与控制方便、炉生产率高等优 点，在我国云铜、金川I 、江铜等大型企业的铜火法精 炼过程中得到广泛采用。 在铜火法精炼还原过程中，可用还原剂有液体 柴油、重油等 、气体 天然气、L P G 等 和固体 木 炭粉、煤基粒状还原剂等 。其中，液体、气体还原剂 具有易操作的优点，但还原时间长、易冒黑烟且成本 高；而固体还原剂易堵塞喷吹管道、人工操作劳动强 度大，但还原时问短、成本低 尤其采用煤基粒状还 原剂 、不易冒黑烟而得到广泛采用。 基金项目科技部中小型企业技术创新基金资助项目 0 3 C 2 6 2 15 3 0 1 1 4 8 作者简介沈强华 1 9 6 4 - - ，男，云南曲靖人，博士，副教授． 万方数据 1 0 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年3 期 固体还原剂的喷吹采用人工操作方式，存在劳 动强度大、还原剂的喷吹量因人而异且消耗大。为 了达到清洁生产、节能减排、降低成本、提高固体还 原剂的效率并保证产品质量，我们开发了固体还原 剂连续自动喷吹系统，2 0 0 7 年在云铜2 台3 5 0t 阳 极炉上成功投入运行，进而在金川、昆鹏铜业等企业 成功推广应用，取得了良好的经济效益和社会效益。 1工艺特点及系统总体构成 1 ．1 工艺特点 铜火法精炼固体还原剂喷吹系统属于粒状固体 物料的高压、高流速气力输送系统，与高炉喷煤系统 相比，其输送的还原剂粒度大、输送速度较大且属稀 相输送⋯。 铜火法精炼固体还原剂喷吹系统具有管路易磨 损、堵塞和下料不畅的特点，对管路材质、控制阀门 及其控制具有较高的要求。因此，为了解决上述问 题，在设计铜火法精炼固体还原剂喷吹系统时，采用 了以下措施 1 自行研制了L V 喷射混合器为避免还原剂 在混合器出口之前发生堵塞，导致阳极炉炉内铜水 倒灌安全事故的发生，在L V 喷射混合器上设置了 补偿风，并根据喷吹管路和混合器补偿风管路上的 压力和流量检测信号，自动实现补偿风喷吹。 2 设置了氮气还原的选择调整装置，可实现氮 气喷吹还原，以有效降低还原剂消耗。 3 根据系统气固比调节和还原剂消耗量统计 的需要，配置了高精度的电子秤。 4 采用先进可靠的管路压力和流量检测装置， 满足工艺对压力和流量调节的要求。 5 为了安全防爆，采用气动控制站作为系统的 执行单元。 1 ．2 系统总体构成 为了实现铜火法精炼固体还原剂的自动喷吹， 所设计的系统由喷吹系统、气动控制柜、P L C 过程 控制站及监控站四个部分构成。其中，喷吹系统由 给料单元、喷吹罐、称重单元、安全防爆单元、流化增 压单元、流化混合调节单元等构成；气动控制柜由电 磁阀组、仪表气源气动三联件、控制箱体等构成，以 保证整个系统的安全与防爆；P L C 过程控制站是实 现固体还原剂自动喷吹的核心部分，执行装料、密 闭、增压、气固比调节、输送任务的检测及反馈控制。 在铜火法精炼还原过程中，为了确保固体还原 剂连续可靠的喷吹，每台阳极炉设有2 个氧化还原 口，每个口对应1 个喷吹罐，即每台炉子对应2 个喷 吹罐 如图1 所示 ，而2 个喷吹罐共用1 个气控柜 和1 个P L C 控制站，且将该P L C 控制站集成到阳 极炉控制系统中。 压缩 氮气 至回转式阳极炉 图1 铜火法精炼固体还原剂喷吹系统工艺流程 F i g ．1 T h ef l o wc h a r to fb l o w i n gs y s t e mo fs o l i dr e d u c t a n tf o r c o p p e rp y r o m e t a l l u r g i c a lr e f i n i n g 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年3 期 1 1 喷吹工艺流程为粒状还原剂通过振动过滤器 从还原剂贮料仓加入到喷吹罐，以保证罐内有足够 的喷吹料；阳极炉开始还原时，还原剂依靠重力通过 给料单元进入流化增压单元并通过流化混合调节单 元、反馈调节喷射单元、L V 自动补偿单元，以形成 所需要的气固两相混合流并由氧化还原喷枪吹送到 阳极炉内进行还原，还原结束后停止喷吹。 2P L C 控制系统的硬件配置与软件 开发 2 ．1 系统硬件配置 通过分析工艺得知，该自动喷吹系统为中小型 控制系统。为使控制系统具有良好的性价比，选用 先进可靠的R o e k w e l l 公司中型C o m p a c t L o g i x P L C 作为过程控制站，其C P U 为1 7 6 9 - L 3 5 E 并通 过集成的以太网接口与触摸屏通讯，操作人员可以 通过触摸屏对现场设备进行操作控制并观察设备和 工艺参数值。同时，通过P R O F I B U 孓D P 总线与阳 极炉P L C 控制站进行通信，则可在阳极炉控制室的 操作员站实现对固体还原剂喷吹的远程操作与监 控。 整个控制系统的构成如图2 所示，其喷吹P L C 站包括1 个C P U 处理器、1 个电源模块、1 个A I 模 块 8 通道 、3 个A O 模块 2 通道 、3 个D I 模块、3 个D O 模块、1 个6 4 M C o m p a c t F l a s h 卡和通信卡 等。 图2固体还原剂喷吹控制系统配置示意图 F i g ．2S y s t e mc o n f i g u r a t i o no fb l o w i n gc o n t r o lf o rs o l i dr e d u c t a n t 2 ．2 系统软件开发 系统的主要控制任务是喷吹罐的加料过程控 制、还原剂的喷吹过程控制，而还原喷吹过程的控制 则是整个系统的关键。 在本系统中，操作人员对系统的操作可通过现 场的触摸屏和阳极炉控制室内的上位机完成，其操 作方式有现场手动、现场自动和远程自动3 种。 根据上述工艺特点与控制要求，本系统采用 R S L o g i x 5 0 0 0 T M 软件进行系统硬件配置组态和控制 组态，其程序开发采用L D 和F B D 相结合的方式进 行，以实现固体还原剂的自动加料与喷吹。其中，系 统气固比采用P I D 控制。采用F a c t o r y T a l kV i e w S t u d i o 软件进行系统的H M I 应用开发，以实现系 统的操作与监控。 就远程自动方式而言，首先在阳极炉的主控画 面中，切换到固体还原剂L V 自动喷吹系统的主画 面 图3 。图3 显示了18 、2 8 罐的运行状态并通过 画面中的切换按钮，可分别进入固体还原剂的加料、 喷吹及其系统启动／停止、参数设定、趋势与报警显 示等画面进行相应的操作。 3系统应用效果 铜火法精炼固体还原剂自动喷吹系统于2 0 0 7 年1 月在云南铜业股份有限公司新建的2 台3 5 0t 回转式阳极炉上投入使用至今，取得了明显效果。 系统操作简单、运行稳定、还原过程中未出现“冒黑 烟情况”，降低了对周围环境的污染。其主要技术经 济指标如表1 所示。 万方数据 1 2 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年3 期 图3固体还原剂自动加料与喷吹系统主画面 F i g ．3 M a i nH M Io fa u t o m a t i cf e e d i n ga n db l o w i n gf o rs o l i dr e d u c t a n t 表1固体还原剂自动喷吹系统主要技术经济指标 T a b l e1M a i ne c o n o m i ct e c h n o l o g yi n d e xo fa u t o m a t i cb l o w i n gs y s t e mo fs o l i dr e d u c t a n t 4结论 铜火法精炼固体还原剂自动喷吹系统成套设备 的开发是成功的，其自动化和系统集成度高，操作简 单可靠，满足了铜火法精炼还原工艺的要求。可有 效降低还原剂消耗和费用，缩短还原作业时间；减轻 操作工的劳动强度，提高生产效率，明显改善操纵环 境。 参考文献 [ 1 ] 张建坤，王勇，杨小琴，等．铜回转式阳极炉燃煤工艺技 术的探讨[ J ] ．中国有色冶金，2 0 0 5 5 3 9 4 3 ． [ 2 ] 陆湖南．铜火法精炼中用氮气喷吹还原剂的工业实践 [ J ] ．中国有色冶金，2 0 0 4 5 2 5 2 6 ． [ 3 ] 金艳娟．高炉喷煤技术[ M ] ．北京冶金工业出版社， 2 0 0 5 ． 万方数据