《铜转炉吹炼仿真实验》指导书

一、实验目的

1、培养学生自主设计实验方案的能力；

2、培养学生独立分析解决铜转炉吹炼过程相关问题的能力；

3、通过计算机仿真实验，深入了解铜转炉吹炼过程的基本原理；

4、通过仿真实验，了解铜转炉吹炼工艺过程作业方式；

5、考察铜转炉吹炼各控制参数和工艺条件变化时输出曲线的变化情况，并结合基本原理分析其原因；

6、根据仿真实验结果及数据处理，总结转炉吹炼工艺内在规律。

二、实验原理

铜锍的吹炼过程是周期性进行的，整个作业分为造渣期和造铜期两个阶段。在造渣期，从风口向炉体熔体中鼓入空气或富氧空气，在气流的强烈搅拌下，铜锍中的硫化亚铁（FeS）被氧化生成氧化亚铁（FeO）和二氧化硫气体：氧化亚铁再与添加的熔剂中的二氧化硅（SiO₂）进行造渣反应。由于铜锍与炉渣相互溶解度很小，而且密度不同，停止送风时熔体分成两层，上层炉渣定期排出，下层的铜锍称为白锍，继续对白锍进行吹炼，进入造铜期。

在造铜期，留在炉内的白锍（主要以Cu₂S 的形式存在）与鼓入的空气中的氧反应，生成粗铜和二氧化硫。

造渣期发生的化学反应是：

2FeS + 3 O₂＝2FeO + 2 SO₂ + 935.484 KJ

2FeO + Si0₂ = 2FeO ·SiO₂ + 92.796 KJ

造铜期发生的化学反应有：

2CuS + 3O₂ = 2Cu₂O + 2SO₂

CuS + 2Cu₂O = 6Cu + 2SO₂

总的反应方程式为：

CuS + O₂= 2Cu ＋SO₂

由于转炉吹炼过程属高温多相非平衡冶金反应过程，在实验室中无法实现整个过程的实际操作，只能通过仿真实验来描述整个过程。仿真实验所用的我校自主研发的OMS 铜转炉吹炼工艺过程动态仿真子系统，基于非平衡态热力学中的局域平衡思想，连续不断地对冶金过程各时间微元进行多相反应解析及热平衡计算，从而求得炉内各产物在不同时刻的组成与温度。该仿真软件能够动态、定量地描述铜转炉吹炼过程，改变了过去在实验室无法实现的历史。

三、实验内容

1、依据铜转炉吹炼工艺过程作业方式，熟练掌握铜转炉吹炼动态仿真系统操作步骤；

2、利用铜转炉吹炼动态仿真系统，考察物料加入量、鼓风量、氧量、冷料加入量、各种物料加入时机和速度等实验工艺条件对吹炼过程各期吹炼时间、铜锍和粗铜品位、熔体温度、烟气中S0₂、各相质量、渣成分和渣重等的影响：

3、利用铜转炉吹炼动态仿真系统，考察氧效率、烟尘率、S_l 和S₂ 期终点控制、S_l 和S₂残渣率、粗铜含硫等控制参数的变化对吹炼过程的影响。

四、系统控制参数

系统控制参数：

参数名称	参数单位	参数值	参数名称	参数单位	参数值
氧效率	%	95~99	粗铜含S	％	0.02~0.1
烟尘量	g/Nm3	40~60	炉口漏风	Nm3 / h	3000~5000
Sl 终点控制	Fe%	0.5~1.5	转炉外径	m	4.3
S2 终点控制	Fe%	<1.0	转炉内径	m	3.5
Sl残渣率	%	0.5~1.5	转炉长度	m	14
S2残渣率	%	0.5~1.5	炉口面积	m	4.0

 

五、实验步骤

1、将各期物料加入量、鼓风量、氧量、冷料量及各物料加入时机和速度等实验工艺条件和系统控制参数输入仿真系统；

2、不断调整实验工艺条件和系统控制参数，考察各调整量对吹炼过程的影响；

3、将吹炼过程各期吹炼时间、铜锍和粗铜品位、熔体温度、烟气中S0₂、各相质量和成分、渣成分和渣重等随着实验工艺条件和系统控制参数的调整而变化的情况以表格形式记录下来；

4、在系统控制参数一定时，绘制不同实验工艺条件下，吹炼过程吹炼时间、铜锍和粗铜品位、熔体温度、烟气中SO₂、各相质量、渣成分和渣重等的变化曲线。

六、实验数据及讨论分析

1、根据铜转炉吹炼基本原理给定仿真系统合理的实验工艺条件和系统控制参数；

2、将吹炼过程各期吹炼时间、铜锍和粗铜品位、熔体温度、烟气中SO₂、各相质量和成分、渣成分和渣重等随着实验工艺条件和系统控制参数的调整而变化的情况以表格形式记录下来；

3、利用铜转炉吹炼动态仿真软件，在系统控制参数一定时，把不同实验工艺条件下的仿真结果数据和曲线记录下来；

4、结合实验工艺条件、结果和曲线变化，分析讨论变化原因并总结规律。

七、思考题

1、铜转炉吹炼动态仿真对指导工业生产有何意义？

2、铜转炉吹炼各期终点的判断为什么很重要？

3、铜转炉吹炼过程，常用的冷料有哪些？冷料加入时机和加入速率对吹炼过程有什么影响？

4、铜转炉吹炼过程中，为什么要防止炉内温度和产出烟气量与烟气成分波动太大？