氧气侧吹直接炼铅还原炉的自动化控制
摘 要
氧气侧吹直接炼铅还原炉自动化控制分四个方面：炉体、配气、配料、烟尘回收。由于国内氧气侧吹直接炼铅的企业不多，自动化控制方案无太多经验可借鉴。经过半年的探索与实践，两次开炉，从失败到成功，我们从中获得大量宝贵经验。
【关键词】自动控制 配气 配料
底吹炉产生的高铅渣在氧气侧吹炉中进行还原，产出粗铅、炉渣和含铅锌烟气。
含铅的烟尘返回侧吹还原炉的配料仓。配料工段将返料、石灰石、煤，通过称量按给定的比例送到总皮带运输机。如此配制的的炉料送到炉上的加料口，在预定的时间段内将规定数量的上述物料通过加料口连续加到炉渣熔体的表面。
在加入炉料和煤的同时炉体下排风嘴向炉渣熔体送入含氧约60%的鼓风（工业氧与空气的混合气）助燃和产生气泡加速炉内化学反应；炉体上部风嘴送入二次风（空气），使有害气体充分燃烧。
文章侧重介绍在炉体、配气和配料系统自动化控制方案实施中遇到的问题与解决方法。
1 配气系统
配气系统自动控制包括压缩空气、氧气、二次风及压缩空气和氧气的混合气的压力与流量控制。配气系统简图如图1。
据工艺要求：
（1）由气站送来的氧气和压缩空气经减压阀减压后压力都需稳定在0.2MPa左右；
（2）富氧混合气的氧浓60%左右，压力0.12MPa左右，流量达到 4000Nm3/h；风嘴压力0.08—0.09MPa。
其中（1）、（2）分别涉及减压阀和流量计的选型。
1.1 减压阀选型
首次安装使用的智能压力电动减压阀。智能压力电动减压阀根据阀后压力与设定压力值0.2MPa相比较，进行PID自动调节，控制阀门开度，使阀后压力稳定在0.2MPa。但阀门开闭时间较长，反应缓慢。当阀后压力剧变，如所需富氧空气减少、放空等，重新调节压力稳定在0.2MPa整个过程大约2min。加之厂内供气源压力低，约0.36MPa（气源压力一般稳定在1.2MPa），压力不能迅速补充，也增加了调节压力的过程。
经研究后，减压阀更换自力式减压阀，型号ZZYP-16B。其原理为阀前压力P1经过阀芯、阀座的节流后，变为阀后压力P2。P2经过管线输入上膜室内作用在顶盘上，产生的作用力与弹簧的反作用力相平衡，决定了阀芯、阀座的相对位置，从而控制阀后压力。
自力式减压阀无需外加能源，能在无电无气的场合工作，既方便又节约能源。采用橡胶膜片式压力检测，执行机构精度高；而且采用压力平衡的工作原理原理，减压阀反应灵敏。即便阀后压力剧变，也能够迅速使压力稳定在0.2MPa，确保安全生产。
1.2 流量计选型
首次安装使用的涡街流量计。涡街流量计是应用流体振荡原理来测量流量的。涡街流量计流量计算公式为：
（1）
式（1）中，f为旋涡的释放频率，单位为Hz； v为流过旋涡发生体的流体平均速度，单位为m/s；d为旋涡发生体特征宽度，单位为m；A为流体流过旋涡发生体的截面积。除f外均为已知，可得，流量q与旋涡的释放频率f正相关。
但安装完成投入使用时，现场管道振动大，传感器不能准确测量旋涡的释放频率，进而不能达到流量计量的目的。
经研究将流量计更换为V锥型流量计。它利用V锥体在流场中产生的节流效应，通过检测上下游压差来测量流量。V锥型流量计流量计算公式为：
（2）
式（2）中，K为常数，无量纲，因不同流量计而异；Y为气体膨胀系数，无量纲，在非压缩应用时Y=1；ρ为流体密度；ΔP为P1-P2。
由式（2）可知流体流量与差压ΔP相关。能够在一定程度上克服现场振动带来的不利影响。开炉后实际使用效果理想，能够准确计量。
2 炉体
炉体的自动控制系统主要包括水套温度、熔池温度、炉渣温度、风嘴压力的监测与控制。
2.1 水套温度监测
还原炉的炉身由铜质水套围成矩形，靠铜水套工作面上形成的冷凝炉渣层来抵御炉渣的冲刷和腐蚀。铜水套温度不能太高，否则会烧坏水套，所以水套温度监测非常重要。一般维持在30-50℃之间。其检测方法为在水套出水管上安装热电阻，温度信号传至中控室，远程监测，报警等。热电阻型号WZPK-334 Pt100 l=150，4，1Cr18Ni9Ti材质，螺纹安装，方便维护。同时在水套出水管上安装双金属温度计，便于现场观察监测。每个水套出水管上安装两个温度检测元件，增加准确性和可靠性。
2.2 炉渣温度监测
炉渣温度一般控制在1100℃。温度检测采用的一次性热电偶，型号分度号KW-602P，L850mm，测量时间4-6s。温度显示仪型号SJBG-2000，0-1600℃，LED显示，具有远程功能，在中控室能够观察并记录下每次渣温测量的时间与温度。
2.3 炉缸温度监测
还原炉内随着锌的挥发，铅及其氧化物也挥发进入烟尘。如果炉内温度严格控制在1150-1200℃，铅的挥发率就不会太高。炉内温度检测仪表设计选型S分度热电偶，WRP430，L/l=760/610；1060/910；A级，16，316护套。
热电偶安装在保温砖下，实际测量温度并非炉内温度。正常开炉时，温度只有450℃左右。而且炉内铅熔融体会渗入保温砖与热电偶护管的缝隙而流出，不利于生产。目前各企业侧吹炉内温度控制都凭操作工的经验。
3 配料系统
定量给料皮带秤的控制系统是一个由称重传感器和变频调速器所组成的串级控制系统。其原理为，物料设定值与实际值相比较，对其偏差进行比例积分运算后输出4～20mA直流信号至变换器，变换后的信号作为变频调速器的速度设定值。变频调速器输出相应频率的电流控制皮带秤电动机转速使皮带输送量达到设定值。
3.1 皮带秤调试
皮带秤的选型对使用精度有重要影响，如何进行设计选型请参见文献[3]。
皮带秤按照厂家要求安装，各项指标均符合要求（水平度≤3/1000；皮带张力适度等）。
参数设置完毕，三台皮带秤分别进行多次校验，均以2.5t/h给定量为校验数据表如表1。
表中瞬时显示值：中控室DCS系统瞬时流量显示，t；累积显示值：中控室DCS系统显示累计重量，t；理论值：设定流量2.5t/h×时间，t；实际值：实际物料重量，t；测量误差
；
控制误差。
由表知，第一次校验相对误差较高。经处理发现，皮带秤在低速下运行时计量精度低。通过调节料斗下部的导料溜板与皮带面的距离（通常在10-15mm），防止运转时皮带划伤及向外撒料的同时控制进料量大小使皮带秤在合适的速度下运行，提高了控制精度。第二、三次校验误差都较低，精度明显提高，误差在允许范围之内（电子皮带秤精度通常在1-3%）。由于校验时间较短，皮带秤启动到调节稳定需要一定时间，所以误差偏高，若稳定长期运行，皮带秤精度会更高。
3.2 程序调试
根据皮带秤控制目标：
（1）各物料有累积值显示，便于统计用料。
（2）皮带秤在物料达到设定的重量时自动停止，实现定量给料。
中控室DCS控制系统编程如图2。
4 结语
氧气侧吹直接炼铅法具有投资少、流程快、设备简单、易于操作、生产成本低、各种有价金属和烟气SO2回收率高等特点，正在积极推广应用。
目前，侧吹炉还原高铅渣工艺改造替代烧结—鼓风炉工艺的项目已成功运行，但自动化控制水平仍有许多可提升和需要提升的空间。
参考文献
[1]王树青，乐嘉谦.自动化与仪表工程师手册 [M].北京：化学工业出版社，2010.
[2]胡云燕，夏如铁等.浅谈皮带定量给料机的机械配置选型[J].水泥工程，2007（02）.
