基于銅渣緩冷制度的銅渣包溫度仿真分析

何黎明

（國(guó)投金城冶金有限責(zé)任公司，河南 靈寶 472500）

0 引言

所謂銅渣，是指銅礦冶煉作業(yè)中吹煉以及熔煉工序中的廢渣，利用火法冶煉工藝所生產(chǎn)出的銅與銅渣的比例約為1∶2.2，即每生產(chǎn)出1 t 的銅，便會(huì)產(chǎn)生約2.2 t 的銅渣。對(duì)銅渣中有價(jià)值金屬元素的回收與利用，是應(yīng)對(duì)我國(guó)銅精礦能源枯竭趨勢(shì)的必要措施[1-2]。實(shí)際冶煉作業(yè)中，銅渣冷卻環(huán)節(jié)的溫度控制能夠直接決定銅渣的質(zhì)量與利用率，因此需要加強(qiáng)對(duì)銅渣包溫度場(chǎng)的認(rèn)知與控制[3]。但在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，大部分工廠會(huì)選擇利用讀取銅渣包側(cè)壁溫度數(shù)值的方式對(duì)銅渣包的倒包質(zhì)量進(jìn)行判斷，假設(shè)相關(guān)技術(shù)人員無(wú)法精準(zhǔn)判斷不同因素條件下銅渣包內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布情況，便有可能加劇倒包工作中渣包放炮的隱患發(fā)生概率[4]。針對(duì)這一情況，以銅渣為重點(diǎn)研究對(duì)象，基于銅渣緩冷制度，設(shè)定冬季冷卻水緩冷以及夏季自然緩冷兩種工況，分析銅渣包在不同工況中的溫度場(chǎng)分布情況。

1 銅渣包溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

設(shè)定ΔH0為特定時(shí)間內(nèi)銅渣包熱焓的數(shù)值變化，為特定時(shí)間內(nèi)銅渣包熱損失數(shù)值，銅渣包內(nèi)部溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)方程式如下：

基于銅渣包的熱傳導(dǎo)特性，其渣包內(nèi)部的熱傳導(dǎo)基本服從不穩(wěn)定熱傳導(dǎo)的控制公式，如公式（2）。

式中：kx、ky、kz分別為銅渣包x、y、z 三維方向的導(dǎo)熱系數(shù)；T、t 分別為銅渣包節(jié)點(diǎn)溫度以及熱度節(jié)點(diǎn)時(shí)間；ρ、c 分別為銅渣密度以及比熱容；qs為銅渣包單位體積標(biāo)準(zhǔn)下的熱產(chǎn)生率，即熱源強(qiáng)度。由于本次的研究重點(diǎn)為銅渣包內(nèi)溫度場(chǎng)的分布情況而并非化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，因此設(shè)定qs的數(shù)值為0。

本次研究設(shè)定上述過(guò)程為穩(wěn)定狀態(tài)計(jì)算，即銅渣包內(nèi)的溫度并不會(huì)受到時(shí)間的影響而出現(xiàn)變化，因此可以將上述公式中的視為0，因此可以將銅渣包溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型公式簡(jiǎn)化為：

2 銅渣包溫度場(chǎng)仿真

2.1 分析模式

基于ANSYSWORK-BENCH（簡(jiǎn)稱ANSYS）軟件操作便捷、適用范圍廣、邊界條件簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，本次研究重點(diǎn)使用該軟件對(duì)某工廠銅渣包的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，其模型如圖1 所示。其計(jì)算流程為：利用Solidworks 建立銅渣包模型并導(dǎo)入至ANSYS 軟件之中；設(shè)定溫度場(chǎng)分析參數(shù)；添加熱傳遞邊界條件后，進(jìn)行溫度場(chǎng)求解分析；系統(tǒng)自動(dòng)生成溫度場(chǎng)分布圖。

圖1 渣包模型

2.2 基礎(chǔ)參數(shù)

銅渣由銅（2%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）、硫（0.7%）、鐵（39.77%）、二氧化硅（28.01%）、氧化鈣與氧化鎂化合物（4.64%）以及業(yè)殘?jiān)?4.58%）共同組成。銅渣包材料由ZG230-450 耐高溫耐腐蝕鋼材制成，本研究設(shè)定銅渣包溫度閾值為150～1 200 ℃，不同溫度條件下銅渣包比熱容以及導(dǎo)熱系數(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 ZG230-450 在不同溫度下的比熱及熱導(dǎo)率

2.3 邊界條件

基于工廠4 m3/h 的給水量對(duì)冬夏兩季條件下的銅渣緩冷過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布，其中冬夏兩季的空氣溫度環(huán)境分別為-5 ℃以及30 ℃；緩冷工藝?yán)鋮s水溫度分別為2 ℃以及20 ℃。

3 不同銅渣緩冷制度下銅渣溫度場(chǎng)分析

設(shè)定冬夏兩季的室內(nèi)溫度自然緩冷時(shí)間12 h，分別記錄0 h 初始狀態(tài)、2 h、7 h 以及12 h 緩冷結(jié)束狀態(tài)下的溫度；冷卻水緩冷時(shí)間為50 h，分別記錄0 h、2 h、26 h 以及50 h 的溫度。

3.1 冬季銅渣緩冷溫度場(chǎng)分析

3.1.1 冬季自然緩冷

1）銅渣進(jìn)入渣包之后需要先在空氣中自然冷卻一段時(shí)間，剛進(jìn)入銅渣包的銅渣尚處于熔融狀態(tài)下，其最大溫度為1 296.8 ℃。

2）0～2 h 階段，銅渣包的溫度由外向內(nèi)逐漸下降，整體銅渣包的中心最高溫度為1 292.4 ℃；銅渣包頂部與底部銅渣的溫度分別為1 262.56 ℃以及1 265.72 ℃；銅渣包側(cè)壁溫度平均值為1 261.5 ℃，這一階段的銅渣仍屬于熔融狀態(tài)。

3）2～7 h 階段，銅渣包的溫度持續(xù)下降，整體銅渣包的中心最高溫度為1 119.2 ℃；銅渣包頂部與底部銅渣的溫度分別為955.62 ℃以及894.71 ℃；銅渣包側(cè)壁溫度平均值為925.3 ℃，最高溫度相較于2 h 狀態(tài)下降177.6 ℃，平均下降35.52 ℃/h。

4）7～12 h 階段，銅渣包的溫度持續(xù)下降，整體銅渣包的中心最高溫度為999.5 ℃；銅渣包頂部與底部銅渣的溫度分別為894.3 ℃以及880.92 ℃；銅渣包側(cè)壁溫度平均值為876.88 ℃，整體銅渣包溫度場(chǎng)趨于均等。其中最高溫度相較于7 h 狀態(tài)下降119.7 ℃，平均下降23.94 ℃/h，這一時(shí)刻下銅渣已經(jīng)凝固。

3.1.2 冬季冷卻水緩冷

1）自然冷卻12 h 后開始接入冷卻水，由于緩冷方式由自然緩冷轉(zhuǎn)變?yōu)槔鋮s水緩冷，受冷卻水的影響，銅渣上部溫度急劇下降，高溫區(qū)域出現(xiàn)下移。冷卻水緩冷過(guò)程中銅渣包的高溫區(qū)域下移，銅渣包初始最高溫度為999.5 ℃，2 h 狀態(tài)下為789.08 ℃，0～2 h 這一過(guò)程中，銅渣整體的溫度下降速度較快，共下降210.29 ℃，平均下降溫度為105.145 ℃。

2）2～26 h 階段，冷卻水緩冷過(guò)程中銅渣的高溫區(qū)域集中在銅渣包中心區(qū)域，其最大溫度為356.28 ℃，相較于2 h 狀態(tài)下降432.8 ℃，平均下降18.03 ℃/h。

3）26～50 h 階段，銅渣最高溫度為86.72 ℃，相較于26 h 狀態(tài)下降269.56 ℃，平均下降11.23 ℃/h。

3.2 夏季銅渣緩冷溫度場(chǎng)分析

3.2.1 夏季自然緩冷

1）0 h 初始狀態(tài)下銅渣包內(nèi)部最大溫度為1 299.3 ℃。

2）0～2 h 階段，銅渣包的溫度內(nèi)高外低，中心最高溫度為1 294.6 ℃；銅渣包頂部與底部銅渣的溫度分別為1 262.52 ℃以及1 264.5 ℃；銅渣包側(cè)壁溫度平均值為1 260.8 ℃/h。

3）2～7 h 階段，銅渣包的溫度持續(xù)下降，整體銅渣包的中心最高溫度為1 146.3 ℃；銅渣包頂部與底部銅渣的溫度分別為1 014.2 ℃以及906.3 ℃；銅渣包側(cè)壁溫度平均值為952.7 ℃，最高溫度相較于2 h 狀態(tài)下降148.3 ℃，平均下降29.66 ℃/h。

4）7～12 h 階段，銅渣包的溫度持續(xù)下降，整體銅渣包的中心最高溫度為1 039.8 ℃；銅渣包頂部與底部銅渣的溫度分別為832.5 ℃以及868.3 ℃；銅渣包側(cè)壁溫度平均值為862.88 ℃。其中最高溫度相較于7 h 狀態(tài)下降106.5 ℃，平均下降21.3 ℃/h，這一時(shí)刻下銅渣已經(jīng)凝固。

3.2.2 夏季冷卻水緩冷

1）銅渣包初始最高溫度為1 039.8 ℃，2 h 狀態(tài)下為862.92 ℃，0～2 h 這一過(guò)程中，共下降176.88 ℃，平均下降溫度為88.44 ℃/h。

2）2～26 h 階段，冷卻水緩冷過(guò)程中銅渣的最大溫度為339.82 ℃，相較于2 h 狀態(tài)下降523.1 ℃，平均下降21.80 ℃/h；

3）26～50 h 階段，銅渣最高溫度為89.25 ℃，相較于26 h 狀態(tài)下降250.57 ℃，平均下降10.44 ℃/h。

4 仿真結(jié)果

圖2、圖3 分別是冬夏兩季自然緩冷與冷卻水緩冷狀態(tài)下，銅渣內(nèi)部溫度變化折線圖以及銅渣包側(cè)邊溫度變化折線圖。觀察圖2 可知，冬季銅渣包內(nèi)部的初始溫度要低于夏季，其二者在12 h 結(jié)束自然緩冷狀態(tài)下的溫度差值為40.3 ℃。在銅渣進(jìn)入到冷卻水緩冷狀態(tài)下，冬夏兩季都呈現(xiàn)出溫度下降速度先加快后減慢的趨勢(shì)，其中以2 h 之前的溫度下降速度較快，為保障整體降溫工序的穩(wěn)定性，可利用減少冷卻水用量、提升溫度等方式加以控制。

圖2 銅渣內(nèi)部溫度變化折線圖

圖3 銅渣包側(cè)邊溫度變化折線圖

圖3 為銅渣包側(cè)邊溫度變化趨勢(shì)，其冬夏兩季的溫度變化趨勢(shì)基本相同，都處于先逐漸增加后逐漸減少的狀態(tài)。

5 結(jié)論

1）不同工況下冬夏兩季銅渣包溫度都為中心溫度高于側(cè)邊溫度，其兩者的溫度變化趨勢(shì)趨于一致，并且銅渣都在自然冷卻12 h 后由熔融狀態(tài)轉(zhuǎn)化為凝固狀態(tài)。

2）夏季緩冷作業(yè)銅渣包的側(cè)邊溫度要高于冬季，并且夏季冷卻水緩冷前2 h 中銅渣溫度的下降速度過(guò)快，不利于銅渣中含銅顆粒的轉(zhuǎn)化，需要采用適當(dāng)?shù)拇胧┚徑饫鋮s速率。