DOC《基于Metcal的铜闪速熔炼-转炉吹炼工艺全流程模拟计算》

国家自然科学基金资助项目(50904027);

江西理工大学自然科学基金项目(NSFJ2014-G10) 作者简介:李明周(1980-),男,河南巩义人,讲师,在读博士.

1 MetCal简介 MetCal是一套可供冶金、化工设计研究人员自主开发冶金、化工工艺全流程计算模型的高效软件通用平台工具,可完成质量平衡、热平衡和化学平衡计算.该软件主要特点如下: 1)采用全新的流程计算软件开发理念,将冶金过程工艺流程图、设备简图绘制和冶金过程计算流程图融为一体,其基本要素有通用单元与流线.利用该软件进行冶金、化工流程设计计算具有直观、操作简便灵活,易学易用等优点. 2)通用计算单元提供了化学反应平衡、化学反应程度、分配系数(元素或组分或物料)及自定义约束表达式等多种冶金单元过程计算策略,并支持各种计算策略相互搭配组合,使用灵活.无论是基于经验数据、或是基于热力学理论的冶金分析计算,MetCal均能提供满意的解决方案,适应性广,功能强大. 3)支持返料计算,返料回路数目不限. 4)提供数种单元间控制策略,能灵活地在单元与单元之间实现参数与指标的关联控制,控制约束数目不限. 5)热力学数据库提供了数千种纯物质和水溶液物质热力学数据,丰富的热力学数据为进行火法冶金和湿法冶金流程计算提供了良好支持. 6)集绘图与计算为一体,过程直观、通用性强、操作简便灵活、运算速度快.

2 Metcal在闪速熔炼―PS转炉吹炼工艺的模拟应用 闪速熔炼―PS转炉吹炼工艺主要包括以下工序:配料、蒸汽干燥、闪速熔炼、转炉吹炼、阳极炉精炼、电解精炼.该工艺流程中控制参数和返料众多,可利用Metcal通用计算单元构建配料、蒸汽干燥、闪速熔炼和转炉吹炼等工序的物料平衡、化学平衡、热平衡数学模型,并结合物质流线、控制流线以及数据流线计算单元模型连接从而实现对全流程的模拟计算. 2.1 Metcal建模步骤 新建一个Metcal冶金全流程计算模型,可按以下步骤进行: 1)在构建冶金计算单元前,设置好流程单元投料时间单位、作业方式与周期、工作日与工作时等信息. 2)利用通用计算单元控件分别构建各冶金工序或物料计算模型.如图1所示,依次设置单元名称、设备名称、质量守恒策略、外观选择等信息;

如图2所示,将投入物料组成、产物组成、温度和压力条件、元素(或者组分、群体、物料)在各产物中的已知分配信息、其它指标约束条件、生成反应、平衡反应、热能计算、自定义函数表达式等信息输入相应表格,如果组分或物料是已知信息可直接输入,未知信息则输入 x 作为该计算单元待求变量,Metcal提供了快捷的物料组成输入方式,可实时输入、添加物料组成,并根据用户输入的组成表达式智能判断数据库中是否有该信息;

依据设置好的计算单元数据信息,Metcal能智能判断待求变量数与当前约束方程数是否相等,若不相等会提示需补充方程数,若相等可进行单元调试计算,得到该单元模型物料衡算以及热平衡计算结果. 图1 设置单元类型与外观 Fig.1 Setting unit type and appearance 图2 建立单元数学模型 Fig.2 Establishing unit mathematical model 3)将所构建并已调试计算通过的计算单元,利用上层单元产物端口向下层单元原料端口动态绘制物质流线,实现单元间物料相关信息由上至下传递连接,从而快速建立全流程计算模型,并可根据控制流线实现单元间控制需求,如果某个冶金单元有返料,可通过返料线快速实现返料迭代计算. 4)对某个单元计算结果进行输出,见图3,通过全流程导出设置,对全流程各冶金单元计算结果进行输出(以excel表格形式导出),见图4.单元和全流程计算结果包括投入产出物料平衡表、元素质量百分含量表、元素质量平衡表、元素分配表、投入产出组分表、热平衡表、流程图等信息. 图3 单元计算结果 Fig.3 Results of unit computation 图4 全流程计算表格导出设置 Fig.4 Export settings of calculating tables of overall process flow 5)为形象、直观地表达单元功能,可通过Metcal提供的设备简图绘制模块,对某计算工序相应主体设备进行简图绘制,并通过自定义端口位置方式,将投入产出物料与所绘制设备简图实现融合.用户还可通过该画图模块构建自己的常用设备库. 6)Metcal用户可根据需要,利用单元和全流程辅助计算功能对计算结果进行任意组合处理.如对于铜闪速冶炼工艺,可利用该功能简单快速实现造锍熔炼工序铜锍品位、渣中铁硅比、渣含铜、吨矿氧、熔剂率以及全流程铜收率等参数的快速后处理计算输出. 2.2 Metcal模拟闪速熔炼―PS转炉吹炼工艺过程 2.2.1 计算条件 1)铜精矿处理量150 t/h,入炉混合矿含水0.3%;