基于Metcal的銅閃速熔煉轉(zhuǎn)爐吹煉工藝全流程模擬計(jì)算

11231[1-2][8][[doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2015.09.00511231[1-2][8][[基于銅閃速熔煉-爐吹煉工藝全程模擬計(jì)算李明周

1

，童長仁

1

，黃金堤

2

，李俊標(biāo)

3

，汪金良

1（江西理工大學(xué)金與化學(xué)工程學(xué)院，江西贛州；江西理大學(xué)軟件院，南昌3300023.金隆銅業(yè)有限公司，安徽銅陵244021）摘：“速熔煉轉(zhuǎn)爐吹”冶煉主流工藝為設(shè)計(jì)計(jì)算對象，基于自主開發(fā)“冶工藝流程計(jì)算系統(tǒng)開發(fā)平臺(Metcal)軟，采用物料平衡、熱平衡和化學(xué)平衡等原理建立各計(jì)算單元數(shù)學(xué)模型，并對銅冶煉全流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)模擬計(jì)算，得到了各冶金單元的詳細(xì)物流信息和熱平衡計(jì)算結(jié)果，為該工藝設(shè)計(jì)放大提供了理論指導(dǎo)，提高了冶金工藝全流程設(shè)計(jì)計(jì)算效率。關(guān)詞軟件；銅；閃速熔煉；轉(zhuǎn)爐吹煉；流程模擬中分號TF811文獻(xiàn)志：A章號1007-7545（）CalculationofOverallProcessofCopperFlashLIMing-zhou

TONG

HUANG

LI

WANGJin-liang（1.SchoolofMetallurgy&JangxiofandTechnology，Ganzhou341000Jiangxi,China2.SchoolofSoftware,JiangxiUniversityofScienceNanchang；Jinlonglimited，Tongling，Anhui，）Abstract：coppersmeltingprocessofflashsmelting-PSblowingdesignobjects,ofcomputingelementaccordingtomaterialbalance,andequilibriumprincipleestablishedcomputingsystemplatform(Metcal)software.Simulationcalculationoncoppersmeltingandbalancewerenotimproveefficiencyofprocessflowbutfordesignamplification.Keywords:Metcalsoftware;copper;flashsmelting;PSprocesssimulation目前，閃速熔煉—轉(zhuǎn)爐吹煉是銅冶金的主流工藝，其產(chǎn)能約占世界礦銅產(chǎn)量的50%20世年代以來速金工藝在我國得到了速發(fā)展前國銅產(chǎn)量的以上產(chǎn)量的70%以上由該工藝生產(chǎn)的。在銅礦產(chǎn)資源日益緊缺且品位低、雜質(zhì)含量高、分離困難的問題越來越突出，銅產(chǎn)能需求不斷大和節(jié)能環(huán)保要求不斷升級的發(fā)展背景下，對該工藝設(shè)計(jì)單位和人員的設(shè)計(jì)水平及工作效率提出了新的更高求。為解決冶金、化工領(lǐng)域手工設(shè)計(jì)計(jì)算效率低、準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高等問題，國外出現(xiàn)了多個(gè)于流程模擬技術(shù)的化工冶類流程模擬算軟[，雖然有些軟件已在濕法冶金領(lǐng)域得到應(yīng)用，但由于其數(shù)庫中缺乏礦物冶金的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其應(yīng)用范圍受到限制。冶金流程模擬軟件由于發(fā)展較晚，目前較成熟軟件主要有METSIMIDEAS等。其中METSIM在國外冶金領(lǐng)域已有30多的應(yīng)用實(shí)踐，由于該軟件學(xué)習(xí)、應(yīng)用的復(fù)雜性，應(yīng)用門檻過高，因此使用率不高，未能高效地實(shí)現(xiàn)冶金全流程設(shè)計(jì)算。鑒于此，本文冶金仿真研究團(tuán)隊(duì)基于多年的冶金過程數(shù)模優(yōu)化控制軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)研發(fā)了具有自主知產(chǎn)權(quán)冶金工藝流程計(jì)算系統(tǒng)通用開發(fā)平(Desk)已成功應(yīng)用于中國恩菲工程技術(shù)有限公司沙色冶金設(shè)計(jì)研究院、銅陵有色金冠銅業(yè)分公司等多家有色冶金設(shè)計(jì)和生產(chǎn)單位。本文擬以閃熔煉—轉(zhuǎn)吹煉銅煉主流工藝設(shè)計(jì)計(jì)算對象，基于平臺，采用物料平衡、熱平衡和化學(xué)平衡等原理建立各計(jì)算單元數(shù)學(xué)模型，對該工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬計(jì)算，得到各冶金元的詳細(xì)物流信息和熱平衡計(jì)算結(jié)果，以期為工藝設(shè)計(jì)、放大提供理論指導(dǎo)，從而提高冶金工藝全流程設(shè)計(jì)算效率。收日：2015-04-09基項(xiàng)：國科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（家然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50904027西理工大學(xué)自然科學(xué)基金項(xiàng)目）

作簡：明周（，河南鞏義人，講師，在讀博.簡MetCal是套可供冶金化工設(shè)計(jì)研究人員自主開發(fā)冶金化工藝全流程計(jì)算模型的高效軟件通用平臺工具，可完成質(zhì)量平衡、熱平衡和化學(xué)平衡計(jì)算。該軟件主要特點(diǎn)如下：采用全新的流程計(jì)算軟件開發(fā)理念，將冶金過程工藝流程圖、設(shè)備簡圖繪制和冶金過程計(jì)流程圖融為一體，其基本要素有通用單元與流線。利用該軟件進(jìn)行冶金、化工流程設(shè)計(jì)計(jì)算具有直觀、操簡便靈活，易學(xué)易用等優(yōu)點(diǎn)。通用計(jì)算單元提供了化學(xué)反應(yīng)平衡學(xué)反應(yīng)程度配系數(shù)(元素或組分或物料)自定義約束表達(dá)式等多種冶金單元過程計(jì)算策略，并支持各種計(jì)算策略相互搭配組合，使用靈活。無論是基于經(jīng)驗(yàn)據(jù)、或是基于熱力學(xué)理論的冶金分析計(jì)算，MetCal均提滿意的解決方案，適應(yīng)性廣，功能強(qiáng)大。支持返料計(jì)算，返料回路數(shù)目不限。提供數(shù)種單元間控制策略靈活地在單元與單元之間實(shí)現(xiàn)參數(shù)與指標(biāo)的關(guān)聯(lián)控制制束數(shù)目不限。熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫提供了數(shù)千種純物質(zhì)和水溶液物質(zhì)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，豐富的熱力學(xué)數(shù)據(jù)為進(jìn)行火冶金和濕法冶金流程計(jì)算提供了良好支持。）集繪圖與計(jì)算為一體，過程直觀、通用性強(qiáng)、操作簡便靈活、運(yùn)算速度快。閃熔—PS轉(zhuǎn)吹工的擬用閃速熔煉—PS轉(zhuǎn)吹煉工藝主要包括以工序：配料、蒸汽干燥、閃速熔煉、轉(zhuǎn)爐吹煉、陽極爐精煉、電解精煉。該工藝流程中控制參數(shù)和返料眾多，可利用通計(jì)算單元構(gòu)建配料、汽干燥、閃速熔煉和轉(zhuǎn)爐吹煉等工序的物料平衡、化學(xué)平衡、熱平衡數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合物質(zhì)流線、控制流線以及數(shù)據(jù)線計(jì)算單元模型連接從而實(shí)現(xiàn)對全流程的模擬計(jì)算。2.1Metcal建模步驟新建一個(gè)冶全流程計(jì)算模型，可按以步驟進(jìn)行：）在構(gòu)建冶金計(jì)算單元前，設(shè)置好流程單元投料時(shí)間單位、作業(yè)方式與周期、工作與工作時(shí)等信息。利通用計(jì)算單控件分別構(gòu)建各冶金工序或物料計(jì)算模型圖1所依設(shè)置單元名稱設(shè)名稱、質(zhì)量守恒策略、外觀選擇等信息；如圖示，將投入物料組成、產(chǎn)物組成、溫度和壓力條件、元或者組分、群體、物)在各產(chǎn)物中的已知分配信、其它指標(biāo)約束條件、生成反應(yīng)、平衡反應(yīng)、熱能計(jì)算、自定函數(shù)表達(dá)式等信息輸入相應(yīng)表格果組分或物料是已知信息可直接輸入未知信息則輸“”作為該計(jì)算單待求變量，Metcal提了快捷的物料組成輸方式，可實(shí)時(shí)輸入、添加物料組成，并根據(jù)用戶輸入的組成表式智能判斷數(shù)據(jù)庫中是否有該信息；依據(jù)設(shè)置好的計(jì)算單元數(shù)據(jù)信息Metcal能能判斷待求變量數(shù)與當(dāng)前約束方程數(shù)是否相等，若不相等會(huì)提示需補(bǔ)充方程數(shù)，若相等可進(jìn)行單元調(diào)試計(jì)算，得到該單元型物料衡算以及熱平衡計(jì)算結(jié)果。圖1設(shè)單類型外Fig.1

圖2建單數(shù)模Fig.2Establishingmodel構(gòu)建并已調(diào)計(jì)算通過的計(jì)算單元層單元產(chǎn)物端口向下層單元原料端口動(dòng)態(tài)繪制物質(zhì)流線，實(shí)現(xiàn)單元間物料相關(guān)信息由上至下傳遞連接，從而快速建立全流程計(jì)算模型，并可根據(jù)控制流實(shí)現(xiàn)單元間控制需求，如果某個(gè)冶金單元有返料，可通過返料線快速實(shí)現(xiàn)返料迭代計(jì)算。）對某個(gè)單元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行輸出，見圖，通過全流程導(dǎo)出設(shè)置，對全流程各冶金單元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行輸出(以excel表形式導(dǎo))，見圖4。單元和全流程計(jì)算結(jié)果包括投入產(chǎn)出物料平衡表、元素質(zhì)量百分含量表、元素質(zhì)量平衡表、元素分配表、投入產(chǎn)出組分表、熱平衡表、流程圖等信息。圖3單計(jì)結(jié)Fig.3Resultscomputation圖4全程算表導(dǎo)設(shè)Fig.4Exportsettingstablesoverallprocessflow

）為形象、直觀地表達(dá)單元功能，可通過Metcal提的設(shè)備簡圖繪制模塊，對某計(jì)算工序相應(yīng)主體設(shè)備進(jìn)行簡圖繪制，并通過自定義端口位置方式，將投入產(chǎn)出物料與所繪制設(shè)備簡圖實(shí)現(xiàn)融合。用還可通過該畫圖模塊構(gòu)建自己的常用設(shè)備庫。）Metcal用可根據(jù)需要，利用單元和全流程輔助計(jì)算功能對計(jì)算結(jié)果進(jìn)任意組合處理。如對于銅閃速冶煉工藝，可利用該功能簡單快速實(shí)現(xiàn)造锍熔煉工序銅锍品位、渣中鐵硅比、渣含銅、噸礦、熔劑率以及全流程銅收率等參數(shù)的快速后處理計(jì)算輸出。2.2Metcal模擬閃速熔—PS爐吹工藝過2.2.1計(jì)算件銅精礦處理量t/h入爐混合礦含水；反應(yīng)塔和沉淀池銅锍品位分別控制在和62%；3)Fe/SiO控制在1.2渣含銅分別控制在和；轉(zhuǎn)爐(3臺造渣期和造銅期分別并聯(lián)計(jì)算，其中，造渣期h氧濃度25%，渣含銅，渣含鉛5%，煙塵率5%造銅期4，氧濃度，渣含銅8%，渣含鉛5%煙塵率5%2.2.2計(jì)算程按節(jié)模步驟，建立該工藝計(jì)算流程，見圖5圖5基平“閃速煉轉(zhuǎn)吹”工藝算程Fig.5FlashConvertingbaseMetcal2.2.3部分算果設(shè)置相關(guān)計(jì)算參數(shù)，調(diào)試通過后，部分計(jì)算結(jié)果見表1~6。表1全程料平表1ofbalanceofprocess類別

名稱

℃

t·h

燃料空氣

2525

123845.90投入

石英砂混合礦重油

252525

20.650

類別

名稱空氣

℃25

t·h0

0產(chǎn)出

燃料空氣石英石空氣工業(yè)氧工業(yè)氧空氣工業(yè)氧廢銅漏風(fēng)漏風(fēng)合計(jì)煙氣粗銅混合渣煙氣煙氣轉(zhuǎn)爐渣棄塵合計(jì)

30302525253025252525252525252525125

15.0821.7333.3942.6240.1463.8378.1882.3414.29

13138.9518621.50126120.2336518.37264233000.53147639.5940791.3758582.71247013.68表2全程素量平表干2ofelementmassbalance(dryforoverall物料名稱數(shù)/(th

)

Pb/t/tCaO/tAlO/tC/tN/t

其他/t燃料空氣石英砂混合礦重油空氣1燃料空氣2石英石空氣3工業(yè)氧工業(yè)氧空氣4工業(yè)氧廢銅漏風(fēng)漏風(fēng)1

18.5915.0821.7333.3942.62

008993.7000020118764.19110344496.24341609.4027771850.2416000004461.1600017.74278.57014313.361444.920000000000000000700000000000

00864789.480034.100000090233.250130029.940011648.29254999.960100046081.1328413.58合計(jì)

352581.21344199.36285259.27204927.7813073.9029792.8613427煙氣1粗銅混合渣煙氣2煙氣3轉(zhuǎn)爐渣棄塵

40.1463.8378.1882.3414.29

008993.70864313437.62000521179533.7628355.8602160704461.1614701120402.57041516640.2623769.180032956.32843.134362.3231.9371.33

0000合計(jì)

352581.21344199.36285259.27204927.7813073.9029792.8613427

表3反塔煉程物平表3ofbalanceforprocessinner類別

名稱

℃

kg·h

投入產(chǎn)出

干礦空氣重油工業(yè)氧返塵合計(jì)銅硫爐渣煙氣合計(jì)

90301.15E-325301.28E-325111

146348.2815080.9533390.4224679.85220162.0471718.3369557.9978885.72220162.04

13138.9526120.2339259.18212730.82212730.82表4反塔煉過元分系表4ofelementcoefficientforprocess元素CuFe

干礦93.0688.6287.2652.02

空氣0000

投入重油0000

工業(yè)氧0000

返塵11.3812.7447.98

銅硫96.8736.0326.24

產(chǎn)出爐渣73.76

煙氣063.22090.00

87.29

0

0

0

12.71

94.14

0CaOAlOOHN其他

87.3887.3827.73087.39

00016.2388.570

000056.0400

00075.17011.430

12.6212.6214.720012.61

000000

100.0100.0020.090092.00

00100.079.91100.0100.00表5轉(zhuǎn)造期素質(zhì)平表5ofelementmassbalanceslagmakingstageinnerConverter元素

爐渣銅锍

投入石英石

空氣

產(chǎn)出工業(yè)氧期爐期銅锍期殘?jiān)?/p>

煙氣

煙塵Cu

21834.73260037.7813.44

0

0

26645.1314094.30

0

96356.08

0

0

68599.1711.38Fe

653408.82

0

0

50689.44

2

0

3

0

0

0

30.5032.11

0

7

8843.45

0

0

18006.96

0

1CaO

19.25

0

0

0

20.26

0

25.87AlO

51.73

0

1

00

1

54.45

0

57.32O

4

0

131637.679321.1614524.19

30346.88

HN

00

248.5600415.6709429.4900937.02其他

0

002.940.16合計(jì)

41294.64419415.77853484154392.5423116.19表6反塔煉熱平表6ofheatbalanceforprocess熱收入

熱支出熱類型

物料

溫度/℃

物料

溫度/℃

GJ·h

物理熱

干礦空氣重油工業(yè)氧

90302530

0

銅硫爐渣煙氣

111

58.4297.33返塵

25

0小計(jì)

小計(jì)

化學(xué)熱

25

25交換熱

冷卻水

25

冷卻水

35

自然散熱

238

合計(jì)

由表據(jù)可知，基于Metcal計(jì)出的各工序物料衡算元素質(zhì)量衡算及熱量衡算基本平衡，并準(zhǔn)確計(jì)

算全流程物質(zhì)流走向，為工業(yè)設(shè)計(jì)提供了快捷和良好支持。結(jié)采用對金化工等流程工業(yè)進(jìn)行物料衡算和熱平衡計(jì)算時(shí)，平臺具有直觀、操作簡便靈活，易學(xué)易用等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)冶金計(jì)算方法相比，基于該平臺，可實(shí)現(xiàn)流程工業(yè)計(jì)算和設(shè)計(jì)的模塊化、準(zhǔn)化、圖形化、