基于MetCal計算模型雙底吹連續(xù)煉銅工藝關(guān)鍵參數(shù)影響規(guī)律分析

張哲鎧， 黎敏， 李兵， 劉愷， 李曉霞

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

雙底吹連續(xù)煉銅工藝是中國自主研發(fā)的新一代富氧底吹連續(xù)煉銅技術(shù)，通過兩臺氧氣底吹爐連續(xù)作業(yè)，實現(xiàn)了熔煉和吹煉的全熱態(tài)連續(xù)作業(yè)，從而徹底解決了傳統(tǒng)Pierce-Smith(P-S)轉(zhuǎn)爐吹煉工藝頑疾SO2煙氣低空污染問題，在世界銅冶煉史上具有里程碑意義[1-4]。同時雙底吹連續(xù)煉銅工藝具有以下顯著優(yōu)勢：①實現(xiàn)熱態(tài)吹煉，銅锍從底吹熔煉爐通過溜槽直接進(jìn)入氧氣底吹吹煉爐，相比雙閃工藝，省去了銅锍粒化、干燥和磨礦等工序，同時由于吹煉過程熱富余高，可處理電解殘極及廢雜銅，降低了生產(chǎn)成本[5-6]；②氧氣從底部吹入直接作用于銅锍，銅锍作為氧的載體，生成Cu2O與精礦中的FeS反應(yīng)生成FeO，經(jīng)過約1 m深的冰銅層，大部分氧都已進(jìn)行反應(yīng)，進(jìn)入渣層時它的氧勢已經(jīng)很低，氣相SO2的濃度顯著升高，又因為總有FeS存在，生成Fe3O4的可能性很小，因而不具備大量生成Fe3O4的條件，抑制泡沫渣的產(chǎn)生[7]；③連續(xù)吹煉，爐溫穩(wěn)定，能克服轉(zhuǎn)爐周期作業(yè)溫度波動過大的缺點，有利于提高吹煉爐的壽命，降低耐火材料消耗和維修工作量，從而降低煉銅成本，同時煙氣量小且相對穩(wěn)定，后續(xù)煙氣處理成本低[8]；④目前雙底吹連續(xù)煉銅工藝不用外加任何燃料，能耗最低，是唯一可稱為“無碳”的銅冶煉技術(shù)[9]。

目前有關(guān)雙底吹煉銅工藝的研究主要集中在熔池內(nèi)造渣行為、熔煉機(jī)理模型及工藝全流程計算[10]。王親猛等[11-13]研究了底吹熔煉過程造渣行為及渣中各組元含量相互間的映射關(guān)系、底吹熔煉機(jī)理模型、熔煉過程多相平衡狀態(tài)及爐內(nèi)各區(qū)域氧勢-硫勢分布規(guī)律、氧氣底吹熔池熔煉過程氣泡生長行為。汪金良等[14]對雙底吹連續(xù)煉銅工藝全流程模擬計算，得到各冶金計算單元物料平衡、組分分配和熱平衡數(shù)據(jù)，為工藝設(shè)計，生產(chǎn)企業(yè)成本核算、環(huán)境控制和生產(chǎn)指標(biāo)調(diào)控提供了理論指導(dǎo)。但是針對有關(guān)雙底吹連續(xù)煉銅關(guān)鍵參數(shù)影響規(guī)律的研究報道較少。為此，以雙底吹連續(xù)煉銅工藝為計算對象，基于MetCal平臺，采用物料平衡、熱量平衡和化學(xué)平衡等原理建立各計算單元數(shù)學(xué)模型，對該工藝流程進(jìn)行模擬計算，得到詳細(xì)的物質(zhì)流和能量流計算結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上考察雙底吹連續(xù)煉銅工藝關(guān)鍵參數(shù)的影響因素及其影響規(guī)律，為雙底吹連續(xù)煉銅工藝實際生產(chǎn)過程中關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)控提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 雙底吹連續(xù)煉銅工藝計算模型

1.1 模型構(gòu)建平臺

雙底吹連續(xù)煉銅工藝計算模型的建立采用冶金工藝流程計算系統(tǒng)開發(fā)平臺Metcal軟件構(gòu)建。MetCal計算平臺是由江西理工大學(xué)冶金仿真研究團(tuán)隊自主研發(fā)冶金工藝流程計算系統(tǒng)通用開發(fā)平臺MetCal desk，是一套可供冶金、化工設(shè)計研究人員自主開發(fā)冶金、化工工藝全流程計算模型的高效軟件通用平臺工具，可完成質(zhì)量平衡、熱量平衡與化學(xué)平衡計算，具有集繪圖與計算一體，過程直觀、通用性強(qiáng)、操作簡便靈活和運(yùn)算速度快等特點，能滿足雙底吹連續(xù)煉銅工藝計算的要求。

1.2 模型構(gòu)建平臺

MetCal平臺中的計算流程可基本按照實際生產(chǎn)工藝流程設(shè)計，每個計算單元可以設(shè)置為元素守恒、物料守恒、組分守恒和標(biāo)簽4種類型。在模型構(gòu)建過程中，單獨的冶金過程基本可以作為一個計算單元來設(shè)計，并通過以下方式來確定平衡條件：①一些已知投入物料量、成分和溫度，以及產(chǎn)出物的物相、溫度等條件；②利用產(chǎn)物中不同元素分配系數(shù)的取值進(jìn)行約束；③一些自定義約束，如底吹熔煉、吹煉過程中的一些參數(shù)設(shè)置，如渣鐵硅比，煙塵率等。在上述模型構(gòu)建思路的指導(dǎo)下，采用河南某銅冶煉企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在MetCal平臺中建立雙底吹連續(xù)煉銅工藝計算模型，如圖1所示。模型主要包括配料、底吹爐熔煉以及底吹爐吹煉3個計算單元，單元之間通過流程線連接，配料單元的輸出參數(shù)作為底吹熔煉單元的輸入?yún)?shù)，而底吹熔煉單元輸出參數(shù)銅锍，作為底吹吹煉單元的輸入?yún)?shù)，從而實現(xiàn)雙底吹連續(xù)煉銅整體流程計算。

1.3 模型計算結(jié)果

在建立的雙底吹連續(xù)煉銅工藝計算模型基礎(chǔ)上，設(shè)置相關(guān)計算參數(shù)，通過調(diào)試，模擬計算，可以選擇輸出結(jié)果。底吹爐熔煉與吹煉物料平衡分別如表1、表2所示。

2 底吹熔煉關(guān)鍵參數(shù)分析

在氧氣底吹熔煉過程中，銅锍品位、熔煉渣鐵硅比及熔煉渣溫度這3個參數(shù)反映了氧氣底吹銅熔煉過程中的狀態(tài)，一直是冶金工作者關(guān)注的焦點?；陔p底吹連續(xù)煉銅計算模型，對氧氣底吹熔煉過程中三大關(guān)鍵參數(shù)銅锍品位、熔煉渣鐵硅比及熔煉渣溫度的影響因素進(jìn)行分析，考察相關(guān)的影響因素對熔煉過程三大關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律。

2.1 銅锍品位

銅锍是重金屬硫化物的共熔體，其主要成分為Cu2S和FeS，并含有少量的雜質(zhì)及微量脈石成分。銅锍品位指銅锍中Cu元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，是底吹熔煉的重要參數(shù)。

底吹熔煉石英石配加量對銅锍品位的影響如圖2所示?？梢钥闯?，隨著熔煉石英石配加量的增加，銅锍品位呈增加趨勢。這是由于熔煉石英石配量增加，爐渣中SiO2含量提高，SiO2與FeO結(jié)合能力提高，促進(jìn)了銅锍中Fe元素向爐渣轉(zhuǎn)移，從而銅锍中Fe元素含量降低，使得Cu元素含量相應(yīng)提高，銅锍品位呈增加趨勢。

表1 熔煉過程物料平衡Table 1 Material balance of smelting process

表2 吹煉過程物料平衡Table 2 Material balance of converting process

圖2 熔煉石英石配加量對銅锍品位的影響Fig.2 Effect of smelting quartz stone dosage on matte grade

底吹熔煉富氧空氣量對銅锍品位的影響如圖3所示。可以看出，隨著熔煉富氧空氣量的增加，銅锍品位呈升高趨勢，兩者呈正相關(guān)。這是由于在相同爐料量情況下，富氧空氣量增加，熔池氧勢提高，銅锍中更多的FeS被氧化成FeO，進(jìn)入熔煉渣中，從而銅锍中Cu含量提高，銅锍品位升高。

圖3 熔煉富氧空氣量對銅锍品位的影響Fig.3 Effect of smelting oxygenized air on matte grade

底吹熔煉配煤量對銅锍品位的影響如圖4所示?？梢钥闯?，隨著熔煉配煤的增加，銅锍品位呈下降趨勢，兩者呈負(fù)相關(guān)。這是由于在相同爐料量情況下，熔煉配煤量增加，消耗一定量氧氣，造成熔池氧勢降低，銅锍中的FeS氧化成FeO進(jìn)入熔煉渣的量減少，從而銅锍中Cu含量降低，銅锍品位下降。

圖4 熔煉配煤量對銅锍品位的影響Fig.4 Effect of smelting coal blending amount on matte grade

綜上所述，為提高氧氣底吹熔煉銅锍品位，可從增加熔煉石英石配加量、提高熔煉富氧空氣量以及降低熔煉配煤量這三方面著手。

2.2 熔煉渣鐵硅比

熔煉渣是銅熔煉過程中各種氧化物相熔融而成的共熔體，主要的氧化物是FeO和SiO2，其次是CaO、Al2O3和MgO等，其中熔煉渣還會機(jī)械夾雜和溶解少量Cu2S和Cu2O，這是造成Cu在爐渣中損失的主要原因。熔煉渣鐵硅比指熔煉渣中Fe與SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值，是底吹熔煉的重要參數(shù)。

分析： 第(2)小題分子生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用。甲乙丙三個抗病品種的抗病性分別來自R1、 R2、 R3，因為三對抗病基因位于不同染色體上，所以三對等位基因之間是自由組合關(guān)系。不同基因的堿基序列不同，PCR的方法可以根據(jù)不同序列設(shè)計不同的引物擴(kuò)增不同基因特定片段，從而進(jìn)行區(qū)分。

底吹熔煉石英石配加量對熔煉渣鐵硅比的影響如圖5所示。可以看出，隨著熔煉石英石配加量的增加，熔煉渣鐵硅比呈降低趨勢，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是由于熔煉石英石配量增加，在爐料條件不變情況下，整體入爐SiO2量增加，造成熔煉渣鐵SiO2含量提高，從而最終生成熔煉渣的鐵硅比呈下降趨勢。

圖5 熔煉石英石配加量對熔煉渣鐵硅比的影響Fig.5 Effect of smelting quartz stone dosage on iron-silicon ratio of smelting slag

圖6 熔煉配煤量對熔煉渣鐵硅比的影響Fig.6 Effect of smelting coal blending amount on iron-silicon ratio of smelting slag

底吹熔煉配煤量對熔煉渣鐵硅比的影響如圖6所示。可以看出，隨著熔煉配煤的增加，熔煉渣鐵硅比呈下降趨勢，兩者呈負(fù)相關(guān)。這是由于在相同爐料量情況下，熔煉配煤量增加，消耗一定量氧氣，造成熔池氧勢降低，銅锍中的FeS氧化成FeO進(jìn)入熔煉渣的量減少，造成熔煉渣中Fe元素含量降低，熔煉配煤中含有一定量的SiO2，造成熔煉渣中SiO2含量提高，最終熔煉渣的鐵硅比呈降低趨勢。

綜上所述，底吹熔煉渣保持高的鐵硅比，可以減少熔煉渣量，為提高熔煉渣鐵硅比，可從降低熔煉石英石配加量以及減少熔煉配煤量這兩方面著手。

2.3 熔煉渣溫度

底吹熔煉富氧空氣量對熔煉渣溫度的影響如圖7所示?？梢钥闯?，隨著熔煉富氧空氣量的增加，熔煉渣溫度呈上升趨勢，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。這是由于在相同爐料量情況下，富氧空氣量增加，熔池氧勢提高，爐料中更多硫化物被氧化，釋放大量熱量，使得熔煉過程中化學(xué)反應(yīng)熱量增加，表現(xiàn)為熔池溫度升高，從而熔煉渣溫度提升。

圖7 熔煉富氧空氣量對熔煉渣溫度的影響Fig.7 Effect of smelting oxygenized air ontemperature of smelting slag

圖8 熔煉配煤量對熔煉渣溫度的影響Fig.8 Effect of smelting coal blending amount on temperature of smelting slag

底吹熔煉配煤量對熔煉渣溫度的影響如圖8所示?？梢钥闯觯S著熔煉配煤的增加，熔煉渣溫度比呈上升趨勢，兩者呈正相關(guān)。這是由于在相同爐料量情況下，熔煉配煤量增加，進(jìn)入底吹熔煉爐燃料成分增加，氧化燃燒釋放大量熱量，使得熔煉過程中化學(xué)反應(yīng)熱量增加，表現(xiàn)為熔池溫度升高，從而熔煉渣溫度提升。

綜上所述，提高氧氣底吹熔煉銅熔煉渣溫度，可采取增加熔煉富氧空氣量以及提高熔煉配煤量這兩方面措施。

3 底吹吹煉關(guān)鍵參數(shù)分析

在氧氣底吹吹煉煉過程中，粗銅品位、吹煉渣鐵硅比及吹煉渣溫度這3個參數(shù)反映了氧氣底吹銅吹煉過程中的狀態(tài)，一直是現(xiàn)場冶煉者的關(guān)注點?；陔p底吹連續(xù)煉銅計算模型，對氧氣底吹吹煉過程中三大關(guān)鍵參數(shù)“粗銅品位、吹煉渣鐵硅比及吹煉渣溫度”的影響因素進(jìn)行分析，考察相關(guān)的影響因素對吹煉過程三大關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律。

3.1 吹煉粗銅品位

底吹吹煉富氧空氣量對粗銅品位的影響如圖9所示?？芍S著吹煉富氧空氣量的增加，粗銅品位呈升高趨勢，兩者呈正相關(guān)。這是由于在相同銅锍入爐量條件下，富氧空氣量增加，熔池氧勢提高，粗銅中雜質(zhì)S、As等雜質(zhì)更多地進(jìn)入吹煉渣相中，提高了粗銅相中Cu含量，從而粗銅品位相應(yīng)得到升高。

圖9 吹煉富氧空氣量對粗銅品位的影響Fig.9 Effect of oxygenized air on blister copper grade in converting process

底吹吹煉電解殘極配加量對粗銅品位的影響如圖10所示?？梢钥闯觯~锍吹煉過程中隨著電解殘極配加量的增加，粗銅的品位呈升高趨勢，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。這是由于電解殘極中Cu含量在99%以上，其他雜質(zhì)較少，經(jīng)過底吹吹煉過程熔融進(jìn)入粗銅相，相應(yīng)提高了粗銅中Cu含量，從而提升了粗銅品位。

圖10 電解殘極配加量對粗銅品位的影響Fig.10 Effect of electrolytic residual addition on blister copper grade in converting process

綜上所述，為提高氧氣底吹爐吹煉粗銅品位，可采取提高吹煉富氧空氣量以及增加電解殘配加量的措施。

3.2 吹煉渣鐵硅比

吹煉渣是銅吹煉過程中各種氧化物相熔融而成的共熔體，主要氧化物是FeO、Fe3O4和SiO2，其次是PbO、ZnO等氧化物，其中吹煉渣還會機(jī)械夾雜和溶解少量Cu2S和Cu2O，這是引起Cu在吹煉過程中爐渣中損失的主要原因。吹煉渣的鐵硅比指吹煉渣中Fe與SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值，是氧氣底吹吹煉的重要參數(shù)。

底吹吹煉石英石配加量對吹煉渣鐵硅比的影響如圖11所示?？梢钥闯?，隨著吹煉石英石配加量的增加，吹煉渣鐵硅比呈降低趨勢，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是由于熔煉石英石配量增加，在銅锍等吹煉入爐條件不變情況下，吹煉整體入爐SiO2量增加，造成吹煉渣SiO2含量提高，從而在渣Fe含量不變的情況下引起鐵硅比的下降。

圖11 吹煉石英石配加量對吹煉渣鐵硅比的影響Fig.11 Effect of quartz stone dosage on iron-silicon ratio in converting process

圖12 吹煉電解殘極配加量對吹煉渣鐵硅比的影響Fig.12 Effect of electrolytic residual addition on iron-silicon ratio in converting process

底吹吹煉電解殘極配加量對吹煉渣鐵硅比的影響如圖12所示?？梢钥闯?，隨著吹煉電解殘極配加量的增加，吹煉渣鐵硅比呈上升趨勢，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。

綜上所述，吹煉渣鐵硅比與底吹吹煉石英石配加量和電解殘極配加量有關(guān)，若想提高氧氣底吹熔煉銅熔煉鐵硅比，可從提高吹煉石英石和電解殘極配加量這兩方面著手。

3.3 吹煉渣溫度

底吹吹煉富氧空氣量對吹煉渣溫度的影響如圖13所示?？梢钥闯?，隨著吹煉富氧空氣量的增加，吹煉渣溫度呈上升趨勢，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。這是由于在相同吹煉原料條件下，富氧空氣量增加，熔池氧勢提高，銅锍中更多的硫化物被氧化，釋放大量熱量，使得吹煉過程中化學(xué)反應(yīng)熱量增加，表現(xiàn)為熔池溫度升高，從而引起吹煉渣溫度升高。

圖13 吹煉富氧空氣量對吹煉渣溫度的影響Fig.13 Effect of oxygenized air on temperature of converting slag

圖14 吹煉電解殘極配加量對吹煉渣溫度的影響Fig.14 Effect of electrolytic residual addition on temperature of converting slag

底吹吹煉電解殘極配加量對吹煉渣溫度的影響如圖14所示?？梢钥闯?，隨著電解殘極配加量的增加，吹煉渣溫度呈下降趨勢，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是由于在相同吹煉原料條件下，電解殘極配加量增加，其以常溫狀態(tài)加入底吹吹煉爐，在吹煉過程中只是升溫熔化過程，吸收大量熱量，從而引起吹煉渣溫度的降低。

綜上所述，吹煉渣溫度與吹煉富氧空氣量和電解殘極配加量有關(guān)，若想提高氧氣底吹熔煉銅熔煉渣溫度，可從提高吹煉富氧空氣量以及降低電解殘極配加量這兩方面著手。

4 結(jié)論

利用MetCal desk冶金計算平臺，采用物料平衡、熱平衡和化學(xué)平衡等原理建立了雙底吹連續(xù)煉銅工藝計算模型，模擬計算雙底吹連續(xù)煉銅過程，并在此基礎(chǔ)上，考察關(guān)鍵參數(shù)的影響因素及對其影響規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1)底吹熔煉關(guān)鍵參數(shù)有銅锍品位、熔煉渣鐵硅比及熔煉渣溫度，提高銅锍品位可從增加熔煉石英石配加量、提高熔煉富氧空氣量以及降低熔煉配煤量這三方面著手，增加熔煉渣鐵硅比可采使用降低熔煉石英石配加量及減少熔煉配煤量等方法，提升熔煉渣溫度可采取增加熔煉富氧空氣量以及提高熔煉配煤量這兩方面措施。

(2)底吹吹煉關(guān)鍵參數(shù)有粗銅品位、吹煉渣鐵硅比及吹煉渣溫度，提高粗銅品位可從提高吹煉富氧空氣量以及增加電解殘配加量這兩方面著手，增加吹煉渣鐵硅比可采使用降低吹煉石英石配加量及增加電解殘極配加量等方法，提升吹煉渣溫度可采取提高熔煉富氧空氣量以及降低電解殘配加量這兩方面措施。