基于ME T S I M氧氣底吹煉銅工藝性能分析

廖立樂，郭學(xué)益，王親猛，田慶華，張永柱

（中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，中國有色金屬工業(yè)清潔冶金工程研究中心，長沙410083）

0 引 言

目前，世界銅的冶煉主要以火法煉銅為主，其產(chǎn)量約占世界銅產(chǎn)量的85%左右，而火法煉銅工藝主要包括熔煉、吹煉、精煉等步驟，其中現(xiàn)代熔煉技術(shù)主要包括熔池熔煉和閃速熔煉2種，而吹煉主要以轉(zhuǎn)爐吹煉為主[1].無論是采用那種工藝，其目的均是為了把銅精礦中的銅盡可能多的提取出來，并盡可能少的產(chǎn)生廢渣、廢氣.鑒于火法冶煉的復(fù)雜性，且相應(yīng)的試驗難以開展，因而尋求借助計算機模擬技術(shù)的方法以獲取工藝流程中詳細物流清單和能量信息，以及各操作參數(shù)對于銅氧氣底吹熔煉工藝產(chǎn)出率的影響.

在計算機模擬銅火法冶煉方面，對閃速爐、奧斯麥特爐等進行模擬的較多，關(guān)于氧氣底吹煉銅進行模擬的報道還比較少.黃克熊等[2]利用建立的閃速爐造锍熔煉過程熱力學(xué)模型對冰銅品位、冰銅溫度、渣中Fe/SiO2比進行模擬，模擬結(jié)果得到冰銅品位誤差在1.7%以內(nèi)，冰銅溫度在10℃以內(nèi).此外還探討了富氧體積分數(shù)、精礦成分等因素等對閃速熔煉過程的影響.譚鵬夫等[3]開發(fā)了硫化礦冶煉過程中伴生元素的分配計算機模型并探討了操作條件對元素分配的影響以及能耗關(guān)系，對實際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義.Pimporn Chamveha等[4]借助METSIM軟件中特尼恩特爐模型對銅冶煉過程進行模擬，分析了銅精礦、熔劑、氧氣、回轉(zhuǎn)料等的加入速率對銅锍和渣中的銅含量的影響，同時得到了銅在銅锍及渣相中分布.另外，METSIM作為一個應(yīng)用范圍非常廣的冶金工藝流程模擬軟件[5]，已成功應(yīng)用于各種不同的工藝過程，包括：銅、金、銀的堆浸，CCD逆流洗滌，銅、鈷、鋅等濕法冶煉項目工藝，鹽酸工藝用于生產(chǎn)高純氧化鋁，亞熔鹽清潔生產(chǎn)，稀土分離工藝以及鉛、鋅、鎳熔煉等冶金相關(guān)的模擬[6-12].

傳統(tǒng)的計算機模擬大都是基于已開發(fā)特有的熱力學(xué)模型，借助計算機強大計算功能實現(xiàn)復(fù)雜計算，但模型具有一定的局限性，且無工藝流程的可視化，其開發(fā)費時且麻煩.在現(xiàn)代開發(fā)環(huán)境中，借助面向?qū)ο?，封裝了一系列實際生產(chǎn)單元的模型，在流程開發(fā)過程中調(diào)用模型并進行相應(yīng)的配置，即能夠快速實現(xiàn)工藝流程的可視化及工藝的計算.本文借助METSIM構(gòu)造了銅氧氣底吹熔煉工藝過程模型并分析了不同操作因素如熔劑加入速率、富氧加入速率、精礦加入速率對銅氧氣底吹熔煉段工藝性能的影響.

1 工藝描述及模型建立

氧氣底吹煉銅法是具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的一種煉銅工藝，被譽為世界第四代銅冶煉技術(shù).采用一個臥式的轉(zhuǎn)爐，氧氣和空氣通過底部氧槍連續(xù)送入爐內(nèi)的銅锍層，爐料中的Fe、S不斷被迅速氧化、造渣.硫生成二氧化硫從爐子的排煙口連續(xù)地進入余熱鍋爐，經(jīng)電收塵后進入酸廠處理.爐內(nèi)產(chǎn)生的爐渣從端部定期放出，由渣包吊運至緩冷場，緩冷后進行渣選礦.生成的銅锍從側(cè)面放锍口定期放出，由銅锍包吊運至PS轉(zhuǎn)爐吹煉[13-17].

氧氣底吹熔煉工藝主要反應(yīng)有：

工藝流程模型建立必須選擇正確的操作單元進行工藝流程組態(tài)，并調(diào)試模型中的參數(shù)使其預(yù)期結(jié)果盡量趨近于實際的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，這樣才能夠保證模型的正確性.如圖1是用METSIM軟件建立的工藝流程模型.

圖1 基于METSIM氧氣底吹煉銅工藝流程模型

經(jīng)調(diào)試正確后的工藝流程模型，計算可得到整個工藝流程的物質(zhì)分布以及能量流動信息.在理想工況下，其產(chǎn)出通過模型計算的結(jié)果同實際生產(chǎn)是比較接近，為了測試模型的可靠性，從生產(chǎn)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)作為驗證.因為底吹熔煉的連續(xù)性，且是間斷的放渣和放銅，同時銅锍品位、渣的含銅等的測量具有一定的時滯，因而所取數(shù)據(jù)為現(xiàn)場一天生產(chǎn)的平均值.

在初始條件投料為74.176 t/h，熔劑配入5.442 t/h，同時鼓入11 464.9 m3/h富氧和4 852.9 m3/h空氣（富氧濃度為75.05%），計算后可得到模擬的結(jié)果如表1所示.可以知道模擬的結(jié)果非常接近實際生產(chǎn)的結(jié)果，說明建立的模型具有一定的可靠性.

表1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)對比表

2 模擬結(jié)果及討論

借助建立的模型，分別探討了熔劑加入速率、富氧加入速率和精礦加入速率對于銅精礦底吹熔煉工藝過程性能的影響，包括銅锍的溫度、銅渣中Fe/SiO2比、渣含銅等，以期通過建立的模型，尋找針對現(xiàn)在工藝比較合適的操作參數(shù)，也希望對現(xiàn)場調(diào)控有一定的指導(dǎo)意義.

2.1 熔劑加入速率影響

在實際生產(chǎn)中，熔劑的加入速率是一個重要的操作參數(shù)，為了探究其對目標參數(shù)如銅锍溫度、Fe/SiO2等的影響，通過改變底吹熔煉過程中熔劑配入量，變化范圍為4.2～6.8 t/h，經(jīng)過該工藝模型快速計算得到如圖2熔劑變化同各預(yù)期參數(shù)關(guān)系圖.

圖2 熔劑加入速率對氧氣底吹爐性能影響

從圖2（a）可以得到隨著熔劑加入速率增大，銅锍的溫度不斷降低.起初溫度下降幅度比較小，主要是由于SiO2同F(xiàn)eO造渣生成Fe2SiO4是放熱反應(yīng)，而同時SiO2熔化達到熔融狀態(tài)需要吸收大量的熱，當達到一定程度后，反應(yīng)式（4）趨于反應(yīng)完全，過量的SiO2熔融消耗大量的熱，因而后期溫度下降幅度較大.從圖2（b）中可以看到，渣中的Fe3O4是一直降低的趨勢，一方面是由于大量的SiO2熔劑的配入，渣量增大導(dǎo)致Fe3O4質(zhì)量分數(shù)降低，另一方面是由于渣中的大量SiO2同F(xiàn)eO造渣，降低了FeO的活度，使得反應(yīng)式（4）難以進行；同時渣中鐵硅比開始緩慢降低主要是由于渣中FeO活度的降低，有利于更多的FeO溶解于渣中，從而導(dǎo)致渣中鐵的總量上升，當達到溶解平衡時，隨著進入渣中SiO2的增加，導(dǎo)致鐵硅比迅速降低.從圖2（c）和圖2（d）中可以看到隨著熔劑加入速率的增大，對銅锍品位的影響不明顯，均在70.2%上下波動，主要考慮屬機械夾雜的原因.在SiO2熔融時，會聚合成長鏈型，不利于渣的流動性，同時渣中Fe3O4的存在會大大增加渣的黏度，從而不利于Cu2S在渣中的沉降，在實際生產(chǎn)操控中會盡量控制渣中Fe3O4的含量處于低水平，這是導(dǎo)致渣含銅升高的主要原因.開始的時候，渣中Fe3O4含量維持在比較高的水平，銅锍中Cu2S因夾雜在Fe3O4而損失較多，因而銅锍品位有一定的下降趨勢，但是隨著SiO2加入速率的增大，雖然長鏈型的SiO2不利于渣的流動性，但是渣中Fe3O4含量明顯減少，其對Cu2S的夾雜影響減小，利于Cu2S沉降，從而導(dǎo)致冰銅的品位和質(zhì)量流量都有提高，使更多的銅進入銅锍相，相反如圖2（e）和圖2（f）中，渣中銅的總損失是減少的，且隨著SiO2加入速率增大，其渣量的增加是顯著的，渣黏度的降低利于Cu2S的沉降，導(dǎo)致渣含銅是降低的，銅的直收率是呈上升的趨勢.當超過一定的限度，隨著熔劑加入速率的不斷提高，渣中SiO2含量對渣的黏度起主導(dǎo)作用，又會大大增加渣的黏度而導(dǎo)致渣含銅升高.

從上述可知，通過調(diào)節(jié)SiO2的加入速率可以達到調(diào)節(jié)鐵硅比的目的，在一定范圍內(nèi)，降低鐵硅比的同時能夠降低銅的總損失，同時渣含銅也能夠降低，且對銅锍品位影響不大，間接提高了銅的直收率.但是明顯的缺點是渣量會顯著的增加，從而加大了渣選礦的難度.同時，過量的SiO2熔化會消耗大量的熱，使得熔池溫度降低，此時需要配入一定的燃料來維持熔池熔煉的溫度.

2.2 富氧加入速率影響

在熔煉階段，通過控制富氧通入速率來調(diào)控冰銅的品位，富氧的加入速率同熔煉效果的好壞直接相關(guān)，因而探究富氧對于預(yù)期目標參數(shù)的影響具有重要意義.通過控制富氧的加入速率10 660～11 960 m3/h，分析其對底吹熔煉性能的影響關(guān)系如圖3所示.

從圖3（a）可以看到隨著富氧鼓入的速率增加，爐內(nèi)溫度迅速上升，此時從圖3（c）可知，在開始冰銅品位還比較低，氧氣相對來說不足，銅锍中還有大量的FeS，因而隨著富氧鼓入速率增加，有利于反應(yīng)式（2）的進行，大量的FeS被氧化釋放大量的熱，導(dǎo)致爐內(nèi)的溫度迅速升高.同時從圖3（b）可知，渣鐵硅比和Fe3O4的含量也迅速的升高，主要是由于充足的富氧使得大部分的Fe被氧化為FeO進入渣中，而此時SiO2熔劑的量不變，導(dǎo)致鐵硅比的升高.同時隨著渣中的FeO活度的提高，雖然渣中的氧勢比較低，但是在氧氣充足的情況下，反應(yīng)式（3）正向進行，導(dǎo)致大量的Fe3O4生成.從圖 3（c）和圖 3（d）中，可知銅锍的品位因大量鐵被氧化進入渣相而提高，同時導(dǎo)致銅锍的質(zhì)量流量隨著富氧鼓入速率增加而減小.同時隨著產(chǎn)生的大量Fe3O4，渣的黏度不斷升高，銅锍中的Cu2S大量的被夾雜在渣中，導(dǎo)致銅锍中總銅量有下降趨勢，相反渣中損失的總銅量有升高的趨勢，同時渣含銅升高，這些現(xiàn)象可以從圖3（e）和圖3（f）可以驗證.

圖3 富氧加入速率對氧氣底吹爐性能影響

因而在實際生產(chǎn)中，如果冰銅品位偏低，可以通過鼓入氧氣的速率來調(diào)節(jié)，同時由于FeS氧化放熱，導(dǎo)致爐內(nèi)溫度的升高，此時可以配入一定的冷料來維持爐內(nèi)的熱平衡.調(diào)高鼓氧速率，可以提高冰銅品位，但是需要控制在合理的范圍內(nèi)，隨著鼓氧速率的提高，在精礦加入速率不變時，即氧礦比提高，會導(dǎo)致渣中Fe3O4含量的提高，因而生產(chǎn)實際是，可配入少量的SiO2熔劑來維持Fe3O4含量處于比較低的水平.

2.3 精礦加入速率的影響

為了實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)，往往控制氧礦比在一個穩(wěn)定的值，可以知道精礦加入的速率是同富氧鼓入速率相關(guān)的.因而在實際操作中，相同的預(yù)期目標參數(shù)，對精礦的調(diào)節(jié)往往同富氧的調(diào)節(jié)是相反的.為了明晰其操作關(guān)系，控制精礦加入速率在63～76 t/h變化（干量），如圖4是精礦加入速率對底吹熔煉性能的影響關(guān)系圖.

圖4 精礦加入速率對氧氣底吹爐性能影響

從圖4（a）可以知道在富氧鼓入速率不變的條件下，隨著精礦加入速率的增加，其爐內(nèi)溫度是持續(xù)降低的.起初富氧相對來說是過量的，由于充分氧化釋放大量的熱，爐內(nèi)維持在一個比較高的溫度，而此時幾乎全部的FeS都被氧化，冰銅品位也處于高水平.隨著精礦的加入速率升高，富氧越來越不足，導(dǎo)致大量的FeS沒有被氧化而直接進入銅锍中，因而溫度是持續(xù)降低的.而圖4（b）中，銅渣中的鐵硅比和Fe3O4含量也是逐漸降低的，一方面是由于起初充足的氧氣導(dǎo)致渣中Fe3O4含量很高，但隨著精礦加入速率增加，銅锍中FeS活度增大，對于反應(yīng)式（2）是有利的，大量的氧氣被消耗，來不及把FeO氧化為Fe3O4，另一方面是由于精礦中本來就有8%左右的SiO2，在精礦加入速率增加的過程中，精礦中的SiO2進入渣中而使渣量增大，如圖4（e）所示，因而Fe3O4在渣中的質(zhì)量分數(shù)是下降的.同時由于精礦中帶入大量的SiO2而使得渣中鐵硅比呈下降的趨勢.從圖4（c）和圖4（d）中可以看出，銅锍品位是不斷降低的，而銅锍的質(zhì)量流量是不斷升高的，主要是由于大量的FeS未被氧化而直接進入銅锍相.同時精礦CuFeS2的分解生成大量的Cu2S進入锍相，因而銅锍中銅的總質(zhì)量流量是升高的.圖 4（e）和圖 4（f）可以知道，F(xiàn)e3O4含量隨著精礦加入速率的增大而下降，這是有利于降低渣的黏度，增加渣的流動性，因而對于Cu2S機械夾雜的影響減小，銅在渣中的損失減少，因而渣含銅隨著精礦加入速率的增大也呈下降的趨勢變化.

在實際調(diào)節(jié)精礦加入速率的時候，一定要考慮到精礦中SiO2成分對于預(yù)期目標參數(shù)的影響.隨著精礦配入速率增加，渣中Fe/SiO2有一定下降趨勢，這對于降低渣中Fe3O4的含量和渣含銅是有利的，但是銅锍的品位也會有下降的趨勢，因而在調(diào)控時還需要適量配入較多的富氧進去.

3 結(jié)論與展望

1）通過構(gòu)建基于METSIM的富氧底吹煉銅模型，借助建立的模型，探討了熔劑加入速率、富氧鼓入速率和精礦加入速率對于目標參數(shù)（銅锍品位、鐵硅比、渣含銅等）的影響，對于現(xiàn)場調(diào)控有一定的指導(dǎo)意義.

2）通過模擬計算分析，熔劑可以作為鐵硅比調(diào)節(jié)的主要操作參數(shù)，低鐵硅比能夠提高銅的直收率，但是后期渣選礦難度加大，且需要配入更多的熔劑，增大了成本.

3）富氧鼓入速率和精礦加入速率是一對相反的操作參數(shù)，高氧礦比能夠獲得品位較高的銅锍，但往往渣中Fe3O4含量偏高，不利于提高銅的直收率，但是可以造高鐵硅渣減少渣量，同時控制渣含銅在合理范圍.

[1]朱祖澤，賀家齊.現(xiàn)代銅冶金學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

[2]黃克雄，黎書華，尹愛君，等.貴溪閃速爐造锍熔煉過程計算機模擬[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1996（2）：173-176.

[3]譚鵬夫.硫化礦物熔煉元素分配計算機模擬[D].長沙：中南大學(xué)，1998.

[4]Chamveha P，Kattiyapon C，Chuachuensuk A，et al.Performance analysis of a smelting reactor for copper production process[J].Industrial and Engineering Chemistry Research，2009，48（3）：1112-1120.

[5]Bartlett J T.Process simnulation and optimization using METSIM[J].Mineral Resource Management by Personal Computer，1987（4）：105-116.

[6]呂頁清，鄭詩禮，王少娜，等.METSIM在亞熔鹽鉻鹽清潔生產(chǎn)工藝流程設(shè)計中的應(yīng)用[J].過程工程學(xué)報，2013（1）：99-104.

[7]呂頁清，鄭詩禮，王少娜，等.METSIM在亞熔鹽法釩渣清潔生產(chǎn)工藝流程設(shè)計中的應(yīng)用[J].過程工程學(xué)報，2013（2）：270-274.

[8]殷書巖，陸業(yè)大.CCD逆流洗滌設(shè)備選型及計算方法[J].中國有色冶金，2012（5）：37-40.

[9]王明，諶啟明.METSIM冶金過程模擬系統(tǒng)在工程設(shè)計中的應(yīng)用[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，2009（4）：64-67.

[10]孫寧磊，董愛國，殷書巖，等.Metsim軟件在氧化銅礦濕法浸出項目中的應(yīng)用[J].中國有色冶金，2013（4）：31-33.

[11]Holcroft G，Rosato L，Seyer S.Hydrometallurgical process simulation at Canadian Electrolytic Zinc[C]//PUBL by canadian institute of mining，metallurgy and petroleum，1993：98-106.

[12]Hernandez P C，Taboada M E，Graber T A，et al.Crystallization of hydrated ferric arsenate.Process design using METSIM[J].Industrial and Engineering Chemistry Research，2009，48（23）：10510-10522.

[13]孫海闊.METSIM在紅土鎳礦回轉(zhuǎn)窯-電爐（RKEF）工藝中的模擬應(yīng)用[J].中國有色冶金，2013（5）：101-104.

[14]崔志祥，申殿邦，王智，等.高富氧底吹熔池煉銅新工藝[J].有色金屬（冶煉部分），2010（3）：17-20.

[15]劉柳，閆紅杰，周孑民，等.氧氣底吹銅熔池熔煉過程的機理及產(chǎn)物的微觀分析[J].中國有色金屬學(xué)報，2012（7）：2116-2124.

[16]曲勝利，李天剛，董準勤，等.富氧底吹熔煉生產(chǎn)實踐及底吹爐設(shè)計改進探討[J].中國有色冶金，2012（1）：10-13.

[17]崔志祥，申殿邦，王智，等.富氧底吹熔池煉銅的理論與實踐[J].中國有色冶金，2010（6）：21-26.