闪速熔炼渣含铜的数值模拟.pdf

第6 0 卷第2 期 2008 年5 月 有色金属 N o n f e t r o l l sM e a l s V 0 1 ．6 0 。N O ．2 M a y 2008 闪迷熔炼渣含铜的数值模拟 陈红荣1 ，梅炽1 ，谢 锴1 ，任鸿九1 ，王晓华2 ，张源2 ，刘安明2 1 ．中南大学热工设备仿真与优化研究所，长沙4 1 0 0 8 3 ；2 ．金隆铜业公司，安徽镝凌2 4 4 0 0 0 摘 要通过数值仿真的方法，分析闪速熔炼反应塔内F e 3 0 4 含量的分布与变化规律，提出降低渣含铜的途径和措施。计算 表明，精矿喷嘴操作参数的优化匹配，可以减少反应塔底部F e 3 0 4 的生成量。氧浓或氧量分布为调控的主要参数；工艺风氧浓高， 工艺风速低，有利于减少F e 3 0 ；生成量；增加S i 0 2 含量，颗粒中的F e 3 0 4 含量明显降低，但需综合考虑此因素对渣含铜的影响。弼 整反应塔精矿喷嘴的工艺风氧量和氧浓．使反应塔内的氧势呈合理的梯度分布。将有助于渣含铜的降低。 关键词冶金技术；闲速熔炼；数值模拟；渣含铜；氧势 中图分类号T F S l l ；T F S 0 3 ．1 1文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 2 0 0 7 1 0 4 火法炼铜除了生产出有用的产品铜锍外，还会 产生副产品炉渣。对于闪速熔炼，炉渣量通常是铜 锍产量的2 ～5 倍[ 1 1 。计算表明，渣含铜量是相当可 观的。由于企业一方面在不断追求提高产能，因此 抛弃的渣量在不断增多，另一方面，国际铜价在不断 上涨。因而，弃渣含铜价值的损失显得不容忽视。 简单的计算表明，若企业按年产2 0 万t 铜考虑，将 闪速熔炼沉淀池炉渣的含铜指标从0 ．8 ％降低至 0 ．7 ％或更低的水平，则每年可多增产3 0 0 t 粗铜或 更多。因而，从经济角度考虑，渣含铜问题的研究就 显得极为重要。 渣含铜问题是难度较大的一项技术问题，影响 因素多，影响规律复杂[ 1 - 3 J ，这方面的探索研究主 要侧重于实践经验的归纳总结和理论阐述[ 4 - 9 ] 。 近年来，有不少对闪速炉的仿真数值计算，但并 不针对渣含铜问题。大部分侧重于优化操作参数， 使喷嘴处于良好运行状况，强化闪速熔炼1 0 - 14 I 。 渣含铜主要与铜锍品位、炉渣酸碱度以及沉淀 池分离条件有关。尽管随着冰铜品位的提高其弃渣 含铜也在不断提高，但由于品位的提高使得铜锍产 量得到提高，因而不能以降低铜锍品位作为降低渣 含铜的有效手段。影响渣含铜的另一个因素是渣的 酸碱度，具体体现的指标为F e ／S i 0 2 。由于F e ／S i 0 2 的大小不但影响渣含铜，而且影响渣量大小。有研 究表明，当s i 0 2 低于3 1 ％时，渣含铜随着S i 0 2 的增 大而减小；当S i 0 2 高于3 1 ％时，渣含铜随S i 0 2 的变 收稿日期2 0 0 6 一0 7 2 l 作者简介陈g [ 荣 1 9 6 1 一 ，男，湖南沅陵县人，讲师，博士生。主要 从事炉窑设备热工仿真及模拟等方面的研究。 化不明显[ 卜2 | 。然而，随着F e ／S i 0 2 的增大，即S i 0 2 的减小，渣量在减小。由于F e 3 0 ‘增加了渣的密度 和黏度，造成沉淀池中铜锍从渣中分离困难。因此， 沉淀池分离条件与反应塔进入沉淀池中熔渣的 F e 3 0 4 含量有密切关系。反应塔内氧势分布对 F e 3 q 的形成有显著影响，而炉内氧势如何分布，受 哪些因素影响却较为复杂，试图用数值计算反应塔 内F e 3 0 4 的分布规律从而给出减少渣含铜的操作措 施。 1 闪速炉反应塔仿真数学模型 1 ．1 总体思路 气粒两相反应流采用E u l e r ．L a g r a n g e 法进行计 算，即气相计算采用E u l e r 坐标系所推导得出的湍 流方程组，离散后联立求解计算速度场、温度场和浓 度场，颗粒相采用L a g r a n g e 坐标系，对颗粒进行轨 迹跟踪计算。气粒两相问的耦合通过P S i C 网格颗 粒源项 法进行。 气相湍流模型采用k 一 模型。燃油燃烧计算 采用自编气化模型 E B U 旋涡破碎 模型。辐射采 用离散区域法。铜精矿颗粒燃烧采用自编反应模 型。 1 ．1 ．1 气相处理。守恒方程包括质量守恒、动量守 恒以及能量守恒，可统一表达为a I 。西／O t V J D U 西 一RV 西 S u S p ，其中，西为通用因变量，n 为扩散系数，S ∞是气相本身的源项，S p 是颗粒产 生的源项在气相方程中的体现，P S I C 法主要体现在 此项的处理上。 1 ．1 ．2 颗粒相处理。在L a g r a n g e 坐标下，颗粒在 万方数据 有色金属 第6 0 卷 气相流场中，运动方程可描述为d e ／d t U ，优d U ／ d t F 。F 为作用在颗粒上的力，计算忽略数量级 较小的各种力，只考虑阻力和重力。 1 ．2 颗粒化学反应处理 闪速炉中冶金物理化学过程十分复杂，有许多 反应在同时进行。按照反应的大致阶段，可将反应 用相应的方程描述。 1 精矿燃烧反应。此反应较为复杂，并非单一 反应形成。 1 5 C u F e S 2 2 6 0 2 - - ，3 C u 5F e S 4 4 F e 3 0 4 1 8 S 0 2 千 △G 一8 1 0 1 5 6 4 1 0 6 8 ．8 9 4 丁 F e S 2 0 2 - - ，F e S s c h 千 △G 一2 2 6 9 3 0 5 0 ．4 6 7 T 2 硫化物过氧化反应生成F e 3 0 4 ，为反应塔中 形成F e 3 0 4 的主要反应之一。因此，氧气过剩的控 制较为重要。 2 C u s F e S 4 0 2 5 C u 2 S 2 F e S s c h 千 A G 一1 4 5 3 5 3 1 9 ．8 0 8 T ‘ 3 F e S 5 0 2 } F e 3 0 4 3 S 0 2 千 △G 一1 7 0 3 8 0 9 3 1 5 ．8 8 8 T 3 颗粒碰撞还原F e 3 0 4 的反应，有助于减少 F e 3 0 ‘的含量，因此，反应塔中应努力增加颗粒的碰 撞几率。 2 C u 5 F e s 4 8 F e 3 0 4 - - - ’5 C u 2 S 2 6 F e O 3 S 0 2 牛 △G 1 3 3 8 2 8 3 1 0 1 1 ．1 3 1 T F e S 3 F e 3 0 4 ’- 1 0 F e O 3 S 0 2 千 △G 4 3 9 5 6 7 3 5 6 ．9 7 9 T C u 2 S 2 F e 3 0 4 2 C u 6 F e O s c h 十 A G 3 8 8 8 5 9 2 7 0 ．6 1 5 T 2 C u F e S 2 2 F e 3 0 ‘一C u 2 S 2 F e S 6 F e O s c h 千 A G 4 0 3 9 2 1 3 0 7 ．2 8 1 T 1 ．3闪速炉仿真模型几何结构及网格划分的说明 仿真模型空间由反应塔内空间和沉淀池内空间 两部分组成。反应塔内空间为圆柱形，直径 5 0 0 0 m m ，高度6 6 4 0 m m 。沉淀池内空间为长方形， 从炉头到上升烟道入口为止的气相空间，宽度 6 7 0 0 m m ，高度1 5 9 0 m m ，长度1 8 5 0 0 m m 。 闪速炉为对称结构，如图1 所示。为减少网格， 提高计算速度，取闪速炉中心剖面为对称面，只对一 半空间进行仿真计算。由于闪速炉的主要反应是在 反应塔中完成的，所以反应塔的网格结构较细致复 杂，而沉淀池部分的网格结构较粗略简化。 图1 闪速炉结构模型 F i g ．1 C o n s t r u c t i o nm o d e lo ff l a s hs m e l t e r 1 ．4 仿真计算提供的信息及验证仿真模型可以计 算在铜闪速炉中颗粒相的C u F e S 2 ，C u s F e S 4 ，C u 2 S ， F e s 2 ，F e S ，F e O ，F e 3 0 4 ，S i 0 2 ，F e 2 S i 0 4 等成分的变化 以及气相的S 0 2 ，0 2 ，c c h ，H 2 0 浓度分布，揭示了温 度场、流场、浓度场和释热场的大量微观信息，为进 一步仿真研究反应塔内降低渣含铜的措施提供了一 个基本的平台和参照。 仿真计算的合理性从3 个方面进行了验证将 现场工况条件下的仿真结果与现场检测数据进行的 直接验证；变化模拟参数，观察其模拟结果变化是否 符合逻辑性的自我验证；与前人已有研究结果进行 对比的间接验证。验证结果表明仿真结果基本与实 测结果和反应规律相符。 2 几种工况炉渣F e 3 0 4 含量的仿真对比 2 ．1 典型生产工况 1 荨 计算工况为投料量9 3 t ／h ，反应塔重油消耗量 3 9 0 k g ／h ；主要操作参数如表1 所示。图2 给出了颗 粒轨迹中F e ，0 4 质量百分比含量在反应塔内的变化 规律。磁铁矿 F e 3 0 4 在精矿喷嘴附近大量生成，最 高可达3 2 ．1 ％。F e s 0 4 含量较高的颗粒主要在反应 塔外围区域，反映了这部分区域的过氧化程度较高。 在较小的伞形区域内，由于磁铁矿 F e 3 0 ‘ 被F e S 、 辉铜矿C u z S 、黄铜矿C u F e 是、斑铜矿C u 5 F e s 4 还原， 含量大为减少。渣面位置颗粒中平均F e 3 0 4 含量为 1 7 ．4 ％，颗粒平均温度1 7 4 2 K 1 4 6 9 ℃ 。 表1 工况1 的操作参数 T a b l e1 O p e r a t i o n a lp a r a m e t e r so fw o r k i n gc o n d i t i o n1 郦望 万方数据 第2 期 陈红荣等阂速熔炼渣含铜的数值模拟7 3 以上分析表明，F e 3 。‘含量的减小，重点应放在 过氧化程度较高的反应塔外围区域处，特别在采取 投放媒羚纛焦粉接惹减辍‰q 含量时，更庞考虑 这一因素。 圈2Z 漫1 颗粒拳F e 3 0 4 震量分率 F 噜．2F ‘e 3 0 4m a s sf r a c t i o ni np a r t i c l e so f w o r k i n gc o n d i t i o n1 。 2 ．2 T 艺风暴不变提蔫羔艺风氧浓2 芒} 此工况主瑟考察内环工艺风氧浓对F e 3 0 4 含量 的影响规律。与前一工况相比，内环工艺风的氧浓 麸6 1 ．6 筠提褰裂7 5 ％，其余参数与工瑟1 糍隧。 计算所得颗粒F e 3 0 4 质量分率分布形状与图2 类似，放不予列出。计算结果表明颗粒中的F e 3 Q 含量鹱显提高，渣蘑位置颗粒孛平均F e 3 0 4 禽量力 2 1 ．4 ％，比工况l 提高了4 个百分点，颗粒平均温度 1 7 7 7 K 1 5 0 4 ℃ ，比工况1 提高了3 5 ℃。这反映了 氧浓增高导致鹃氧势增大，扶{ 嚣使F e 3 0 , 含量堪高。 氧气浓度的增大也使放热反应的强度增大，从而导 致反应塔内颗粒温度上升。 2 。3 慧授料曩不变增攘石英熔蒸会羹3 菩； 为了考察F e ／S i O z 的影响，特列出此仿真实验 项目。此工况总投料量不变，只是投料中S i 0 2 的含 量提高爨2 3 。1 7 ％ 工瑟1 中为1 1 。5 9 鹈 ，C u F e S z ， F e s 2 和C u 2 S 的含量不变，相应其他物质含量减少 到5 ．4 9 ％。其余参数与工况1 相同。 x 乎既表秘，投料中S i 0 2 含量增加情况下，反应 塔内颗粒S i 0 2 的质量分率也大大提高。相应的颗 粒书的F e 3 0 4 含量明显降低，渣面伎置颗粒中平均 F e 3 0 4 含量为1 3 。7 ％，沈王况i 降低了3 ．7 个百分 点，颗粒平均漱度1 7 2 7 K 1 4 5 4 ℃ ，比工况l 降低了 1 5 ℃。 2 ．4 总氧量不变提高工艺风氧浓 4 嚣 与工况2 不同之处农于总氧量不变。因此，内 嚣王艺风鹩氧浓提高到7 5 ％ 工况l 为6 1 。6 ％ ，稳 应地内环工艺风量减小为1 2 4 0 2 m 3 ／h 工况1 为 1 5 1 0 0 m 3 ／h ，内环风速减小为1 3 6 ．7 m ／s 工况1 为 1 6 6 。4 m ／s ，其余参数与工况1 或2 摆同。 计算结果表明颗粒平均温度为1 7 6 6 K 1 4 9 3 ℃ ，比工况l 提高了2 4 ℃，这对F e 3 0 ‘的还 原有季j ，但毖_ 工况2 1 7 7 7 K 略低；颡越巾约鹣。4 含量明显降低，渣面位置颗粒中平均F e ，貌含量力 1 4 ．2 ％，比工况1 降低了3 ．2 个肖分点。工况1 的渣 露位置鬏毅孛平均F e 3 。二含量必1 7 。4 甏。这耪表 现与工况2 截然不同。工况2 的渣面位鬣颗粒中平 均F e ，Q 食量为2 1 ．4 ％。这与颗粒温度的提高和 颗粒分布麓变讫有荚。 对比正况2 和工况4 ，同样是提高工艺风氧气 浓度，其结果却截然不同。这主要因为有两个区别 一是氧气惑量戆透剔；二是喷凄邃凄的区嬲。_ 工况 2 的氧气总量增大导致了反应塔内氧势的增大，从 丽有利于反应塔内的F e 3 0 。生成。工况4 的氧气喷 凄速度有髓降低导致氧气在反应塔凑停留鲢时阕有 所增加，从而使得颗粒氧化反应趸为彻底，颗粒间碰 撞机会增大，有助于F 敏0 4 被欠氧化还原，从而使 F e 3 0 ‘豹璧成减少。鼗就，王琵2 渣夏处飚晓含 量比正常工况增加，正况4 渣面处F e 3 q 含量比正 常工况减小。这一原理的获得为减小反应塔内 ，氇含量提供了一个现场操作豹依据。当然，理 场最佳参数的具体选取还需要结合其他相关因素。 反应塔内Z e 3 0 4 含量的减少为浚含铜问题在沉淀池 秘贫仡炉斑豹处理掇供了j 个炎好的基礁。 3结论 通过稽矿喷嘴操作参数的优诧匿配，霹以减少 反应塔底部F e ，0 4 的生成量，从而为进一步减小渣 含钢量提供一个保证。氧浓或氧量分布被定为调整 的主要搡掇因素。 工艺风氧浓高，工艺风速低，则颗粒在反应塔内 箨聱对闻长，糖矿颗粒燃烧完垒，氧气利用率高，残 氧浓度低，颗粒温度商，具备过氧化颗粒还原的条件 高温、低氧浓、充足的反应时间 ，有利于减少 F e 3 0 , 生成量，同时有利子强化熔炼过程，但工艺风 速低赠导致分散风速相对高，颗粒不集中，从而造成 飘浮严重，烟尘率高。 增魏s i 0 2 含量，鼯减小F e ／S i O z 会整约情况 下，颗粒中的F e 3 晓含量明显降低。僵这～措施的 采用有一定的局限性，因为S i 0 2 的增加会导致产出 渣量戆增燕。因此，嚣综合考虑此因素对渣含铜鹃 影响。 通过对闪速炉反应塔的全蕊分析可稽出，要充 分把握反应塔内的氧势榛度，既要满足强辱乏熔炼豹 万方数据 7 4有色金属 第6 0 卷 需要，又要利于降低渣含铜。在反应塔的上部可以 形成高的氧势．，但在反应塔下部，要通过还原反应使 进入沉淀池的F e 3 0 4 大大减小。这方面可通过适当 调整喷嘴的工艺风氧气浓度和总氧量等喷嘴参数来 实现，还可以通过由反应塔顶部加入粒度和数量适 当的焦粉或煤块来实现。 参考文靛 [ 1 ] 任鸿九．有色金属熔池熔炼[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 1 5 0 6 9 ． [ 2 ] 任鸿九，王立川．有色金属提取冶金手册铜镍[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 0 8 5 9 5 ． [ 3 ] D e v e n p o r tWG ，K i n gLM ，S c h l e s i n g e rM ，e ta 1 ．E x t r a c t i v eM e t a l l u r g yo fC o p p e r [ M 3 ．O x f o r d E l s e v i e rS c i e n c eL t d ，2 0 0 2 1 7 3 1 8 5 ． [ 4 ] 周俊．铜闪速熔炼贫化电炉渣含铜的线性回归分析[ J ] ．矿冶，2 0 0 3 ，1 2 2 5 8 6 2 ． 【5 ] 曾青云．铜闪速熔炼操作数据的回归分析[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，1 9 9 4 ， 5 4 6 ． 【6 ] 昂正同．降低闪速熔炼渣含铜实践[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 2 ， 5 1 5 1 7 ． [ 7 ] 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nYB ，S o h nHY ．M a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fm l f i d e f l a s hn e t t i n gp r o e e a s P a r tI I [ J ] ．M e tT r a mB ，1 9 9 0 ，2 1 B 9 5 9 9 6 6 ． [ 1 4 ] C h e nH o n g r o n g ，M e iC h i ，X i eK a i ，e ta 1 ．O p e r a t i o no p t i m i z a t i o no fc o n c e n t r a t eb u r n e ri nc o p p e rf l a s hs m e l t i n gf u r n a c e [ J ] ． T r a n sN o n f e r r o u sM e tS o cC h i n a ，2 0 0 4 ，1 4 3 6 3 1 6 3 6 ． N u m e r i c a lS i m u l a t i o no nF l a s hS m e l t i n gC o p p e rL o s si nS l a g C H E NH o n g - R o n 9 1 ，M E IC h i l ，X I EK a i l ，R E NH o n g - J i u l ，W A N GX i a o - H u a 2 ，Z H A N GY u a n 2 ，L I UA n m i n 9 2 1 ．I n s t i t u t e o ，S i m u l a t i o na n dO p t i m i z a t i o no f P y r o - i n s t a l l a t i o n ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．J i n l o n gC o p p e rC o o p e r a t i o n ，T o n g l i n g2 4 4 0 0 0 ，A n h u i ，C h i n a A b s t r a c t ．T h ed i s t r i b u t i o no fF e 30 4c o n t e n ta n di t sv a r i a t i o ni nt h er e a c t i o ns h a f ta r ea n a l y z e db yt h en u m e r i c a l m e t h o da n dt h e r e f o r et h ea p p r o a c ha n ds t e p sf o rr e d u c t i o no fc o p p e rl o s si ns l a ga r es u g g e s t e d ．T h er e s u l t so ft h e c a l c u l a t i o ns h o wt h a tt h ep r o d u c t i o no fF e 3 0 4o nt h eb o t t o mo ft h er e a c t i o ns h a f tc a nb ed e c r e a s e db yt h eo p t i m a l m a t c h i n go ft h ec o n c e n t r a t eb u r n e ro p e r a t i o n a lp a r a m e t e r s ．T h em a i na d j u s t i n ga n dc o n t r o l l i n gp a r a m e t e r sa r e c o n c e n t r a t i o na n dt h eq u a n t i t yo ft h eo x y g e n ．T h eh i g h e ro x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dt h el o w e rs p e e do ft h e e n r i c h e da i r ，t h eb e t t e rf o rr e d u c i n gt h ep r o d u c t i o no fF e 3 0 4 ．T h eF e 3 0 4c o n t e n ti nt h ep a r t i c l e sw i l lf a l l a p p a r e n t l yw i t hi n c r e a s eo fS i 0 2 ，b u tt h i si n f l u e n c i n gf a c t o r t oc o p p e rl o s si ns l a gs h o u l db ec o n s i d e r e d s y n t h e t i c a l l y ．A d j u s t i n gt h eq u a n t i t ya n dc o n c e n t r a t i o no ft h eo x y g e ni nt h ee n r i c h e da i ro fc o n c e n t r a t eb u r n e r o nt h er e a c t i o ns h a f t ，m a k i n gt h eo x y g e np o t e n t i a lar e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o ni nt h er e a c t i o ns h a f t ，w i l lb e n e f i tt o r e d u c i n gt h ec o p p e rl o s si ns l a g ． K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；f l a s hs m e l t i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o p p e rl o s s i ns l a g ；o x y g e n p o t e n t i a l 万方数据