汪金良， 王軍

（江西理工大學(xué)冶金與化學(xué)工程學(xué)院，江西 贛州341000）

0 前 言

如何取消PS轉(zhuǎn)爐在一個冶金爐裝置中完成從銅精礦到粗銅產(chǎn)出的整個冶煉過程，實現(xiàn)連續(xù)煉銅，一直受到世界冶金工作者的高度關(guān)注[1].

自20世紀(jì)60年代以來，加拿大、澳大利亞、日本等國的冶金工作者相繼開展了連續(xù)煉銅技術(shù)的研究工作.

在理論研究方面，Johansen等[2]從熱力學(xué)角度討論了熔融銅锍、液態(tài)銅、被二氧化硅飽和的硅酸鐵爐渣和固態(tài)磁性氧化鐵之間的平衡，研究了各種不同熔融相的組成與溫度的關(guān)系；Jeffes等[3]開展了從黃銅精礦一步煉銅的物理化學(xué)研究；Schmiedl[4]討論了連續(xù)煉銅的物理化學(xué)，研究了銅和銅锍、銅锍和爐渣之間的平衡，確立了銅在爐渣中呈氧化銅和硫化銅的溶解性與溫度、銅锍成分的函數(shù)關(guān)系；日本的矢澤彬[5]開展了連續(xù)煉銅熱力學(xué)研究，以圖解形式闡明了連續(xù)煉銅的熱力學(xué)關(guān)系；矢澤彬和江口元德[6]還開展了連續(xù)吹煉爐渣的平衡研究，研究了CaO-Cu2OFe2O3系的液相線圖，確定了鐵酸鹽爐渣和金屬之間的平衡關(guān)系，推導(dǎo)出了氧化銅的活度.在連續(xù)煉銅計算機仿真方面，Nagamori等[7]建立了諾蘭達法銅锍熔煉和吹煉的熱力學(xué)計算機模型，該模型可計算特定條件下金屬銅、銅锍和爐渣相的化學(xué)組成；日本三菱金屬公司[8]利用數(shù)學(xué)控制模型建立了三菱連續(xù)煉銅計算機控制系統(tǒng).

在實踐研究方面，諾蘭達爐和沃克拉爐都曾進行過直接煉銅，后來諾蘭達改為生產(chǎn)高品位（約為70%）銅锍，但諾蘭達礦業(yè)有限公司認為，用諾蘭達法直接煉銅仍然是可能的[9]；沃克拉法已經(jīng)廢止；日本的三菱連續(xù)煉銅法已經(jīng)工業(yè)運行了多年；波蘭的Glogow II和澳大利亞的Olympic Dam僅用閃速熔煉一道工序就在單臺爐子上生產(chǎn)出熔融金屬銅，現(xiàn)在仍在運行[10-11]；由張文海院士提出的“閃速連續(xù)煉銅新技術(shù)開發(fā)”項目已被列入國家重大產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)項目、重大裝備專項課題研究項目和有色金屬工業(yè)中長期科技發(fā)展規(guī)劃（2006～2020年）重點項目，項目正在設(shè)計當(dāng)中.

然而，連續(xù)煉銅過程屬高溫、多相、多組分復(fù)雜體系，在一般實驗室條件下其研究工作很難開展，若直接進入半工業(yè)或工業(yè)試驗，可供借鑒的實踐經(jīng)驗甚少，且試驗投資龐大，人力物力消耗過高.因此，開展連續(xù)煉銅過程計算機仿真研究，對推進連續(xù)煉銅技術(shù)的研發(fā)具有重要意義.

為此，基于閃速連續(xù)煉銅原型[12]，通過建立閃速連續(xù)煉銅過程熱力學(xué)模型，開展閃速連續(xù)煉銅爐型研究，分析各種爐體結(jié)構(gòu)對閃速連續(xù)煉銅過程的影響，提出較為合理的爐型結(jié)構(gòu)，為閃速連續(xù)煉銅技術(shù)的研發(fā)和工業(yè)應(yīng)用提供理論依據(jù)和指導(dǎo).

1 閃速連續(xù)煉銅爐型

閃速連續(xù)煉銅爐是在吸取閃速熔煉爐和粗銅連吹爐特色與優(yōu)點的基礎(chǔ)上，集閃速熔煉爐與熔池連續(xù)吹煉爐為一體的連續(xù)煉銅設(shè)備，其最大的特點是通過設(shè)置中間隔墻，將整個爐內(nèi)反應(yīng)空間按冶煉功能劃分為閃速造锍熔煉區(qū)和連續(xù)吹煉造銅區(qū).

在閃速造锍熔煉區(qū)，銅精礦在反應(yīng)塔中瞬間完成分解、氧化、造锍和造渣反應(yīng)，得到的銅锍從隔墻底部的潛流口流入連續(xù)吹煉造銅區(qū)，被鼓入的空氣吹煉成粗銅，從靠近爐體尾部的粗銅口排出.造锍熔煉爐渣和煙氣是否進入連續(xù)吹煉造銅區(qū)，由閃速連續(xù)煉銅爐型結(jié)構(gòu)決定.

根據(jù)造锍熔煉爐渣和煙氣流動方式的差異，閃速連續(xù)煉銅爐體雛形可分為帶渣吹煉單煙道連續(xù)煉銅爐體、甩渣吹煉單煙道連續(xù)煉銅爐體、帶渣吹煉雙煙道連續(xù)煉銅爐體和甩渣吹煉雙煙道連續(xù)煉銅爐體等4種.

1.1 帶渣吹煉單煙道連續(xù)煉銅爐體（A型）

該爐型結(jié)構(gòu)如圖1所示，實際上就是在銅閃速熔煉爐的沉淀區(qū)設(shè)置一排風(fēng)口，對閃速熔煉得到的銅锍進行吹煉，以期得到粗銅.產(chǎn)物粗銅和爐渣分別從靠近爐尾的粗銅口和爐尾的渣口放出，煙氣從尾部的直升煙道排出.

1.2 甩渣吹煉單煙道連續(xù)煉銅爐體（B型）

該爐型結(jié)構(gòu)如圖2所示.造锍熔煉爐渣從閃速熔煉造锍區(qū)的排渣口放出，與銅锍分開，不進入連續(xù)吹煉造銅區(qū)；但煙氣從隔墻的上部空間進入連續(xù)吹煉造銅區(qū)，最后從尾部直升煙道連續(xù)排出.

圖2 甩渣吹煉單煙道連續(xù)煉銅爐體（B型）示意圖

1.3 帶渣吹煉雙煙道連續(xù)煉銅爐體（C 型）

該爐型結(jié)構(gòu)如圖3所示.造锍熔煉爐渣和銅锍一起從隔墻底部的潛流口進入連續(xù)吹煉造銅區(qū)；而造锍煙氣從閃速熔煉造锍區(qū)的直升煙道連續(xù)排出，不進入連續(xù)吹煉造銅區(qū).

圖3 帶渣吹煉雙煙道連續(xù)煉銅爐體（C型）示意圖

1.4 甩渣吹煉雙煙道連續(xù)煉銅爐體（D型）

該爐型結(jié)構(gòu)如圖4所示.造锍熔煉爐渣從閃速熔煉造锍區(qū)的排渣口放出，與銅锍分開，不進入連續(xù)吹煉造銅區(qū)；造锍煙氣也從閃速熔煉造锍區(qū)的直升煙道連續(xù)排出，不進入連續(xù)吹煉造銅區(qū).

圖4 甩渣吹煉雙煙道連續(xù)煉銅爐體（D型）示意圖

由圖1～圖4可以看出，根據(jù)不同的爐體結(jié)構(gòu)，造锍熔煉產(chǎn)物的全部或部分進入連續(xù)吹煉造銅區(qū)，在側(cè)吹風(fēng)的作用下，銅锍不斷被氧化，最終生成粗銅，從靠近尾部的粗銅口排出，吹煉渣從尾部的渣口放出.

由此可見，閃速連續(xù)煉銅過程的實質(zhì)是將閃速造锍熔煉過程與連續(xù)吹煉造銅過程在一臺設(shè)備的兩個功能區(qū)內(nèi)串聯(lián)進行，后續(xù)的連續(xù)吹煉造銅過程的原料來自于前面的閃速熔煉造锍過程的全部或部分產(chǎn)物.

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 總體結(jié)構(gòu)

上述爐體結(jié)構(gòu)的特點表明，除帶渣吹煉單煙道連續(xù)煉銅爐外，閃速連續(xù)煉銅爐中都設(shè)置了隔墻，將整個爐體空間隔成了相對獨立的閃速造锍熔煉區(qū)和連續(xù)吹煉造銅區(qū).因此，可以把閃速連續(xù)煉銅過程視為由閃速造锍熔煉和連續(xù)吹煉造銅兩個相對獨立的過程組成.

閃速造锍熔煉是將深度脫水的粉狀精礦（含水低于0.3%），在噴嘴中與空氣或富氧氣體混合后，從反應(yīng)塔頂部高速（60～70 m/s）噴入高溫（1 450～1 550 K）反應(yīng)塔內(nèi)，精礦顆粒被氣體包圍，處于懸浮狀態(tài)，其反應(yīng)極為迅速，在1～3 s內(nèi)就基本上完成精礦分解、氧化、造锍、造渣反應(yīng)，反應(yīng)生成的高溫熔體混合相落入沉淀池內(nèi)，借助锍與渣的密度差異沉降分相，最終形成煙氣、爐渣、銅锍三相共存狀態(tài).

很多研究表明，閃速造锍過程可以認為達到或幾乎達到平衡態(tài)[13-14].于是，可以基于多相平衡原理對該過程進行熱力學(xué)研究.

對于連續(xù)吹煉造銅過程，設(shè)在△t時間內(nèi)，從造锍區(qū)流入造銅區(qū)的總物質(zhì)為∑Mi，隨著吹煉過程的不斷進行，由物質(zhì)∑Mi構(gòu)成的小系統(tǒng)也不斷地向粗銅出口方向作整體宏觀移動，在移動過程中，系統(tǒng)物質(zhì)與鼓入空氣（或富氧空氣）發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)，系統(tǒng)化學(xué)組成不斷發(fā)生變化.

由于Pierce-Smith轉(zhuǎn)爐、閃速吹煉爐、固定連吹爐等生產(chǎn)實踐表明，銅锍吹煉過程的反應(yīng)非常迅速，氧的利用率大于98%[15]，于是，根據(jù)非平衡態(tài)熱力學(xué)中的局域平衡假設(shè)，可以認為，在恒溫恒壓下，由物質(zhì)∑Mi構(gòu)成的局域系統(tǒng)，在移動過程中不斷地達到熱力學(xué)平衡狀態(tài).

因此，可將連續(xù)吹煉造銅區(qū)沿X軸方向劃分為若干小局域，對每一小局域分別進行多相平衡計算，從而可以獲得連續(xù)吹煉造銅區(qū)各處的穩(wěn)態(tài)組成.

以上分析表明，閃速連續(xù)煉銅過程的數(shù)學(xué)模型可視為由閃速造锍熔煉過程數(shù)學(xué)模型和連續(xù)吹煉造銅過程數(shù)學(xué)模型兩部分組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 閃速連續(xù)煉銅過程數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)學(xué)描述

對于連續(xù)煉銅過程的閃速造锍熔煉段以及連續(xù)吹煉造銅段的某個局域，體系總的自由能可用下式表示：

式（1）中：P 為相索引；p 為總相數(shù)；c，k 為組份索引；Cp為p相中的組份數(shù)；xpc為p相中的c組份摩爾數(shù)；γpc為p相中c組份的活度系數(shù)；G0pc為p相中的c組份標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能.

由最小吉布斯自由能原理可知，在恒溫恒壓下，體系達到平衡時，體系總的吉布斯自由能最小.于是，可以通過求解式（1）的極小值問題，得到閃速造锍熔煉段以及連續(xù)吹煉造銅段的某個局域平衡組成.

2.3 算法流程

閃速連續(xù)煉銅過程數(shù)學(xué)模型的算法流程如圖6所示.

圖6 閃速連續(xù)煉銅過程數(shù)學(xué)模型的算法流程

由圖6可知，數(shù)模首先對進入閃速連續(xù)煉銅爐的物料進行組成計算，再對其進行閃速造锍熔煉過程多相平衡計算，然后依據(jù)爐型結(jié)構(gòu)的不同，對全部或部分造锍熔煉產(chǎn)物進行連吹造銅過程局域平衡計算，從而得到連續(xù)煉銅產(chǎn)物的組成.

對于閃速造锍熔煉多相平衡計算，首先采用“分級過渡”法來自動調(diào)整初值，即通過經(jīng)驗試算確定一組可行解，再以該組解為初值，通過細微改變各輸入?yún)?shù)，從而實現(xiàn)特定參數(shù)下的求解；再采用Rand算法[16]或元素勢法[17]對平衡體系各相組成進行迭代計算，得到造锍熔煉平衡各相的組成.

由于平衡體系各相組分的組成計算過程牽涉到各組分的活度系數(shù)，而各組分的活度系數(shù)又與各組分的組成和工藝條件有關(guān)，于是當(dāng)?shù)a(chǎn)生新的組成后，必須重新迭代活度系數(shù)，以確保組成計算結(jié)果的正確性.

對于連續(xù)吹煉造銅過程局域平衡計算，首先根據(jù)爐型結(jié)構(gòu)的特點，計算進入連續(xù)吹煉造銅區(qū)的物料組成，進而基于局域平衡思想將連續(xù)吹煉造銅段劃分為若干局域，對每個局域采用三層循環(huán)，分別對各局域進行體系相數(shù)判斷、組成迭代和活度系數(shù)迭代，從而得到各局域穩(wěn)態(tài)平衡組成.

體系相數(shù)判斷是為了確定某局域所處的相平衡狀態(tài).相平衡狀態(tài)包括3種：銅锍、爐渣、煙氣三相平衡，粗銅、銅锍、爐渣、煙氣四相平衡，以及粗銅、爐渣、煙氣三相平衡，有時還要考慮二氧化硅相和磁鐵礦相出現(xiàn).具體判斷方法如下：

（1）在粗銅相出現(xiàn)之前，先按銅锍、爐渣、煙氣三相平衡進行計算，檢查銅锍中金屬Cu的活度，若活度大于等于1，表明有粗銅相存在，此時應(yīng)按粗銅、銅锍、爐渣、煙氣四相共存重新計算，反之，確為三相平衡，計算正確.

（2）在粗銅相出現(xiàn)后，檢查粗銅、銅锍、爐渣、煙氣四相平衡計算結(jié)果，若銅锍的量趨近于0，表明銅锍相即將消失，此后應(yīng)按粗銅、爐渣、煙氣三相平衡進行計算.

（3）在計算過程，若爐渣中SiO2活度大于1，則表示SiO2過飽和，有二氧化硅相析出；同理，若爐渣中Fe3O4活度大于1，則表示有磁鐵礦相析出.

3 模擬結(jié)果與分析

基于已建立的閃速連續(xù)煉銅過程數(shù)學(xué)模型，對閃速連續(xù)煉銅過程進行了多因素耦合仿真實驗，考察了A、B、C、D爐型結(jié)構(gòu)對閃速連續(xù)煉銅過程的粗銅生成、Fe3O4行為、渣含銅、熔煉直收率等的影響.

3.1 粗銅的生成

圖7示出了連吹造銅過程銅锍中Cu的活度與噸礦氧量（OVPTC）之間的關(guān)系.

圖7 不同爐型中噸礦氧量對銅锍中Cu活度的影響

由圖7（a）可以看出，當(dāng)溫度為1 250℃時，隨著噸礦氧量的增加（即物料不斷向爐尾出銅口移動），在C型爐和D型爐中，銅锍中的αcu可以達到1，而在A型爐和B型爐中，銅锍中的αcu達不到1（噸礦氧量再升高，體系已無法平衡）.數(shù)據(jù)說明，溫度為1 250℃時，在C型爐和D型爐中進行連吹造銅，可以得到粗銅，而在A型爐和B型爐中則得不到粗銅.

由圖7（b）可以看出，當(dāng)溫度升高到1 300℃時，在所有型爐中，銅锍中的αcu都可以達到1.數(shù)據(jù)表明，溫度的升高有助于粗銅相的生成；要在A型爐和B型爐中獲得粗銅，必須維持較高的吹煉溫度.

圖7（b）數(shù)據(jù)還表明，D型爐和A型爐獲得粗銅的臨界噸礦氧量（剛出現(xiàn)粗銅時的噸礦氧量）較小，其次是C型爐，B型爐獲得粗銅的臨界噸礦氧量最大.

3.2 Fe3O 4問題

圖8示出了連吹造銅過程渣中Fe3O4活度與噸礦氧量（OVPTC）之間的關(guān)系.

圖8 不同爐型中噸礦氧量對渣中Fe3O4活度的影響

由圖8（a）可以看出，當(dāng)溫度為1 250℃時，隨著OVPTC的增加 （即物料不斷向爐尾出銅口移動），只有在D型爐中，爐渣中Fe3O4的活度不會達到1，其他爐型中的Fe3O4活度都會達到1.數(shù)據(jù)說明，只有在D型爐中進行連吹造銅，F(xiàn)e3O4相才不會析出，而在其它3種爐型中都會有Fe3O4析出，且在A型爐中最易析出Fe3O4，其次是C型爐和B型爐.

從圖8（b）數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)溫度升高到1 300℃時，在所有型爐中，爐渣中Fe3O4的活度都不會達到1.數(shù)據(jù)表明，溫度的升高有助于抑制Fe3O4相的析出.

圖8（b）數(shù)據(jù)還表明，在造銅期，D型爐中的Fe3O4活度最低，A型爐中的Fe3O4活度最高.由此可見，D型爐中吹煉爐渣含F(xiàn)e3O4最少，而A型爐中吹煉爐渣含F(xiàn)e3O4較多.

3.3 爐渣含銅

圖9示出了在不同爐型中進行連續(xù)煉銅時，吹煉爐渣渣含銅與噸礦氧量之間的關(guān)系.

圖9 不同爐型中噸礦氧量對吹煉爐渣渣含銅的影響

比較圖 9（a）和圖 9 （b）可以看出，在造銅期，D 型爐的吹煉渣含銅最低，約為10%；C型爐的吹煉渣含銅其次，約為15%；而A型爐和B型爐的吹煉渣含銅較高，約為20%.

圖10示出了在不同爐型中進行連續(xù)煉銅時，吹煉渣量與噸礦氧量之間的關(guān)系.

圖10 不同爐型中噸礦氧量對吹煉渣量的影響

由圖10可以看出，D型爐和B型爐的吹煉渣量較小，而A型爐和C型爐的吹煉渣量很高.表明，甩渣吹煉比帶渣吹煉的爐渣量要少得多.

綜合考慮渣量和渣含銅可以發(fā)現(xiàn)，相對于其他爐型，D型爐具有渣量小、渣含銅低的特點.

3.4 煉銅直收率

圖11示出了在不同爐型中進行連續(xù)煉銅的直收率.

圖11 不同爐型中噸礦氧量對銅直收率的影響

由圖11（a）和圖11（b）可知，在B型爐和 D型爐中進行連續(xù)煉銅時，銅的直收率可達90%以上，而C型爐的煉銅直收率只有70%，A型爐的煉銅直收率只有60%左右.可見，從直收率的角度，只有B型爐和D型爐兩種爐型適合連續(xù)煉銅，否則，當(dāng)在A型爐或C型爐中進行連續(xù)煉銅時，將有大量的銅進入爐渣.

4 結(jié) 論

（1）對于帶渣吹煉的A型爐和C型爐，由于它們的吹煉渣具有渣量大、渣含銅高、渣含F(xiàn)e3O4高等特點，致使在這兩種爐中進行連續(xù)煉銅的熔煉直收率低，只有60%～70%.

（2）對于甩渣吹煉的B型爐，由于造锍熔煉渣不進入吹煉造銅區(qū)，在這種爐中進行連續(xù)煉銅的熔煉直收率都可達90%以上.但由于熔煉煙氣依然進入吹煉造銅區(qū)，當(dāng)溫度稍有所降低，在爐中就難于得到粗銅，且渣含F(xiàn)e3O4高.

（3）D型爐（甩渣吹煉的雙煙道閃速連續(xù)煉銅爐）是比較理想的連續(xù)煉銅爐體.相對于其它三種爐型，利用該型爐進行連續(xù)煉銅，具有粗銅生成條件易，吹煉過程Fe3O4不析出，吹煉渣量小、渣含銅低、渣含F(xiàn)e3O4少，連續(xù)煉銅直收率高等特點.

（4）對于閃速連續(xù)煉銅，造锍熔煉段和銅锍吹煉段宜在相對獨立的分區(qū)進行，各自煙氣也應(yīng)分開排出爐體.

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