（有色金属冶金专业论文）自热熔炼炉模糊控制器的研究.pdf

摘要氧气顶吹自热熔炼，对原料适应性强，熔炼强度大，床能力高，工艺流程短，炉子及附属设备工艺简单，投资少，开停炉方便，操作容易掌握，运行可靠，是一种高效、高强度、环保型的有色金属冶会方法，具有广阔的发展前景。自热炉炼铜是典型的具有多变量、非线形、大滞后特点的复杂系统。对这类炉子的热工与工艺过程建立数学理论的仿真模型是比较困难的，而且往往难于准确反映真实情况。目前，自热炉熔炼过程控制在很大程度上依赖于操作者的经验。为了提高熔炼过程的控制水平及生产稳定性，实现标准化、规范化操作，本文对自热炉进行了最佳工艺条件研究，熔炼过程热力学分析，物料平衡及热平衡计算，研制开发了自热熔炼炉的模糊控制器。本文立足于用新的人工智能控制技术，以过去熔炼过程结果为基准，充分总结技术人员及操作工人的经验，利用自热炉现有的检测手段所获得的信息，力图实现对所要控制的各因素进行修正的动态控制方法。通过模拟实验可看出，主要控制目标粗铜品位、炉渣成分、温度，其模拟值与生产实际分析值比较接近，偏差不大，表明模糊控制器的控制精度较高，能够较好地控制自热炉的生产，稳定炉子的作业状况，模糊控制器的设计是可行、可靠的。关键词：氧气顶吹自热熔炼模糊控制器a b s t r a c to x y g e nt o p b l o w na u t o t h e r m i cs m e l i t i n gi sa d a p tw e l lt om a t e r i a lr a w ，i sah i g hi n t e n s i t ym e t h o do fs m e l t i n g 。i t sp r o d u c t i o nc a p a c i t yi ss t r o n g ，a n dt e c h n o l o g i cp r o c e s si ss h o r t t h ea u t o t h e r m i cs m e l t i n gf u r n a c ep e r f o r mr e l i a b l ya n dn e e dl i t t l ei n v e s t m e n t ，t h eo p e r a t i o no ft h ea u t o t h e r m i cs m e l t i n gf u r n a c ea n di t sa u x i l i a r yf a c i l i t yi ss i m p l e t h et e c h n o l o g yo fo x y g e nt o p b l o w na u t o t h e r m i c ：s m e l t i n gi sah i g hp e r m a n c em e t h o do fn o n f e r r o u sm e t a l ss m e l t i n g ，c a l lm a k ef o re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，h a se x p e n s i v ed e v e l o p i n gp r o s p e c t i ti sat y p i c a lc o m p l e xs y s t e mt h a ta u t o t h e r m i cf u r n a c es m e l t sc o p p e r ，a n di sam u l t i v i r a t e 、n o n l i n e ra n dh y s t e r e t i cp r o c e d u r e i ti sm o r ed i f f i c u l tt ob u i l df ls i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nm a t h e m a t i c a lt h e o r ya b o u tt h e r m a le n g i n e e r i n ga n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so ff u r n a c e ，a n dt h es i m u l a t i o nm o d e lu s u a l l yc a n n tr e f l e c tt h er e a ls i t u a t i o na c c u r a t e l y n o w , t h ep r o c e s sc o n t r o lo fs m e l t i n gd e p e n d so no p e r a t o r s e x p e r i e n c et oah i g hd e g r e e i no r d e rt oe n h a n c et h ec o n t r o ll e v e lo fs m e l t i n gp r o c e s sa n dk e e pa u t o t h e r m i cf u r n a c er u n n i n gs m o o t h l y ，t h eo p t i m u mt e c h n i c a lc o n d i t i o n s ，t h et h e r m o d y n a m i c so fs m e l t i n gp r o c e s s ，m a t e r i a lb a l a n c ea n dh e a tb a l a n c ea b o u tf u r n a c ea r ed i s s c u s e di nt h i sp a p e r af u z z yc o n t r o l l e r ，c o n s t r u c t e dw i t hf u z z yl o g i ct e c h n o l o g yi nc o m b i n a t i o nw i t ht h ee x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g eo ft h eo p e r a t o r s ，u s i n gi n f o r m a t i o na c q u i r e df r o me x i s t i n gi n s t r u m e n to fa u t o t h e r m i cf u r n a c e ，iss t u d i e dt ot r yt or e d j u s tf a c t o r st h a tn e e dt oc o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o nt e s ts h o wt h a tt h em a i nc o n t r o l l i n gt a r g e t sw h i c hw e r ec a l c u l a t e db yt h ef u z z yc o n t r o l l e r ，i n c l u d i n gg r a d eo fb l i s t e rc o p p e r ，c o m p o n e n t so fs l a ga n dt e m p e r a t u e r e ，w e r ec o m p a r e dw i t hi n d u s t r i a ld a t aa n dt h e ya g r e ew e l l w ec a nr e a c hc o n c l u s i o nt h a tt h ef u z z yc o n t r o l l e rh a sh i g hc o n t r o lp r e c i s i o na n dc a ne f f e c t u a l l yc o n t r o lp r o d u c t i o no fa u t o t h e r m i ef u r n a c e t h ed e s i g no ft h ef u z z yc o n t r o l l e ri sf e a s i b l ea n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：o x y g e nt o p b l o w na u t o t h e r m i cs m e l t i n g ，f u z z yc o n t r o l l e r昆明理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：鲁蟛b 确日期：矗伊四年月露日昆明理t 火学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1 1 引言传统的有色金属火法冶炼方法，包括鼓风炉熔炼、反射炉熔炼和电炉熔炼，都有一个共同的不足之处：未能充分地利用粉状精矿的巨大表面积和硫化物氧化反应热。因而，能耗高，硫回收率低，环境污染严重，劳动生产率低。人类社会进入2 0 世纪中叶，随着能源日趋紧张，环境法规日益严格，劳动代价逐步上涨，原有的冶炼技术与设备越来越不适应不断发展的社会生产和社会生活的需要。在迫切要求改变传统工艺的形势下，一大批自热熔炼工艺相继问世。这种强化冶炼的方法，经过近三十年的努力，目前已成为取代硫化矿传统火法冶炼最有前途的方法。据统计，目前世界铜产量中，自热熔炼炼铜方法所生产的粗铜占总产量的三分之二。所谓自热熔炼主要是指利用硫化矿氧化所放出的热量，使熔炼过程得以进行，在熔炼过程中无须供应燃料，或只须供应少量燃料，苏联j l 乃镍工业公司的氧气顶吹自热熔炼法就是其中的一种。它是通过反应器的顶部插入喷枪，往熔体中喷入工业氧气的同时，向熔体中加入精矿和熔剂，在湍动的熔池内完成熔炼过程，传热传质是在强烈搅拌的熔体内进行，速度快，效果好，大大强化了冶金过程，达到了提高设备生产率和降低冶炼过程能耗的目的。金川有色金属公司1 9 9 0年从苏联引进了该技术，用来处理含镍铜精矿，并于1 9 9 4 年建成投产。生产实践证明，该法生产效率高，能耗低，烟气中s 0 2 浓度高且稳定，便于回收利用，减少了对环境的污染。自热熔炼炉在金川公司顺利投产，标志着在我国开创了铜冶炼操作技术的新纪元。但是，鉴于当时的自控技术水平较低，自热炉生产控制系统只是采用上海f o x b o y o 公司生产的可编程控制器及单回路m i c r 7 6 1 控制器进行临控和操作。设有控制及遥控回路2 2 个，显示报警2 6 个，有1 6 块仪表反映铜自热炉的多个工艺参数。盘上主要内容有：动态显示、报警、累计、联锁等，均集中在中央控制室内。熔炼过程的主要参数：氧气流量、重油流量、给料量、炉膛压力、除氧器液位及压力、气水分离器、进出水流量及压力等能够实行j l 矗控，控制过程参数从实际运行参数中选定，人工输入到控制回路中。随着设备使用时间的延长，仪表系统的故障率也不断增加，制约了自热炉的正常发挥。为此，1 9 9 7 年利用美国霍尼维尔公司的s c a n 3 0 0 0 及$ 9 0 0 0 计算机集昆明理工大学 | 页上学位论文第一章绪论散控制系统替代了原分散仪表监控方式，降低了仪表系统的故障率。但是，冶炼过程的控制还必须由人工来实现，控制的好坏取决于工艺技术人员拟订的技术条件和操作人员的经验。然而，当控制操作复杂或物料成分变化等问题出现时，操作控制会出现很大的偏差，导致粗铜过吹，炉渣过氧化，渣放不出来，炉况恶化，不但影响生产，还可能造成安全事故。为了保证自热炉能够准确配料和稳定给料，及氧枪系统中的氧气、重油、冷却水正确供给和整个系统的安全运行，应当开发计算机辅助控制系统，以稳定操作，优化生产，提高经济效益。1 2 自热熔炼工艺综述1 2 1 铜镍矿自热熔炼工艺的产生及发展为解决生态问题，降低能源消耗和提高硫化物原料综合利用率，因此提出了建立自热熔炼工艺，必须改变传统的生产工艺。实现硫化矿强氧化自热熔炼有两种方式：闪速熔炼和熔池熔炼。二者之间的区别在于：闪速熔炼主要反应发生在炉膛空间，反应体系连续相是气相( 炉气) ：熔池熔炼主要反应发生在熔池内，反应体系连续相是液相( 锍、金属或炉渣) 。最早投于生产的自热熔炼工艺应当是芬兰奥托昆普公司于1 9 4 7 年用于工业生产的奥托昆普闪速炉和1 9 5 3 年加拿大国际镍公司的氧气闪速炉( 因科闪速炉) 。2 0 世纪7 0 年代，闪速炉得到了很大发展，1 0 年间新建了1 7 台闪速炉。由于闪速炉具有在工艺和设备方面可靠，综合投资成本和生产成本低，加料量和冰铜品位高，易控制，有价元素回收率高，减少环境污染和劳动条件好等优点，越来越引起世界炼铜镍行业的重视。目前世界上已有四十多个工厂采用闪速炉工艺进行生产【2 】。“闪速熔炼”顾名思义，其反应速度很快。在闪速熔炼工艺中，将预热空气或富氧空气和干燥的精矿以一定的比例加入反应塔顶部的喷嘴中，在喷嘴内气体与精矿强烈混合，并以很大速度呈悬浮状态垂直喷入反应塔内，布满整个反应截面，并发生强烈的氧化放热反应。闪速熔炼把强化扩散和强化热交换紧密结合起来，使精矿的焙烧、熔炼和部分吹炼在一个设备中进行，从而大大强化了熔炼过程，显著提高了炉子生产能力，降低了燃料消耗，在反应塔熔化和过热的熔体( 冰铜和炉渣) 落入沉淀池澄清分离，然后分别由冰铜放出口和炉渣放出口放出，含s 0 2 浓度较高的高温炉气通过直升烟道进入换热器和收尘系统后送去制酸。闪速熔炼工艺之所以反应速度快，主要是由于它在设备上和工艺上大大地改善了硫化2物固体和熔体与氧化物气体之间的反应动力学条件，即闪速熔炼大大地增大了硫化物凝聚相的反应表面积和提高了气相中的氧浓度，强化了硫化物的氧化反应。在生产实践中，奥托昆普闪速熔炼不断得到发展。例如，实践中总结出反应塔中提供富氧空气比一般空气更有利于精矿的氧化。同时，提高烟气中的s 0 2 浓度，可以大量节约能耗和减少烟气量。因此，目前大多数采用奥托昆普闪速熔炼工艺的工厂，都采用富氧鼓风1 2 j 。闪速炉与其它熔炼方法比较，具有能耗低，烟气含s 0 2 浓度高、生产率高和能产出高品位冰铜等优点。如表1 1 所示。闪速炉的不足之处在于：1 ) 对精矿干燥的要求高( 含水小于o 3 ) ；2 ) 渣含铜高，炉渣需经电炉贫化或浮选处理后才能弃去；3 ) 烟尘率高，一般为8 1 3 ：4 ) 附属设备较复杂，闪速炉的耐火材料质量要求较高1 w 。表11 各种熔炼方法的能耗、烟气中s 0 2 浓度比裂t a b l e l 1c o m p a r e o fe n e r g y c o n s u m p t i o n a n d d e n s i t y o f s 0 2 i ns t a c k g a s e s o v a r i o u s熔炼方法产出冰铜品位能耗1 0 9 焦吨阳烟气中s 0 2 极铜反射炉熔炼生精矿3 52 1 5 4l反射炉熔炼热焙砂4 3 51 8 1 8l电炉熔炼干糖矿3 52 8 3 4 1 3少量0 2奥托昆普闪速炉2 0 0 c 热风6 1 41 3 8 8 1 5因科闪速炉5 4 31 1 6 08 0三菱法连续炼铜( 熔炼炉)6 5 52 4 6 81 4 1 5诺兰达连续炼铜7 5 01 4 3 31 7“熔池熔炼”是在粉状的硫化精矿加入熔体的同时，向熔体鼓入空气或富氧空气，由于鼓风向熔池中压入了气泡，当气泡通过熔池上升时造成“熔体柱”运动。这样便给熔体输入了很大的能量，使熔体翻滚、搅动，以及喷溅，熔体在与气流或气泡的接触中进行氧化和造渣反应，伴随着放出大量的热，维持过程的进昆明理 一大学硕士学位论文第一章绪论行，形成的冰铜和炉渣在沿炉子长度的无风眼区或前床沉清分离。熔池熔炼具有如下的特点 3 j ：1 ) 精矿和熔剂加入到强烈湍动的熔体熔池内；2 ) 炉料的熔化是通过熔体的溶解和浸蚀；3 ) 熔体内的硫化物氧化作用是借助于液一气相质量传递；4 ) 熔剂的造渣是靠固一液相反应来完成；5 ) 精矿不需要特殊的配料和特别的干燥( 含水可在6 8 的范围) ，这一点，也是熔池熔炼的优点之一，免去了如闪速炉那样庞大严格的干燥工序。熔池熔炼根据供风和加料方式的不同可分为侧吹、顶吹和底吹三种类型，见表1 2 f ”。表】2 熔池熔炼的供风和加料方式t a b l e i 2m o d e so f s u p p l y i n go x y g e na n df e e d i n gm a t e r i a li nm o l t e np o o ls m e l t i n g熔池熔炼方法供风方式加料方式氧化性气体固体物料_诺兰达法浸没风眼上部加制粒料侧瓦纽科夫法漫没风眼上部加制粒料吹白银法浸没风眼上部加料特尼恩特法浸没风眼从风跟喷吹三菱法顶吹喷枪顶吹喷枪顶艾萨熔炼法顶吹喷枪上部加制粒料吹卡尔多炉法顶吹喷枪顶部喷枪：北镍法顶吹喷枪顶部加料底q s l 法底吹喷枪上部加制粒料吹水口山熔炼法底吹喷枪上部加制粒料侧吹熔池熔炼在工业上应用最早的是诺兰达法。全世界的铜矿约有8 0 是用p s 转炉生产的，这是一项极其成熟的技术。但单台p s 转炉上有4 5 的时间是处于鼓风状态，设备操作处在停停开开的频繁变动之中。如果要提高送风效率，就必须对多台p s 转炉进行精心的计划调度，才能获得良好的生产结果。而且多台转炉需要有多个烟气处理系统才能满足对环境保护的严格要求。为此，诺兰达矿业公司从1 9 6 4 年开始研究连续吹炼工艺，将传统p s 转炉进行改进开发出了诺兰达连续炼铜的技术【4 j 。1 9 6 8 年建立一个半工业规模的试验厂，每天处理昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论1 0 0 吨精矿。1 9 7 3 年，第一台日处理7 2 6 吨铜精矿的诺兰达反应器在加拿大霍恩冶炼厂投入工业生产。它是一个与p s 转炉相似的水平圆筒形炉子，长约2 l 米，内径5 米，炉壳内砌铬镁砖，炉身有传动装置，必要时可转动4 8 。，使风口露出熔池，设有风眼、放铜口和放渣口，两端设有天然气或油喷嘴。制粒精矿和熔剂用带式抛料机加到前端熔池，烟气由靠近尾端的炉1 3 排出。它通过在一台炉子内充分利用吹炼反应放出的热来减少燃料消耗，冶炼厂厂房以及废热锅炉，烟道和电收尘器等辅助设备的规格都较小。它与传统熔炼法不同，渣含铜与精矿品位无关。各种组成的渣都能成功地用选矿方法处理，产出返回用的高品位铜精矿和废弃的低铜尾矿。尤为重要的是，这种方法连续产出一种适宜制硫酸的、s o ：浓度高的炉气。诺兰达法可以生产出金属铜，也可以产出冰铜。最佳方案是利用富氧( 达3 5 ) 鼓风熔炼成富冰铜( c u 7 0 ) ，然后在普通转炉中吹炼成粗铜，炉渣用浮选法处理【5 1 。我国大冶冶炼厂从加拿大引进诺兰达法取代原有的反射炉炼铜。1 9 9 7 年投产，该法对原料的适应性强，流程简单，但炉口与烟罩密封不严，漏风较大，开炉比较困难。瓦纽科夫法是5 0 年代由俄罗斯莫斯科钢铁与合金研究院a v 瓦纽科夫教授发明的。但直到1 9 7 7 年第一台用于： 业生产的2 0 m 2 的瓦纽科夫炉才在诺里尔斯克铜冶炼厂建成投产。8 0 年代又建成了两台4 8m 2 的瓦纽科夫炉，取代了原来的反射炉熔炼。其原理是，湿的给料，如精矿、熔剂和返料，通过炉顶加料口加入强烈搅拌的熔体中，富氧空气通过侧风e l 鼓入渣层，侧风口位置约低于熔池面0 5 m 。鼓入的富氧空气使熔体强烈搅拌，也使硫化物与从熔体中排出的硫氧化为气体，如果需要也会使燃料燃烧，强烈地搅拌为加入的物料迅速而均匀地分布在熔体中提供了条件，从而导致发生高速率的化学反应。该法最大的特点是冰铜品位高( 4 0 6 0 ) ，炉渣含铜低( 0 4 0 5 5 ) ，无须单独贫化处理而可以达弃渣要求f 6 l 。我国白银炼铜法从2 0 世纪7 0 年代开始试验。1 9 8 0 年，设计年产粗铜3 万吨，熔池面积为1 0 0m 2 的白银炼铜炉投入工业生产。白银炼铜炉的炉型与反射炉相似，炉内由两道隔墙将炉子分为三个层：熔炼层、沉淀层和冰铜层，每道隔墙下都有通道，使三个层既分开又相互沟通。熔炼层顶部设有加料e l ，两侧墙下设有侧吹风口。炉料由炉顶投在熔炼层的熔池面上，从风1 3 以0 - 2 o 3 m p a 的压力、3 0 0 m s 左右的速度向熔体内的铜锍层喷吹空气或富氧强烈搅拌熔池形成沸腾喷溅状态陋1 。被搅动的熔体加热、熔化和氧化，进行熔炼过程。该法将进步提高鼓风强度和富氧浓度，从而提高熔炼脱硫率、冰铜品位和炉床能力，以实现富氧昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论自热熔炼。表13 侧吹熔池熔炼生产实例mt a b l e l 3p r o d u d n g e a m m p l e s o f s i d e - b l o w n m o l t e n p o o ls m e l t i n g特尼恩特炼铜法1 9 7 7 年在智利卡勒托斯炼铜厂采用。特尼恩特转炉为改进的p s 转炉，简体延长至1 7 m ，靠近一端墙有一加料口，该端墙设有渣放出通道；自锍放出口在另一端墙，反射炉来的铜锍周期性的从加料口倒入。而湿精矿与熔剂及磨细的返料混合后通过加料口连续加入。炉渣与金属的排放随转炉吹炼进行。经：下断研究与开发，特尼恩特转炉氧气熔炼成为一种熔炼矿产铜锍的自热熔炼精矿处理过程，干精矿通过料枪喷入到熔体中，鼓风氧含量调节到满足过程的热需求。目前这种方法已在智利五家铜厂应用。从资料报导可以看出，该法炉子寿命仅6 个月，弃渣含铜高达0 9 5 【l 】。表1 3 列举了诺兰达法、瓦纽科夫法、特尼恩特法和白银法4 种侧吹熔池熔6昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论炼方法的生产实例。顶吹熔池熔炼在工业上应用较早的是三菱法，该法1 9 5 9 年日本三菱( 株)中央研究所开始研究，1 9 7 4 年在日本直岛炼铜厂投入工业生产。】9 8 1 年加拿大奇德克里克冶炼厂第二个采用三菱法连续炼铜。三菱法由熔炼炉、贫化炉和吹炼炉三个固定的炉子组成。炉子之间以流槽连接，熔体靠重力自流。熔炼炉采用薄渣层操作( 渣层厚1 0 0 2 0 0n f f l l ) ，因而可以采用低风压( o 1 o 2 m p a ) 进行顶吹。由于渣层薄，物料喷入熔池，熔炼反应主要在冰铜层进行【l 】。艾萨熔炼法( i s a s m e l t ) 是由芒特艾萨矿山有限公司( m i m ) 和澳大利亚联邦科学与工业研究组织( c s i r o ) 于1 9 7 3 年开始研究开发的一项新的冶炼技术口】其冶炼设备称之为艾萨炉，其核心技术是采用了浸没式顶吹燃烧喷枪。艾萨炉炉体是简单的竖式圆筒形，炉料从炉顶加入，空气或富氧通过从炉顶中心插入的浸没式喷枪，以0 1 m p a 的压力吹入熔池，熔池温度1 1 7 0 1 2 0 0 。喷枪头部浸没在熔池的熔渣层内，所以散入熔池的空气或富氧空气也进入到渣面以下的液态层中，形成强烈搅动状态的熔池，炉料直接落入此熔池中，快速被卷入熔体与吹入的氧反应，炉料被迅速熔化。生成的炉渣和铜锍由放出口放出到沉降炉，在沉降炉内实现渣锍分离。艾萨熔炼法具有以下优点：对炉料有较大的适应性，对炉料准备要求低，含水1 0 以下的炉料可直接入炉；熔炼过程中，熔池剧烈搅动，极大地增强了反应过程的传质和传热强度，大大提高了反应速度，热效率高，床能力大：炉子结构简单，不转动，占地小，投资低；鼓风压力低，动力消耗较小；烟气稳定，烟尘率低：烟气中s o ：浓度高。但艾萨炉炉寿命较低，喷枪寿命较短“1 。艾萨熔炼法与三菱法不同的是：三菱法是多喷枪，精矿要干燥到含水低于0 5 ；艾萨法是单喷枪，精矿不需干燥。8 0 年代初澳大利亚奥斯麦特( a u s m e l t ) 有限公司成立，研究并开发了奥斯麦特冶炼工艺，其冶炼设备称之为奥斯炉。炉子形状及喷枪与艾萨炉基本相同。艾萨炉、奥斯炉其实质均属于浸没式顶吹熔炼炉。我国中条山、铜陵二冶炼厂、云南冶炼厂均引进了该项技术，熔炼铜精矿。卡尔多转炉最初是炼钢炉，1 9 7 3 年加拿大铜崖冶炼厂用5 0 吨卡尔多炉将高冰镍吹成粗镍，1 9 7 6 年瑞典隆斯卡尔冶炼厂用卡尔多炉处理铜厂的含铅、锌、砷的烟尘。金川有色金属公司用8 吨卡尔多炉吹炼二次铜精矿成粗铜。卡尔多炉是用工业纯氧吹炼，其操作温度比普通转炉要高，并且能随意控制。熔池的搅拌也可以借改变炉体角度、气流速度与旋转速度而予以控制。此外，卡尔多炉熟效率也较普通转炉为高。但炉子的维修费用高，烟鸯不连续，s 伤回收较困难。表1 4昆明理工大学硕上学位论文第一章绪。鲁为顶吹熔池熔炼生产实例。表1 4 顶吹熔池熔炼生产实例7 】【8 】t a b l e l 4p r o d u c i n ge x a m p l e so f t o p - b l o w nm o l t e np o o ls m e l i t i n g在新研究的并已运用于工业试验规模的自热熔炼法中还有q s l 直接炼铅法和中国水口山氧气底吹转炉直接炼铅法。它们都是在一台加长的类似窑的炉子内，从底部喷吹氧气，连续自热的将硫化铅精矿直接熔炼成粗铅，水口山法目前已用来炼铜。它们的共同特点是氧的利用率高( 几乎为1 0 0 ) ，硫的利用率高( 达9 7 5 ) ，炉子操作灵活方便，劳动条件好及成本低等。纵观8 0 年代以后新建的自热熔炼炉，可以看出自热熔炼法的发展趋势如下：1 、高投料量，高冰铜品位，高富氧浓度，高热强度技术是自热熔炼技术发展的总趋势；2 、采用闪速熔炼法的比例可能降低，而熔池熔炼法的比例可能增长【9 】；3 、新型处理炉渣其贫化法在发展；4 、在设备形成方面注意更广泛地利用汽化冷却元件，利用烟气和炉渣的余热；5 、冶炼过程自动控制技术和自动化装备水平要求越来越高。昆叫理工犬学硕士学位论文第一章绪论1 2 2 北镍公司氧气顶吹自热炉的产生及特点i l0 】氧气顶吹自热熔炼工艺，即北镍法，归入熔池熔炼一类。它应用于铜镍生产的想法是从六十年代转炉炼钢的辉煌成就引起的。1 9 6 9 年，北镍公司接受了第一批诺里尔斯克的铜镍矿石，含镍2 8 3 5 ，用矿热电炉熔炼这种矿石时，冰镍品位很低( n i 6 1 1 ) ，经济上很不合算，从而萌发了用氧气顶吹法处理这种矿石的想法。1 9 7 0 年列宁格勒镍设计院和北镍公司委托芒切哥尔斯克分院进行筹备。1 9 7 1 年北方镍公司中心试验室进行了诺里尔斯克矿氧气顶吹自热熔炼的工业试验，取得了良好效果。1 9 7 2 年决定在北镍公司建造固定式顶吹工业试验设施，1 9 7 7 年丌始施工，1 9 8 2 年底建成并开始工业试验，1 9 8 5 年改进了直升烟道汽化冷却器，1 9 8 6 年转入工业生产。自热炉为圆柱形，炉床面积1 7 - 8 平方米，高1 1 4 米，炉子的渣线处炉衬内嵌有六层方形冷却铜管，氧枪是水冷的，紫铜枪头上有三个直径2 1m m 的喷嘴( 三孔喷枪) ，吹炼氧压为o 9 8 1 1 7 m p a ，枪高( 喷枪下端至渣面) 1 0 0 0 咖，渣层高度1 2 0 0 4 2 0 0 0n l l f l ，氧气流股深入熔池达1 0 0 0 衄。同时，氧气流与熔体的强烈循环流动，既保证固体物料( 矿石、石英等) 熔化时所需的传质，又保证气流中的氧被熔体完全吸收。矿石与石英直接加入吹风区，迅速熔化，炉内不存在料坡。自热炉的炉渣在三电极矩形电炉内贫化，电炉容量1 6 5 0 0 千伏安，炉床面积8 2m 2 。冰铜送转炉吹炼，烟气经余热锅炉、电收尘后送硫酸厂。在自热熔炼时，液体渣池中发生炉料熔化和硫化物的氧化过程。硫化铁与气态氧直接接触并与熔渣中的高价氧化铁相互作用而被氧化。在正常操作的情况下，氧的吸收率达到百分之百。矿石的熔化速度为4 0 吨j 、时。当矿石含硫低于2 5 时，往炉内添加燃料。北方镍公司的顶吹氧气自热熔炼有以下优点：1 ) 备料简化矿石、熔剂、煤等：郭不需要特殊加工，只要破碎到粒度小于4 0衄能够顺利通过加料管即可。对水分也无严格要求，只要在运输过程中不飞扬、不粘结运输设备、不堵塞加料管。对铜镍精矿而言，含水5 7 即可。2 ) 设备简单主要设备立式固定氧气顶吹炉是一台圆形炉子，在钢板外壳内砌上耐火衬里，在渣层区的耐火衬里中嵌有六层水冷铜水套。氧枪结构也很简单，不需要复杂精密的加工设备。因此。设备制造容易、加工周期短、所需资金少。3 ) 操作容易日常生产控制给氧量不变，调节给料量就能维持正常操作，控制的技术参数少，一般工人都能掌握。开炉速度快，旧炉修好后半天就能转入正9昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论常生产。4 ) 烟气s 0 2 浓度高出炉烟气s 0 2 达4 0 以上，可与转炉烟气或其他含s 0 2较低的烟气混合后送去制酸，为全面回收冶炼烟气创造了条件，为保证酸厂顺利生产、减少制酸尾气排放s 0 2 量提供了可能性。5 ) 能耗低，金属回收率、硫利用率高此法与某厂电炉熔炼流程相比，经计算能耗可降低3 0 。n i 、c o 、s 的回收率分别可提高3 、1 2 、1 0 ，劳动定员也可以减少。但是顶吹自热熔炼氧气压力高，喷溅的熔融物粘结在直升烟道拐弯处，需要定期清理，影响作业率；烟气含水、尘、s 0 2 、s 0 3 高，对烟气冷却除尘系统不利，增加收尘成本。苏联北方镍工业公司与前面介绍的其它几种自热熔炼方式有本质的不同，主要表现在它与其它几种自热熔炼工艺的反应区不同。氧气项吹喷枪吹入的是工业氧，氧枪头部并不插入渣层，距渣面1 米。1 2 3 金川公司氧气顶吹自热熔炼炉综述【1 1 】金川公司是我国最大的镍工业基地，也是主要的铜生产基地。它的一期铜镍精矿的火法熔炼是采用焙烧一电炉传统流程，已生产了二十多年。但该工艺电耗高，烟气中二氧化硫浓度低，难以回收利用，经回转窑或沸腾炉焙烧的热焙砂放料，收尘装置及运输设备均难以解决，粉尘飞扬，严重污染环境。为了改变这种落后面貌，金川公司二期工程采用了闪速熔炼新工艺，然而由于该工艺依然存在着备料要求严格，设备复杂及基建投资大等缺点，不适合用来改造一期熔炼工艺。1 9 8 9 年j l - j 月，苏联列宁格勒设计院代表团到金川公司商谈铜熔炼技术转让问题，介绍了北方镍公司的自热熔炼铜镍技术，引起金川公司工程技术人员的兴趣。1 9 9 0 年4 月，金川公司的工程技术人员考察了北镍公司的氧气顶吹自热熔炼，认为此法比电炉熔炼节能，便于硫的综合回收利用，不需要复杂的备料工艺，不存在热粉料的输送问题，有利于环境保护，设备简单，基建投资低，适合金川公司一期冶炼的改造。由于北方镍公司的氧气顶欧炉使用的是块矿，含m g o 低( 2 4 ) ，硫高( 2 5 2 8 ) 。而金川1 公司原料是精矿，含m g o 高( 7 9 ) ，硫低( - - 2 。2 渣相余川自热炉炼铜由于资源限制，采用了传统的铁橄榄石渣。此体系的性质在高氧势下常以f e o f e 2 0 3 一s i 0 2 体系来描述。图2 4 f e o - - f e i 0 3 - - s i 0 2 体系状态图嘲f i g 2 4s t a t ed i a g r a mo f f e o - - f e 2 0 3 - - s i 0 2s y s t e m由图2 4 可见，铁橄榄石融熔区所包含的区域很小。在1 3 0 0 ( 2 时，磁性氧化明理工大学硕：t 学位论文第二章自热熔炼迫程的物理化学分析铁析出的平衡氧压介于1 0 喝1 0 。6 a t m 间，随着炉渣组成不同，平衡氧压有所差异。对于自热熔炼过程，由炉渣成分可知，炉渣中s i 0 2 为2 5 3 5 ，气相中实际氧压远大于1 0 。6 a r m ，因此在熔炼时，渣相中很容易析出磁性氧化铁。当炉渣中有磁性氧化铁析出时，可用下列反应来表示磁性氧化铁、锍相和渣相的平衡l o f e o s i a g + s 0 2 ( g ) = 3 f e 3 0 4 + f e s ( n 1 雒时( 2 1 8 )可以看出，在低的f e s 活度、高的f e o 活度和高的s 0 2 分压条件下，它以1 0 次方影响着平衡常数。在高达1 2 5 0 的熔炼条件下，：赶都认为磁性氧化铁可从s i 0 2 饱和的硅酸铁渣中沉淀出来，但在更高温度下各研究者的看法就不一致了。n e g u c h i 和a y a z a w a 称，在1 3 0 04 c 时，在白锍、粗铜和s i 0 2 饱和的硅酸铁饱和铁平衡体系( 铜相中硫约1 ，炉渣中硫小于0 1 ) 中已观察到磁性氧化铁的沉淀。e b j o h a n s a n 2 5 1 等人也观察到类似的结果。但w o e k s e n 在1 9 4 8 年发现，1 3 0 0 时，在于铜铁合金平衡条件下，s i 0 2 饱和的硅酸铁与硅酸铜熔体具有连续互溶性。j f e l l i o t t t 2 7 1 也持有同样的观点。u k u x m a n 和j f m e y e r g n m o 、) l ，1 2 8 1 关于铜和铁在金属和s i 0 2 饱和渣之间的分配研究表明，尽管在1 2 0 0 时，渣含铜约5 时磁性氧化铁已达到饱和，但1 3 0 0 时并无这样的溶解限制。图2 5 为在s i 0 2 饱和时p 。= 1 0 1 3 2 5 p a 时条件下铜熔炼的综合相平衡修正图。s 0 2 分压低于1 0 1 3 2 5 p a 时，白锍和粗铜的平衡曲线2 以及锍中f e s 的活度曲线向低氧势方向移动；而炉渣中s i 0 2 未饱和时，磁性氧化铁的沉淀曲线向较高的温度方向移动。从图中可以看出，在自热炉体系中，尽管渣中s i 0 2 接近饱和，但由于炉内实际氧势很高，生产中磁性氧化铁很容易从渣中析出。自热炉炉渣的另一个特点是渣中铜含量相当商，实际生产甲渣含铜为1 0 1 5 ，对于渣中铜的损失可从机械悬浮和化学溶解两方面来解释。而化学溶解可采用c u 2 s 和c u 2 0 在渣中的溶解来描述【2 ”。对于自热熔炼炉熔炼铜精矿，和其它连续炼铜过程相同，熔炼是在高氧势条件下进行的，c u 2 0 是化学溶解的主要形式。3 冰铜相由于f e s 与o 的结合能力远大于c u s 与o 的结合能力，对于有液相含硫粗铜稳定存在的四相平衡共存体系中，冰铜捆为自冰锅或含铁根低的冰铜。明理工大学硕士学位论文第二章自热熔炼过程的物理化学分析l ( 4 )0 ( _ 5 )一1 ( 6 )2 ( - 7 )3 ( 8 )1 价图2 , 5 在饱和s i 踢和1 0 1 3 2 5 p a s 0 2 分压条件下铜熔炼中的相关系刚f i 9 2 5 嘲鲥跚曲肇m c o p p e r 锄e i 丘n g 砒s i i 栅锄e d m d l 0 1 3 2 5 a a s c h锍中；= 摹口冰铜一金属磁性氧化铁冰铜一磁性氧化铁一炉渣l t 1 畎k )图2 6 各种三相平衡体系中铁含量和温度的关系 2 0 lf i g 2 6r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni r o nc o n t e n ta n dt e m p e r a t u r ei na l lt h r e ep h a s e se q u i r i l i b r i u ms y s t e m由图2 6 可以看出，在各种三相平衡的冰铜中铁的含量都是很低的。与传统铜熔炼的冰铜相比，自熟熔炼炉体系的冰铜相更接近于白冰铜，实际是几乎不包符冒帕仝岔b明理工大学硕士学位论文第二章自热熔炼过程的物理化学分析含铁的饱和了金属铜的c u 2 s 。4 粗铜相对于自热炉体系中的粗铜相，其主要组成为c u 、n i 、s ，另外还有少量的f e 、o ，但其含量极低。图2 7 给出在与硅酸铁炉渣平衡时铜中f e 、0 含量与氧势的关系。董霞罨!暑芏簋式。兰nl o g p 0 2图2 7 与硅酸铁炉渣相平衡的铜中铁和氧的含量【3 0 】f i g 2 7i r o na n do x y g e nc o n t e n t si nl i q u i dc o p p e ri ne q u i l i b r i u mw i t hs i l i c a - s a t t u a t e di r o ns i l i c a t es l a g s2 1 5 影响自热熔炼的因素分析自热熔炼炉是一个典型的具有多变量的复杂系统，影响因素很多，如精矿加入量、加料速度、熔剂配入量、重油流量、氧气流量、熔炼温度、炉内压力、氧气压力、氧枪高度、粗铜品位、炉气温度、炉气成分、炉渣成分等。根据自热熔炼原理、生产实际情况及前人研究成果，选取主要影响因素分析如下；( 1 ) 原料配入量。金川公司自热炉处理的矿石为二次铜精矿，其化学成分见表2 1 。通常，任一自热熔炼过程都需要精确计算装入炉内的物料及成分。例如，当每小时熔炼炉装料为1 0 0 吨时，若其量值变化不加控制，那么哪怕变化量为1 2吨d , 时，也将使冰铜中铜含量波动达到百分之几，会使热平衡遭到破坏。氧气自热熔炼最大的安全事故是“冒渣”。当炉内断料，造成炉渣过氧化时，生成一种“泡沫渣”，会从烟道、加料口、氧枪口猛烈地向外喷出，烧坏设备。严明理工大学硕士学位论文第二章自热熔炼过程的物理化学分析重时，威胁人身安全，所以自热熔炼保证物料的供应十分重要。自热熔炼二次铜精矿用电子皮带秤( 申克秤) 控制，以恒定的给料速度连续送入炉内，给料速度一定( t h ) ，氧量、燃料和熔剂量也以一定的比例送入炉内。改变给料速度，氧、燃料、熔剂等随之改变，控制器调节好给料速度，也就能控制好熔炼过程。二次铜精矿化学成分一般变化：不大，但精矿含水在5 8 的范围内变动，含水量的变动影响到烟尘量和加料量，含水低于6 ，烟尘率为精矿量的4 6 ，含水量大于8 ，烟尘率为2 3 。但当精矿含水大于1 0 时，会粘结运输皮带和进料流槽。为了保证精矿加入量的准确性，必须先要控制和稳定好精矿水分。另外，熔剂是跟精矿一块配入的。熔剂的加入除要保证配入量外，由上述热力学分析及生产经验可知，为防止大量生成四氧化三铁，还要加入过量的石英熔剂。为此，对石英熔剂粒度也要有严格的要求，最好是1 0 1 5 彻。最后，要加强设备及控制仪表的维护与检测，尽量避免或减少设备及仪表的故障率。( 2 j 氧气流量自热熔炼过程中使用工业纯氧，为了使熔炼过程顺利进行，达到预定的生产指标要求，需要精确控制氧气流量。提高氧量则会造成熔体过氧化，大量的c u e 0与新加入精矿中的c u 2 s 发生剧烈反应，产生喷溅事故，另外，使二次铜精矿中的镍大量氧化，生成高熔点的氧化镍，并使f e o 进一步氧化成四氧化三铁，导致渣熔点升高，形成固体渣壳；反之，减少氧量则导致脱硫率和炉内温度的降低，粗铜品位达不到下一步吹炼要求，加重后续过程卡尔多炉吹炼的负担。通常情况下，氧枪头部的粘接影响氧气的流量。当氧枪离渣面太近或炉渣粘度太大都会使氧枪头部被粘结成个大团，严重时会堵住喷嘴，使氧量急剧减少，甚至“断氧”。因此，必须经常把氧枪从炉内提出，进行检查和清理。( 3 ) 氧枪的枪位高度。氧枪高度是指喷头端面到熔体表面的垂直距离，枪位过高，氧气流股对熔池的搅拌效果差，易造成熔液的局部过吹，引起喷渣，使过程不能进行。枪位过低，氧枪喷头易蚀损，炉衬冲刷严重，枪头粘渣厉害，需经常清理，影响了作业率。因此，需要找出最佳氧枪枪位高度。( 4 ) 氧气压力。根据实际生产经验，氧压过高，不但增加动力消耗，炉内喷溅厉害，冲刷炉墙和炉顶，同时烟尘率增加，造成烟道堵塞。氧压过低，则不能充分保证固体物料熔化时所需的传热、传质条件。明理工大学硕士学位论文第二章自热熔炼过程的物理化学分析( 5 ) 重油流量。重油输送系统、温度、流量波动对自热熔炼过程都会造成极大的影响。重油供入过多，这不但增加能量消耗，影响生产成本，而且会造成其不完全燃烧，大量一氧化碳进入烟道中燃烧，会产生爆炸的危险：反之，重油供入过少，使氧气过剩，将会造成熔体过氧化。重油温度一般控制在9 0 1 0 5 ，低于8 0 。c 时，重油粘度大，流动性很差，使氧枪供油量减少，甚至氧枪的油嘴被堵塞，吹炼无法进行。( 6 ) 熔池深度。熔池深度包括渣层和粗铜层的总高度。吹炼过程中如果总的熔池深度过高，则会造成喷溅，炉顶、竖烟道及汽化冷却器粘结严重，同时熔池下部温度低，四氧化三铁易沉底积铁严重，粗铜放出困难。如果熔池深度过低，则会使炉子热容量减少，造成吹炼困难。熔池深度不够，也会使渣层变薄，和冰铜分离不好，渣中含铜镍高。因此，在实际生产中需要确定最佳熔池深度的范围。( 7 ) 炉内负压保证自热熔炼炉炉内压力稳定是自热炉正常工作的重要条件。负压过大，大量冷风进入炉内，造成氧过剩，烟尘率增加。负压太小，炉内烟气外逸，恶化操作环境。正常情况下，炉内负压控制在一1 0 p a + 1 0 p a 。( 8 ) 粗铜品位自热炉最终产品是含硫粗铜，其含铜品位高低影响到下步卡尔多炉吹炼工序。当粗铜品位过低，粗铜量增加，租铜中镍也增加，延长了卡尔多炉吹炼时间。反之，则会缩短卡尔多炉吹炼时间，但自热炉渣量增加，直收率降低。粗铜主要成分见表2 4 。表2 4 含硫粗铜的主要成分t a b l e 2 4m a i nc o m p o s i t i o no fb l i s t e rc o p p e rw i t hs u l p h u r ( 9 ) 熔炼温度自热熔炼，由于二次铜精矿含硫低，需补充重油，才能维持熔炼温度。所以炉温高低是与重油消耗量相联系的。自热炉要求粗铜温度达1 2 2 0 。c ，炉渣温度1 2 8 0 c ，烟气温度1 0 5 0 c 。当温度偏低，粗铜和炉渣放不出来，熔炼过程就得终明理工大学硕士学位论文第二章自热熔炼过程的物理化学分析止。( 1 0 ) 炉渣成分炉渣成分直接影响到熔炼温度和回收率，主要成分见表2 5 。表2 5 炉渣主要成分t a b l e 2 5 m a i nc o m p o s i t i o no f s l a g ( 1 1 ) 炉气成分炉气中s o 。的波动证明炉况不稳定，也影响到下一步硫酸的生产。自热熔炼烟气含s 0 2 一般为1 8 2 1 。以上各影响因素是息息相关、相互影响、相互依存的，但只要稳定给料量、氧气量、重油量，就可以稳定炉况，产出合格的粗铜。2 2 自热熔炼工艺的机理模型自热熔炼工艺的机理模型包括自热炉熔炼过程的物料平衡和热平衡计算模型，可以指导模糊控制器如何将操作条件调整到最佳值，其计算流程如图2 8 所示。流程图说明：1 输入给定值中t 为