浅析PS转炉吹炼冷量加入量

浅析 PS转炉吹炼冷量加入量

张扬

铜陵有色金属集团股份有限公司

摘要：基于物料守恒、能量守恒和反应动力学原理，建立了PS转炉铜锍吹炼造渣期冷量的计算公式。研究结果对优化冷料添加进而实现节能降耗具有指导意义。

关键字：ps转炉 冷料加入量计算

1、前言

目前，国内外研究者建立了铜锍吹炼过程的静态计算模型。基于 Briskly平衡法建立了锍、气、渣三相平衡计算模型，该模型在实际生产中得到运用；运用了吉布斯自由能最小热力学平衡计算法得到了吹炼期间转炉内铜锍温度的变化情况；薛丽华等根据元素守恒原理计算出吹炼过程的理论耗氧量和全息氧率；从热力学原理角度建立富氧吹炼的节能模型和热经济模型；姚俊峰等利用传热原理合理假设建立了冷料熔化速率和熔化时间的动力学模型。然而，上述静态模型不能满足对生产过程进行实时调度的需要。

2. PS转炉吹炼概况

铜锍吹炼是火法炼铜工艺的关键工序之全世界约85%的冰铜采用 Peirce- Smith（PS）转炉吹炼-2）。P转炉吹炼为间歇式熔池反应过程，是具有非线性、强耦合的非封闭系统。将熔炼过程得到的铜锍送至PS转炉进行吹炼，在此过程中鼓入空气或富氧空气、添加熔剂以维持反应进行，同时投放冷料吸收剩余热量，最终形成粗铜。吹炼过程分为两个阶段：即FeS发生系列氧化造渣反应产出大量炉渣（称为造渣期），和Cu2S发生系列氧化反应产出粗铜（称为造铜期）。

吹炼造渣期反应为放热反应，反应所放出的热量不仅能满足维持反应温度的需求（通常为1523±10K范围内），还能产生大量剩余热量。因此，在反应过程中需要加入冷料来平衡剩余热量，以维持稳定的反应温度，增加粗铜产量。该过程中的剩余热量大小对冷料的添加和转炉的寿命等参数影响很大。因此，准确计算该过程中的冷量，将为添加冷料、增加铜产量、降低产品能耗提供依据。动态模型，对模型做出以下假设：

（1）进入转炉吹炼的铜锍主要由FeS和Cu2S组成，忽略其它微量元素如锌、钴、铅砷、锡等的影响；

（2）吹炼过程中，假设鼓入转炉中的空气只由氧气、氮气两种气体组成，其它成分忽略不计。普通空气中氧气、氮气体积比为21:79，富氧空气中氧气、氮气体积比为a:（1-a）；

（3）转炉内物料的总体积基本不变，PS转炉反应系统可近似为恒容系统；

（4）吹炼过程中，投放固体冷料吸收冷量的过程为物理熔化过程。实现铜吹炼过程节能降耗。由于准确测量生产数据难度大、技术环境不稳定等因素，难以根据经验的方法得到准确的冷量值。

目前，国内外研究者建立了铜锍吹炼过程的静态计算模型。Goo基于 Briskly平衡法建立了锍、气、渣三相平衡计算模型，该模型在实际生产中得到运用；Chen等运用了吉布斯自由能最小热力学平衡计算法得到了吹炼期间转炉内铜锍温度的变化情况；薛丽华等根据元素守恒原理计算出吹炼过程的理论耗氧量和全息氧率；吴扣根等8从热力学原理角度建立富氧吹炼的节能模型和热经济模型；姚俊峰等利用传热原理合理假设建立了冷料熔化速率和熔化时间的动力学模型。然而，上述静态模型不能满足对生产过程进行实时调度的需要。

基于物料守恒、能量守恒和反应动力学原理，建立了铜锍吹炼造渣期的动态模型。利用正交试验和方差分析的方法，对影响冷量的主要生产因素进行显著性分析。该研究实时反映生产中物质和能量的实时变化，为实现优化能量利用和实时监测提供依据。

3、转炉冷料加入量确定方法

冷料量 加人多少 ，要根据炉体状况的实际温度 情况来决定。冷料量加入不足 ，就会出现炉温过高 ， 损害炉内衬寿命 ；加入过多 ，炉温就会过低 ，造成粘 渣 ，延长吹炼时间，甚至还会出现炉渣的上涨。通过 多年的生产实践 ，总结 出适合转炉处理冷料的经验 公式 ，生产实践证 明，能很好地解决炉体热量的收支 平衡问题，对稳定转炉生产、提高产能及延长转炉炉 体寿命 ，具有一定 的指导作用。公式如下 ：

（1）

（2）

（3）

式 中：W -单炉加入冰铜总量,t；M₁、M₂、M₃-分别为造渣一期、二期和造铜期的冷料加入量,t；A-本炉次冰铜品位，%； -修正系数；Q-冷料的吸热值，KJ/t。

4、 修正系数选取

修正系数主要是针对转炉因等料或设备故障后停风 、冰铜品位变化等诸 因素造成炉体内热量变化的一种补偿。 修正系数可分为7个阶段或称7个等级，有3种类型，使用时可视 具体情况分别选用。 修正系数见表1。

表1 修正系数等级及类别

在具体生产实践中，可按下列 3种情况执行 。

1. 热量损失小 ，影响时间短时 ，一般取 型。适当加大修正系数 ，多加冷料 ，可尽最大努力利用热量，提高单炉产能。

2. 热量损失大，影响时间长，或因实际冰铜品位化验分析结果相差大(比分析的高很多)时，一般取 型。适当减少冷料的加入量，确保转炉的热平衡，满足正常的吹炼工艺要求 。

3. 炉体停风6h以上，热量散失已达到无法加入冷料的程度或只能加入极少量的冷料时取 型 ，或临时决定本炉次不加冷料进行吹炼。我厂一般取749—1249作为 型修正系数。

5、Q冷料吸热值的选取

冷料的吸热值是指每加入 It固状物料，其熔化时需要吸收的热量。不同的物料具有不 同的吸热值，各种常用物料的单位吸热值见表2。

6、结束语

(1)在冷料处理过程中，要做到科学 、合理 、准确 ， 以便更好地控制炉体的热平衡，不能忽高忽低。另外，炉体热平衡只是影响炉体寿命的一个因素，在生 产实践中不可忽视其他环节对炉体寿命的影响。

(2)抓好冰铜 、炉渣、粗铜及阳极铜的采样 、送样 及分析工作 ，力争以最快的速度反馈到操作者手中， 便于冷料量的准确加人和处理。

(3)吹炼过程中所用到的冷料应保持干燥 ，块度不宜大于 400-500mm。

参考文献

1. 李林山, 姚能贵, 金泽志,等. 温度控制对大型转炉铜锍吹炼的影响[J]. 铜业工程, 2020, 000(001):91-94.

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4. 智建国, 吴伟, 高琦,等. 大型转炉优化造渣工艺提高脱磷的效果[J]. 钢铁, 2020(7):72-77.