闪速炉生产合理强化方案的计算机仿真研究.pdf

第5 2 卷第4 期 2 0 00 年1 1 月 有 色 金属 N O N F E R R O U SM E T A L S V 0 1 ．5 2 ．N O ．4 N o v e m b e r2 000 闪速炉生产合理强化方案的计算机仿真研究 梅炽1 ，陈卓1 ，任鸿九1 ，张卫华2 ，吴军2 ，白猛2 ，钟 灵2 1 ．中南大学物热系热工设备仿真优化研究所，长沙4 1 0 0 8 3 ； 2 ．贵溪冶炼厂，贵溪3 3 5 4 2 4 摘要利用已建立的闪速炉系统熔炼能力仿真计算软件，对闪速熔炼系统生产过程的极限生产能力进行了计算机模拟 并就其与铜锍品位、工艺风富氧浓度、渣中铁硅比、精矿含铜等影响因素之间的关系进行讨论与分析。 关键词闪速熔炼；傍褰；数学模型；生产强化 中图分类号T F 8 0 6 ．2 文献标识码A 文章编号 闪速炉自问世半个多世纪以来，由于技术不断 发展和完善，在经历了精矿喷嘴改型、富氧熔炼及 高品位铜锍生产等改进之后，其生产能力不断提 高。世界现有闪速炉的能力都已超过原设计水平， 美国圣玛努尔铜冶炼厂更是一举创造日处理量 4 4 0 0 t 的世界之最。对于一个已建成的闪速炉系 统，其生产潜力究竟有多大，又主要受到哪些因素 的制约，这些问题已成为各闪速炉使用厂家关注的 焦点之一。 本文利用作者研制的闪速炉系统熔炼能力仿真 计算软件，对某闪速炉生产系统进行了计算机模拟 预测。在简要分析影响闪速炉生产能力的几点因素 及其影响趋势的基础上提出了该系统合理强化的技 术方案。 1软件模型 本软件模型以闪速炉正常生产状况为前提，以 包括闪速炉前后辅助设备如精矿喷嘴、制氧机及余 热锅炉等在内的闪速炉系统为对象，以各环节的作 业能力为限制条件，在平衡计算的基础上，来预测 闪速炉生产的潜力。软件的特点是对于一定的入 炉物料，可以通过设定不同的操作参数和生产限制 条件来模拟计算该条件下的合理强化生产能力，同 时了解相应的物料平衡与热平衡状况。也就是说， 当生产水平发生变化，或者配套工艺设备进行改进 之后，工厂不再需要在实际设备上进行长时间的摸 索试生产，而只要改变模型中的相应参数，一就可以 收稿日期2 0 0 0 0 5 0 8 作者简介梅炽 1 9 3 4 一 ，男．教授，博士生导师 及时地估算出不同炉况，以及不同系统能力搭配下 的不同产能，从而对闪速炉生产进行离线生产操作 指导。 软件计算的模型可表示为 O p t 厂 ．3 2 S ．t ．m i n go p t ≤g i T ≤m a x g 。p t 其中f z 是待求优化结果； m i n g 。。 ，m a x g o p t 分别为优化计算限 制条件的上、下限，具体数值见表1 。 表1处理量优化计算参数设置范围 喷嘴能力容积热强反应塔沉淀池上升烟道供氧能力烟气处理 t ／d 度M J ／m 3 h 温度℃ 温度℃ 温度℃m 3 ／h 能力m 3 ／h 5 0 0 ～6 0 0 ～1 3 0 0 ～1 1 8 0 ～1 2 5 0 ～0 ～0 ～ 3 8 0 02 0 0 01 4 5 01 3 2 01 4 0 02 0 0 0 07 7 0 0 0 在软件中，物料与热量衡算模块是整个仿真计 算软件的基础和关键。如果衡算程序不能较可靠地 反映实际生产，软件也就不可能正确的预测闪速炉 系统的生产能力。软件中采用的物料衡算的计算方 程式为 C u ] 精矿 [ C u ] 铜锍 [ C u ] 炉渣 [ C u ] 烟灰 F e ] 精m [ F e ] 石m [ F e ] 铜锍 [ F e ] m m [ F e ] m m S ] m f r [ S ] m m [ S ] , m m [ S ] 烟气 [ S ] m m S i 0 2 ] 精矿 [ S i 0 2 ] 石英 [ S i 0 2 ] 炉渣 [ S i 0 2 】烟灰 其中铜锍成分计算式，根据有关数据回归得 [ S ] 铜硫 一0 ．1 5 9 8 7 【C uJ 铜锍 3 1 ．4 1 5 7 [ F e ] m m 一0 ．6 0 5 1 9 [ C u ] m m 5 0 ．1 1 2 8 炉渣成分计算式为 [ C u ] m m 一8 ．1 7 2 2 3 1 0 6 [ c u ] 知锍 0 ．0 5 11 3 [ C u J 铜锍一0 ．1 3 0 2 为了检验衡算模块的性能，我们将实际生产数 万方数据 第4 期悔炽等闪速炉生产合理强化方案的计算机仿真研究 据输入后，将其计算结果与实际生产报表进行了比 较。结果表明衡算模块的仿真计算较好地反映了 闪速炉的实际情况，从而为整个软件计算的可靠性 提供了保证，因此可以利用闪速炉系统熔炼能力仿 真计算软件来对闪速炉熔炼过程中生产能力的影响 因素作进一步的探讨。软件计算流程见图1 。 图1 软件计算流程 2闪速炉系统生产能力影响因素及其 影响趋势讨论 表2 所示原料成分为计算依据讨论各因素对闪 速炉系统生产能力的影响及其趋势。 表2 处理量计算物料成分／％ 2 ．1 铜锍品位对闪速炉处理量的影响 计算中确定了工艺风富氧浓度及闪速炉炉渣铁 硅比的数值，以铜锍品位为参变量，来考虑闪速炉 系统对精矿的处理能力在现有设备能力下的变化趋 势。 计算结果表明 1 造成闪速炉系统生产限制 的主要为两大因素精矿喷嘴能力欠缺或供氧系 统能力不足； 2 在变化趋势上，闪速炉年处理精 矿能力总体上随着铜锍品位的提高而降低。分析其 原因，主要是由于铜锍品位提高后，不仅会使吨矿 产出的炉渣量增大，而且造渣反应所需的石英熔剂 量和吨矿消耗的氧气量也大大增加。因此当铜锍品 表3闪速炉处理量与铜锍品位关系计算结果 铜锍品位％4 55 05 56 06 57 07 5 极限处理量t ／d 3 5 3 5 3 4 4 3 3 1 3 92 8 8 92 7 0 42 5 5 92 4 5 3 生产限制因素 嚣勇震勇集暴集暴集暴集暴集器 S i O ，1 ．2 7 t d 一1 f 暑 。 删 剐 岌 b 墼 S 剖 墨 4 5S O5 S6 1 36 57 07 S 铜锍品位／％ 图2闪速炉处理量与铜锍品位关系 富氧浓度 ％ 1 6 0 ，2 6 5 ，3 7 0 位上升之后，闪速炉生产对沉淀池、精矿喷嘴和供 氧系统的设备能力都提出了更高的要求。当扩大贫 化电炉的容积以实现闪速炉连续排渣，减轻沉淀池 的压力仅有喷嘴能力和制供氧系统能力突出表现为 限制生产的主要矛盾。 2 ．2 鼓风富氧浓度对闪速炉处理量的影响 富氧熔炼是闪速炉生产的一大特点，也是实现 闪速炉自热反应必不可少的手段之一。提高富氧浓 度，有利于减少烟气生成量和烟气带走的热损失。 但是随着富氧浓度的提高，空气中带入氧在工艺风 中所占的比例降低，而处理吨精矿所需的技术氧量 增加。在供氧系统能力确定之后，富氧的增加势必 造成闪速炉处理量的相对减少。 表4 闪速炉处理量与工艺风富氧浓度 关系计算结果 铜锍品位6 0 ％；闪速炉炉渣铁硅比F e ／S i 0 2 1 ．2 7 计算结果显示，在设定的目标铜锍品位和闪速 炉渣铁硅比条件下制氧机能力始终是生产的限制 因素。在一般情况下，在供氧系统能力确定后，闪 速炉系统的生产能力将随着富氧浓度的提高而降 低；同时当富氧浓度提高到一定水平 7 0 ％ 后。由于工艺风中氧浓度高，生成的烟气量大大减 少．造成闪速炉壁面温度升高而限制了进一步的生 考 万方数据 5 2有色金属 第5 2 卷 产强化。 同时还利用该仿真软件具体考察了制氧站工作 能力对闪速炉生产的影响。 模型计算结果显示，在供氧系统成为限制闪速 炉生产的因素之后，随着制氧站能力的提高，闪速 炉的生产能力也相应增加。然而闪速炉是一个由多 种因素共同协调制约的生产系统，当生产条件改变 之后，制约环节也会发生变化。由计算结果可以发 现。当极限处理量高达3 3 1 1 t ／d 铜精矿 渣精 矿，折合1 3 8 t ／h ，精矿喷嘴的能力将成为限制生 产的主要矛盾。 表5 闪速炉处理量与制氧站能力关系计算结果 计算条件铜锍品位6 0 ％；工艺风富氧6 0 ％；闪速炉炉渣 铁硅比F e ／S i 0 2 1 ．2 7 S3 2 0 0 m 嘲 刮 止矗 b2 6 0 0 _ 吐 S 制 墨2 4 0 0 5 0 5 56 06 57 0 7 5 富氧率％ 图3闪速炉处理量与工艺风富氧率关系 冰铜品位 ％ 1 J 5 5 ，2 6 0 ，3 6 5 2 ．3 炉渣铁硅比对闪速炉处理量的影响 铁硅比作为一个控制参数，在闪速炉生产中主 要影响炉渣的成分，进而影响炉渣的粘度和熔点。 本软件无法将炉渣的物理性质加以量化而表现出 来，而只能通过渣量、加入石英熔剂量及假定的渣 含铜量的变化对铁硅比与闪速炉生产之间的关系稍 作讨论。从上述计算结果来看 1 闪速炉产量随 炉渣铁硅比的增加而稍有增加； 2 在计算条件下 表6 闪速炉处理量与铁硅比关系计算结果 堡壁些 垫 塑 极限处理量／ t d 。1 3 0 2 13 0 2 13 0 3 43 0 4 7 避曼芋闪[ 速炉竽 2 ．5 1 含铜、．。。A - I 5 ““5 1 ．1 64 4 ．1 5 34．69／ 生产限制因素供氧系统供氧系统供氧系统供氧系统 计算条件铜锍品位6 0 ％；工艺风富氧浓度5 5 ％ 炉渣带走铜的总量随着铁硅比的增大和渣量的减少 而略有降低。 增大闪速炉炉渣的铁硅比值，可以减少生产中 加入的熔剂量并相应减少炉渣量。从这个意义上 说，提高铁硅比在一定程度上相当于扩大了精矿喷 嘴和沉淀池的能力，因而有利于改善闪速炉系统的 生产；同时铁硅比增加，渣量减少，还可以部分抵 消由于铁硅比增加而造成的渣含铜增大的影响，使 闪速炉渣含铜总量相应降低。 2 ．4 精矿含铜品位对闪速炉处理量的影响 计算结果表明精矿含铜量不仅影响闪速炉产 量，而且可能影响炉渣含铜总量。 1 在目标铜锍 品位与工艺风富氧浓度一定的条件下，随着精矿中 铜含量的增加，闪速炉系统处理能力有所增加； 2 随着精矿含铜量的增加，闪速炉渣含铜总量减小。 表7闪速炉处理量与精矿含铜品位关系计算结果 计算条件铜锍品位6 0 ％；工艺风富氧浓度6 5 ％；闪速炉 炉渣铁硅比F e ／S i O z 1 ．2 4 对吨矿而言，当入炉炉料中的铜含量增加时， 铜锍产量将随之增大，产出的炉渣量则相应减少， 氧化造渣所需的熔剂量和所消耗的氧气量也随之减 少。因此在闪速炉各环节能力确定后，特别是精矿 喷嘴能力和供氧系统能力分别成为生产的主要限制 因素之后。精矿含铜量的增加将有利于闪速炉生产 能力的进一步扩大。 f3 1 0 0 由9 3 0 0 0 要2 9 0 0 嚣 檠2 8 0 0 万方数据 第4 期 梅炽等闪速炉生产合理强化方案的计算机仿真研究 2 5 万t 。而进一步的计算表明如果适当改进有关 设备，当供氧系统能力提高至4 0 0 0 0 m 3 ／h ，余热锅 炉处理烟气能力达9 0 0 0 0 m 3 ／h 时，在加强壁面散 热后，现有闪速炉可以实现年产粗铜3 5 万t 的目 标，相当于原设计能力的两倍。 表8 综合仿真计算参数水平 表9 综合仿真计算参数条件设置及其计算结果 4结论 1 在确定系统其他因素而仅考虑单因素变化 时，对于闪速炉生产，其生产强化潜力与各因素之 间大约有这么几种变化趋势目标铜锍品位的提高 将导致闪速炉极限生产能力的降低；富氧的升高将 导致闪速炉极限生产能力的降低；扩大供氧系统能 力有助于增大闪速炉产能；增大渣中铁硅比有助于 增大闪速炉产能；提高精矿含铜品位有助于增大闪 速炉产能。 2 利用本软件可对闪速熔炼系统各环节与多 个影响因素进行综合的仿真试验，从而能迅速地对 现系统进一步强化，提出较合理地技术方案，或对 参考 拟议中强化方案的可行性进行全面技术经济评价。 3 基于对冶炼厂现有闪速炉系统与原料条件 等的综合并参考软件有关计算结果，建议闪速炉生 产各参数取值如下铜锍品位5 5 ％～6 5 ％；炉渣 铁硅比1 ．1 5 ～1 ．3 5 。计算表明在此取值范围内， 既可实现系统的合理强化，又尚有进一步实现生产 突破的潜力。 4 本软件仿真计算的结果，若与反应塔四场 流场、温度场、浓度场与释热场 仿真计算结果 配合，则不仅可以从热力学的和化学计量方面宏观 地探寻强化的可能性，而且还可以进一步从熔炼动 力学与热工参数分布的合理性等方面微观地核实生 产强化的可行性与全面优化的方向。 文献 潘云从，蒋继穆．重有色金属冶炼设计手册 铜镍卷 ．北京冶金工业出版社，1 9 9 6 李晓明．化工冶金，1 9 9 7 ， 3 1 7 7 潘文举．有色冶炼，1 9 9 6 ， 2 9 Z e n j i r oA s a k i J a p a n ．M i n e r a lP r o c e s s i n ga n dE x t r a c t i v eM e t a l l u r g yR e v i e w ，1 9 9 2 ， 1 1 1 6 3 B i s w a sAK 等．铜提取冶金．北京冶金工业出版社，1 9 8 0 C O M P U T E RS I M U L A T I O NO NR A T I O N A LE N H A N C E M E N T O FF L A S HS M E L T I N GS Y S T E M M E I 吼i 1 ，C H E N Z h u 0 1 。R E N H o n g i i u l ，Z H A N GW e i h u a2 ，W U J u n2 ，B A I M e n 9 2 ，Z h o n g L i n 9 2 1 ．I n s t i t u t eo nS i m u l a t i o na n dO p t i m i z a t i o no fP 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 yo fT e c h n o l o g y C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ；2 ．G u i x iS m e l t e r ．G u i x i3 3 5 4 2 4 A B S T R A C T B a s e do nt h ec o m p u t a t i o n a lm o d e ld e v e l o p e db yt h ea u t h o r s ，t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no nt h er a t i o n a la n h a n c e m e n to ff l a s hs m e l t i n gs y s t e mi sc a r r i e do u t ．S o m ei m p o r t a n tf a c t o r sa f f e c t i n gt h el i m i tp r o d u c t i v i t ys u c ha s t h em a t t eg r a d e ，t h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，t h er a t i oo fF e ／S i 0 2i nt h es l a g ，a n dt h ec o p p e rg r a d eo fc o n c e n t r a t e a r ea l s od i s c u s s e d ． K E YW O R D S f l a s hs m e l t i n g ；s i m u l a t i o n ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；p r o d u c t i o ne n h a n c e m e n t 万方数据