（控制理论与控制工程专业论文）基于质量平衡的铜闪速熔炼过程模型及关键参数预测研究.pdf

摘要 铜闪速熔炼是个典型的高温、多相、多组分的复杂炼铜工艺， 熔炼时，闪速炉内发生着激烈而迅速的物理、化学变化。目前，人们 一般通过数学模型来在线控制熔炼生产过程。然而，传统的铜闪速熔 炼模型是一个静态数学模型，当熔炼条件发生变化时，这种静态模型 难以跟随生产条件的变化，往往产生较大的计算误差。为此，论文在 深入研究铜闪速熔炼过程和机理的基础上，基于一定的假设条件，运 用平衡常数法建立了新的基于质量平衡铜闪速熔炼过程的熟力学模 型。该模型由一组非线性方程描述，要精确获得它的解是非常困难的， 所以文中运用n e w t o n - r a p h s o n 法及其改进算法对模型进行了近似求 解。结果表明这种改进的新算法既能避免复杂的数学运算，又能取得 较快的收敛速度和良好的计算精度。 此外，论文还研究了铜闪速熔炼过程中的三大工艺参数淋铜 品位、冰铜温度和铁硅比等的预测问题。由于这些参数在线直接检测 困难，文中借助b p 神经网络对它们进行了预测，建立了基于b p 神 经网络的预测模型，并对其进行了仿真。结果表明，该神经网络模型 挖掘了实际生产数据中的隐含信息，较好地符合了实际生产情况，因 而此模型对铜闪速熔炼过程具有一定的指导意义，进而为实现铜闪速 熔炼过程的闭环控制奠定了基础。 关键词：铜闪速熔炼，静态模型，平衡常数法，n e w t o n r a p h s o n 法， b p 神经网络 中南大学硕士学位论文 a b s l r a c t a b s t r a c t c o p p e rf l a s hs m e l t i n gi sac o m p l e x i n d u s t r i a lp r o c e s sw i t hm u l t i p l e p h a s e sa n dc o m p o n e n t su n d e rh i 。g ht e m p e r a t u r e d u r i n gt h ep r o c e s so f s m e l t i n g ，t h er e a c t i o n sp r o g r e s sf i e r c e l ya n dr a p i d l yi nf l a s hf t l r r l a c e a t p r e s e n gam a t h e m a t i c a lm o d e li su s e dt oc o n t r o lt h ew h o l ep r o c e s so f c o p p e rf l a s hs m e l t i n g , b u ti ti sas t a t i cm a t h e m a t i c a lm o d e l ，w h i c hc a n t f o l l o wt h ec h a n g e dc o n d i t i o n s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ，t h ep r o c e s s a n dm e c h a n i s mo fc o p p e rf l a s hs m e l t i n ga r es t u d i e di nt h ep a p e r , a n da n e wq u a l i t y - b a l a n c ea n dt h e r m o d y n a m i c sm o d e lw h i c hb a s e so ns o m e c e r m i ns u p p o s i t i o nc o n d i t i o n si sb u i l d e db yl l s i l l ge q u i l i b r i u mc o n s t a n t a l g o r i t h m t h em o d e li sd e s c r i b e db yag r o u po fn o n l i n e a re q u a t i o n s ，b u t i ti sd i f f i c u l tt oo b t a i nt h e i re x a c ts o l u t i o n s s ot h en e w t o n - r a p h s o n a l g o r i t h ma n di t si m p r o v e da l g o r i t h ma r eu s e dt oo b t a i na p p r o x i m a t e s o l u t i o n so ft h em o d e l t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o m p l e xc a l c u l a t i o n s c a l lb ea v o i d e db yu s i n gt h ei m p r o v e da l g o r i t h m ，a n dar a p i dc o n v e r g e n c e r a t ea n dag o o dc a l c u l a t i o np r e c i s i o nc a nb eo b t a i n e d 卫1 ep r e d i c t i o nm o d e lo f t h eg r a d eo f m a t t e ，t h et e m p e r a t u r eo f m a t t e a n dt h er a t eo ff e s i 0 2w h i c ha r et h em o s ti m p o r t a n tt h r e ep a r a m e t e r s d u r i n gc o p p e rf l a s hs m e l t i n gp r o c e s si sa l s os t u d i e d b e c a u s et h ev a l u e s o ft h e s ep a r a m e t e r sa r ev e r yh a r dt ob ed i r e c t l yd e t e c t e do nl i n e ，an e w p r e d i c t i o nm o d e l i sp r e s e n t e dw i mt h ea i do f t h eb a c kp r o p a g a t i o nn e u r a l n e t w o r ka n di t ss i m u l a t i o ni sd o n ei nt h ep a p e r s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h e p r e d i c t i o n m o d e la c c o r dw i t h p r a i l c a l d a t u mo fp r o d u c t i o n , w h i c h v e n i f i e st h ev a l i d i t yo ft h eb a c kp r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r km o d e l t h e r e f o r et h em o d e lm a k e ss e n s et od i r e c tt h ep r o d u c t i o n f u r t h e r m o r ei t c a nl a yd o w naf o u n d a t i o nf o rt h eo n - l i n ec l o s e dl o o pc o n t r o lo fc o p p e r f l a s hs m e l t i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：c o p p e rf l a s hs m e l t i n g ，s m i l em o d e l ，e q u i l i b r i u mc o n s t a n t a l g o r i t h m ，n e w t o n - r a p h s o na l g o r i t h m , b a c kp r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：丕查丝日期：丛年月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据 国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：7 4 , 如 导师签名旦擘霉丝日期：4 年上月丝日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 铜是人类发现和最早使用的金属之一，公元前3 8 0 0 年，人类就开始和使用 铜制造生产工具，公元前3 0 0 0 年，塞浦路斯已经使用熔炼法制取铜。在中国， 在公元前7 0 0 年就掌握了竖炉炼铜技术。到1 9 9 7 年世界粗铜和精铜产量达到 1 0 9 1 1 万吨和1 3 3 8 4 万吨，中国粗铜和精铜产量分别达到6 5 7 万吨和1 0 1 4 万 吨【旧由于铜良好的导电性、传热性、延展性，较强的抗拉和耐磨性，它广泛 应用于机械、电力、电子、建材、军工、化工、航天、航空等各个行业，铜及其 合金在国民经济中起着重要的作用【3 】。 1 i 铜冶金的现代生产方法 现代铜冶金的生产工艺分为两大类：火法熔炼和湿法提取冶炼。目前世界上 铜生产工业主要采用火法炼铜，其产量约占精练铜总产量的8 0 ，而湿法冶炼仅 占世界铜总量的2 0 左右【4 】。 1 1 1 火法炼铜 火法炼铜有多种熔炼方法，每一具体的熔炼方法有不同的工艺流程，图1 - l 表示了各种熔炼方法的主要工艺流程。 咝 图1 - 1 火法炼铜流程图 从图知，火法炼铜( 以铜精矿为主要原料) 的熔炼方法可分为两类：传统熔 中南大学硕士学位论文第一章绪论 炼和强氧化熔炼。传统熔炼法多使用电炉、反射炉和密闭风炉进行熔炼，而强氧 化熔炼法又包含闪速熔炼法、诺兰达法、白银法以及三菱法等等。虽然各种熔炼 法的具体实现各不相同，但是每一熔炼法都包括熔炼、吹炼、电解以及制酸和尾 气处理等工序，归纳起来，火法炼铜在其发展过程中存在以下特点： ( 1 ) 由于传统的火法炼铜生产的锍品位低、能耗高、烟气s 0 2 浓度低、不 利于制酸和易造成污染，因而传统的鼓风炉、反射炉和电炉熔炼已逐渐被淘汰。 ( 2 ) 2 0 世纪6 0 - - - 7 0 年代迅速发展的闪速炉熔炼，近2 0 年来增长速度放慢， 但在世界上已有的4 8 座铜熔炼闪速炉的铜产量居各种火法炼钢工艺之首近年 来开发的中央可调喷嘴以及常温富氧熔炼技术，大大提高了闪速炉的能力，单台 闪速炉铜产量一般可达3 0 0 - 4 0 0 k t a q 。日本佐贺关1 9 9 6 年将原有的两台闪速炉 改成一台，年产铜4 5 k t ，成为世界上单台处理能力最大的闪速熔炼炉。美国 k e n n e c o t t 铜公司u t a h 冶炼厂闪速炉系统的制酸尾气中的s 0 2 浓度已经低到 l o o p p m ，硫的利用率高度9 9 9 5 ，成为了火法炼铜的清洁工厂样板阿。 ( 3 ) 近2 0 年来，新开发的各种熔池熔炼和强化熔炼工艺发展较快。据不完 全统计，诺兰达炉先后建有6 台套装置，现有3 台套在生产；特尼恩特炉建有 1 1 台套运行，年产铜1 2 0 0 k t ；澳斯麦特艾萨熔炼炉有6 台套在生产；三菱熔炼 法有4 台套装置在生产等【6 】。这些工艺的共同特点是采用富氧或工业氧，熔炼强 度高，对原料要求不严格，烟气含s 0 2 浓度高，有利于制酸回收，环保条件好， 但有些工艺技术不如闪速熔炼成熟可靠，尚处在发展完善阶段之中。 ( 4 ) 铜锍吹炼目前仍以p - s 转炉为主，它的最大缺点是间断作业，能耗较 大。为了减少能耗，实现转炉连续作业，人们开发了连续吹炼技术。日本三菱连 续吹炼最早用于生产；1 9 9 5 年美国k e n n e c o t t 公司u t a h 冶炼厂年产2 8 0 k t 铜的一 台连续吹炼炉投产；1 9 9 9 年澳大利亚o l y m p i cd a m 年产2 0 0 k t 的闪速炉投产： 加拿大诺兰达公司回转式连续吹炼炉、澳斯麦特公司的连续吹炼炉以及三菱连续 吹炼技术在2 0 世纪9 0 年代后期己被多个工厂采用来代替p s 转炉吹炼【7 】 ( 5 ) 对铜的火法精炼阳极炉，除了一些小厂仍采用反射炉外，普遍采用回 转式阳极炉。火法炼铜在铜冶炼领域处于统治地位。 1 1 2 湿法炼铜 除了火法炼铜外，湿法炼铜是另一种重要的炼铜方法。 湿法炼铜是先用溶剂将铜矿石或精矿浸出，而后从漫出液中提取铜。它具有 投资少、成本低、污染少，有利于资源综合回收等优点，适合于处理氧化铜矿、 低品味矿和复杂难选矿。由于其经济指标不如火法，湿法工艺大多停留在试验和 小规模生产阶段。 近年来湿法炼铜受到越来越多的重视，特别是随着各国政府对环保要求的日 中商大学硕士学位论文第一章绪论 益严格，以及化学采矿一就地溶浸、细菌浸出、软件萃取等技术的工业化进展， 湿法炼铜成本将进一步下降，它将成为世界铜冶金重要的发展方向之一 1 2 铜熔炼工艺的发展与现状 1 2 1 铜熔炼方法的发展 2 0 世纪8 0 年代以前，我国普遍采用传统方法冶炼铜。传统的熔炼方法包括 鼓风炉熔炼、反射炉熔炼和电炉熔炼【8 j 。这些方法的主要缺点是：不能充分利 用硫化物氧化产生的反应热作为能量，能耗大；产出的s 0 2 烟气浓度低，环境 污染比较严重。因此传统的熔炼工艺已逐渐被高效、节能和污染少的强化熔炼新 工艺所代替。 2 0 世纪8 0 年代以后，铜冶金工业开始采用现代熔炼方法。根据反映的空间 位置不同，可将现代熔炼方法分为两大类，一类是熔池熔炼，如诺兰达熔炼、三 菱熔炼、澳斯麦特熔炼、特尼恩特熔炼、瓦纽可夫熔炼、k h d 熔炼、白银熔炼； 另一类是闪速熔炼，如奥托昆普闪速熔炼( 芬兰) 、i n c o 闪速熔炼( 加拿大) 9 - 1 2 】。 它们的共同之处是：运用富氧技术，强化熔炼过程，充分利用炉料氧化反应热的 能量，在自热或者接近自热的条件下进行熔炼，烟气中s 0 2 的浓度高，具有较好 的节能、经济以及环保效果。 9 0 年代以来，由于计算机硬件和软件技术的发展，冶金过程动力学和反应 工程学研究开始大量引入数学物理模拟方法。铜冶金和其它冶金现象一样，是以 气固液相为主体的多相反应体系，存在着复杂的动量、质量和热量的传递，且伴 随着一系列的物理化学反应。因此能定量分析各种物理量传递过程的计算流体力 学理论和方法，逐渐成为研究冶金反应过程和现象的重要基础和手段。 1 2 2 闪速熔炼工艺的发展与现状 自1 9 4 9 年世界上第一座闪速炉子芬兰哈里亚伐尔塔厂投产以来，闪速熔炼 技术获得了较大的发展，迄今为止全世界上已建成了四十余座闪速炉当前，闪 速熔炼是世界铜熔炼的主流工艺技术，由于其成熟可靠、熟强度高、单炉处理量 大、炉子寿命长，环保效果好等特点，受到国内外大、中型铜冶炼厂普遍重视。 根据炉型的不同，闪速熔炼又分为奥托昆普( o u t o k u m p u ) 闪速熔炼和因科 ( i n c o ) 闪速熔炼两种类型 4 1 。 ( 1 ) 奥托昆普闪速熔炼 奥托昆普闪速熔炼技术是芬兰奥托昆普公司率先研究成功的。1 9 4 9 年，奥 托昆普公司建成世界上第一台闪速熔炼炉，并将其用于铜精矿熔炼。此后，闪速 熔炼得到很大发展，特别是在日本，闪速熔炼技术得到了飞速发展。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 9 0 年代以来，高投料量、高铜锍品位，高富氧浓度、高热强度等“四高” 技术成为了闪速熔炼技术发展的总趋势【1 3 1 由于采用富氧鼓风及高品位熔炼生 产，闪速炉生产率不断提高，能耗不断下降，使得熔炼成本进一步降低。1 9 8 8 年美国m a g a m a 铜业公司s a nm a n u e 闪速炉投产，日处理含c u 3 0 的精矿2 7 2 4 吨，产铜量为7 8 1 f f d ，开创了一个闪速熔炼“四高”技术的新时代。 我国闪速熔炼技术的研究始于1 9 6 9 年，首先在云锡公司以硫化镍精矿为原 料，对闪速熔炼技术进行工业规模试验研究工作；1 9 8 4 年开始引入闪速炼铜技 术，并在江西贵溪冶炼厂建立了国内第一座闪速炼闪速炉；9 0 年代以来又先后 建立了甘肃金川镍闪速炉和安徽铜陵金隆铜闪速炉。经过多年的引进、消化、吸 收和改造，目前有些国内企业( 如贵溪冶炼厂) 的熔炼水平已经走入世界先进行 列。 ( 2 ) 因科闪速熔炼 因科闪速熔炼是由加拿大国际镍公司( i n i e m a t i o n a l n i c k e lc o l t d ，其简写为 i n c o ) 开发的一种铜精矿熔炼工艺，它首次实现了有色冶金工艺中使用氧气进行 熔炼的过秘1 4 1 。由于因科闪速熔炼过程应用工业氧鼓风并实现了自热熔炼，所以 又称之为氧焰闪速熔炼或氧气自热熔炼。 与奥托昆普闪速炉不同，因科闪速炉是通过装于墙端的精矿喷嘴将工业氧气 和干燥的铜精矿、返料等从水平方向喷入高温炉内，使精矿在水平方向的氧气流 中燃烧、反应，生成铜硫、炉渣和烟气。因此，为了区别于奥托昆普闪速炉的直 立式反应塔，因科闪速炉也被称为卧式闪速炉。表1 1 表示出了奥托昆普闪速熔 炼与因科闪速熔炼的特点【l ，】。 表1 - i 奥托昆普闪速熔炼与园科闪速熔炼特点的之间比较 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 模型研究现状及意义 如前所述，闪速熔炼技术是火法冶炼主要方法，经过5 0 多年的发展，其工 艺已日趋成熟。由于铜闪速熔炼体系是一个为高温、多相、多组分的复杂体系， 高温作业的困难，使得单纯依靠实验手段来研究复杂体系的物理化学性质是非常 困难的；多相多组分复杂体系的平衡计算，要想纯粹靠手工来完成，也几乎是不 可能的。因此，人们一般通过建立闪速熔炼过程模型、借助计算机来模拟铜闪速 熔炼过程。 在模拟闪速熔炼过程时，两类模型最有代表性：g o t o 模型和最小自由能模 型。2 0 世纪7 0 年代g o t o 和他的同事们运用b f i n k l e y 原型1 6 1 ，建立了多相多组 分系统的非线性方程组，并对其进行了求解，从而求得在热力学平衡和化学平衡 下系统的组成，实现了对火法冶金过程的热力学分析和模拟。迄今为止，g o t o 模型已被国内外许多专家和学者应用于铜冶炼过程：i l s h i m p o 等对铜闪速熔炼 和转炉吹炼进行了模拟l l ”，并利用建立的模型计算了一步炼铅和喷吹炼锌过程； 贵溪冶炼厂蒋建兴等对原有的目标铜锍温度控制模型进行了修改，提高了计算机 控制质量【1 8 1 ；中南工业大学黎书华等在g o t o 模型的基础上，引进了氧效率系数 和热损失系数，修正了实际熔炼过程与理想热力学平衡体系之间的偏差【1 蝴1 】； 南方冶金学院曾青云在对闪速熔炼的操作数据进行了回归分析后，修正了铜锍组 分计算的回归公式以及渣含铜的数学模型圈；谭鹏夫等建立了铜熔炼过程中伴生 元素分配行为的计算机模型等等。 除了g o t o 模型外，在采用热力学数据进行多相多组分体系的平衡计算时， 还有w h i t e 等人建立的最小自由能模型。这种模型将体系中的组分分为独立组分 和非独立组分，依靠“在等温等压下达到热力学平衡时体系的g i b b s 自由能最小” 的判据，用l a g r a n g e 待定系数法求解约束极值问题，由此确定平衡组成。例如 b b j o k m a ne r i k s o n 运用最小自由能模型建立了铜熔炼和吹炼过程的模型。 g o t o 模型和最小自由能模型都是基于一定原理的理论模型，在建模时需要 对熔炼过程进行某些假设，因而与实际生产情况相比，模型计算结果不可避免地 存在一定偏差。然而，理论模型充分利用了体系中热力学平衡和化学平衡的性质， 有助于人们正确认识冶金过程中的物理化学现象。通过铜闪速熔炼过程模型的研 究，一方面可以简化运算过程、提高运算的精度，另一方面可以帮助人们更好地 认识冶炼过程的反应机理，为新工艺的开发和老工艺的改进提供理论上的依据， 并可为优化现行工艺生产条件以及工艺过程的自动化控制提供理论上的指导。此 外，通过建模对熔炼熔炼进行计算机模拟，其实现花费较低且使用灵活，它既可 用来模拟整个冶炼过程，也可用来模拟冶炼过程中的某个阶段，因而通过建模来 描述闪速熔炼过程，具有非常重要的现实意义。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 论文内容及结构 目前，冶炼厂一般采静态数学模型来模拟铜闪速熔炼过程，并通过铜锍品位、 铜锍温度和渣中f e s i 0 2 比等工艺参数来衡量整个熔炼过程。由于生产条件的变 化和工艺参数的调整等原因，静态数学模型的计算结果与实际生产数据将出现一 定偏差，尽管可对模型进行一定的修正，但其修正效果有限，要从根本上解决问 题，应该建立新的闪速熔炼过程模型，在此基础上实现对闪速炉炉况的优化控制。 因此，本论文研究的内容是：对闪奥托昆普闪速熔炼过程的进行深入研究，详细 分析闪速熔炼工艺过程中发生的传质传热现象，在此基础上建立新的描述闪速熔 炼过程的热力学模型，并运用神经网络技术对冰铜品位、冰铜温度以及铁硅比等 参数进行预测，采用预测值及时调整工艺参数，以实现闪速熔炼过程的优化控制。 论文分为五章，各章内容安排如下： 第一章绪论介绍了铜冶金及闪速熔炼方法的发展与现状。 第二章介绍了奥托昆普闪速炉的炉体结构和发展状况，然后介绍精矿喷嘴的 结构及改进，最后分析了闪速熔炼过程中化学反应以及闪速熔炼的机理。 第三章在平衡计算法的基础上建立新的闪速熔炼过程数学计算模型，并运用 n e w t o n r a p h s o n 法及改进算法进行求解。 第四章建立闪速熔炼过程中的三大工艺参数预测模型。 第五章结论与展望，对论文中的研究成果予以总结，指出模型存在的不足及 下一步可做的工作。 6 中南大学硕士学位论文第二章锕精矿的奥托昆普闪速熔炼 2 1 概述 第二章铜精矿的奥托昆普闪速熔炼 芬兰奥托昆普公司首创的闪速熔炼法在世界许多国家得到应用与发展。经过 五十多年的工业生产以及多次对生产工艺和设备的改造，该方法已经日趋成熟。 闪速熔炼法能充分利用原料中的硫和铁等成份的反应热，使冶炼过程能耗大幅度 的降低、投资费用减少、产量提高，以及对周围环境的污染少，它已成为当今最 盛行的炼铜法。特别是采用富氧后，熔炼强度增大，节能效果好，烟气s 0 2 浓度 高，更有利于制酸和解决烟气问题。奥托昆普公司所设计的闪速熔炼炉不仅能满 足生产要求，而且闪速炉容易翻新，在需要时可以继续改进使用。该方法除回收 铜、镍和铅外，还可大量回收金、银和硒等其它有价金属，并且大大提高了熔炼 厂的利润率，降低了生产费用近年来，随着富氧和新型精矿喷嘴的采用，使得 闪速熔炼又有了新的发展。截至1 9 9 9 的不完全统计【4 】，世界上已有2 7 个国家共 建闪速炉5 6 座，其中奥托昆普炼铜闪速炉4 1 座。目前，铜闪速熔炼的生产能力 约占世界粗铜冶炼能力的5 0 。图2 - 1 为奥托昆普闪速熔炼生产流程示意图。 图2 - 1 奥托昆普闪速熔炼生产流程图 从图2 一l 知，奥托昆普铜闪速熔炼过程主要包含以下几道工序：备料、配料、 干燥、熔炼、吹炼、电解、制酸以及尾气处理等。其物流过程可以描述为：采购 的铜精矿先存放在备料车间，按一定的配比在配料仓进行配料；配好后的物料经 7 中南大学硕士学位论文 第三章铜精矿的奥托昆普闪速熔炼 过气流干燥和蒸气干燥后进入干矿仓；干矿从精矿喷嘴喷入闪速炉反应塔，开始 反应过程，反应后的产物在沉淀池中分层，上层为炉渣，下层为冰铜；随后冰铜 进入转炉进行吹炼，吹炼后的冰铜进入阳极炉，最后经电解后生成粗铜。沉淀池 中的炉渣含铜较高，一般需做贫化处理；而从闪速炉产生的烟气经过降温除尘后 送入制酸车间制酸。 从图2 1 中还可以看出，熔炼工序是整个闪速熔炼过程的中心环节，而熔炼 的场所闪速炉炉况的好坏直接影响到吹炼、制酸等工序的顺利进行，因此， 必须保证闪速炉的平稳运行。 2 2 奥托昆普闪速炉炉体结构及其发展 奥托昆普闪速炉炉体结构主要由三部分组成，它们是：进行炉料反应的反应 塔、从炉渣中分离出冰铜并加以储存的沉淀池和将烟气排入废热锅炉的上升烟道 以及三部分的连接部，内衬采用耐火材料，闪速炉炉体寿命可达l o 年之久。 不同冶炼厂使用不同外形结构的奥托昆普闪速炉。图2 2 为贵溪冶炼厂铜闪 速炉尺寸 1 5 1 ，其主要结构特点为：反应塔顶为平斜结合拱顶，沉淀池为吊挂拱 顶，上升烟道为吊挂顶，由平顶和斜顶组成，反应塔壁立体冷却，反应塔与沉淀 池的连接部为直筒形；金隆公司闪速炉结构同贵溪冶炼厂闪速炉相似，但反应塔 顶为平吊挂顶结构；玉野闪速炉沉锭池中插有3 根电极，无贫化电炉，由闪速炉 直接产出弃渣，上升烟道为圆筒形，下部为水套结构，用以预热废热锅炉的给水， 上部为锅炉管，产生蒸汽，反应塔立体冷却，与沉淀池的连接部为喇叭形( 1 9 9 4 年改为直筒形) ，详细结构尺寸见图2 3 。 图2 - 2 奥托昆普闪速炉主要结构尺寸 奥托昆普闪速熔炼技术至今已有5 0 多年的历史了，熔炼工艺已经日趋成熟 和完善，相应地，其反应塔、沉淀池、上升烟道的结构、耐火材料、以及冷却系 8 中南大学硕士学位论文 第二章铜精矿的奥托昆普闪速熔炼 统都有明显的改进和发展，其中以反应塔结构的调整和反应塔冷却系统的发展最 为显著。 图2 - 3 玉野闪速炉主要尺寸 l 一反应咎2 一上升棚道锅炉3 一电枉4 一沉淀池5 一冷却水管6 一渣口7 冰铜口 2 2 1 闪速炉反应塔 闪速炉反应塔由塔顶和塔壁两部分组成。反应塔有拱顶和吊挂平顶两种结 构。拱顶密封性好，漏风小，但砖体砌筑和维修困难，一旦发生局部烧损事故， 就必须更新整个塔顶，因而维护费用高；而吊挂平顶虽然密封性稍差一些，但是 可在热态下完成部分砖体的更换，维修方便。塔顶的砖直接砌在塔壁耐火砖上， 当塔壁耐火砖因热膨胀上升不均匀时，会引起塔顶偏斜。后来人们将塔顶耐火砖 用三圈h 形梁 2 3 1 通过钢构架吊挂起来，使塔顶的砖不与塔壁的砖直接接触，如 图2 4 所示。三圈h 梁将塔顶分成三部分，减少了塔顶不规则变形对精矿喷嘴的 影响。随着富氧浓度、干矿装入量和反应塔热负荷的提高，越来越多的冶炼厂采 用吊挂顶改造拱项。 图2 , 4h 形梁简图 反应塔壁因长期经受高温烟气和高温熔体的冲刷，腐蚀非常严重。生产实践 证明，单独使用耐火砖作为闪速炉内壁，只需8 个星期，部分内衬便被磨蚀殆尽。 因此，为了提高炉体寿命，各冶炼厂在选用优质耐火材料的同时，都采用强制冷 9 中南大学硕士学位论文 第二章铜精矿的奥托昆普闪速熔炼 却系统以改善炉衬的工作状况。图2 - 5 为反应塔和沉淀池的水冷却示意图跚。 图2 5 反应塔和沉淀池的冷却图 图2 - 6 反应塔冷却系统改进 最初的冷却方式采用喷淋冷却，它是通过在反应塔外壁淋水，使内壁冷却而 在内壁形成致密的挂渣层，从而使炉衬得到保护而不被继续腐蚀。这种结构便于 检修，炉体寿命也可达8 年左右。但随着闪速炉熔炼能力的提高，喷淋冷却方式 的强度逐渐不足以满足生产要求，因此就出现了现在广为使用的立体冷却。 立体冷却最先出现在日本足尾冶炼厂。他们首先在反应塔下部设两环铜水套 ( 其上部仍喷淋冷却) ，后来又增加至4 环铜水套，内衬为电铸砖，并在砖与钢 壳之间设置水冷铜管，使耐火砖具有3 个冷却面，开创“立体冷却”的先例。由 于在采用立体冷却方式之后，闪速炉炉体冷却强度大大提高，炉衬寿命明显增加， 因此在反应塔内插入铜水套的冷却思想也越来越受到冶金专家的关注。1 9 7 8 年 改建的卡尔吉利冶炼厂和1 9 8 8 年投产的奥林匹克坝冶炼厂，其反应塔都设置了 8 层冷却水套。玉野冶炼厂不仅将原有的5 层水套增加至9 层，而且用垂直水套 取代了砖衬内的冷却铜管，1 9 9 4 年又在反应塔下部增加一垂直水套，使反应塔 中、下部形成由水平、垂直水套和水平，垂直相间的铜水套。目前，反应塔水套 环数最多的是美国犹他冶炼厂的闪速炉，共有1 3 环。图2 - 6 为反应塔冷却系统 改进示意创矧。立体冷却的冷却强度大，能充分适应富氧浓度、熔炼能力以及炉 体热负荷提高后对反应塔炉衬冷却的要求，而且热损失小，炉体寿命可长达1 0 年左右。目前我国的三座大型闪速炉均采用立体冷却方式。 2 2 2 闪速炉沉淀池 闪速炉沉淀池是铜锍和炉渣澄清分离的场所，同时也是某些化学反应进行的 场所，夹带烟尘的高温烟气也是经沉淀池上部空间进入上升烟道的。因此，沉淀 池的结构必须具有防止熔体渗漏、炉衬腐蚀以及耐高温等功能。 沉淀池的框架结构有刚性和非剐性两种。非刚性结构外壳四周骨架的纵向、 横向上下都设有拉杆弹簧夹紧结构，这种结构能适应炉体较大的热胀冷缩的需 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章铜精矿的奥托昆普闪速熔炼 要。日本人设计的闪速炉，其沉淀池则采用刚性框架，镁铬砖受热后的膨胀量， 则采用压缩性较好的物料( 如波纹扳、纤维板、捣打料及厚纸板等) 来补偿。图 2 7 是采用刚性框架的沉淀池侧墙、底部的结构 2 4 1 沉淀池位于反应塔正下方部位的侧墙，可以看作是反应塔的延长。因其热负 荷较高，且沿着砖的表面往下流的高温熔体量很大，因此，这一部位很容易被侵 蚀。最初，许多冶炼厂仅在该处耐火砖的外侧设置水冷铜管，后来发现这一部位 的砖仍大量剥落，才插入水平铜水套，有的冶炼厂则水套与铜管并存( 如我国的 贵溪冶炼厂，金隆铜业有限公司) ，构成立体冷却，而且水平水套的层数也不断 增加。 沉淀池另一个容易损耗的部位是渣线区，由于沉淀池渣线区受熔体冲刷严 重，极易被熔体侵蚀，因此这一区域沿沉淀池一周都设有垂直水套或者倾斜水套 来实现冷却。1 9 8 3 年佐贺关冶炼厂为了适应富氧熔炼，在沉淀池拐角处特别设 置了“l ”形水套，以强化以渣线为中心、高度方向约6 0 0 m m 范围内的耐火炉 衬的冷却强度图2 8 为沉淀池的冷却系统示意图。 图2 7 沉淀池底和侧墙图2 8 沉淀池的冷却系统 a 一水平饲水套b 一水冷铜管c - l 型铜水套d 一带翘片铜管 2 2 3 闪速炉上升烟道 上升烟道是闪速炉夹带渣粒、烟尘的高温烟气的出口通道，因此，对上升烟 道结构的要求是：防止熔体粘附而堵塞烟道；尽量减少沉淀池的辐射热损失。 上升烟道结构有垂直圆形、椭圆形以及断面为长方形的倾斜形，内衬耐火砖。 为了延长内衬的寿命，有的冶炼厂也在烟道中采取冷却措施，如奥林匹克坝冶炼 厂在上升烟道中插入铜水套，希达尔哥冶炼厂采用喷淋冷却来延长炉衬寿命；为 了防止上升烟道开口部位及倾斜端墙粘结造成通道过于狭窄，各冶炼厂多在烟道 内设置重油烧嘴，以保证生产的顺利进行。 i l 中南大学硕士学位论文 第二章铜精矿的奥托昆昔闪速熔炼 2 2 4 连接部 连接部位于反应塔与沉淀池、沉淀池与上升烟道之间，起连接作用。由于连 接部长时间被高温火焰和含尘烟气冲刷，炉衬很容易被侵蚀而破坏。特别是反应 塔与沉淀池的连接部，工作条件最恶劣。勒比希开威的闪速炉1 9 7 3 年投产后最 初的三个炉期，都是由于此连接部的严重损坏而停炉。 连接部的结构复杂，各厂也不尽相同。最初，多数冶炼厂采用吊挂式结构， 但因耐火砖经常损坏，检修困难，不久便在其中镶入铜水套，但寿命仍不长。此 后改用不定形耐火材料，内埋设水冷铜管，并在铜管上焊铜翅片。这种以带翅片 铜管为骨架，浇罐、捣打不定形耐火材料的结构，提高了耐火材料的耐高温、耐 腐蚀的性能，加强了冷却效果。生产实践证明，这种结构的连接部可使用8 年以 上圆，不少冶炼厂至今还用这种结构的连接部。图2 - 9 和2 1 0 分别为我国贵溪 冶炼厂和金川闪速炉反应塔和沉淀池的连接部。 l ，- 霏 图2 - 9 贵溪闪速炉反应塔和沉淀池瞧接部 图2 - 1 0 金川闪速炉反应塔和沉淀池的连接部 2 3 奥托昆普闪速炉精矿喷嘴结构及其发展 精矿喷嘴是位于闪速炉反应塔顶部的一种装置，炉料、鼓风以及氧气等都是 通过此喷嘴喷入反应塔内的。在闪速熔炼过程中，精矿的分解或氧化以及下落速 度都是非常迅速的，这就要求精矿和氧气充分混合，否则会引起局部未反应熔化 物生成，这些物质在沉淀池内堆积，妨碍冰铜的生成，造成冰铜温度、品位的大 幅波动，增加烟尘率；而且反应熟得不到充分的利用，造成能源的浪费。因此精 矿喷嘴是闪速熔炼最为关键的设备之一，其性能直接影响着熔炼指标，如烟尘发 生率、反应塔温度、渣含铜和炉体寿命等，甚至决定着熔炼过程能否顺利进行。 根据工作原理的不同，精矿喷嘴分为两类：文丘里型精矿喷嘴和中央扩散型 精矿喷嘴c j d ( c e n t r a lj e t d i s t r i b u t i o n ) 瞄l 。下面以贵溪冶炼厂( 简称贵冶) 闪 速炉为例介绍这两种喷嘴。 中南大学硕士学位论文第二章铜精矿的奥托昆普闲速熔炼 ( 1 ) 文丘里型喷嘴 文丘里型喷嘴是根据。二粒子”模型【4 1 设计的，其结构如图2 - 1 1 所示由于 文丘里型精矿喷嘴使用5 4 0 0 c 的常氧或低富氧浓度的工艺风，热效率较低，需 燃烧重油提高冶炼反应温度，4 支重油喷嘴组合于4 个文丘里型精矿喷嘴中，其 精矿处理能力相对较低，高温烟气对反应塔侧壁耐火材料冲刷较厉害，是8 0 年 代以前闪速炉装配的主要类型。8 0 年代后随着富氧鼓风的使用和熔炼能力的提 高，针对常温富氧熔炼的特点和对喷嘴性能的新要求，中央扩散型喷嘴( c j d ) 应运而生 立 内琢 图2 1 l 文丘里型精矿喷嘴图2 - 1 2 双环式中央精矿喷嘴 ( 2 ) 中央扩散型精矿喷嘴 贵冶中央扩散型精矿喷嘴又有双环式和套筒式两种。 双环式由空气腔和中央喷射分配器两部分组成，其结构如图2 1 2 所示空 气腔由内环空气室和外环空气室组成，常温高富氧浓度的工艺风经过环式送风管 自动或手动选择送入内环空气室、外环空气室或同时进入两个空气室，使精矿喷 嘴出口的工艺风保持较高速度。中央喷射分配器置于溜管内中央，由分配风管、 中央氧管、分散锥、中央氧管振打装置等组成；中央氧管的下部装有振打板，占 分配风总量约5 的风量从分散锥底部朝下喷射冷却振打板，振打板的作用是防 止反应塔内高温烟气对分散锥的损害及防止分散锥及中央氧管出口部位的粘结； 干矿及烟灰经分散锥的作用后，在进入反应塔内时呈现“伞”状悬浮体，“伞” 状悬浮体精矿和从喷嘴喷出的工艺风混合，在高温反应塔内瞬间完成冶金物理化 学反应。在精矿喷嘴的正下方，由于精矿密度相对过高，故设置中央氧以强化精 矿的反应。 套筒式中央精矿喷嘴也由空气腔和中央喷射分配器组成。相对双环式而言， 套筒式中央精矿喷嘴主要做了三点改进：空气室由两个变为单个，空气室的出口 环部分采用铜质冷却水套；在喷嘴中央部分的钢质溜槽水套外壳上设置可上下移 中南大学硕士学位论文 第二章铜精矿的奥托昆昔闪速熔炼 动的风锥，根据工艺风速所需的目标值可以在中控室d c s 上控制，也可在现场 操作盘上手动控制，还可通过安装在精矿喷嘴上的机械操作手轮进行控制；取消 中央氧枪的振打装置，为防止分散锥部位粘结烟灰及被反应塔高温烟气烧损，分 散锥通水冷却。 2 4 铜闪速炉熔炼过程分析 2 4 1 铜闪速熔炼工艺过程 铜闪速炉熔炼工艺是将经过深度脱水( 含水小于o 3 ) 的精矿粉末，在闪 速炉喷嘴处与空气或氧气混合后，以较高速度从反应塔顶部喷入反应塔内并发生 反应。此时，反应塔内因精矿的反应热和重油燃烧热而形成高温环境，精矿颗粒 被高温气体包围，处于悬浮状态，在2 - 3 s 内就基本上完成了硫化物的分解、氧 化和熔化等过程。此后，熔融硫化物和氧化物的混合熔体下降到反应塔底部，在 沉淀池中汇集并沉淀分离，完成铜锍与炉渣最终形成过程。炉渣在单独贫化炉或 闪速炉内贫化区处理后再弃去。闪速熔炼克服了传统方法未能充分利用粉状精矿 的巨大表面积、将焙烧和熔炼分阶段进行的缺点，从而大大减少了能源消耗，提 高了硫利用率，改善了环境。 2 4 2 造锍熔炼过程中的主要化学反应 在进行造锍熔炼时，投入闪速熔炼炉的炉料有硫化铜精矿、各种返料及熔剂 等。这些物料在风、油、氧等的作用下，最终形成铜锍和炉渣。这些反应主要包 括：燃烧反应，硫化物的离解反应，硫与铁的氧化反应，烟尘的熔化分解反应以 及造锍和造渣反应等 4 , 2 7 1 。 ( 1 ) 硫化物的分解 硫化铜精矿的主要矿物组成是：c u f e s 2 、c u s 、f e s 2 等精矿喷入炉内后， 高价硫化物迅速发生分解反应。 4 c u f e s 2 = 2 c u 2 s + 4 f e s + s 2 ( 2 1 ) 2 f e s 2 = 2 f e s + s 2 ( 2 2 ) 4 c u s = 2 c u 2 s + s 2 ( 2 - 3 ) 上述硫化物分解产出的f e s 和c u 2 s 将继续氧化或形成铜锍，而产生的s 2 将继续 氧化成s 0 2 进入烟气中。 s 2 + 0 2 = 2 s 0 2 ( 2 4 ) 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章铜精矿的奥托昆普闲速熔炼 ( 2 ) 硫化物氧化 在强氧化熔炼炉中，硫化物除发生分解反应外，还会被直接氧化，发生氧化 反应，部分还会被还原成高价氧化物。 4 c u f e s 2 + 5 0 2 = 2 c u 2 s f e s + 2 f e o + 4 s 0 2 ( 2 5 ) 2 f e s + 3 0 2 = 2 f e o + 2 s 0 2 ( 2 - 6 ) 3fes+02=fe304+3s02(2-7) 4 f e s 2 + 7 0 2 = 2 f e o + 2 f e s + 6 s 0 2 ( 2 8 ) 2 c u 2 s + 3 0 2 = 2 c u 2 0 + 2 s 0 2 ( 2 9 ) ( 3 ) 造渣反应 2 f e o + s i 0 2 = ( 2 f e o s i 0 2 ) ( 2 1 0 ) ( 4 ) 硫化物与氧化物的相互反应 反应塔内氧化反应强烈，反应产物中将含有少量的c u 2 0 和f e 3 0 4 。熔融混 合物由反应塔降落到沉淀池，在沉淀池中的分离过程中，铜锍中的硫化物与炉渣 中金属氧化物还将进一步发生反应，从而完成造锍与造渣过程。 c u 2 0 + f e s = c u 2 s + f e o ( 2 - 1 1 ) 3 f e 3 0 + f e s ；l o f e o + s 0 2 ( 2 1 2 ) f e s + 3 f e ，0 4 + 5 s i 0 2 = 5 ( 2 f e o s i 0 2 ) + s 0 2 ( 2 - 1 3 ) 由于精矿成分多样化和生产条件的不同，闪速炉内发生的反应及其复杂，上 述反应只是熔炼过程中的典型反应，并不代表全部反应。 2 4 3 奥托昆普闪速熔炼的机理分析 1 反应塔内的传输现象 闪速炉的反应过程主要发生在反应塔内，反应的同时伴随有热量传递、质量 传递、流体流动等现象，它是一个及其复杂的过程。研究反应塔内的传输现象， 对获得高生产率和金属回收率、延长炉子的寿命和降低能源消耗具有理论指导意 义，也为喷嘴和炉型设计的改进提供理论基础。 ( 1 ) 精矿颗粒和气流运动规律 关于反应塔内精矿颗粒与气体的运动规律，n j t h e m e l i s 和j i c m a k i n e n 等【嚣】 所做的研究具有代表性，可叙述如下： 中南大学硕士学位论文第二章铜精矿的奥托昆普闪速熔炼 从反应塔顶部喷嘴喷出的气一固( 精矿) 混合流，离开喷嘴后，在塔内形成 两个区域：喷嘴口附近的喷射区和扩张气流区。在喷射区内，精矿粉被气流打散， 以塔的中心轴为对称，形成锥形扩散，随着离喷嘴口的距离增加，气流速度衰减。 当气流边界达到塔内壁横截面时，就开始形成扩张区，扩张区延续到熔池面上时 流体的形状改变，此时的气流速度称为终点气流速度。等温气体喷射时的速度衰 减表达式为 u = 1 2 4 u o r o x ( 2 - 1 4 ) 式中以距喷嘴口x 处锥形截面的中心喷射速度( m s ) ，u o 为喷嘴口处初始速度 ( m s ) ，r o 为入喷嘴口半径( m ) 。 式( 2 1 5 ) 是在等温情况下得出的。实际上，反应热的存在使得塔内的气体 瞬间被加热到高温( 1 3 0 0 0 c 以上) ，气体体积膨胀扩张了喷射锥空间，因而真实 速度将大大减少。对高为9 m 、直径为6 m 的反应塔，当喷嘴口初始速度为3 0 m s 时，气流在塔内的停留时间约为2 s 。 从反应塔顶落下的颗粒与气体处于同样的重力场中，因此，颗粒的速度等于 气流速度加上颗粒的下落速度。此外混合流中的颗粒分散度比较大，因而不必考 虑颗粒和气体之间存在的颗粒本身的“滑移”速度效应。这样，颗粒的终点速度 就可以用s t o k e s 公式描述，即 u v = g c ( p p 一岛) d ；1 8 r ( 2 - 1 5 ) 式中：u ，为颗粒的终点速度( m s ) ；g 。为重力加速度( m s 2 ) ；户，和以分别为 颗粒与气体的密度( k g m 3 ) ；d v 为颗粒的直径( m ) ；叩为气体的粘度 k g ( m s ) 】。 ( 2 ) 精矿颗粒与气流之间的热和质传递 除了颗粒与气流的运动特性外，n j t h e m e l i s 和j k m f l k j n e n 等还对反应塔 内的传热与传质进行了研究，得出在精