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熔炼系统冶金计算相关知识

熔炼系统冶金计算相关知识培训

第一章、冶金计算基本知识

一、冶金计算的目的：

1、所需熔剂、燃料、空气/氧气量的计算和配料。

2、所得产物、半产物及炉气的组成和数量的计算。

二、冶金计算的基本方法

1、为了进行冶金计算，要指定一系列的假设条件。

例如:

环境条件（环境温度、用水温度、用气温度等）

元素在流程中的分配比例（走向分布）：

可认为物料中的铜几乎全部入铜锍及炉渣。

物料中的SiO2几乎全部入炉渣等。

主要元素的直收率和回收率，可选择铜冶炼总回收率95~97%。

可选择硫的总利用率95%。

产物温度

炉渣温度1250℃。

铜锍1100℃。

出炉烟气1200℃等。

元素的主要存在形式及主要反应。

可认为Fe的硫化物以FeS的形式存在，并按下列反应进行。

2FeS+3O2+SiO2=2FeO·SiO2+2SO2

2、实际系数的校正

因为采用的冶金工艺技术是不断进步的，使用工艺设备及员工操作技能各个工厂也不尽相同。

那么一些假设条件不同场合不同时期会有所改良。

因此要根据实际情况对一些假设的数据进行实测和校正。

要学会结合各个工厂得到的主要指标作为选择计算的依据。

例如在选择炉渣组成时，要列出同类工厂的炉渣组成表。

批判地吸收分析各工厂平均值相异的原因和所选择数据的根据。

而且通过实际可知，炉渣中SiO2量常不按反应计算。

各个工厂是指定一定的炉渣组成并加以实际校正：

在富氧熔炼体系，入炉物料中铁一部分以FeS的形式入锍相，一部分以2FeO·SiO2形式造渣（此时Fe/SiO2大约1.7）。

另一部分以Fe3O4形式存在于冰铜和渣中，而这些分布随不同的反应条件而变化，也要根据实际检测加以整理、分析和校正。

3、绘制物料处理流程图

在着手进行任何一种冶金计算时，首先必须确定所处理的是一些什么物料。

应该进行哪些过程。

所要进行的工序将得到哪些产物。

4、物料平衡计算

计算进入该过程的全部物料（加入）及产出的全部产物、半成品（产出）的重量之和。

不仅是按物料类别，而且还要按主要组成（Cu、Fe、S、SiO2等）来进行。

5、热平衡计算

热平衡是计算该过程中全部热收入（燃料燃烧、放热反应、各种物料的显热等）和全部热支出（吸热反应、产物带走热、炉子散热等）。

其目地是为了验算热的支出和更深入的分析过程，以发现热量损失的主要原因和使用或节省燃料的可能性和有效途径。

同时可考虑余热回收的实效性。

6、选定计算的基准

物料平衡计算一般按100Kg或100t混合精矿（或入炉物料）进行；也有的按100Kg或100t最终产品进行。

热平衡一般按每小时该过程的热量支出和收入。

单位一般为MJ/h（或GJ/h）.

第二章、混合精矿的初（粗）配

一、混合精矿的粗配是根据生产调度给定的抓配单，将各库存铜精矿，自产渣精矿或搭配金精矿按一定的抓斗数比例在堆配仓内进行抓配而成。

有的冶炼厂一般一次堆配料保证一天的处理量（1000t左右）。

以尽量保证一天的操作不发生大的波动。

当然，如果原料充足，配矿不复杂多变，场地不受限制，也可以加大堆配量。

二、选择的冶金工艺不同，处理的精矿性质亦有所差异（即对原料的适应性不同）。

我们选择富氧底吹造锍捕金新工艺，加之逐步完善的收砷技术，可处理含砷相对较高的混合铜精矿。

混合矿含砷试验已做到2.2%，同时含铜可低到7.5%.（这样会影响Cu、Au、Ag的回收率），实际中应根据各种情况，以效益优先的原则尽量提高混合矿含铜品位。

混合铜精矿一般要求如下：

Cu/S≤1、Fe+S≥50%As≤2.2%

三、由于铜精矿与金精矿的堆积密度差别较大，前者1.6~1.8g/cm3.而金精矿的堆积密度随品位变化较大，高的可达3.0g/cm3.所以在进行抓配时要特别注意，灵活掌握。

而且要经常性的测量并掌握各种不同物料的堆积密度。

四、每堆料要求至少抓配三次以上，首先是按一定顺序和抓斗比抓料堆放。

抓完后进行两次翻料，要求堆配料无明显分层且颜色均匀。

每批料根据要求抓配完成，经值班领导检查认可后，应马上取样送快速分析Cu、Fe、S、SiO2、As、Pb、Zn、CaO、MgO和测定水分，便于及时调整和进行下一道工序配料计算。

第三章、冶金计算实例

一、处理物料组成（%）

1、混合精矿组成

SiO2

CaO+MgO

其它

6.5

2.2

1.12

1.56

3.5

9.5

2、熔剂（石英石）组成SiO2（90）Fe（3.5）

二、产物成份的假定（%）

1、铜锍组成选择

其它

18.2

22.6

1.4

2.8

2、熔炼炉渣的选择

假定炉渣温度是1250℃，选择渣相（2FeO·SiO2）的Fe/SiO2=1.7。

此时各冶炼厂渣含SiO2.一般20~26%，计算时选22%（参照国外诺兰达炉实测数据），那么以2FeO·SiO2存在的Fe约38%。

另可设入炉物料中Fe有25%~30%变为Fe3O4入炉渣（少许铜锍）。

此时炉渣中30%~40%的Fe以Fe3O4形式存在。

三、系统物料处理流程图

氧气空气混合炉料

富氧底吹炉

铜锍炉渣烟气

（吹炼）（选矿）余热锅炉

锅炉烟尘

电收尘

电尘灰

骤冷塔

布袋收砷器

砷尘

高温风机

四、配料计算（制酸）

1、以100kg混合精矿为计算基准

2、假设条件：

假设入炉物料中的铜全部入铜锍和炉渣，物料的SiO2全入渣，物料中的铁亦全入铜锍和炉渣。

3、设加石英石xKg、产铜锍yKg

那么：

、入炉物料含Cu：

入炉物料含Fe：

入炉物料含SiO2：

：

6.5+0.9x

、铜锍含Cu：

0.55yFe：

0.182y

炉渣含SiO2：

22%Fe：

38%（与SiO2造渣的Fe）

铜平衡

炉渣产量：

（6.5+0.9x）÷22%

入渣铜量（6.5+0.9x）÷22%×3.5%（假设炉渣含铜3.5%）

由于入炉物料含Cu（18）等于铜锍含量（0.55y）加上入渣铜量那么

18=0.55y+（6.5+0.9x）÷22%×3.5%-------

Fe/SiO2=1.7关系

设25%入炉Fe以Fe3O4的形式存在，那么75%的入炉铁进入铜锍和造渣，即

入渣（2FeO·SiO2）铁：

28×75%-0.182y

入渣SiO26.5+0.9x

显然有（28×75%-0.182y）/（6.5+0.9x）=1.7-------

解这两个方程式得：

x=2.5kgY=30kg

即处理100kg精矿，需加石英石2.5kg。

同时产铜锍30kg

产炉渣：

（6.5+0.9×2.5）÷22%=40kg

Fe3O4总含量：

28×25%×232/168=9.7kg

冰铜中Fe3O4量：

假设冰铜中的O2（1.4%）以Fe3O4形式存在，那么冰铜中Fe3O4含量：

30×1.4×232/64=1.52kg

那么进入渣中的Fe3O49.70-1.52=8.18kg

渣中Fe3O4含量：

8.18/40×100%=20.45%

炉渣组成（%）

SiO2

Fe3O4

CaO+MgO

其它

3.5

20.45

1.5

8.75

5.8

4开炉料单

物料名称

比例

SiO2

其它

混合精矿

100

6.5

2.2

1.12

1.56

10.62

石英

2.5

0.0875

2.25

0.15

混合料

102.5

28.0875

8.75

2.2

1.12

1.56

10.77

17.56

27.4

31.22

8.54

2.15

1.1

1.52

10.51

五、烟尘计算

1、假设物料中的Zn、Pb、As元素在冶炼产物中的分配比例如下：

（%）

物料名称

铜锍

炉渣

烟尘

2、进入烟尘中的Pb：

1.12×74%=0.83kg

As：

2.20×85%=1.87kg

3、锅炉尘（锅炉尘率取入炉混合料的1%）即1.025kg

含Pb：

1.025×5%=0.05125kg

As：

1.025×3.5%=0.036kg

4、电尘：

含Pb：

0.83-0.05125=0.778kg

电尘灰量：

0.778÷40=1.94kg

电尘含As量：

1.94×6%=0.116kg

5、布袋尘：

（含As2O385%.折合成As64.18%）

进入布袋尘As量：

1.87-0.036-0.116=1.717kg

布袋灰尘量：

1.717÷64.18%=2.68kg

6、总烟尘量：

1.025+1.94+2.68=5.645kg

7、烟尘率：

5.645/102.5×100%=5.5%

8、返尘率（返熔炼系统）：

（1.025+1.94）/102.5×100%=2.9%

9、As2O3尘率：

5.5%-2.9%=2.6%

六、氧料比计算

底吹炉下料是混合料，氧料比指每吨入炉料所需氧气量。

那么计算基准可取100kg入炉混合料

1、产铜锍30÷102.5×100=29.27kg

铜锍含S量:

29.27×22.6%=6.215kg

含铁量：

29.27×18.2%=5.327kg

应脱去S量：

31.22-6.215=24.6kg

氧化总Fe：

27.4-5.32=22.075kg

其中：

氧化成FeO的Fe：

27.4×75%-5.327=20.552-5.32=15.245kg

氧化成Fe3O4的Fe：

22.075-15.245=6.83kg

2、耗氧单元：

a：

S耗氧：

24.6÷32×22.4=17.22Nm3

b：

Fe-FeO耗氧22.075÷56×1/2×22.4=4.415Nm3c:

FeO-Fe3O4-耗氧：

3FeO+1/2O2=Fe3O4

9.7÷1.025÷232×1/2×22.4=0.46Nm3

Zn耗氧:

1.52×94%÷65×11.2=0.284Nm3

Pb耗氧：

1.1×87%÷207×11.2=0.052Nm3

As耗氧：

2.15×92%÷74×3/4×22.4=0.44Nm3

总耗氧量

17.22+4.415+0.46+0.284+0.052+0.44=22.87Nm3

H：

总氧料比：

22.87Nm3/100kg=228.7Nm3/t入炉混合料

工业用氧料比

设氧枪出口富氧浓度65%，氧站氧浓度100%，空气含氧20.05%，求氧/空比

（65%-21%）/（100%-65%）=1.275

反过来空/氧比=0.784（体积比）

100Nm3工业氧→含氧气100Nm3

78.4Nm3空气→含氧气16.07Nm3

入炉总氧气量115.57Nm3中，工业氧占的比例100/115.57×100%=86%，空气中氧气占的比例14%

那么工业用氧/料比为

228.7Nm3×86%=197Nm3/t入炉料

那么每吨入炉物料耗氧气站氧气197Nm3，耗空气约156Nm3

以上计算的是干量。

如果混合精矿含水份为8%，那么以湿物量控制氧料比为

197×92%=182Nm3/t湿料（工业用氧）

每吨入炉湿物料耗氧站工业氧气：

182Nm3

耗空气约143Nm3

七、处理量计算

制氧站产氧设计10000Nm3/h（含氧不小于99.5%）

按95%的平均氧利用率，那么可认为入炉氧气量可达9500Nm3/h（纯氧）

那么每小时可处理炉料：

9500Nm3/h÷198Nm3/t=48t/h

（其中混合精矿48÷102.5×100=47t/h（干）

日可处理混合精矿24×95%（作业率）×47t/h=1070t/d

八、烟气成份（以每小时计算）

1、入炉氧气：

9500Nm3/h

2、入炉空气（氧枪）：

9500×0.784=7448Nm3/h

3、下料口漏入空气假设：

2100Nm3/h

4、入炉总氧气量：

9500+（74448+2100）×20.5%=11460Nm3/h

假设氧气利用率95%，那么烟气含O2：

570Nm3

入炉总氮气量：

（7448+2100）×78%=7450Nm3/h

5、水蒸气量：

物料带入水量，假设物料含H2O为8%：

48（干）÷92%×8%÷18×22.4×1000=5200Nm3/h

空气带入水量，（设湿空气含水量0.023940g/m3）

（7448+2100）×0.02394÷18×22.4=280Nm3/h

总水蒸气量：

5200+280=5480Nm3/h

6、SO2气量

48×17.22×1000/100=8260Nm3/h

7、CO2气量：

混合精矿中各种CaCO3、MgCO3等碳酸盐分解产生CO2气体：

设（CaO+MgO）在精矿中的含量3.5%

那么Vco2=3.5%×48÷56×22.4×1000=670Nm3/h

8、烟气成份表（炉口处，不含炉口漏风）

SO2

CO2

H2O

∑Nm3

Nm3

8260

670

5480

7450

570

22430

36.80

3.00

24.40

33.20

2.60

100

九、开炉生产物料平衡表

名称

配料量

SiO2

其它

混合矿

100

6.5

2.2

1.12

1.56

10.62

石英石

2.5

0.0875

2.3

0.15

加入合计

102.5

28.0875

8.8

2.2

1.12

1.56

10.77

产出

铜锍

16.5

5.46

6.78

熔炼渣

1.4

22.6275

0.6

8.8

烟气含硫

24.62

烟尘

5.65

0.1

损失

1.2

产出合计

102.5

28.0875

8.8

说明：

1、熔炼渣中22.6275kgFe包括Fe3O4，的7.4275kg

2、熔炼返尘及返冷料加入与产出相同，可不参与平衡计算。

3、正常生产配料计算根据实际（如转炉烟尘等非本系统含铜物料）调整。

十、热平衡计算

1、富氧底吹炉界面热量流通图

入炉物料显热Q烟气带走热q

水份蒸发吸热q、硫化物、碳酸盐

炉渣带走热q分解吸热q、化学反应放热Q铜锍带走热q

炉体散热q

入炉气体显热Q

2、假设条件：

计算基准：

每小时处理48吨入炉混合料，设炉渣温度1250℃，铜锍温度1100℃，烟尘气1200℃，炉子容积热强度800—1300MJ/h·m3。

3、热收入Q（GJ/h）

、S燃烧放热：

（硫的燃烧热9286KJ/kg·S）

48×24.6%×1000×9286=109.65GJ/h

、Fe氧化放热：

（Fe的氧化热4258KJ/kg·Fe）（上述是指氧化成FeO的放热，进一步氧化成Fe3O4的忽略不计）

48×22.075%×1000×4258=45012GJ/h。

精矿中其它元素如Pb、Zn、As等的氧化放热忽不计。

、造渣热

2FeO+SiO2=2FeO·SiO2（放热Q=762KJ/kgSiO2）

渣含Fe40×38%÷102.5×100=14.83kg（100kg混合料）

硅酸铁中SiO2量=14.83×60.1/111.7=7.98kg

生成硅酸铁渣放热7.98×1000/100×48×762=2.92GJ/h

CaO+SiO2=CaO·SiO2（放热Q′=1436KJ/kg·SiO2）

渣含SiO2=40×22%÷1.025=8.6kg.（100kg混合矿）

硅酸钙渣中SiO2=0.78kg

生成硅酸钙渣放热：

0.78×1000/100×48×1436=0.54

总的造渣热Q渣=2.92+0.54=3.46GJ/h

、入炉空气显热（氧气温度低不计显热）

空气热容1.3KJ/Nm3·℃温度取20℃

Q气=（7448+2100）×1.3×20=0.25GJ/h

入炉物料显热

入炉混合物料热焓取12.6kJ/kg

Q料=48×1000×12.6=0.6GJ/h

、总的热收入Q∑

Q∑=109.65+45.12+3.46+0.25+0.6=159.0GJ/h

4、热支出q（GJ/h）

、铜锍带走热（铜锍比热0.856KJ/kg·℃）

q1=48×30%÷1.025×1000×0.856×1100

=13.23GJ/h

炉渣带走热（炉渣比热1.172KJ/kg·℃）

q2=48×40%÷1.025×1000×1.172×1250

=27.44GJ/h

、烟气带走热

SO2带走热（令SO2热容：

2.28KJ/Nm3·℃）

8260×2.28×1200=22.60GJ/h

CO2带走热（令CO2热容：

2.28KJ/Nm3·℃，XO2气体热容为2.28.

670×2.28×1200=1.83GJ/h

H2O蒸气带走热（H2O气体热容1.77Kg/Nm3·℃

5480×1.77×1200=11.64GJ/h

N2气带走热（N2气热容1.42Kg/Nm3·℃

7450×1.42×1200=12.70GJ/h

O2带走热（O2热容1.40Kg/Nm3·℃

570×1.40×1200=0.96GJ/h

烟气带走总热q烟气=49.73GJ/h

、烟尘带走热（烟尘比热1.13KJ/kg·℃）

q尘=5.5%×48×1000×1.13×1200=3.58GJ/h

水到1200℃气体蒸发吸收热：

物料中水份量：

48÷92%×8%×1000=4174Kg/h

空气中水份量：

（7448+2100）×0.02394Kg/Nm3=229Kg/h

总入炉水份量=4403Kg/h

水从20℃上升到100℃吸热4403×4.18×（100-20）=1.47GJ/h

水在100℃的汽化潜热

4403Kg/h×539Kcal/kg×4.127KJ/kcal=9.94GJ/h

100℃水蒸汽到1200℃水蒸汽吸热：

q1=[t1200·c1200-t100·c100]·V气

=（1200×1.77-100×1.5）×5480

=10.82GJ/h

水到1200℃气体吸收总热量q水=22.23GJ/h

碳酸盐分解吸热

设精矿中3.5%的CaO+MgO含量以CaCO3形式计算

那么CaCO3=CaO+CO2↑

10056

炉料中碳酸钙量为：

3.5%÷1.025×100/56=6.10%

碳酸钙分解吸热量为1583KJ/Kg.CaCO3

那么分解吸热=48×1000×6.10%×1583=4.64GJ/h

黄铜矿的分解吸热

假设精矿中的铜（18%）60%以CuFeS2形态存在

则CuFeS2含硫量:

18%×60%=10.8%

其分解放热量为：

1675kJ/kg·S

那么放热量为：

48×1000×10.8%÷1.025×1675=8.47GJ/h

、黄铁矿分解吸热

假设精矿中的硫（32%）以CuFeS2和FeS2两种形态存在：

那么以FeS2形态存在的S量=32%-10.8%=21.2%

FeS2—S2

55.84+6464

则精矿中FeS2含量=21.2×

=39.70%

FeS2=FeS+

S2的分解吸热量为561KJ/kg·FeS2

那么黄铁矿的分解吸热量：

48×1000×39.7%÷1.025×561=10.43GJ/h

、炉子散热损失

炉子热损失诺兰达炉取9.8%，本炉型结构与诺兰达炉相似取10%，那么炉子热损失为：

159×10%=15.9GJ/h.

、总的热支出13.23+27.44+49.73+3.58+22.23+4.64+8.47+10.43+15.9=155.65GJ/h

说明：

、Q收入-q支出=159-155.65=3.35GJ/h＞0

炉子热收入大于热支出，熔炼过程不需外加热量能够自热熔炼。

、炉子热强度：

炉膛体积，V=165m3

炉子容积热强度=

=965MJ/m3·h符合要求，与诺兰达炉接近。

5、热平衡

热收入

热量GJ/h

比例%

热支出

热量GJ/h

比例%

硫燃烧热

109.65

68.96

铜锍带走热

13.23

8.32

锍氧化放热

45.12

28.38

炉渣带走热

27.44

17.26

造渣热

3.46

2.18

烟气带走热

49.73

31.55

入炉物料显热

0.85

0.48

烟尘带走热

3.58

2.25

水蒸发吸热

22.23

13.98

碳酸盐分解吸热

4.64

3.71

硫化物分解吸热

18.9

11.89

炉子散热

15.9

其它

3.35

1.04

合计

159

100

合计

159

100

第四章正常生产下的冶金计算

一、投入产出物料组成%

1、混合精矿（铜精矿和金精矿）：

SiO2

CaO+MgO

其它

6.5

2.2

1.12

1.56

3.5

9.5

2、渣经矿：

SiO2

CaO+MgO

SiO2

3、吹炼尘：

其它

18.2

20.6

1.4

2.8

4铜锍：

SiO2

3.5

1.5

5、炉渣：

（2FeO2·SiO2+2CaO2·SiO2渣相中Fe/SiO2=1.7）

二、计算渣精矿产量。

假设底吹熔炼炉铜直收率92%，吹炼炉铜直收率92%，那么进入熔炼炉渣中的铜量为

100×18%×（1-92%）=1.44kg

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