DOC《基于Metcal的铜富氧侧吹熔池熔炼炉工艺流程模拟计算》

基于Metcal的铜富氧侧吹熔池熔炼炉工艺流程模拟计算 徐晓东,苏勇,黄鹤 (北京矿冶研究总院,北京 100160) 摘要:基于冶金工艺流程计算系统平台软件(Metcal),以铜富氧侧吹熔池熔炼炉(侧吹炉)为对象,设计建立各个功能模块,采用元素守衡和热平衡等原理对侧吹炉工艺流程进行模拟计算.

计算结果包含有元素质量年平衡表(干基和湿基)、热量平衡表等,可为工艺设计提供理论参考,并可在此基础上进一步开发侧吹炉离线冶金数学模型. 关键词:铜;

熔池熔炼;

侧吹炉;

Metcal;

流程模拟 中图分类号:TF811 文献标志码:A 文章编号:1007-7545(2016)06-0000-00 Simulation Calculation of Double Side Blow Furnace'

s Process Based on Metcal XU Xiao-dong, SU Yong, HUANG He (Beijing General Research Institute of Mining &

Metallurgy, Beijing 100160, China) Abstract:One metallurgical mathematical model of Double Side Blow Furnace was presented based on metallurgical process computing system development platform (Metcal). Principals of element balance and heat balance were applied in model calculation. The simulation results include materials balance form (dry material and wet material), heat balance form and etc, which can serve as theoretical reference to develop off-line metallurgical mathematical model of DSB on site. Key words: copper;

bath smelting;

Double Side Blow Furnace;

Metcal;

process simulation 目前世界上较先进的火法炼铜工艺大体分为两大类,一类为闪速熔炼,多应用于年产铜20万t以上的冶炼厂;

另一类为熔池熔炼,包括诺兰达法、瓦纽科夫法、奥斯麦特/艾萨熔炼法、特尼恩特法、白银炼铜法、氧气底吹炼铜法等[1].北京矿冶研究总院开发的富氧侧吹熔池熔炼炉(简称侧吹炉)炉型吸取了瓦纽科夫炉和白银炉的优点并有诸多改进,目前已获得专利授权(CN102796883A).该工艺与国内外普遍采用的闪速熔炼和底吹熔炉工艺相比,有以下技术优势:一是渣含铜低,渣含铜0.45%~0.50%,较底吹炉的3%以及闪速炉的0.8%具有较大的优势;

二是床能率高,床能率可达到75 t/(m2・d),是底吹炉的1.8倍;

三是设备占地面积小,基建投资少;

四是吨铜综合耗能低,为275 kg/t,较铜冶炼清洁生产一级标准低15%以上;

五是原料适应能力强,能处理各种多金属复杂物料[2-4]. 本文以侧吹炉为设计计算对象,基于Metcal软件平台[5],采用物料平衡、热平衡和化学平衡等原理建立各单元数学计算模型,对该工艺进行模拟计算,得到该对象的理论物流信息和热平衡计算结果.

1 侧吹炉工艺流程建模 侧吹炉熔炼工艺过程主要包括配料、配风、配氧、侧吹炉熔炼以及循环冷却水等.该工艺流程中控制参数较多,可利用Metcal平台软件的通用模块分别构建相应的子功能模块,并结合物质流线和控制流线将各子功能模块连接,最终通过全流程计算得到模拟计算结果. 1.1 配料过程设计 侧吹炉熔炼的物料分为铜精矿、辅料和返料.铜精矿包括原精矿和渣选精矿;

辅料包括石英石、石灰石和燃料(煤炭或重油);

返料包括侧吹炉烟尘、转炉烟尘和阳极炉烟尘,统称熔炼烟尘.在Metcal软件平台,分别创建5个计算单元,分别命名为铜精矿、燃煤、石英石、石灰石、熔炼烟尘.下面以铜精矿计算单元为例说明,设计结构如图1所示,在中输入各元素含量,未知以x代替,然后在输入化合物形式,百分含量以x代替,最后在中填入化合物的化学方程式即完成铜精矿计算单元的创建,流程计算后即可得到图2所示的铜精矿合理物相组成表.其它物料可参照此方法完成计算单元的创建. 收稿日期:2016-01-04 作者简介:徐晓东(1978-),男,江西上饶人,硕士,工程师. (a)原料组成 (b)产物组成 图1 计算单元原料和产物组成 Fig.1 Calculation of unit'

s raw material and output 图2 铜精矿合理物相组成表 Fig.2 Reasonable chemical composition of copper concentrate 1.2 配风、配氧过程设计 侧吹炉熔炼是采用富氧风熔炼,纯氧和一次风混合后成为富氧风,为造锍反应提供所需氧气.理论上,在过氧环境下,煤炭中C全部氧化成CO2,S氧化成SO2和SO3;

但实际生产中,熔炼产生的烟气中仍含有CO和S2,为了保证后续设备的安全,因此在侧吹炉烟道出口鼓入一定量的空气,降低熔炼烟气中CO和S2的含量至安全范围内.创建了4个物料标签,分别是一次鼓风机、二次鼓风机、纯氧(2个);

2个计算单元,一次风和富氧风. 1.3 侧吹炉熔炼过程设计 侧吹炉熔炼是一种富氧熔池熔炼方法,将富氧空气鼓入熔体中,熔池受气体激烈的搅动,加入的炉料在熔体中剧烈进行气、液、固三相间的物理化学反应,通过造锍反应得到铜锍和炉渣,产生的烟气送去制酸.Metcal软件平台提供了2种方法进行熔炼过程设计,一种是采用基于化学反应方程式的方式设计,另一种是基于给定约束条件,由模型递归计算得到,本文采用后一种方式进行设计. 新创建一个单元计算模块,命名为.由之前单元模块计算后传递下来,中分别填入铜硫、炉渣、烟尘和烟气,含量以x代替.中的约束条件根据工艺条件,并结合生产实践确定(见图3).完成以上单元计算模块的创建后,再用物质流线和控制流线将相关模块连接起来,即完成侧吹炉熔炼工艺过程的建模.冶金模型见图4. 图3 计算单元自定义约束 Fig.3 Custom constraint of calculation unit 图4 侧吹炉熔炼工艺过程冶金模型 Fig.4 Metallurgical mathematical model of Double Side Blow Furnace smelting process

2 侧吹炉熔炼模拟计算 2.1 计算条件 铜精矿干矿处理量60 t/h、富氧浓度65%、铜硫品位控制在48%~52%、Fe/SiO2=1.

2、炉渣温度1

250 ℃. 2.2 部分计算结果 部分计算结果见表1~3. 表1 投入产出物料表 Table

1 Input and output of materials 项目 名称 ℃ Pa kg/h m3/h m3/h(标态) 投入 混合矿

25 101

325 62

500 煤炭

25 101

325 1

738 石灰石

25 101

325 122 石英石

25 101

325 5

501 一次风

25 101

325 28

656 22

760 20

851 二次风

25 101

325 15

788 13

388 12

265 合计

114 304

36 148

33 117 产出 铜锍

1 200

101 325

12 563 炉渣

1 200

101 325

38 487 烟尘

1 250

101 325

898 烟气

1 250

101 325

62 357

206 904

37 105 合计

114 304

206 904

37 105 表2 热量平衡表(部分) Table

2 Heat balance form (Part) 序号 热收入 热支出 热类型 物料 温度/℃ MJ/h % 热类型 物料 温度/℃ MJ/h %

1 物理热 混合矿

25 0

0 物理热 铜锍

1 200

9 076.62 5.32 煤炭

25 0

0 炉渣

1 200

45 909.86 26.89 石灰石

25 0

0 烟尘

1 250 980.91 0.57 石英石

25 0

0 烟气

1 250

83 319.67 48.80 一次风

25 0

0 二次风

25 0

0 小计

0 0 小计

139 287.06 81.58

2 化学热

25 170 732.75 100.0 化学热

25 3 交换热 冷却水

33 交换热 冷却水

40 29 270.68 17.14

4 自然散热

0 0

5 炉体散热损失

2 175.00 1.27 合计

170 732.75 100.0

170 732.74 100.0 表3 元素质量年平衡(干基,部分) Table

3 Mass balance form (dry basis, part) for one year 项目 物料名称 t/a t/d t/h 其他 S O Fe Si Ca Cu C % t/a % t/a % t/a % t/a % t/a % t/a % t/a % t/a 投入 混合矿

455 400

1 380

58 2

8 319

30 136

620 12

56 556

31 141

174 6

28 738

2 8

137 12

52 371

1 4

474 煤炭

137 63

42 2

12 1

708 1

83 5

712 1

179 2

311 1

76 0

0 75

10 322 石灰石

964 3

0 7

67 0

0 45

431 0

5 0

5 36

345 0

0 11

106 石英石

43 571

132 6

4 1

644 0

0 51

22 211

0 209

43 18

635 1

311 0

0 0

171 一次风

226 952

688 29

0 0

0 0

73 165

033 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 二次风

125 037

379 16

0 0

0 0

23 29

123 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 合计

865 687

2 623

109 11

738 136

703 274

066 141

567 47

689 8

869 52

371 15

074 产出 铜锍

99 495

302 13

0 117

24 23

491 2

1 592

19 18

806 0

0 0

0 50

49 748

0 0 炉渣

304 815

924 38

4 11

416 1

2 726

33 99

703 39

120 283

15 46

854 3

8 714

1 1

707 0

0 烟尘

7 112

22 1

3 205

4 296

27 1

885 35

2 477

12 835

2 155

13 916

0 0 烟气

493 865

1 497

62 0

0 22

110 189

42 206

054 0

0 0

0 0

0 0

0 3

15 074 合计

905 287

2 743

114 11

738 136

703 309

235 141

567 47

689 8

869 52

371 15

074 3 结论 采用Metcal软件平台可以快速创建各种熔炼工艺流程,并进行模拟工艺计算,计算结果可以供工艺设计人员参考;

此外,可以设置工艺参数为某个变量或函数,这样即可在理论上研究工艺参数对熔炼过程变化的影响.在此基础上,可以进一步开发侧吹炉熔炼工艺流程的静态冶金数学模型,并在现场应用. 参考文献 [1] 北京有色设计研究总院,长沙有色冶金设计研究院,南昌有色冶金设计研究院,等. 重有色金属冶炼设计手册:铜镍卷[M]. 北京:冶金工业出版社,2007:413-439. [2] 邹小平,冯亚平,魏帮,等. 康西铜业粗铜熔炼计算改造工程工艺选择[J]. 中国资源综合利用,2012,30(10):54-57. [3] 黄贤盛,王国军. 金峰铜业有限公司双侧吹熔池熔炼工艺试生产总结[J]. 中国有色冶金,2009,38(2):9-13. [4] 王举良. 富氧侧吹熔池熔炼工艺的冶金计算与生产实践[J]. 中国有色冶金,2012,41(1):6-10. [5] 李明周,童长仁,黄金堤,等. 基于Metcal的铜闪速熔炼―转炉吹炼工艺全流程模拟计算[J]. 有色金属(冶炼部分),2015(9):20-25. ........