吳曉松，包洪光

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

富氧側(cè)吹熔池熔煉是現(xiàn)代先進(jìn)的煉銅鎳方法之一，可以使銅鎳硫化礦直接還原為低冰鎳，對(duì)原料具有廣泛的適用性，并且備料簡(jiǎn)單，能處理常規(guī)方法較難處理的含較多Pb、Zn、Fe、As、Bi、Sb、Mg等元素的復(fù)雜銅鎳精礦及其他含銅鎳雜料。技術(shù)先進(jìn)，成熟可靠，環(huán)境保護(hù)好，高效節(jié)能，綜合利用好，金屬回收率高。該工藝技術(shù)在成功運(yùn)用是世界鎳冶煉技術(shù)的重大進(jìn)步[1，2]。

MetCal軟件具有多用途工藝過(guò)程模擬的的功能，可以將冶金過(guò)程工藝流程圖和冶金過(guò)程計(jì)算流程圖融為一體，過(guò)程直觀、通用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便靈活、運(yùn)算速度快。本文重點(diǎn)介紹了MetCal軟件在富氧側(cè)吹熔煉處理銅鎳礦工藝計(jì)算中的應(yīng)用，從元素平衡、物料平衡、熱平衡等角度建立數(shù)學(xué)模型，為企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)提供理論支撐[3]。

1 模型建立與計(jì)算

1.1 確定工藝路線

本項(xiàng)目從原料的適應(yīng)性、技術(shù)的先進(jìn)性及可靠與實(shí)用性出發(fā)，考慮環(huán)保及節(jié)能，結(jié)合投資與生產(chǎn)成本的經(jīng)濟(jì)性分析研究，采用技術(shù)先進(jìn)的側(cè)吹熔煉-電爐貧化-轉(zhuǎn)爐吹煉工藝及技術(shù)生產(chǎn)高冰鎳。

1.2 確定原料成分

本項(xiàng)目采用的原料為國(guó)外某選礦廠產(chǎn)出的銅鎳精礦，處理量約83472t/a，根據(jù)配入原料的元素成分、物相分析、處理量等工藝控制參數(shù)分別建立獨(dú)立的物料單元，并確定作業(yè)方式和周期，同時(shí)構(gòu)建熔劑、燃料、空氣、氧氣等投入物物料單元。燃料選用碎煤，熔劑為石英石，銅鎳精礦主要成分見(jiàn)表1。

表1 銅鎳精礦主要成分

1.3 確定工藝控制參數(shù)

根據(jù)既定的工藝路線，參考實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及理論研究結(jié)果，確定物相、溫度、富氧濃度、冷卻水量等控制參數(shù)。

1.4 單元數(shù)學(xué)模型的建立

首先設(shè)定單元的類型和外觀，包括單元名、設(shè)備名、質(zhì)量守恒策略等，如圖1富氧側(cè)吹還原熔煉單元所示。

圖1 設(shè)定單元類型與外觀

其次輸入確定好的投入及產(chǎn)出物組成、溫度、壓力等工藝控制參數(shù)，將計(jì)算好的物料單元通過(guò)物質(zhì)流線導(dǎo)入富氧側(cè)吹還原熔煉計(jì)算單元。

圖2 建立單元數(shù)學(xué)模型

然后根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及工程研究數(shù)據(jù)，設(shè)定元素在產(chǎn)物中的分配比例約束以簡(jiǎn)化自定義約束條件。

表2 富氧側(cè)吹還原熔煉單元計(jì)算結(jié)果

表3 全流程計(jì)算結(jié)果

圖3 元素分配

接著在自定義約束中對(duì)控制變量進(jìn)行約束。如富氧濃度濃度、煤率、鐵硅比等。

最后啟用熱平衡計(jì)算并設(shè)定好熱平衡參數(shù)，如果某個(gè)冶金單元有返料，可通過(guò)返料線快速實(shí)現(xiàn)返料迭代計(jì)算，各單元間通過(guò)物質(zhì)流線的連接實(shí)現(xiàn)物料相關(guān)信息由上至下傳遞，從而逐步建立起全流程的冶煉工藝計(jì)算模型。如圖3 是用 Metcal 軟件建立的工藝流程模型，主要包括投入、產(chǎn)出物料和操作單元等。

圖4 基于 Metcal 富氧側(cè)吹還原熔煉處理銅鎳礦工藝流程模型

2 計(jì)算及結(jié)果分析

Metcal可以通過(guò)全流程導(dǎo)出設(shè)置，對(duì)全流程各冶金單元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行輸出（以excel表格形式導(dǎo)出）。單元和全流程計(jì)算結(jié)果包括投入產(chǎn)出物料平衡表、元素質(zhì)量百分含量表、元素質(zhì)量平衡表、元素分配表、投入產(chǎn)出組分表、熱平衡表、流程圖等信息。設(shè)置相關(guān)計(jì)算參數(shù)，調(diào)試通過(guò)后，富氧側(cè)吹熔煉單元部分計(jì)算結(jié)果總結(jié)見(jiàn)表2。

全流程匯總部分計(jì)算結(jié)果總結(jié)見(jiàn)表3。

每年可以產(chǎn)出11693.67t高冰鎳產(chǎn)品，主要成分見(jiàn)表4。

表4 高冰鎳主要成分

Metcal對(duì)富氧側(cè)吹還原熔煉處理銅鎳礦的計(jì)算結(jié)果同時(shí)實(shí)現(xiàn)了金屬平衡、熱平衡，輸出數(shù)據(jù)完善可靠，與生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比基本吻合，完全滿足各階段冶金設(shè)計(jì)需求。

3 結(jié)論

（1）富氧側(cè)吹還原熔煉處理銅鎳礦煙氣量小，煙塵率低，SO2濃度低利于制酸；煤耗低，熱效率高，綜合能耗低；有價(jià)金屬回收率高，綜合利用好；而且控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；有著很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

（2）Metcal軟件將富氧側(cè)吹還原熔煉、電爐貧化、轉(zhuǎn)爐吹煉集合為一個(gè)工藝冶金模塊運(yùn)行，運(yùn)算結(jié)果詳盡準(zhǔn)確，計(jì)算結(jié)果更加直觀且系統(tǒng)化，有效提高了計(jì)算的效率和準(zhǔn)確性，所創(chuàng)建的模型與實(shí)際生產(chǎn)的契合度較高，對(duì)工程項(xiàng)目的實(shí)際生產(chǎn)提供了可靠的理論基礎(chǔ)。