（有色金属冶金专业论文）纯体系铝酸钙炉渣配料优化数学模型的建立.pdf

二己、t 、jf “ 1 ad i s s e r t a t i o ni nn o n f e r r o u sm e t a l l u r g y e s t a b l i s h m e n to f c o m p o u n d i n go p t i m u m m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ep u r es y s t e mo f c a l c i u ma l u m i n a t e s l a g b yg e n gh o n g j u a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o ry uh a i y a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y 2 0 0 8 m 24帅8 i舢y rr-i，ir r 、 协广il j1 n l 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：c 匕 思o 学位敝作者签名：铲钮均 日期：2 d 锣7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 黧置嚣督 签字日期：2d d 汐7 ， 。 导师签名j 污葛 签字日期： 乃、7 7 下。讧! ，ill；lj 崎，一 、；一=， _一0 寸0；_、 开一 伊 东北大学硕士学位论文摘要 纯体系铝酸钙炉渣配料优化数学模型的建立 摘要 广西贵港高铁、高硅三水铝石型铝土矿的开发利用方案_ 烧结一高炉冶炼一提 取氧化铝”已经被证实经济上、技术上可行。工业试验打通了该方案中“烧结一高炉冶炼” 的工艺流程。在整个工艺中，铁的回收率可达9 8 ，炉渣自粉率达9 7 以上、氧化铝浸 出率达8 1 6 4 。 高炉冶炼产生的铝酸钙炉渣作为提取氧化铝的物料，其性能直接影响到氧化铝的回 收。铝酸钙炉渣的主要成分是七铝十二钙和硅酸二钙。鉴于实际炉渣成分复杂、氧化铝 浸出率较低，本文在前人工作的基础上，对“高炉冶炼”部分的物料配比优化采用复杂化 学平衡计算方法进行了理论研究，建立了纯体系铝酸钙炉渣配料优化数学模型。 基于最小自由能原理建立了铝酸钙炉渣c a o s i 0 2 二元系、c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 三元系 配料优化数学模型。本文考察了配钙量对体系中s i 0 2 、a 1 2 0 3 走向的影响，模型运算结 果与实际烧结试验结果趋势一致，都是在c s - - 2 、c a = 1 7 时得到最佳炉渣，而在其他 配比下炉渣成份比较复杂。 基于质量作用方程组法建立了铝酸钙炉渣c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 m g o 四元系配料优化数 学模型，运用该模型计算了不同m g o 添加量下炉渣的平衡组成。同时，通过烧结试验 对该模型进行了验证。试验验证表明，模型运算结果与实际烧结试验结果趋势一致， m g o 主要改变了物料中a 1 2 0 3 的走向。随着m g o 添加量的提高，物料中a 1 2 0 3 的走向 从1 2 c a o 7 a 1 2 0 3 向2 0 c a o 1 3 a 1 2 0 3 3 m g o 3 s 1 0 2 转化。 关键词：铝酸钙炉渣；配料优化；数学模型；c a o s i 0 2 体系； c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 体系；c a o a 1 2 0 3 一s i 0 2 - m g o 体系 一 d 、i；t，。i， i。 ； 争 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t e s t a b l i s h m e n to fc o m p o u n d i n go p t i m u mm a t h e m a t i c a lm o d e l f o rt h ep u r es y s t e mo fc a l c i u ma l u m i n a t es l a g a bs t r a c t t h ee x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o np r o c e s so ft h et r i h y d r a t ea l u m i n at y p eb a u x i t ew i t hh i g h i r o na n dh i g hs i l i c ai ng u i g a n g ，g u a n g x ip r o v i n c e ，w h i c hi sc a l l e d “m i n e r a l ss i n t e r i n g b l a s t f u r n a c es m e l t i n g - a l u m i n al e a c h i n g ”p r o v e dt e c h n i c a l l ya n de c o n o m i c a l l yf e a s i b l e i n d u s t r i a l t e s to f “m i n e r a l ss i n t e r i n g - b l a s tf u r n a c es m e l t i n g a c h i e v e ds u c c e s s i nt h ew h o l ep r o c e s s ，t h e i r o ny i e l dw a su pt o9 8 ，t h ed i s i n t e g r a t i n gr a t eo ft h ec a l c i u ma l u m i n a t es l a ge x c e e d e d9 7 a n dt h el e a c h i n gr a t eo fa l u m i n ar e a c h e d81 6 4 t h ep r o p e r t yo ft h ec a l c i u ma l u m i n a t es l a gw h i c hi so b t a i n e db yb l a s tf u r n a c es m e l t i n g w i l la f f e c tt h er e c o v e r yo fa l u m i n ad i r e c t l y t h em a i nc o m p o n e n to ft h ec a l c i u ma l u m i n a t e s l a ga r e12 c a o 7 a l z 0 3a n d r - 2 c a o s i 0 2 b e c a u s eo f t h ec o m p l e x i t yo fs l a ga n dt h el o wy i e l d o fa l u m i n a , t h eb l e n d i n go p t i m i z a t i o ni nf u r n a c es m e l t i n gp r o c e s sw a sr e s e a r c h e db a s e do n t h e p r e v i o u sr e s u l t si nt h i sp a p e r c a l c u l a t i o no fc o m p l e xc h e m i c a le q u i l i b r i u mw a s i n t r o d u c e dt oe s t a b l i s ht h ec o m p o u n d i n go p t i m u mm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ep u r es y s t e mo f c a l c i u ma l u m i n a t es l a g n l ec o m p o u n d i n go p t i m u mm a t h e m a t i c a lm o d e l so fc a o s i 0 2b i n a r ys y s t e ma n d c a o - a 1 2 0 3 - s i 0 2t e r n a r ys y s t e mw e r ee s t a b l i s h e db a s e do ng i b b sf r e ee n e r g ym i n i m i z a t i o n m e t h o d n l ee f f e c to fl i m ed o s a g eo nt h ee x i s t i n gs t a t e so fa 1 2 0 3a n ds i 0 2i nt h es l a gw a s r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r n ec a l c u l a t e dr e s u l t sb yt h em a t h e m a t i c a lm o d e lw e r ec o n s i s t e n t w i lt h ep r a c t i c a lt e s td a t au l t i m a t e l y ：t h eo p t i m a ls l a gw a sa t t a i n e da tb o t hc s = 2a n d c a = 1 7 ，w h i l et h ec o m p o n e n to fs l a gw a sc o m p l e xi no t h e rc a s e s t h e c o m p o u n d i n go p t i m u m m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec a l c i u ma i u m i n a t e s l a g c o m p o s i t i o ni nc a o - m g o a 1 2 0 3 s i 0 2q u a r t e r n a r ys y s t e mw a se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so ft h e m a s sa c t i o ne q u a t i o n sm e t h o d n l ee q u i l i b r i u mc o m p o s i t i o n so ft h ec a l c i u ma l u m i n a t es l a g w i t l ld i f f e r e n tc o n t e n t so fm g ow e r ec a l c u l a t e db yt h i sm a t h e m a t i c a lm o d e l t h ev e r i f i e dt e s t s h o w e dt h a t 血ec a l c u l a t e dr e s u l t sb yt h i sm a t h e m a t i c a lm o d e l w e r ec o n s i s t e n tw i t ht h e p r a c t i c a lt e s td a t au l t i m a t e l y m g oa f f e c t e dt h ee x i s t i n gs t a t eo fa 1 2 0 3i nt h es l a g w i t ht h e i n c r e a s eo fm g oa d d i t i o n ，t h ee x i s t i n gs t a t eo fa 1 2 0 3i nt h e s l a gw a st r a n s f o r m e df r o m 12 c a o 7 a 1 2 0 3i n t o2 0 c a o 13 a 1 2 0 3 3 m g o 3 s 1 0 2 i i i ，tffij 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t k e y w o r d s ：t h ec a l c i u ma l t t m i n a t es l a g ，b l e n d i n go p t i m i z a t i o n ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ， c a o - s i 0 2b i n a r ys y s t e m ，c a o - a 1 2 0 3 一s i 0 2t e r n a r ys y s t e m ， c a o - m g o - - a 1 2 0 3 - s i 0 2q u a r t e r n a r ys y s t e m 1 一 。一、，； i 一 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 概j 苤1 ，1 1 1 我国铝土矿资源概况1 1 1 2 我国铁矿石资源概况。2 1 1 3 广西贵港高铁铝土矿概述3 1 2 广西贵港高硅高铁铝土矿综合利用研究概况4 1 3 计算机模型概述7 1 3 1 计算机模型的理论基础7 1 3 2 计算机模型的应用。8 1 4 课题的提出及研究内容1 2 1 4 1 课题的提出1 2 1 4 2 本文的研究内容1 2 第2 章试验方法1 4 2 1 烧结试验1 4 2 1 1 试验原料1 4 2 1 2 仪器设备1 4 2 1 3 试验方法1 4 2 2 算法原理1 4 第3 章二元系的配料优化1 7 3 1 引言1 7 3 2c a o s i 0 5 二元系配料优化数学模型的建立18 3 2 1 理论计算1 8 3 2 1 1 目标函数1 8 3 2 1 2 约束条件1 8 3 2 1 3 数学算法1 9 3 3 2v i s u a lb a s i c 程序的编制2 0 v 十；，、tl蠢 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 2 1a c c e s s 数据库的建立2 1 3 3 2 2 实现a c c e s s 数据库的访问2 3 3 3 2 3 建立c a o s i 0 2 二元系配料优化数学模型2 4 3 2 3 数模运算结果2 5 3 3 烧结试验验证数模2 6 3 4 本章小结2 9 第4 章三元系的配料优化3 0 4 1 引言3 0 4 1 1 铝酸钙炉渣体系3 0 4 1 2 石灰配比对炉渣矿物组成的影响3 l 4 2c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 三元系配料优化数学模型的建立3 1 4 2 1 理论计算31 4 2 1 1 目标函数和约束条件。3 2 4 2 1 2 数学算法3 2 4 2 2v i s u a lb a s i c 程序的编制一3 4 4 2 2 1a c c e s s 数据库的建立与访问3 4 4 2 2 2c a o a 1 2 0 3 - s i 0 2 三元系配料计算模型的建立：3 5 4 2 3 数模运算结果3 6 4 3 烧结试验验证数模3 8 4 4 本章小结4 0 第5 章四元系的配料优化4 1 5 1 引言4 1 5 2c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 - m g o 四元系配料优化数学模型的建立4 2 5 2 1 计算原理4 3 5 2 2v i s u a lb a s i c 编程的编制4 4 5 2 3 数模运算结果4 5 5 3 烧结试验验证数模4 6 5 4 本章小结4 8 第6 章结论4 9 参考文献5 0 致 射5 3 v i ； # 3 1 j 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 1 1 1 我国铝土矿资源概况 当前，世界铝土矿资源并不短缺，全球可用来生产氧化铝的铝土矿储量为2 3 0 亿吨， 按现有生产规模计算，可保证开发近2 0 0 年【l 】。但是中国已探明的铝土矿资源相对短缺。 随着近年来中国铝工业的快速发展，铝土矿资源的保证程度越来越令人忧虑。值得注意 的是，中国铝土矿资源基础储量为7 亿吨左右，仅占世界总储量的2 3 ，见表1 1 2 j 。但 中国氧化铝产量却将要占到世界氧化铝总产量的3 0 。据业内人士估计，按照现有铝工 业发展速度静态计算，我国现有铝土矿资源储备将只能用l o 年，远不能满足发展需要。 表1 12 0 0 2 - - 2 0 0 3 年世界铝土矿储量和储量基础 t a b e l1 1t h eb a s i cr e s e r v e so fb a u x i t ei nt h ew o r l dd u r i n g2 0 0 2 - 2 0 0 3 资料来源：m i n e r a lc o m m o d i t ys u m m a r i e s ，2 0 0 3 ；世界总计数取整数。 我国的铝土矿矿产资源分布高度集中，山西、河南、贵州、广西四省( 区) 占全国储 量的9 0 9 【3 】( 山西4 1 6 、贵州1 7 1 、河南1 6 7 、广西1 5 5 ) ，其余拥有铝土矿的 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 5 个省、自治区、直辖市的储量合计仅占全国总储量的9 1 。一 我国是世界最大的铝生产国和消费国，目前铝产量占世界总产量的比例超过3 0 ， 而且仍处于高速增长中。据中国有色金属协会统计资料显示，2 0 0 7 年，我国原铝产量为 1 2 5 0 万吨，铝实际消费量为1 2 0 0 万吨左右，铝土矿和氧化铝进口量分别为2 3 2 8 万吨和 5 0 0 万吨。2 0 0 0 - 2 0 0 6 年我国氧化铝产量、进口量及电解铝产量见表1 2 【引。按照2 5 吨 铝土矿生产1 吨氧化铝、2 吨氧化铝生产1 吨电解铝计算，我国铝资源的进口依赖程度 为6 0 。而且此产量尚出于快速增长中，未来中国铝资源对外依存度将继续提高。 表1 22 0 0 0 一- 2 0 0 6 年我国氧化铝、电解铝产量 t a b l e1 2c h i n a sy i e l do fa l u m i n aa n de l e c t r o l y t i ca l u m i n i u md u r i n g2 0 0 0 - 2 0 0 6 面对铝工业如此快的增长速度，而我国铝土矿资源又短缺明显，资源与需求之间的 矛盾已经摆在了我们的面前。因此，采用先进的氧化铝生产技术【5 j ，开发新的铝土矿资 源，扩大铝矿石的可用资源范围是我国氧化铝工业实现可持续发展的有效途径。 1 1 2 我国铁矿石资源概况 我国是世界上最大的铁矿石生产国与消费国。1 9 8 6 年以来【6 7 】，铁矿石生产与消费 均逐年增长。到1 9 9 7 年，铁矿石生产与消费量分别达到2 4 7 x 1 0 8 t 和2 9 9 x 1 0 8 t ，进1 2 1 量 达到5 2 0 0 x 1 0 4 t ，粗钢产量超过l x l 0 8 t ，位居世界第一。从2 0 0 1 到2 0 0 6 年，我国粗钢 产量从1 5 1 亿吨增加到4 2 2 亿吨，增长了1 8 倍；同时钢产量连续l o 年保持世界第一。 2 0 0 2 年我国人均钢产量达1 4 1k g ，首次超过了世界人均钢产量( 1 3 8k g ) 。2 0 0 5 年我国粗 钢产量首次超过3 亿吨，达3 4 9 3 6 1 5 万吨，2 0 0 7 年达到4 8 9 6 6 万吨，初步预测，2 0 0 8 年将达到5 3 亿吨。随着钢铁工业近年来的快速增长，自产矿石远远不能满足国民经济 强劲发展的需求，这使得我国近年来不得不大量依赖进口。特别是自1 9 9 6 年以后瞵j ，我 国更是逐年大量进口铁矿石，并平均以5 - - 6 的速度增长，成为铁矿石净进口国。 - 2 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 从2 0 0 0 年到2 0 0 6 年的短短7 年间，我国铁矿石进口量增长了3 9 倍。2 0 0 7 年我国铁矿 石进口量达3 7 3 0 0 万吨，进口依存度约为5 0 ，2 0 0 0 + 2 0 0 6 年我国铁矿石进1 ：3 情况见 表1 3 t 9 1 。 表1 32 0 0 0 - - - 2 0 0 6 年我国铁矿石进口情况 t a b l e1 3c h i n a si m p o r to fi r o no r ed u r i n g2 0 0 0 - 2 0 0 6 我国铁矿贫矿多，富矿少( 现已探明的铁矿石储量中9 8 为贫矿) ，铁矿石平均品 位只有3 3 t 1 0 】，比目前世界铁矿石供应大国平均品位低2 0 个百分点。截至2 0 0 2 年底， 我国保有铁矿产地1 9 9 5 处，保有储量5 7 8 7 2 亿t 。其中基础储量2 1 3 5 7 亿t ，资源量 3 6 5 1 5 亿t ，工业储量1 1 8 3 6 亿t 。在全部铁矿储量中，其中开发条件较好的占4 0 ， 因品位较低或开发条件较差的占4 3 ，暂难开发利用的占1 7 。目前，国内年生产原矿 石4 亿t 左右，按全国铁矿平均品位3 3 、选矿平均回收率7 5 计，可供年产钢1 亿t 所需，可供年限约3 0 年。 综合我国铝土矿、铁矿资源的开发利用情况，针对铝土矿、铁矿资源不能满足我国 工业生产要求的现状，开发和利用新的矿石资源具有重要意义。我国在上个世纪陆续发 现了四个红土型三水铝石矿，尤其以1 9 8 7 年发现的广西贵港】为最大，该矿属共( 伴) 生多金属复合矿，储量巨大且易开采，有用矿物主要为三水铝石、针铁矿、赤铁矿，三 者占矿石的7 0 - - + 8 0 ，此外，尚有钒、镓、钛、镍等金属可综合利用。该矿的开发综合 利用不仅对工业基础薄弱的广西具有重要意义，而且对于开发新资源、储备新技术，拓 宽我国可用资源范围，缓解我国二十一世纪铁、铝矿石资源紧张的局面都具有重要意义。 1 1 3 广西贵港高铁铝土矿概述 在桂中的贵港、宾阳和横县等地广泛分布着高铁低品位三水型铝土矿，探明普查储 量数千万吨，远景储量2 亿吨。这是继福建漳浦、海南蓬莱和台湾大屯山之后的我国第 - 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 四个三水型铝土矿，也是现知规模最大者。矿体由红色粘土和三水铝土矿组成，含矿量 一般为5 5 0 - - 一1 5 0 0 k g m 3 ，矿体厚度1 2 6 8 m ，埋藏浅，表土层一般为o 5 - - - 1 5 m ，绝大 部分矿石直接露出地表，采矿条件好，可采用露天开采。 矿石主要成分为a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、s i 0 2 和灼失量【l l - 13 1 ，四者之和约为9 5 。其中a 1 2 0 3 2 0 3 7 ，平均2 8 ；f e 2 0 33 5 - - 4 6 ，平均4 0 ；s i 0 2 4 - - 1 2 ，平均8 1 此外， 尚有t i 0 21 6 ，m n o1 1 ，v 2 0 50 2 2 ，g a0 0 1 7 ，k 2 00 7 8 均可利用。有害杂质 除磷( 0 1 8 ) 稍高于炼钢要求外，其他如有机碳、c a o 、m g o 、a s 、s 、p b 、z n 、s n 等均 低于氧化铝及炼钢用矿石的允许含量。矿石矿物主要为三水铝石、针铁矿、赤铁矿和高 岭石，前三者为主要有用矿物，占总量的8 5 - - 9 0 。还有锐钛矿、硬水铝石、伊利石、 锂硬锰矿等。大部分矿物结晶较差，嵌布关系极为复杂，采用各种常规选矿方法均无法 使铝铁矿物有效分离。 尽管在桂中三水铝土矿广为分布，但由于每一有用组分含量较低，不论作铝土矿还 是作铁矿均难以达到各自的工艺品位要求，不能用传统的方法生产氧化铝或铁，如果能 够对铁、铝及其他有价金属的综合利用进行研究，以缓解我国工业生产和矿产资源紧缺 之间的矛盾，这对于我国铁、铝工业的可持续发展都具有重要的理论和现实意义。 1 2 广西贵港高硅高铁铝土矿综合利用研究概况 在铝矿资源主要是一水硬铝石型铝土矿的我国发现了储量很大的三水铝石型铝土 矿，引起我国铝世界，尤其是氧化铝界的极大兴趣和关注。自1 9 8 7 年以来，许多科研、 设计院所和高等院校，针对这一资源的开发利用做了大量的试验研究工作。先后提出了 “先选矿后冶炼”、“先铝后铁”、“先铁后铝”等方梨1 3 45 1 ，其中“先铁后铝”方案又包括了“粒 铁法”、“生铁熟料法”、“金属化学还原一电炉溶分一提取氧化铝法”以及“铝土矿烧结一 高炉冶炼一提取氧化铝法”。 为了合理利用广西贵港高铁三水铝土矿，试验研究以技术可行、经济合理为准则， 衡量诸工艺方案的试验结果，得出如下结论： a 先选矿后冶炼：由于矿物组成和赋存状态的复杂性，用常规的物理选矿方法难 以将其分选，技术方案上不可行； b 先铝后铁方案技术可行，但工艺复杂，经济上不合理，难以实现工业化； c 先铁后铝四个方案中，粒铁法技术上困难较大，不可取；生铁熟料法存在回转 窑炉衬寿命短的问题，而且能耗较高：金属化学还原一电炉溶分一提取氧化铝方案，技 术上可行且经济合理，但消耗电能，根据广西目前电力资源紧张的状况，暂不适用；烧 结一高炉冶炼一提取氧化铝方案，技术可行，经济合理。 4 东j 匕大学硕士学位论文第1 章绪论 “烧结一高炉冶炼一提取氧化铝”方案【1 6 】既是将矿石( i m m 的净矿) 按比例配入 石灰石、煤粉和白灰，混料后烧结，烧结矿入高炉冶炼。在高炉内完成将铁矿物还原成 铁水，铝矿物生成铝酸钙渣系和渣铁分离过程。通过钠化吹钒从铁水中回收钒，吹钒后 铁水炼钢。铝酸钙渣用碳酸钠循环母液进行两次浸出、脱硅、分解和焙烧生产氧化铝。 浸出渣用于生产水泥。从分解母液中回收镓。根据广西的铁、铝、电力资源的情况，这 是一个较好的综合利用方案。该方案的工艺流程如图1 1 。 白灰石灰石 净矿煤粉 产品a 1 2 0 3 图1 1 “烧结一高炉冶炼一提取氧化铝”工艺流程 f i g 1 。1c r a f t w o r kf l o wo f m i n e r a l ss i n t e r i n g _ 一b l a s tf u r n a c es m e l t i n g l e a c h i n ga l u m i n a - 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 东北大学氧化铝研究室自1 9 8 9 年起便对广西高铁三水铝土矿的开发利用问题进行 了一系列的研究，最终确定的“烧结一高炉冶炼一提取氧化铝”方案通过了专家鉴定i l 酬。 经过十几年的探索研究，基本打通了该工艺的关键环节。 试验获得了供高炉冶炼所需的超高碱度烧结矿，并建立了烧结过程、碱度、碳比及 白灰配加量对各项烧结指标的回归方程【1 4 1 ，可根据需要选择最佳的操作条件。该烧结矿 碱度3 4 6 - 5 0 4 ，烧成率6 7 3 - 7 2 1 ，成品率7 0 3 8 - - - 8 3 4 9 ，转鼓指数6 2 3 3 - 6 8 1 0 ， 耐磨指数5 6 7 4 ，含f e 0 6 1 2 - - 6 3 9 ，抗水浸、抗风化性能良好【2 3 j 。碱度3 4 6 至5 0 4 的烧结矿具有较好的冶金性能、低的低温还原粉化性能、较小的软化区间、适宜的软化 温度完全能满足高炉冶炼的要求。 通过实验室研究和工业化试验【1 7 】，验证了高铁铝土矿高炉冶炼的工业可行性，打通 了综合利用方案中“烧结高炉冶炼”的工艺流程。高炉冶炼过程中，高碱度烧结矿在高炉 中冶炼顺利，炉况顺行，炉渣流动性好，渣铁排放容易。在控制缓冷条件下，铝酸钙炉 渣自粉良好，自粉率达9 7 以上。c a 为1 6 2 的炉渣满足氧化铝生产的要求，其中氧化铝 主要是以1 2 c a o 7 a 1 2 0 3 的形式存在，炉渣的氧化铝浸出率达8 1 6 4 。矿石中f e 的实收率 可达到9 8 以上。 在实验室范围内【1 8 】，研究了高炉铝酸钙炉渣的浸出性能、浸出浆液沉降分离性能， 进行了铝酸钠溶液的脱硅试验和碳酸化分解试验，并对铝酸钙炉渣的强化浸出、浸出过 程动力学进行了深入的研究。得出了铝酸钙炉渣的最佳溶出条件：调整液n a 2 c 0 3 浓度 1 2 0 9 l 、浸出时间2 h 、浸出温度7 5 * ( 2 、l s 为4 5 。并以有固相产物生成的粒径不变的 收缩未反应核模型描述了炉渣的浸出过程，在5 5 8 5 范围内，- 4 5 1 t m 炉渣浸出过程的 速率控制步骤为固膜扩散控制；浸出反应动力学方程式为： 1 + 2 ( 1 一x b ) 一3 ( 1 一x b ) 2 舟= 【1 1 0 8 e x p ( - 1 9 0 6 t ) t ， 其活化能为1 5 8 5k j m o l 。经验证实验表明，模型能较好地描述实际反应过程。在此基础 上提出了强化浸出过程的措施，一是减小炉渣粒度，二是采用湿磨浸出的破膜技术。试 验证明，两种方法均可提高炉渣中氧化铝的浸出率。 针对铝酸钙炉渣浸出过程中存在的浸出时间长( 达2 h ) 、调整液中碳钠浓度较高( 达 1 2 0 9 l ) 的问题，佟志芳【1 9 1 对微波加热技术应用于铝酸钙炉渣浸出过程进行了初步的探 索性研究。与传统加热浸出相比较，在氧化铝浸出率相同的前提下，微波浸出可降低浸 出用液的n a 2 0 c 浓度，缩短浸出时间。随着微波辐射功率的增加或反应时间的延长，反 应体系呈升温趋势，其升温速率与温度呈非线性关系：= e a r 拍，式中r 为反应体系温 度，k ；a ，b 为常数。在实验的微波辐射功率范围内，浸出反应符合有反应固相产物 - 6 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 生成的粒径不变的收缩未反应核模型，浸出反应速度受化学反应控制，表观反应活化能 为4 0 k j m o l 左右。微波非等温过程的反应动力学方程为： h f ( 1 - x ) 1 。”- 1l ( 珂一1 ) - - i n ( a l p 0 ) ( e r ) - 2 3 1 5 0 4 5 6 7 ( e e r ) 式中：x 为炉渣中氧化铝浸出率； r 为反应体系温度，k ； e 为表观反应活化能，k j m o l i p o = e 6 ，e = e + a r ，玎= 2 3 。 微波作用可改变反应的频率因子，对反应活化能影响不明显。随着微波辐射功率的 增大，频率因子增加，宏观表现出微波功率的增加对反应有促进的作用。 1 3 计算机模型概述 由于受技术进步的限制和冶金工艺的复杂性，冶金理论常常落后于冶金工艺，使得 冶金工作者对某些冶金过程知其然而不知其所以然，特别是对一些高温、高压或密闭容 器内进行的冶金过程，人们更是无法探测其真实过程是否与理论推导相互吻合。同时， 冶金过程的作业体系也通常为高温、多相、多组分的复杂体系，因此，单纯依靠实验手 段来研究这些高度复杂体系的物理化学性质是非常困难的，要想纯粹靠手工来对多相多 组分体系的平衡进行计算也是几乎不可能的。 随着计算机和数据处理技术的发展，这些困难也将随着计算机对冶金过程的模拟而 变得简单易行了。借助于计算机，一方面可以简化复杂的运算过程，提高运算的精度； 另一方面可以对复杂的工艺过程进行模拟，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，并为优化和改进现行工艺生产条件 以及工艺过程的自动控制提供理论上的指导。 1 3 1 计算机模型的理论基础 对于冶金过程中作业体系的模拟研究可分为两大类：一类是基于具体的工艺过程， 从实际生产过程中总结经验，收集大量的生产数据，采用一定的回归方程得出经验或半 经验关系式，从而得到经验或半经验模型；另一类是基于热力学平衡理论，采用热力学 数据，如各物质的吉布斯自由能、生成焓以及化学平衡常数等，通过多相多组分系统的 平衡计算来获得体系的平衡组成：从而帮助人们分析过程的热力学性质或优化工艺条 件。 由于以经验或半经验回归方程为基础的模型其精度和应用范围都会受到较多的限 制，冶金过程的模拟最常用的方法【2 0 1 是所谓的“平衡计算”，但此类模型仅适合于可看作 瞬时发生，并能迅速达到近似化学平衡的反应过程。 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 采用热力学数据进行多相多组分体系的平衡计算，从计算原理上看通用的方法主要 有两种【2 1 1 ，即质量作用方程组法和吉布斯自由能最小化法。质量作用方程组法具有简单、 直观等特点，但要求计算工作者具有丰富的化学知识，计算过程常需人为干预，非线性 方程不易收敛，后人对此提出了多种改进方法。1 9 8 3 年，赵慕愚、徐宝琨【2 2 】对质量作 用方程组法进行了新的改进，提出了一个独立组元法，并认为独立组元法具有简单、收 敛性高、对初值要求低等特点。目前国际上使用最多的是吉布斯自由能最小化法，它是 w h i t ew b 等【2 3 】人19 5 8 年提出的。最小自由能模型基于“等温等压条件下达到热力学平 衡的体系其自由能最小”的原理，运用最优化方法求解有约束条件的极值问题，从而确 定体系的平衡组成。 理论模型的优点在于充分利用了体系中的热力学平衡和化学平衡性质，运用此模型 能够更好的了解体系中各相间以及各物质问的相互关系，而不是单纯的数量上的关系， 所以理论模型能够在生产过程中起到很好的理论上的指导作用。其缺点在于：在很大程 度上，理论模型只是一种理论化的模型，而实际的生产过程非常复杂，往往偏离平衡状 态，同理想模型会有差别；另外，有些热力学数据，例如体系中各物质的活度系数是很 难准确测量的。这些因素都会限制此模型的使用范围。 计算机理论模型都是建立在一定的假设基础之上，所以与实际生产过程相比都有偏 差，但是所有的计算机模拟技术都是从理论分析和实验研究出发而不是凭空设想的。它 可以为人们提供一种比较方便、快捷的解决问题的方法。随着计算机模拟、自动化控制 和仿真技术的发展，计算机模拟会越来越逼近实际生产过程，它的实际应用也会越来越 广泛。 1 3 2 计算机模型的应用 李国栋【2 4 。2 5 1 基于g i b b s 自由能最小法对化学反应过程的优化设计进行了研究。以甲 烷部分氧化制合成气过程能量耦合工艺和s i h c l 3 法生产多晶硅闭环工艺为主要研究对 象，从认识反应过程的热力学特性入手，以优化为观点，对于同时包含放热反应和吸热 反应的复杂体系，采用g i b b s 自由能最小法，建立了能量耦合的双层优化模型，即内层 通过求解g i b b s 自由能最小问题得到平衡组成，外层通过改变进料量来实现体系的能量 耦合，在不同的温度、压力和进料配比下对反应过程进行了优化设计。 金保升等2 6 - 2 7 基于g i b b s 自由能最小化方法建立了城市生活垃圾气化熔融技术工艺 模型，模拟计算结果与已有文献的试验结果吻合良好。通过敏感性分析，获得了垃圾气 化气体低位热值和熔融温度的相互关系，在此基础上，讨论了城市生活垃圾低位热值、 垃圾含水率和气化炉过量空气系数对气化气体低位热值和气化温度的影响规律。结果表 - 8 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 明：在无辅助热源情况下，进入熔融炉的气化气体低位热值必须高于3 0 0 0l ( j m 3 ，其燃 烧绝热火焰温度方能达到1 3 5 0 ；气化气体低位热值随垃圾低位热值的增大和气化过量 空气系数的减小而显著增高；气化温度随垃圾含水率的降低和过量空气系数的增大呈现 线性升高趋势。模拟结果可为确定适合气化熔融技术的垃圾基本特性参数提供有益参 考。 凌玲等2 8 1 设计采用自由能最小法计算了白银熔池熔炼反应平衡时各相的组成；引入 n a g a m o r i t 2 9 1 的物理悬浮修正公式，估计不同冰铜品位时两相的悬浮夹杂率，对平衡计算 结果进行修正。 图1 2 计算框图 f i g1 2f l o w s h e e to fc a l c u l a t i n gp r o c e s s 9 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 采用f o r t r a n 语言编写了计算机程序，用来计算冰铜熔炼体系的物质分配情况，图 1 2 为计算框图。计算值与实际生产数据的比较表明，白银熔池熔炼体系达到或接近平 衡状态。计算了富氧熔炼时风料比和氧料比对各相组成的影响，结果表明：决定冰铜品 位的主要因素是氧料比。 铜闪速熔炼是一个高温、多相反应过程，操作变量多、变量间交互耦合效应复杂。 因此，研究建立一套能较为准确的反映铜闪速熔炼过程的数学模型，对于指导实际生产 实践，优化工艺参数有着十分重要的意义。 童长仁等基于吉布斯最小自由能原理和r a n d 【3 l 】算法，建立了铜闪速熔炼过程的 多相平衡数学模型，并利用建立的数学模型进行仿真模拟，研究各种工艺参数与铜锍品 位，渣含铜等目标参数的关系。算法原则流程图如图1 3 。 图1 3 算法原则流程图 f i g1 3t h ef l o w c h a r to fr a n da l g o r i t h m 实例验证表明，该数模能较好的反映铜闪速熔炼过程，与生产实际数据相比，铜锍 中c u 、f e 、s 含量( ) 绝对误差分别为1 4 9 、1 5 2 、o 7 1 ，相对误差为2 6 、9 7 、3 3 ； l o - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 炉渣中f c 、s i 0 2 、c u 含量( ) 绝对误差分别为1 1 9 、0 0 6 、0 5 ，相对误差为3 1 、o 2 、 1 4 4 5 。同时，利用该模型研究了铁硅比、富氧浓度、吨矿氧量对铜闪速熔炼过程的影 响，仿真结果与理论分析结果趋势一致。该数模对闪速熔炼生产过程优化控制具有一定 的指导意义和实用价值。 代正华等【3 2 。3 3 1 用g i b b s 自由能最小化方法对粉煤气化过程进行了热力学平衡分析。 在给定碳转化率和热损失并限制气化炉的温度范围的情况下