贵冶闪速炉工艺装备及控制技术的创新与发展.pdf

6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／[ y s y l ．b g r i m m ．o n 2 0 1 5 年第9 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 l ／J ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 9 ．0 0 2 贵冶闪速炉工艺装备及控制技术的创新与发展 付强 江西铜业集团公司贵溪冶炼厂，江西贵溪3 3 5 4 2 4 摘要介绍了近十年来贵溪冶炼厂铜闪速炉的工艺装备及控制技术的发展创新与生产实践情况，着重介 绍在精矿喷嘴结构、炉衬保护、锅炉烟气处理等工艺装备优化改进及冶金控制模型的技术创新方面的发 展历程及取得的成果，并通过历年生产实践数据对相关成果进行了验证与总结。 关键词铜；闪速熔炼；精矿喷嘴；炉衬；烟气处理；冶金控制模型 中图分类号T F 8 1 1文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 0 9 0 0 0 6 0 4 I n n o v a t i o na n dD e v e l o p m e n to fE q u i p m e n ta n dC o n t r o l T e c h n i q u eo fF l a s hS m e l t i n gF u r n a c ei nG u i x iS m e l t e r F UQ i a n g G u i x iS m e l t e r ，J i a n g x iC o p p e rC o r p o r a t i o n ，G u i x i3 3 5 4 2 4 ，J i a n g x i ，C h i n a A b s t r a c t D e v e l o p m e n ta n di n n o v a t i o n ，a n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o no fe q u i p m e n ta n dc o n t r o lt e c h n i q u eo f c o p p e rf l a s hs m e l t i n gf u r n a c ei nG u i x iS m e l t e ri nt h el a s td e c a d ew e r ei n t r o d u c e d ．A c h i e v e m e n t si n o p t i m i z a t i o na n di m p r o v e m e n to fs t r u c t u r eo fc o n c e n t r a t en o z z l e ，l i n i n gp r o t e c t i o n ，a n db o i l e r f l u eg a s t r e a t i n gs y s t e m ，a n dt e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o no ff l a s hm e t a l l u r g yc o n t r o lm o d e lw e r ep r e s e n t e d ．T h e a c c o r d i n ga c h i e v e m e n t sw e r ev e r i f i e da n ds u m m a r i z e db yd a t ao fp l a n tp r a c t i c e ． K e yw o r d s c o p p e r ；f l a s hs m e l t i n g ；c o n c e n t r a t en o z z l e ；l i n i n g ；w a s t eg a st r e a t m e n t ；m e t a l l u r g i c a lc o n t r o l m o d e l 贵溪冶炼厂 以下简称贵冶 经过3 期改造，矿 铜年产量由最初的7 ．5 万t 提高到2 0 0 4 年的4 0 万 t ，2 0 0 7 年进行4 期扩建，生产能力达到7 0 万t 。近 1 0 年来，铜冶炼行业生产逐渐走向高装入量、高反 应强度的大规模生产，以扩大规模来降低加工成本； 同时铜精矿原料来源也越来越复杂，铜精矿贫化、各 种杂质成分的品位波动也特别大。以上因素极大地 影响了铜冶炼主要技术经济指标的稳定性，导致高 强化闪速熔炼生产条件下闪速炉渣含铜升高、烟尘 发生率升高、炉体寿命缩短等一系列问题[ 1 ] ，并对闪 速熔炼技术的发展提出了迫切需求。为此贵冶围绕 闪速炉进行了一系列的工艺装备及控制技术的创新 收稿日期2 0 1 5 - 0 4 0 9 作者简介付强 1 9 8 0 一 ，男，江西新余人，学士 开发，不断优化生产指标，提高生产效率。 1 预分散型精矿喷嘴的开发应用 闪速熔炼技术的最大优势在于铜精矿、熔剂及 富氧空气从精矿喷嘴喷人高温闪速炉，由于颗粒的 比表面积大，反应过程非常迅速，物料从反应塔顶部 到达下部沉淀池的过程中就完成了一系列的反 应[ 2 ] 。实际生产过程中，随着闪速炉投料量加大，精 矿喷嘴出口处下料容易出现分布不均的偏析现象， 导致物料颗粒在反应塔局部区域非常集中，空间分 散性很差。颗粒分散对高投料量、高锍品位、高富氧 浓度和高热强度的现代闪速熔炼非常重要，而目前 万方数据 2 0 1 5 年第9 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 7 操作控制参数对颗粒分布的影响都不是非常显著， 导致了生产中下生料、四氧化三铁生成量高等问题 出现。 贵冶与中南大学等单位合作，通过对精矿喷嘴 下料颗粒偏析现象产生的原因与生成过程进行研 究，并通过建立精矿喷嘴中物料分布的仿真模型，针 对喷嘴结构变化、工艺参数变化对下料分布的影响 及对比仿真分析，然后提出了流体预分散型和机械 预分散型精矿喷嘴的结构设计方案机械预分散方 式，即改变喷嘴下料管机械结构，来起到导流作用； 流体预分散方式，通过大幅改变流体运动参数 分配 风量、分配风流速等 ，来改变下料管中流体运行轨 迹。仿真结果表明机械预分散型喷嘴和流体预分 散型喷嘴都能较好地解决颗粒下料过程中的偏析问 题[ 3 ] ，其中流体预分散型精矿喷嘴对硬件部分改 动少。 通过试验选定精矿喷嘴的最优工艺控制参数， 利用流体预分散技术达到了物料在精矿喷嘴出口均 匀分布的目标。此外为进一步提高物料颗粒在反应 塔中的均匀分布，还在原有精矿喷嘴基础上，制作一 集风器装到精矿喷嘴底部并密封，同时在中央氧管 顶部配置一压缩空气管道，鼓入压力较高的压缩空 气，中央氧管内的富氧空气由原来的垂直射出改为 通过集风器水平旋流而出，可将分配风未打散的铜 精矿进行二次预分散，使得富氧空气与物料混合更 均匀，反应塔内下料无偏析，渣含铜和烟尘发生率明 显降低。图1 为改造后的精矿喷嘴组装图。 图l改造后的精矿喷嘴组装图 F i g ．1A s s e m b l i n gd i a g r a mo fo p t i m a l c o n c e n t r a t en o z z l e 2闪速炉炉衬保护结构优化设计 闪速炉炉内温度高达15 0 0 ℃以上，对炉壁冷 却及防护的要求非常高。实践中炉壁内衬主要采用 耐火砖加冷却水套的结构。相关研究发现，反应过 程中高温熔锍、熔渣以及腐蚀性气体的侵蚀是造成 塔壁耐火砖衬损毁的主要原因，采取措施控制塔壁 砖衬工作面的温度在8 5 0 ～9 0 0 ℃的合理范围内，是 降低塔壁蚀损反应发生的有效方法之一[ 4 ] 。对闪速 炉炉壁保护方面进行的改造方向是优化炉体、强化 炉壁挂渣、以及改进水套结构，强化冷却效果。 2 ．1 反应塔炉衬保护的计算机仿真研究 通过计算机仿真的方式，选取闪速炉反应塔为 建模对象，研究闪速炉反应塔壁面传热情况。在建 模区域内的反应塔壁面共包含有3 种不同的传热介 质，即耐火炉衬，冷却水套 铜质 和塔内壁挂渣。各 介质之间的传热以传导传热为主要形式。根据传热 的基本原理建立反应塔壁面耐火炉衬的传热模型， 采用有限差分法求解塔内温度场[ 5 ] 及挂渣情况。仿 真计算结果 表1 与实际壁面挂渣厚度基本吻合， 正负偏差均未超过3 ％，温度场信息也符合实际炉 壁温度分布。 表1反应塔壁挂渣厚度验证 T a b l e1V e r i f i c a t i o no fs l a gt h i c k n e s so n r e a c t i o nt o w e rw a l l 对反应塔炉壁温度场及挂渣厚度的仿真计算， 主要用于指导确定反应塔整体结构优化、合理设计 冷却水套安装位置。 此外，以贵溪冶炼厂闪速炉反应塔为原型，针对 反应塔塔壁结构，建立的反应塔局部的三维传热模 型，用于探索各种优化措施对反应塔壁面温度的影 响，并据此优化设计冷却水套的安装形式，调整间距 等，以达到经济性、冷却效率的平衡。 2 ．2 闪速炉炉体结构的优化设计 参考上述研究与仿真计算结果，结合工厂闪速 炉实际情况，贵冶利用年修机会先后进行了以下炉 体改造加高了反应塔的高度，增加了反应时间，减 少下生料的可能性；根据塔内温度场的分布情况，在 塔高范围内重新合理设置水套的层数和水套的间 距；反应塔塔顶和沉淀池顶改为吊挂平顶的结构；沉 淀池采用弹性钢结构和直炉墙结构，反应塔连接部 三角区的沉淀池顶采用嵌耐火砖的平板水套结构， 反应塔下三面沉淀池墙采用嵌耐火砖的立式锯齿形 万方数据 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．I 唱r i m r n ．r 1 1 、 2 0 15 年第9 期 水套结构。 通过以上改造，提高了闪速炉炉壁冷却强度，使 闪速炉能适应高强化冶炼对反应塔冷却的要求，且 热损失小，操作费用低，炉体寿命长。 3烟尘硫酸盐化技术的开发应用 铜闪速熔炼中烟尘发生率一般在5 ％～1 0 ％， 烟尘量大，随高温烟气流出的烟尘有些还是融化状 态，很容易在锅炉中形成粘结。烟灰粘结最大的威 胁就是在上部形成大的结块，一旦掉下来就直接损 坏锅炉本体。随着闪速炉装入矿量的提高，以及精 矿中杂质元素含量的上升，闪速熔炼排烟系统中烟 尘粘结已成为影响闪速炉正常生产最主要的因素。 解决此问题的关键技术就是烟尘硫酸盐化，主要是 向烟气中补充氧气，促使烟灰成分有氧化物向硫酸 盐化合物转化。氧化物烟灰形成熔点低、粘附性强， 易粘结，而且硬度高不容易清理，硫酸盐化合物性质 的烟灰则熔点高、粘附性低，质地疏松[ 6 ] ，通过锅炉 振打系统就可以清理下来。但向排烟烟气中鼓入氧 气，但会造成烟气中S 0 。浓度上升，排烟设备易低温 腐蚀[ 7 ] ，且废酸浓度上升，增加废酸处理成本。这两 者相互矛盾，关键是要两者兼顾，优化控制参数，找 到最佳的平衡点，以实现精确控制烟尘硫酸盐化，并 科学设计氧喷人方式。 为此贵冶从以下方面进行锅炉烟尘的治理通 过研究S O 。的生成机理[ 8 ] ，从S O 。发生率的影响因 素出发，分析排烟系统中的烟气成分和烟尘性质，找 到S O 。发生率可控性操作条件；结合余热锅炉辐射 室流场、温度场数值模拟研究[ 9 ] ，对预热锅炉硫酸盐 化风喷嘴的布局 图2 设计进行计算；通过优化完 善锅炉出口含氧量检测装置，对硫酸盐化风的给入 量等参数进行精确控制。 实际应用中，贵冶锅炉系统中作出了以下改进 1 沉淀池顶部充人纯氧，辐射室挡板前、上升烟 道开口部上方位置安装3 个硫酸盐化风喷嘴 如图 3 所示 充人工艺风，提高烟气中氧含量的同时尽量 减少补充的风量，以减少最终的烟气处理量。 2 优化烟气含氧量在线分析监控装置，精确控 制工艺参数。高温、高尘的烟气条件对于在线分析 仪来说是非常恶劣的工况，我们为此大幅改进了分 析仪的预处理系统，最先实现了闪速炉烟气含氧量 的精确在线测量与实时控制。 2 优化辐射部挡板的结构与安装位置，改善锅 炉内烟气流场与温度场。 簿 荽 对流室对流室 辐射室 挂屏 鹑菝挂屏 辐射段 图2 硫酸盐化风喷嘴安装位置 F i g ．2 I n s t a l l a t i o np o s i t i o no fs u l f a t i n g a i rn o z z l e s 相关改进取得的效果显著烟尘的物相成分中 硫酸盐化合物5 8 ％以上，烟尘粘接导致锅炉故障大 幅减少，F F 作业率上升；废酸原液的酸度维持在 1 0 0 ～1 5 0g ／L 正常水平。总的来说，既达到了烟尘 硫酸盐化效果，又基本未影响到后续硫酸工序的生 产，同时兼顾了排烟系统中设备的防腐问题，适应了 闪速炉高投料量和铜精矿中杂质元素含量不断上升 的需求。 4闪速熔炼冶金控制模型研究 闪速炉数模系统是基于闪速炉冶金控制数学模 型的在线计算机优化控制系统，它是闪速炉熔炼技 术、检测自动化技术、工业信息化技术及计算机技术 高度发展并融合集成的结晶，在生产中起着指导生 产操作、优化生产过程控制的重要作用[ 10 ‘1 。贵冶 闪速炉数模源自“东予闪速冶金控制模型”，它是基 于东予冶炼厂几十年前生产实践设定的模型的基准 设计工况。而实际工况已严重偏离基准设计工况， 导致实际应用中控制参数波动大、反馈修正方向不 明、烟尘后移等一系列影响炉况的问题产生。其中 有些问题可以通过修正参数来解决，但更多的问题 在基准设计就根本没有考虑，只能从修正数学模型 本身来解决。 为此，贵冶确定了模型优化思路对闪速炉实际 生产数据进行回归分析，重新审视、核定数模的基准 设计工况，把分析结果中对输出结果影响较大的参 数纳入模型的控制范围；再针对输入条件、约束条 件、输出反馈、金属平衡、热平衡计算等环节进行修 正，全面重新构建的数学模型；最后通过搭建离线测 试平台来验证研究结果。 蚓_一什磷黼 万方数据 2 0 1 5 年第9 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 9 ‘ 4 ．1 控制模型中基础元素与物相扩展 物相分析研究表明，铜精矿原料中铅、锌等杂质 元素的含量较高，两个系统中铅、锌杂质元素的总含 量分别为2 ．4 6 ％、2 ．9 8 ％，且有逐渐增多的趋势。 在原有模型中这两种杂质元素被忽略，未列入计算， 导致原有模型计算精度降低，对生产过程控制带来 不良影响，新数学模型针对性地进行了铅、锌元素及 相关物相的扩展，以获得更全面信息来进行更为精 确的计算。 4 ．2 新金属平衡与新热平衡方程解析 新的金属平衡、热平衡计算在考虑了新增元素 与物相扩展，冰铜系数及烟灰系数变更及硫酸盐化 工艺应用等因素后，进行了相关化合物的推定与计 算方法变化调整，将硫酸盐化风的应用加入到沉淀 池的热平衡中计算，对各生成热、分解热子项进行重 新计算，对反应塔风量重新计算等工作，平衡方程解 析后就基本完成了新模型的构建。 4 ．3 新冶金模型控制系统建设与应用 控制系统利用普通P C 机及W i n d o w s 操作平 台，其总体结构如图3 所示。 图3 冶金模型控制系统总体结构图 F i g ．3 S t r u c t u r ec h a r to fm e t a l l u r g i c a l m o d e lc o n t r o ls y s t e m 整个控制系统采用c ／s 架构，采用分层、模块 化设计方法进行构建，将系统分为4 层，这样既具有 灵活的扩展性，也避免了不必要的复杂性；系统采用 面向对象方法，通过对人机交互界面、冶金模型计 算、数据访问、数据存储分层设计，每层之间通过接 口进行交互，不仅大大降低了设计和开发成本，并使 系统具备了扩展性。冶金模型编程实现方面同样采 用模块化设计，利用C 实现冶金计算程序，将冶 金计算过程分解成独立的模块，每个模块实现为独 立的进程，不影响其它模块技术；通过构建P I 实时 数据库来实现了现场实时数据采集，保证了数据的 准确性与计算精度。 实际应用中，新的闪速熔炼冶金控制模型因全 面考虑了铅、锌杂质元素对闪速熔炼过程的影响，解 决了闪速炉高处理量、矿种复杂、杂质含量高生产条 件下工况波动难题。模型精确地预测出三大核心控 制参数 冰铜品位、冰铜温度、渣中铁硅比 的变化趋 势，核心控制参数的反馈修正值△K 、△T 。、A Rr 大幅 缩小，控制精度大幅提高。 2 0 0 4 年三期改造及2 0 0 7 年四期扩建，确立了 贵溪冶炼厂双系统闪速炉的生产格局。近十年来， 贵冶又依靠科技进步，充分进行挖潜改造，通过围绕 闪速炉一系列的技术创新与应用，主要经济技术指 标得到了大幅改善，具体数据见表2 。 相关技术的成功应用使闪速炉适应了铜精矿处 理量不断提升和杂质元素含量不断升高的需求，拓 宽了贵冶铜精矿原料采购渠道，提升了企业的综合 竞争能力。 5结语 通过在精矿喷嘴结构、炉衬保护、锅炉烟气处理 等工艺装备优化改进及冶金控制模型的技术创新， 贵冶历年来的生产数据证实了上述技术创新是成功 的，生产指标不断优化，生产效率不断提高。 参考文献 [ 1 ] 尧颖瑾，艾元方，周萍，等．闪速炉预分散下料偏析模型 实验的研究E J ] ．有色冶金设计与研究，2 0 1 0 ，3 1 1 1 1 1 4 ． E 2 3 梅炽，谢楷，陈红荣，等．闪速炼铜“高效反应区”的形成 条件与应用效果i - J ] ．有色金属，2 0 0 3 ，5 5 4 8 5 8 8 ． E 3 ] 谢锴．现代铜闪速熔炼炉发展中若干理论与操控优化 问题[ D ] ．长沙中南大学，2 0 0 5 ． [ 4 ] 龙鹏，陈卓，周俊，等．铜闪速炉反应塔炉衬蚀损机理解 析[ J ] ．硅酸盐通报，2 0 1 3 ，3 2 4 6 5 l 一6 5 6 ． E s ] 陈卓，梅炽，吴军，等．闪速炉反应塔炉壁温度场的数值 解析E J ] ．有色金属，2 0 0 1 ，5 3 1 3 卜3 4 ． 下转第1 9 页 i 2 一 ％一曲的坤加∞ 一 一骸一一一～～一～ 衄．一一脒酉篙m C i 一女t一9 8 2 5 6 - - 1 一E 一4 7 O 2 O t ．一理 一8 8 2 7 0 速即时一； 一 一～～一一一一一一一一 万方数据 2 0 1 5 年第9 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 1 9 本次试验，共投入干精矿4 7 6t ，调整了精矿干 燥温度，试验中流态化现象有所改善，本次试验验证 了采用高硅渣的可行性，进一步证明了旋浮冶炼技 术的可靠性。 3结论 祥光铜业的生产实践证明，旋浮冶炼技术不仅 可以用来熔炼较差的铜精矿以生产高品位的冰铜， 吹炼冰铜粉以生产合格的粗铜，还可以用黄铜矿直 接生产粗铜。在旋浮熔炼工序表现出的高投料量、 高负荷、高氧浓和高作业率，反映了旋浮冶炼技术作 为新冶金工艺，更能适应现代铜冶炼的发展要求。 参考文献 [ 1 ] 张文海．闪速熔炼在中国的进展与研究一冷风技术及 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