一种基于剩余氧负荷的铜阳极炉精炼动态还原方法及系统与流程

本发明涉及冶金，具体涉及一种基于剩余氧负荷的铜阳极炉精炼动态还原方法及系统。

背景技术：

1、铜阳极炉是粗铜火法精炼过程中的关键设备，其工艺通常包括氧化精炼阶段和还原精炼阶段。其中，氧化阶段主要用于脱除铜液中的硫、铁、砷、锑等杂质元素，而还原阶段则通过加入还原剂，将氧化阶段形成的cu2o还原为金属铜，从而降低铜液氧含量，使阳极铜满足后续浇铸和电解精炼要求。因此，还原过程的控制效果直接影响阳极铜质量、还原剂消耗以及生产成本。

2、目前，铜阳极炉还原阶段普遍采用焦炭、天然气等作为还原剂，并通过氮气等载气将还原剂喷入铜液中，在高温条件下与铜液中的cu2o发生反应，实现脱氧目的。由于铜液中的氧含量在还原过程中不断降低，反应驱动力逐渐减弱，为保证在规定时间内达到目标氧含量，现场操作通常根据经验调整还原剂加入量。在还原前期，较高的氧含量使得还原反应能够快速进行，而在还原后期，随着氧含量下降，反应速率逐渐减慢，此时操作人员为了避免终点氧含量超标，往往采用持续增加还原剂加入量的方式维持还原过程。

3、然而，在低氧阶段，由于体系反应驱动力下降，继续增加还原剂并不一定能够有效提高脱氧速率，大量未充分参与反应的还原剂容易在炉底富集，不仅降低了还原剂利用率，而且增加了喷嘴堵塞、炉底积碳及生产波动等风险。同时，不同操作人员对还原过程的经验判断存在差异，使得不同批次之间还原时间、还原剂消耗以及终点氧含量波动较大，影响生产稳定性。

4、为了提高还原效率，现有技术提出了多种改进措施。一类方法通过优化喷吹结构、改变喷嘴形式、减小还原剂粒径或强化气液混合，以增加还原剂与铜液的接触面积，提高反应效率；另一类方法通过改变还原剂种类或采用天然气、煤粉等不同还原介质，提高还原反应速率；还有一些方法通过检测烟气中的co、co2等气体成分，结合经验或模型对还原终点进行判断，以减少终点控制误差。

5、上述方法虽然在一定程度上提高了还原效率或改善了终点控制精度，但其主要关注于反应强化或终点判定，缺乏对整个还原过程的动态控制。尤其是在氧含量不断变化的条件下，现有技术尚未建立剩余脱氧任务与还原剂供给之间的对应关系，难以根据当前脱氧需求动态匹配还原剂加入量，因此仍然存在还原后期无效加料、还原剂利用率下降以及炉底积碳等问题。

6、因此，如何在保证规定时间内达到目标氧含量的前提下，根据还原过程的变化动态调节还原剂加入量，实现还原剂供给与脱氧需求的匹配，减少低氧阶段无效加料，提高还原剂利用率和过程稳定性，成为铜阳极炉精炼领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的还原后期无效加料严重、还原剂利用率低、炉底积碳以及终点控制稳定性差等问题，本发明提供一种基于剩余氧负荷的铜阳极炉精炼动态还原方法及系统，减少还原后期无效加料、实现还原剂利用率提高和终点稳定控制。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于剩余氧负荷的铜阳极炉精炼动态还原方法，包括如下步骤：

4、s1、建立还原任务：根据铜液初始氧含量、目标氧含量以及预设还原时间建立还原任务；

5、s2、计算实际脱氧速率：实时获取烟气组成信息，并根据烟气组成信息计算实际脱氧速率；

6、s3、计算目标脱氧速率：将当前时刻铜液中的氧量记为当前氧量，根据当前氧量与目标氧含量计算当前剩余氧负荷；并根据当前剩余氧负荷和剩余时间计算完成剩余脱氧任务所需的目标脱氧速率；

7、s4、动态形成最小必要还原剂供给速率：比较实际脱氧速率和目标脱氧速率，并根据比较结果动态调整还原剂供给速率，使实际脱氧速率趋近于目标脱氧速率，得到完成剩余脱氧任务所需的最小必要还原剂供给速率；

8、s5、进行低氧阶段增量有效性判断：当铜液氧含量接近目标氧含量时，判断提高还原剂供给速率后实际脱氧速率是否升高以确定还原剂供给速率是否调整；

9、s6、终止还原：当铜液氧含量达到目标氧含量时终止还原过程。

10、作为优选的，步骤s1中：所述还原任务具体指在预设还原时间内需要完成的总脱氧量，按照如下公式计算：

11、

12、其中，为总脱氧量，单位为kg；为铜液初始氧量，单位为kg，为目标氧量，单位为kg；

13、所述铜液初始氧量按照如下公式计算：

14、

15、其中，为铜液质量，单位为kg；为初始氧含量，单位为kg氧/kg铜液；

16、所述目标氧量按照如下公式计算：

17、；

18、其中，为目标氧含量，单位为kg氧/kg铜液。

19、作为优选的，步骤s2中，通过烟气在线分析仪测得烟气中co、co2和n2的干基摩尔分数分别为、和；

20、实际脱氧速率按照如下公式计算：

21、

22、其中，为实际脱氧速率，单位为kg/s；为实际脱氧摩尔速率，单位为mol/s；为氧的摩尔质量，单位为kg/mol，取0.016 kg/mol；

23、所述实际脱氧摩尔速率按照如下公式计算：

24、

25、其中，为总干烟气摩尔流量，单位为mol/s；

26、所述总干烟气摩尔流量按照如下公式计算：

27、

28、其中，为入炉氮气摩尔流量，单位为mol/s。

29、作为优选的，步骤s3中，当前剩余氧负荷按如下公式计算：

30、

31、其中，为当前剩余氧负荷，单位为kg；为当前氧量，单位为kg；

32、所述当前氧量按如下公式计算得到：

33、

34、其中，为累计脱除氧量，单位为kg；

35、所述累计脱除氧量按如下公式计算得到：

36、

37、即，所述累计脱除氧量为实际脱氧速率在还原开始至当前时刻的时间t积分。

38、作为优选的，步骤s3中，剩余时间按照如下公式计算：

39、

40、其中，为剩余时间，单位为s，为预设还原时间，单位为s，t为当前运行时间，单位为s；

41、目标脱氧速率按照如下公式计算：

42、。

43、作为优选的，步骤s4中，定义目标脱氧速率与实际脱氧速率之间的偏差为：

44、

45、其中：为脱氧速率偏差，单位为kg/s；

46、当>0时，提高还原剂供给速率；当<0时，降低还原剂供给速率；直至的绝对值小于0.01 kg/s；此时对应的还原剂供给速率为最小必要还原剂供给速率。

47、作为优选的，步骤s5中，定义增量有效性指标：

48、

49、其中，为还原剂供给速率的变化量；为提高还原剂供给速率后的实际脱氧速率变化量；为增量有效性指标，单位为kg氧/kg还原剂；

50、当＞预设阈值范围的最大值时，继续提高还原剂供给速率；当＜预设阈值范围的最小值时，维持当前还原剂供给量或适当降低还原剂供给速率；当在预设阈值的范围内时，维持当前还原剂供给速率。

51、其中，步骤s5中，当铜液氧含量接近目标氧含量时，启动增量有效性判断，具体的，当铜液氧含量和目标氧含量之间差值小于0.08%时，认为铜液氧含量接近目标氧含量；优选两者差值小于0.05%时，认为铜液氧含量接近目标氧含量。

52、作为优选的，预设阈值为0.4～0.9 kg氧/kg还原剂。

53、其中，所述预设阈值根据还原剂理论脱氧能力和历史炉次运行数据确定。对于碳质还原剂，在还原过程中，铜液中的cu2o主要发生如下反应：，。同时，部分co2在焦炭表面发生布德瓦尔反应：。若碳最终生成co，则理论脱氧能力为1.33 kg氧/kg碳；若碳最终生成co2，则理论脱氧能力为2.67 kg氧/kg碳。考虑到实际生产中存在未反应焦炭、炉底积碳、传质受限及反应不完全等因素，取理论脱氧能力下限的30%～70%，优选为0.4～0.9 kg氧/kg还原剂。当＞预设阈值范围的最大值时（即高于的上限），则认为继续增加还原剂对提高脱氧能力有用，因此继续提高还原剂供给速率；当＜预设阈值范围的最小值时（即低于的下限），认为继续增加还原剂对提高脱氧能力的作用有限，维持当前还原剂供给量或适当降低还原剂供给速率，具体可降低1~3个还原剂速率调节步长，当在预设阈值的范围内时，维持当前还原剂供给速率。

54、作为优选的，步骤s4或步骤s5中，当需要提高或降低还原剂供给速率时，以0.01～0.03 kg/s为调节步长进行增减，相邻两次调节的时间间隔为一个控制周期，所述控制周期为120～240 s。

55、本发明还提供了一种用于实现上述方法的铜阳极炉精炼动态还原控制系统，包括：

56、数据采集模块，用于采集烟气组成信息及工艺参数；

57、实际脱氧速率计算模块，用于根据烟气组成信息计算实际脱氧速率；

58、剩余氧负荷计算模块，用于计算当前剩余氧负荷；

59、目标脱氧速率计算模块，用于根据剩余氧负荷和剩余时间计算目标脱氧速率；

60、还原剂供给控制模块，用于根据目标脱氧速率和实际脱氧速率动态调节还原剂供给速率；

61、控制模块，用于输出还原剂供给控制指令。

62、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

63、（1）通过将剩余氧负荷和剩余时间共同作为约束条件，实现还原剂供给与脱氧任务之间的动态匹配，提高还原过程可控性；

64、（2）根据目标脱氧速率和实际脱氧速率之间的偏差动态调整还原剂供给速率，实现还原剂的最小必要供给，提高还原剂利用率；

65、（3）通过低氧阶段增量有效性判断，减少低氧阶段无效加料和炉底积碳，提高终点控制稳定性；

66、（4）降低不同操作人员经验差异对还原过程的影响，提高不同批次还原过程的一致性和稳定性；

67、（5）在保证规定时间内达到目标氧含量的前提下减少还原剂消耗，提高生产经济性。