铜冶炼阳极炉氧化还原智能终点判断系统的制作方法

本发明涉及有色金属冶炼技术领域，具体涉及铜冶炼阳极炉氧化还原智能终点判断系统。

背景技术：

目前，铜冶炼厂的粗铜火法精炼都是采用氧化还原工艺，在阳极炉中进行；阳极炉氧化还原是一个涉及化学反应、传热、传质、流体流动的复杂过程。其生产具有多变量、非线性、强耦合、非定常、大惯性和不确定性，熔炼机理复杂、氧化来料过程中物料品位范围大、影响因素多，因此给氧化还原终点预报带来了极大的困难。

目前，国内外阳极炉的氧化还原终点的判断仍然以人工经验判断为主，如观察火焰与钢钎取样等，这种方法依靠人工在恶劣环境下取样来判断氧化还原终点，但这也是目前在各企业被广泛的不得不采取的方式，这种凭人工经验法判断的方式仅大大增加了操作人员的工作强度，也使得吹炼终点的判断严重依赖操作人员的经验和工作态度，在终点判断时会出现由于判断不准导致的欠氧化、过氧化或欠还原等现象，影响正常生产，环保压力大，能源利用率低、成铜品质不合格。人工经验判断的手法受操作个体、取样手法、取样时间等限制，致使判断结果有偏差，产品合格率参差不齐，且不能使能源利用率最大化，加大了冶炼成本。

现有技术中，还有采用一次性铜水氧浓枪检测法的，但是基于其一次性的检测，长期成本高昂，且在实际检测中，经常遇到人工操作不合规造成检测结果不准确的情况。

中国专利cn103667741a中提到通过检测单元分析烟气中的so2、o2等浓度，并以此判断氧化终点，但该专利中并未公开烟气成分浓度与dcs炉膛送风量、炉膛负压、送风压力、烟气温度、天然气流量、中心氧流量、压缩空气流量的数模关系，无法准确判断终点。中国专利cn109884246a公开了测定阳极炉内so2、co含量的装置及冶炼控制方法，该专利是先人工取样判定氧化、还原终点，并记录该时刻气体分析仪检测到的so2含量a、co含量b；在阳极炉粗铜氧化还原阶段，当气体分析仪实时测定阳极炉内so2、co含量与目标值a、b相等时，则认为达到氧化还原终点，停止反应。该专利一方面需要先借助人工取样判定氧化、还原终点得到目标值，人工判定本身就存在误差；另一方面阳极炉中的氧化还原反应会受外界的温度、湿度等的影响，因此根据测定阳极炉内so2、co含量与目标值a、b相等时，则认为达到氧化还原终点是存在误差的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺点：提供一种铜冶炼阳极炉氧化还原智能终点判断系统。

本发明的技术解决方案如下：

该终点判断系统用于与烟气分析仪、用户dcs系统通信连接，所述终点判断系统包括信号采集模块、无线采集模块、终点分析单元；

通过所述信号采集模块采集dcs信号以及烟气分析仪实时检测到的阳极炉内so2、o2、co和co2的浓度值，dcs信号包括炉膛内负压、天然气流量、中心氧流量、压缩空气流量和n2流量；

所述无线采集模块与阳极炉原料称重系统连接，用于采集阳极炉原料进料吨数；

所述终点分析单元包括终点判断模型，所述终点判断模型包括氧化终点so2浓度判断模型和还原终点so2浓度判断模型，所述氧化终点so2浓度判断模型和还原终点so2浓度判断模型能够根据采集到的所炉膛内负压、天然气流量、中心氧流量、压缩空气流量和n2流量值，分析计算得到模拟氧化终点so2的浓度值和模拟还原终点so2的浓度值；当模拟氧化终点so2与所述信号采集模块采集到的so2浓度值相等时，终点判断模型则判定达到氧化终点；当模拟还原终点so2与所述信号采集模块采集到的so2浓度值相等时，终点判断模型则判定达到还原终点。

进一步地，所述氧化终点so2浓度判断模型为：

s1＝k1×x1+k2×x2+k3×x3+k4×x4+k5×x5+δs1

其中：s1为模拟氧化终点so2浓度值，x1～x5分别为炉膛内负压、n2流量、中心氧流量、天然气流量以及阳极炉原料进料吨数的实时值；k1～k5为相对应系数，k1～k5的大小均介于0.0～100.0之间；δs1为根据实验数据分析得到的氧化终点值；

所述终点分析单元根据所述氧化终点so2浓度判断模型计算得到s1的值，当s1与所述信号采集模块采集到的so2浓度值相等时，则判断达到氧化终点；

所述还原终点so2浓度判断模型为：

s3＝n1×x1+n2×x2+n3×x3+n4×x4+n5×x5+δs3

其中：s3为模拟还原终点so2浓度值，x1～x5分别为炉膛内负压、n2流量、中心氧流量、天然气流量以及阳极炉原料进料吨数的实时值；n1～n5为相对应系数，n1～n5的大小均介于0.0～100.0之间；δs3为根据实验数据分析得到的还原最高点平均值；

所述终点分析单元根据所述还原终点so2浓度判断模型计算得到s3的值，当s3与所述信号采集模块采集到的so2浓度值相等时，则判断达到还原终点。

进一步地，当x1在-20～-45pa之间，k1＝9.8，x1为其他值时，k1则为10；

当x2在100～200n/m³之间，k2＝80.33，x2为其他值时，k2则为100；

当x3在200～400n/m³之间，k3＝1.0，x3为其他值时，k3则为0.5；

当x4在780～900n/m³之间，k4＝1.2，x4为其他值时，k4则为20；

k5为0.3。

进一步地，

当x1在-20～-45pa之间，n1＝1.02，x1为其他值时，n1则为1；

当x2在100～200n/m³之间，n2＝2.4，x2为其他值时，n2则为10；

当x3在200～400n/m³之间，n3＝2，x3为其他值时，n3则为2.5；

当x4在780～900n/m³之间，n4＝1.2，x4为其他值时，n4则为2；

n5＝0.3。

进一步地，所述终点判断模型还包括还原终点co浓度判断模型，所述还原终点co浓度判断模型为：

s4＝l1×x1+l2×x2+l3×x3+l4×x4+l5×x5+δs4

其中：s4为模拟还原终点co浓度值，x1～x5分别为炉膛内负压、n2流量、中心氧流量、天然气流量以及阳极炉进料吨数的实时值；l1～l5为相对应系数，l1～l5的大小均介于0.0～1.0之间；δs4为根据实验数据分析得到的还原终点平均值；

所述终点分析单元根据所述还原终点so2浓度判断模型、所述还原终点co浓度判断模型分别计算得到s3、s4的值，当s3、s4与所述信号采集模块采集到的so2、co浓度值均相等时，则判断达到还原终点。

进一步地，当x1在-20～-45pa之间，l1＝0.45，x1为其他值时，l1则为0.5；

当x2在100～200n/m³之间，l2＝0.48，x2为其他值时，l2则为0.5；

当x3在200～400n/m³之间，l3＝0.08，x3为其他值时，l3则为0.1；

当x4在780～900n/m³之间，l4＝0.05，x4为其他值时，l4则为0.1；

l5＝0.031。

进一步地，所述终点判断模型还包括还原终点烟气温度判断模型，所述dcs信号还包括烟气温度；所述还原终点烟气温度判断模型为：

t＝c×δ×ε×fm×{(t0+274)⁴－(t1+274)⁴}+δt

其中：t为模拟还原终点烟气温度；c为烟气系数，介于1.03～1.08之间；δ为热辐射常数；ε为烟气与炉膛表面综合热辐射系数；fm为铜液表面积；t0为烟气分析仪测得的烟气温度；t1为炉内铜液表面温度；δt为温度干扰因素导致的温变，以下为δt的仿真计算：

δt＝a×x1+b×x2+c×x3+d×x4

其中：x1～x4分别为炉膛内负压、n2流量、中心氧流量、天然气流量的实时值；abcd为相对应系数，abcd的大小均介于0.0～1.0之间；

所述终点分析单元根据所述还原终点so2浓度判断模型、所述还原终点co浓度判断模型、所述还原终点烟气温度判断模型分别计算得到s3、s4、t的值，当s3、s4、t与所述信号采集模块采集到的so2、co浓度值、烟气温度均相等时，则判断达到还原终点。

进一步地，当x1在～20～～45pa之间时，a＝0.4，x1为其他值时，a则为1；

当x2在100～200n/m³之间时，b＝0.33，x2为其他值时，b则为0.5；

当x3在200～400n/m³之间时，c＝0.28，x3为其他值时，c则为0.5；

当x4在780～900n/m³之间时，d＝0.17，x4为其他值时，d则为0.5。

进一步地，所述终点判断模型还包括脱硫终点判断模型，所述脱硫终点判断模型为：

s2＝m1×x1+m2×x2+m3×x3+m4×x4+m5×x5+δs2

其中：s2为模拟脱硫终点值，x1～x5分别为炉膛内负压、n2流量、中心氧流量、天然气流量以及阳极炉原料进料吨数的实时值；m1～m5为相对应系数，m1～m5的大小均介于0.0～1.0之间；δs2为根据实验数据分析得到的还原终点值。

所述终点分析单元根据所述脱硫终点判断模型计算得到s2的值，当s2与所述信号采集模块采集到的so2浓度值相等时，则判断达到脱硫终点。

进一步地，当x1在-20～-45pa之间时，m1＝0.98，x1为其他值时，m1则为1；

当x2在100～200n/m³之间时，m2＝0.21，x2为其他值时，m2则为0.5；

当x3在200～400n/m³之间时，m3＝0.05，x3为其他值时，m3则为0.5；

当x4在780～900n/m³之间时，m4＝0.033，x4为其他值时，m4则为0.5；

m5为0.02。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过建立数学模型能精确判断达到氧化终点和还原终点，判断实时、高效、准确，减少人工判断误差，并且提高了铜冶炼产品的合格率，提高能源利用率，减少损耗；同时大大减少人工劳动强度。

2、本发明通过so2浓度、co浓度、烟气温度三者同时判断还原终点，三线同判，提高还原终点判断准确率。

3、本发明还通过脱硫终点判断模型来判断是否达到脱硫终点，辅助判断是否达到氧化终点、还原终点，提高判断准确率。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

具体实施方式

下面用具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于以下具体实施例。

参照图1，本发明的铜冶炼阳极炉氧化还原智能终点判断系统用于与烟气分析仪、用户dcs系统通信连接；烟气分析仪与分析仪系统连接，分析仪系统与烟气取样系统连接，通过烟气分析仪检测阳极炉内so2、o2、co、co2的浓度实时值；烟气分析仪、分析仪系统以及烟气取样系统均为现有技术，具体可参考中国专利cn109797291a。用户dcs系统用于控制阳极炉中的反应，用户dcs系统也为现有技术。

本发明的终点判断系统包括信号采集模块、无线采集模块、终点分析单元；通过信号采集模块采集dcs信号以及烟气分析仪实时检测到的阳极炉内so2、o2、co、co2的浓度值，dcs信号包括炉膛内负压、烟气温度、天然气流量、中心氧流量、压缩空气流量、n2流量；无线采集模块与阳极炉原料称重系统连接，用于采集阳极炉原料进料吨数；终点分析单元包括终点判断模型，终点判断模型包括氧化终点so2浓度判断模型、脱硫终点判断模型、还原终点so2浓度判断模型、还原终点co浓度判断模型、还原终点烟气温度判断模型。

(1)氧化终点判断

在阶段的实验中，预先模拟出氧化终点so2的浓度，加入干扰的因素，包括炉膛内负压(大的负压加大带温能力)、n2流量(冷却气体)、中心氧流量(影响燃烧程度)、压缩空气(影响燃烧程度)与进料吨数等。通过补偿方程加入人工智能补偿，得到氧化终点so2浓度判断模型，预判氧化终点so2浓度值。

s1＝k1×x1+k2×x2+k3×x3+k4×x4+k5×x5+δs1

其中：s1为模拟氧化终点so2浓度值，x1～x5分别为炉膛内负压、n2流量、中心氧流量、天然气流量以及阳极炉原料进料吨数的实时值；k1～k5为相对应系数，k1～k5的大小均介于0.0～100.0之间；δs1为根据实验数据分析得到的氧化终点值；

当x1在-20～-45pa之间，k1＝9.8，其他值时k1则为10；当x2在100～200n/m³之间，k2＝80.33，其他值时k2则为100；当x3在200～400n/m³之间，k3＝1.21，其他值时k3则为0.5；当x4在780～900n/m³之间，k4＝17.3，其他值时k4则为20；k5为0.3。

终点分析单元根据该模型计算得到s1的值，当s1与信号采集模块采集到的so2浓度值相等时，则判断达到氧化终点。

(2)脱硫终点判断

在阶段的实验中，预先模拟出脱硫终点值，加入干扰炉温的因素，包括炉膛内负压(大的负压加大带温能力)、n2流量(冷却气体)、中心氧流量(影响燃烧程度)、压缩空气(影响燃烧程度)与进料吨数等。通过补偿方程加入人工智能补偿，得到脱硫终点判断模型，判断脱硫终点。

s2＝m1×x1+m2×x2+m3×x3+m4×x4+m5×x5+δs2

其中：s2为模拟脱硫终点值；x1～x4分别为负压、n2、氧、天然气、进料吨数的实时值；m1～m5为相对应系数，当x1在-20～-45pa之间时，m1＝0.98，x1为其他值时，m1则为1；当x2在100～200n/m³之间时，m2＝0.21，x2为其他值时，m2则为0.5；当x3在200～400n/m³之间时，m3＝0.05，x3为其他值时，m3则为0.5；当x4在780～900n/m³之间时，m4＝0.033，x4为其他值时，m4则为0.5；m5为0.02；δs2为根据实验数据分析得到的还原终点值。

终点分析单元根据该脱硫终点判断模型计算得到s2的值，当s2与信号采集模块采集到的so2浓度值相等时，则判断达到脱硫终点。

(3)还原终点判断

在阶段的实验中，预先模拟出脱硫终点值，加入干扰炉温的因素，包括炉膛内负压(大的负压加大带温能力)、n2流量(冷却气体)、中心氧流量(影响燃烧程度)、压缩空气(影响燃烧程度)与进料吨数等。通过补偿方程加入人工智能补偿，得到还原终点烟气温度判断模型，判断还原终点。

s3＝n1×x1+n2×x2+n3×x3+n4×x4+n5×x5+δs3

其中：s3为模拟还原终点so2浓度值，x1～x5分别为炉膛内负压、n2流量、中心氧流量、天然气流量以及阳极炉原料进料吨数的实时值；n1～n5为相对应系数，n1～n5的大小均介于0.0～100.0之间；当x1在-20～-45pa之间，n1＝1.02，x1为其他值时，n1则为1；当x2在100～200n/m³之间，n2＝2.4，x2为其他值时，n2则为10；当x3在200～400n/m³之间，n3＝2，x3为其他值时，n3则为2.5；当x4在780～900n/m³之间，n4＝1.2，x4为其他值时，n4则为2；n5＝0.3。δs3为根据实验数据分析得到的还原最高点平均值。

s4＝l1×x1+l2×x2+l3×x3+l4×x4+l5×x5+δs4

其中：s4为模拟还原终点co浓度值，x1～x5分别为炉膛内负压、n2流量、中心氧流量、天然气流量以及阳极炉进料吨数的实时值；l1～l5为相对应系数，l1～l5的大小均介于0.0～1.0之间；当x1在-20～-45pa之间，l1＝0.45，x1为其他值时，l1则为0.5；当x2在100～200n/m³之间，l2＝0.48，x2为其他值时，l2则为0.5；当x3在200～400n/m³之间，l3＝0.08，x3为其他值时，l3则为0.1；当x4在780～900n/m³之间，l4＝0.05，x4为其他值时，l4则为0.1；l5＝0.031。δs4为根据实验数据分析得到的还原终点平均值。

还原终点烟气温度判断模型为：

t＝c×δ×ε×fm×{(t0+274)⁴－(t1+274)⁴}+δt

其中：t为模拟还原终点烟气温度；c为烟气系数，介于1.03～1.08之间；δ为热辐射常数；ε为烟气与炉膛表面综合热辐射系数；fm为铜液表面积；t0为烟气分析仪测得的烟气温度；t1为炉内铜液表面温度；δt为温度干扰因素导致的温变，以下为δt的仿真计算：

δt＝a×x1+b×x2+c×x3+d×x4

其中：x1～x4分别为炉膛内负压、n2流量、中心氧流量、天然气流量的实时值；abcd为相对应系数，abcd的大小均介于0.0～1.0之间，当x1在-20～-45pa之间时，a＝0.4，x1为其他值时a则为1；当x2在100～200n/m³之间时，b＝0.33，x2为其他值时，b则为0.5；当x3在200～400n/m³之间时，c＝0.28，x3为其他值时c则为0.5；当x4在780～900n/m³之间时，d＝0.17，x4为其他值时d则为0.5。

终点分析单元根据该还原终点so2浓度判断模型、还原终点co浓度判断模型、还原终点烟气温度判断模型分别计算得到s3、s4、t的值，当s3与信号采集模块采集到的so2浓度值、s4与信号采集模块采集到的co浓度值、t与信号采集模块采集到的烟气温度均相等时，则判断达到还原终点。

举例说明：将该系统应用到某一公司铜冶炼阳极炉中，采集到烟气分析仪测得so2浓度为60000mg/m³，co浓度为300mg/m³，烟气温度为610℃，用户dcs系统采集到的炉膛内负压为-40pa，天然气流量为800n/m³，中心氧流量为300n/m³，n²流量为300n/m³，阳极炉原料进料为600t；δs1为65000；δs2为14000；δs3为300；δs4为300；根据上述模型进行计算：

s1＝k1×x1+k2×x2+k3×x3+k4×x4+k5×x5+δs1

＝(-40×9.8+300×80.33+300×1+800×1.2+600×0.3+65000)

＝67323.98mg/m³

s1为67323.98mg/m³，与烟气分析仪测得so2浓度60000mg/m³不相等，则判定未达到氧化终点。

s2＝m1×x1+m2×x2+m3×x3+m4×x4+m5×x5+δs2

＝(-40*0.98+300*0.21+300*0.05+800*0.033+600*0.02+14000)

＝14077.2mg/m³

s2为14077.2mg/m³，与烟气分析仪测得so2浓度60000mg/m³不相等，则判定未达到脱硫终点。

s3＝n1×x1+n2×x2+n3×x3+n4×x4+n5×x5+δs3

＝(-40*1.02+300*2.4+300*2+800*1.2+600*0.3+4500)

＝6823.98mg/m³

s4＝l1×x1+l2×x2+l3×x3+l4×x4+l5×x5+δs4

＝-40*0.45+300*0.48+300*0.08+800*0.05+600*0.031+300)

＝508.6mg/m³

δt＝a×x1+b×x2+c×x3+d×x4

＝0.4×(-40)+0.33×300+0.28×300+0.17×800

＝303

t＝c×δ×ε×fm×{(t0+274)⁴－(t1+274)⁴}+δt

＝400×5.67×10^-6×6.08×10^-8×2×π×3×10×{(550+274)⁴-(400+274)⁴}+303

＝752.84℃

s3为6823.98mg/m³，与烟气分析仪测得so2浓度60000mg/m³不相等；s4为508.6mg/m³，与烟气分析仪测得co浓度300mg/m³不相等；t为752.84℃，与烟气温度为610℃不相等，则判定未达到还原终点。

以上仅是本发明的特征实施范例，对本发明保护范围不构成任何限制。凡采用同等交换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。