專利名稱：一種監(jiān)測和優(yōu)化冶煉爐運行的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提煉冶金學(xué)領(lǐng)域。
具體而言，本發(fā)明涉及優(yōu)化冶煉設(shè)備運行的領(lǐng)域。
在本專利說明中所使用術(shù)語的定義
本說明中的術(shù)語“爐子”包括能夠生熱以將金屬從礦石中提煉出來的任何封閉結(jié)構(gòu)。
本說明中的術(shù)語“礦石”指一種礦物或礦物類，其中包含有價值的成份(特別是金屬)，能夠被開采或提煉以獲取利潤。
本說明中的術(shù)語“冶煉”指從礦石中獲取金屬的過程。通常，冶煉過程包括從鐵礦石中提煉鐵，以及從其相應(yīng)的礦石中提煉其他賤金屬。
這些定義是對先有技術(shù)中所做定義的補充。
背景技術(shù)：
在提煉冶金學(xué)領(lǐng)域中，冶煉是從礦石中獲取金屬的過程。由于大部分礦石是各種化合物的混合物，從礦石中提煉金屬的過程包括首先與碳源進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。正常情況下，與焦炭或木炭等碳源的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在燃木或燃煤爐中。冶煉過程包括使用合適的焦炭或木炭等物質(zhì)與礦石中所含氧元素化合以減少非金屬物，從而將金屬與礦石分離。
由Outokompu開發(fā)的銅爐閃速冶煉工藝已在世界各地廣泛采用。許多研究人員已在實驗室和工廠對該工藝進(jìn)行了研究。盡管該工藝的工業(yè)應(yīng)用不斷增加，閃速冶煉爐的設(shè)計技術(shù)水平在很大程度上仍有待提高。這主要因為難以了解在閃速冶煉爐內(nèi)所發(fā)生單個子過程中復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu)。而且，閃速冶煉爐的運行還涉及非常高的溫度及渦流狀況，成為精確測量產(chǎn)品成份和溫度的主要障礙。
銅爐冶煉的總生產(chǎn)率和經(jīng)濟性取決于精礦進(jìn)料的品質(zhì)(Cu，F(xiàn)e & S)、礦物特性(黃銅礦)及用來獲得目標(biāo)變量的過程狀況。先有技術(shù)的過程指導(dǎo)器能夠?qū)o定的一組輸入?yún)?shù)的過程狀況進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測時僅考量進(jìn)料的元素成份，而忽略進(jìn)料中存在的礦物種類。這可能意味著已經(jīng)開發(fā)出用于不變的礦物特性(特別是高銅礦物特性)的指導(dǎo)器。過程狀況往往隨進(jìn)料和進(jìn)料品質(zhì)而變。
要管理好使用低品位和頻繁變化的精礦混合物料的生產(chǎn)，對于采用銅爐冶煉工藝的任何公司而言，都是一個很大的挑戰(zhàn)。在設(shè)備的運行中，需要連續(xù)進(jìn)行過程調(diào)節(jié)，控制溫度及產(chǎn)品的成份?，F(xiàn)已對關(guān)于FSF(閃速冶煉爐)中的質(zhì)量與能量平衡進(jìn)行了各種研究。
Kosikinen開發(fā)了基于疊加原理的質(zhì)量與能量平衡模型，其假設(shè)是將冰銅品位作為輸入?yún)?shù)，以預(yù)測進(jìn)料特性參數(shù)的過程狀況。以往側(cè)重于開發(fā)質(zhì)量與能量平衡模型(Goto 模型)的研究確實考量了精礦成份，但忽略了燃燒熱的因素。
從維持生熱與散熱平衡的角度來看，在控制閃速爐運行所涉及的挑戰(zhàn)是，如何達(dá)成產(chǎn)生的熱量與損失的熱量同步？只有這樣，才能在反應(yīng)豎爐中達(dá)到和維持適當(dāng)?shù)臏囟人?。對生熱影響最大的是進(jìn)料中Cu(銅)、Fe(鐵)和S(硫)的含量百分率。進(jìn)料中S含量的增加與Cu含量的減少會對FSF(閃速冶煉爐)的冶煉容量構(gòu)成限制。需要根據(jù)精礦混合進(jìn)料的放熱性、進(jìn)料的礦物特性和精礦進(jìn)料中的含硫、含銅百分率進(jìn)行恒溫控制。
用于確定待冶煉物料礦物特性的標(biāo)準(zhǔn)方法是X射線衍射(XRD)技術(shù)。XRD用于分析具有可變成份的若干礦石，研究存在于精礦石中的不同相。幾乎所有存在輝銅礦(Cu2S)、 銅藍(lán)(CuS)、黃銅礦(CuFeS2)、斑銅礦(Cu5FeS4)、磁黃鐵礦(FeS)、黃鐵礦(FeS2)特性的精礦石均可使用XRD技術(shù)進(jìn)行研究。XRD是一種半定量分析技術(shù)，僅可識別樣本中的晶相。它還存在預(yù)測的晶相不超過樣本總量5%的局限。為此，它忽略可能存在于樣本中的少量晶相， 從而基于加權(quán)平均做出其余可識別晶相在整個100%分布范圍的含量比。因此，XRD僅用于晶相預(yù)測的定性分析，而不用于定量分析目的。
冶煉過程所使用的精礦進(jìn)料的制備方法是，將不同的精礦石按比例混合，以在進(jìn)料中獲得Cu(銅)、Fe(鐵)和S(硫)的優(yōu)化含量值。然后設(shè)備的過程狀況由過程指導(dǎo)器決定。過程指導(dǎo)器根據(jù)目標(biāo)變量值的總體元素質(zhì)量與能量平衡來預(yù)測過程狀況。為此，對于進(jìn)入爐子中相應(yīng)物料的過程行為預(yù)測可能不正確。這是因為計算中假設(shè)進(jìn)料的礦物質(zhì)含量恒定，而忽略了單個礦物學(xué)相的燃燒熱。因此需要連續(xù)進(jìn)行過程調(diào)節(jié)，以控制溫度及產(chǎn)品的成份。
開發(fā)一種預(yù)測過程行為的過程指導(dǎo)器，同時掌控過程的動態(tài)性，勢必極大地幫助設(shè)備操作人員。過程指導(dǎo)器可預(yù)測過程行為和掌控化學(xué)過程的動態(tài)性，便于了解過程的物理特性，有助于改善從礦石中提煉金屬過程相關(guān)的運作方法。
本發(fā)明涉及開發(fā)一種過程指導(dǎo)器，用于預(yù)測在輸入?yún)?shù)中所有主要變數(shù)的爐內(nèi)行為，并產(chǎn)生一組爐子優(yōu)化運行狀況所需的數(shù)值即優(yōu)化值。根據(jù)本發(fā)明的過程指導(dǎo)器機制是一種基于礦物特性的系統(tǒng)，可預(yù)測各個元素的礦物特性，進(jìn)而使用所預(yù)測的礦物特性作為預(yù)測優(yōu)化過程參數(shù)目的的輸入。
發(fā)明目的
本發(fā)明的一個目的是，提供一種基于礦物特性的系統(tǒng)，以優(yōu)化冶煉爐的運行。
本發(fā)明的另一個目的是，提供一種基于礦物特性的系統(tǒng)，以考量冶煉爐進(jìn)料的礦物特性并優(yōu)化冶煉爐的運行。
本發(fā)明的另一個目的是，提供一種基于礦物特性的系統(tǒng)，有助于達(dá)成在冶煉過程中的生熱與散熱平衡。
本發(fā)明的另一個目的是，提供一種基于礦物特性的系統(tǒng)，以有效地掌控冶煉過程的動態(tài)性。
本發(fā)明的另一個目的是，提供一種基于礦物特性的系統(tǒng)，以預(yù)測在冶煉參數(shù)中所有可能變數(shù)的冶煉爐行為。
本發(fā)明的另一個目的是，提供一種系統(tǒng)，以高效地預(yù)測冶煉爐的優(yōu)化工作模式。
本發(fā)明的另一個目的是，提供一種系統(tǒng)，以預(yù)測進(jìn)料是多種礦石成份時冶煉爐的優(yōu)化工作模式。
本發(fā)明的再一個目的是，提供一種系統(tǒng)，以準(zhǔn)確預(yù)測對應(yīng)于冶煉過程的優(yōu)化過程參數(shù)。
發(fā)明概述
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種監(jiān)測和優(yōu)化冶煉爐運行的系統(tǒng)。
通常，根據(jù)本發(fā)明，處理部件用于在所述爐子中處理待冶煉物料的樣本。
通常，根據(jù)本發(fā)明，運行參數(shù)確定部件與礦物處理部件協(xié)同工作。
通常，根據(jù)本發(fā)明，運行參數(shù)確定部件用于確定運行參數(shù)，即基于已確定的礦物特性和對應(yīng)于爐子運行的運行參數(shù)。
通常，根據(jù)本發(fā)明，冶煉參數(shù)確定部件與礦物處理部件和運行參數(shù)確定部件協(xié)同工作。
通常，根據(jù)本發(fā)明，冶煉參數(shù)確定部件用于確定冶煉參數(shù)，根據(jù)已確定的礦物特性和已確定的運行參數(shù)進(jìn)行確定。
通常，根據(jù)本發(fā)明，已確定的冶煉參數(shù)被輸入爐子，以優(yōu)化冶煉運行。
通常，根據(jù)本發(fā)明，監(jiān)測和優(yōu)化爐子冶煉運行的系統(tǒng)還包括配裝到礦物處理部件上的顯示、運行參數(shù)確定部件和冶煉參數(shù)確定部件。
通常，根據(jù)本發(fā)明，顯示部件用于顯示已確定的礦物特性、已確定的運行參數(shù)和已確定的冶煉參數(shù)。
通常，根據(jù)本發(fā)明，礦物特性選自黃銅礦成份、斑銅礦成份、銅藍(lán)成份、黃鐵礦成份和磁黃鐵礦成份。
通常，根據(jù)本發(fā)明，運行參數(shù)選自爐子運行時間、停爐時間、爐子處理量、單位爐子金屬產(chǎn)量、平均環(huán)境溫度、氧氣電勢、熔融金屬溫度和爐子利用系數(shù)。
通常，根據(jù)本發(fā)明，冶煉參數(shù)選自冰銅成份、爐渣成份、冰銅溫度、爐渣溫度、廢氣溫度、反應(yīng)豎爐的溫度和冶煉反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種監(jiān)測和優(yōu)化爐子運行的方法。根據(jù)本發(fā)明，該方法包括以下步驟
在所述爐子中處理待冶煉物料的樣本，確定其礦物特性；
根據(jù)所述已確定的礦物特性來確定對應(yīng)于所述爐子運行的運行參數(shù)；
根據(jù)所述已確定的礦物特性和已確定的運行參數(shù)來確定冶煉參數(shù)；
顯示所述已確定的礦物特性、已確定的運行參數(shù)和已確定的冶煉參數(shù)；以及
輸入所述已確定的冶煉參數(shù)到所述爐子，以優(yōu)化所述冶煉運行。通常，根據(jù)本發(fā)明，確定礦物特性的步驟還包括確定選自以下成份的礦物特性黃銅礦成份、斑銅礦成份、 銅藍(lán)成份、黃鐵礦成份和磁黃鐵礦成份。
通常，根據(jù)本發(fā)明，確定對應(yīng)于爐子運行的運行參數(shù)的步驟還包括確定運行參數(shù)的優(yōu)化值，運行參數(shù)選自爐子運行時間、停爐時間、處理量、單位爐子金屬產(chǎn)量、平均環(huán)境溫度、氧氣電勢、熔融金屬溫度和爐子利用系數(shù)。
通常，根據(jù)本發(fā)明，確定冶煉參數(shù)的步驟還包括確定冶煉參數(shù)的優(yōu)化值，冶煉參數(shù)選自冰銅成份、爐渣成份、冰銅溫度、爐渣溫度、廢氣溫度、反應(yīng)豎爐的溫度和冶煉反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。
詳細(xì)說明
本發(fā)明涉及開發(fā)一種監(jiān)測和優(yōu)化爐子冶煉運行參數(shù)的系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明，該系統(tǒng)預(yù)測冶煉參數(shù)中所有主要變量的爐子行為，提供能夠用于爐子運行的優(yōu)化冶煉參數(shù)，以獲得優(yōu)化處理量。
參閱

圖1，系統(tǒng)10用于監(jiān)測和優(yōu)化爐子的冶煉運行。根據(jù)本發(fā)明，系統(tǒng)10包括序CN 102933728 A書明說4/8頁號為12的處理部件，用于預(yù)測對應(yīng)于待冶煉物料的礦物特性。處理部件12所預(yù)測的礦物特性包括但不限于黃銅礦成份、斑銅礦成份、銅藍(lán)成份、黃鐵礦成份和磁黃鐵礦成份。
序號為14的運行參數(shù)確定部件與處理部件12協(xié)同工作，接收所生成的礦物特性， 并根據(jù)所生成的礦物特性來確定對應(yīng)于爐子運行的優(yōu)化運行參數(shù)。由運行參數(shù)確定部件14 確定的運行參數(shù)包括但不限于爐子運行時間、停爐時間、處理量、單位爐子金屬產(chǎn)量、平均環(huán)境溫度、氧氣電勢、熔融金屬溫度和爐子利用系數(shù)。運行參數(shù)確定部件14還將上述參數(shù)優(yōu)化值賦予爐子運行參數(shù)，以獲得處理量和金屬品質(zhì)的優(yōu)化結(jié)果。
序號為16的冶煉參數(shù)確定部件與處理部件12和運行參數(shù)確定部件14協(xié)同工作，接收已確定的礦物特性和已確定的運行參數(shù)。根據(jù)已確定的礦物特性和已確定的運行參數(shù)，冶煉參數(shù)確定部件14得出優(yōu)化的冶煉參數(shù)，用于從礦石中提煉金屬的過程，以產(chǎn)生爐子處理量和金屬品質(zhì)的優(yōu)化結(jié)果。由冶煉參數(shù)確定部件16確定的冶煉參數(shù)包括但不限于冰銅成份、爐渣成份、冰銅溫度、爐渣溫度、廢氣溫度、反應(yīng)豎爐的溫度和冶煉反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種顯示部件18，它與處理部件12、運行參數(shù)確定部件14和冶煉參數(shù)確定部件16協(xié)同工作，分別接收已確定的礦物特性、已確定的運行參數(shù)和已確定的冶煉參數(shù)。顯示部件18在顯示屏上顯示已確定的礦物特性、已確定的運行參數(shù)和已確定的冶煉參數(shù)，從而保持爐子操作人員了解對應(yīng)于冶煉運行的各種參數(shù)的變化情況。
根據(jù)本發(fā)明，該系統(tǒng)完成以下任務(wù)
(i)該系統(tǒng)作為一種預(yù)測機制，預(yù)測對應(yīng)于各個礦石的礦物特性；
(ii)使用所生成的礦物特性作為輸入，本發(fā)明的系統(tǒng)即可確定爐子的優(yōu)化運行參數(shù)；以及
(iii)使用所生成的礦物特性和所生成的運行參數(shù)，本發(fā)明的系統(tǒng)即可確定待輸入爐子的優(yōu)化冶煉參數(shù)，以達(dá)成優(yōu)化處理量的爐子運行。
在典型的冶煉實施工藝中，銅精礦、硅通量和燃料從豎爐頂部的燃燒器送入。不同濃度的富氧空氣(從60%至80%不等)也透過位于反應(yīng)豎爐頂部的燃燒器送入。物料在豎爐中的下降期間發(fā)生氧化反應(yīng)，銅精礦顆粒被氧化并被氧化過程中所產(chǎn)生的熱量融化。反應(yīng)豎爐需要吹動干燥的富氧空氣流。
當(dāng)氣固懸浮物離開燃燒器并向下流經(jīng)反應(yīng)豎爐時，固體顆粒被對流加熱，由于固體顆粒的加熱，化學(xué)反應(yīng)達(dá)到一個溫度，在該溫度下，氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量超過散熱量。該溫度稱為燃點溫度，對于銅精礦，燃點溫度介于400°C至550°C之間。一旦達(dá)到燃點溫度，之后的反應(yīng)顆粒的溫度也升至約2000°C。經(jīng)過氧化反應(yīng)過程的熔融物向下流入沉降器區(qū)。在沉降器中，熔融物料分離成為冰銅、爐渣和廢氣。
冰銅和爐渣從各自的喉孔間歇排出。爐渣被送入爐渣清理爐(SCF)，冰銅被送入臥式轉(zhuǎn)爐(Pierce Smith Converter,PSC)。爐廢氣穿過上升煙道,在其中粉塵被硫酸化。廢氣隨后穿過廢熱鍋爐(WHB)和靜電除塵器(ESP)，在其中清除大部份粉塵。
本發(fā)明涉及一種作為指導(dǎo)工具的系統(tǒng)，用來確定對應(yīng)于任何給定輸入?yún)?shù)的冶煉過程狀況。閃速冶煉過程的主要變量有
所產(chǎn)生冰銅的量和成份(Cu(銅)、Fe3O4 (氧化鐵)和S (硫)的百分率)；
所產(chǎn)生爐渣的量和成份(Cu(銅)、Fe304 (四氧化三鐵)、(二氧化硅)和FeO(氧6化鐵)的百分率)；以及
冶煉過程的溫度，正常情況下，冶煉過程的溫度受制于冰銅溫度、爐渣溫度、廢氣溫度和反應(yīng)豎爐的溫度。
在所開發(fā)的監(jiān)測和優(yōu)化爐子冶煉運行的系統(tǒng)中，待冶煉物料的礦物特性起著非常重要的作用。爐子的總體能量平衡，即生熱與散熱的比率，受制于待冶煉物料的礦物特性。 表I中的過程分析說明，盡管元素成份相同，但由于礦物學(xué)成份各異，從而對冶煉系統(tǒng)的熱平衡構(gòu)成了顯著影響。確定待冶煉物料的礦物成份對于了解冶煉設(shè)備的行為和性能起著重要的作用。
本發(fā)明的系統(tǒng)開發(fā)采用了順序模塊化仿真方法。順序模塊化仿真的優(yōu)點是過程直接、易于可視化和易于采用普通和相對簡單的工具(如MS-Excel、Spreadsheet Generator 等)進(jìn)行記錄。
為了預(yù)測爐子運行的性能，可分析待冶煉物料中的Cu(銅)、Fe(鐵)和S(硫)成份，并給出不同精礦石的混合比例?；谏鲜龇治觯鶕?jù)本發(fā)明的系統(tǒng)能夠識別冶煉參數(shù)的最佳運行范圍，同時預(yù)測需要賦予目標(biāo)變量的值
冰銅品位和冰銅溫度；
爐渣的化學(xué)成份和爐渣溫度；以及
·廢氣的化學(xué)成份和廢氣溫度。
下表列出根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)所提供的預(yù)測值，其中使用了三種規(guī)定的礦物質(zhì)混合物。在表中，符號Cu表示銅、Fe表示鐵、S表示硫。
權(quán)利要求
1.一種監(jiān)測和優(yōu)化冶煉爐運行的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 用于在所述爐子中處理待冶煉物料的樣本并確定其礦物特性的處理部件； 與所述礦物處理部件協(xié)同工作的運行參數(shù)確定部件，所述運行參數(shù)確定部件用于根據(jù)所述已確定的礦物特性來確定對應(yīng)于所述爐子的運行參數(shù)；以及 與所述礦物處理部件和運行參數(shù)確定部件協(xié)同工作的冶煉參數(shù)確定部件，所述冶煉參數(shù)確定部件用于根據(jù)所述已確定的礦物特性和已確定的運行參數(shù)來確定冶煉參數(shù)，所述已確定的冶煉參數(shù)被送入所述爐子以優(yōu)化所述冶煉運行。
2.在權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)中包括一種配裝到所述礦物處理部件的顯示部件、運行參數(shù)確定部件和冶煉參數(shù)確定部件，所述顯示部件用于顯示所述已確定的礦物特性、已確定的運行參數(shù)和已確定的冶煉參數(shù)。
3.在權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)中，所述礦物特性選自黃銅礦成份、斑銅礦成份、銅藍(lán)成份、黃鐵礦成份和磁黃鐵礦成份。
4.在權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)中，所述運行參數(shù)選自爐子運行時間、停爐時間、爐子處理量、單位爐子生產(chǎn)量、平均環(huán)境溫度、氧氣電勢、熔融金屬溫度和爐子利用系數(shù)。
5.在權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)中，所述冶煉參數(shù)選自冰銅成份、爐渣成份、冰銅溫度、爐渣溫度、排氣溫度、反應(yīng)豎爐的溫度和冶煉反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。
6.一種監(jiān)測和優(yōu)化冶煉爐運行的方法，所述方法包括以下步驟 在所述爐子中處理待冶煉物料的樣本，確定其礦物特性； 根據(jù)所述已確定的礦物特性來確定對應(yīng)于所述爐子運行的運行參數(shù)； 根據(jù)所述已確定的礦物特性和已確定的運行參數(shù)來確定冶煉參數(shù)； 顯示所述已確定的礦物特性、已確定的運行參數(shù)和已確定的冶煉參數(shù)；以及 輸入所述已確定的冶煉參數(shù)到所述爐子，以優(yōu)化所述冶煉運行；以及
7.在權(quán)利要求6所述的方法中，確定所述礦物特性的步驟還包括確定選自以下成份的礦物特性黃銅礦成份、斑銅礦成份、銅藍(lán)成份、黃鐵礦成份和磁黃鐵礦成份。
8.在權(quán)利要求6所述的方法中，確定對應(yīng)于所述爐子運行的所述運行參數(shù)的步驟還包括確定運行參數(shù)的優(yōu)化值，運行參數(shù)選自爐子運行時間、停爐時間、處理量、單位爐子產(chǎn)量、平均環(huán)境溫度、氧氣電勢、熔融金屬溫度和爐子利用系數(shù)。
9.在權(quán)利要求6所述的方法中,確定所述冶煉參數(shù)的步驟還包括確定冶煉參數(shù)的優(yōu)化值，冶煉參數(shù)選自冰銅成份、爐渣成份、冰銅溫度、爐渣溫度、廢氣溫度、反應(yīng)豎爐的溫度和冶煉反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。
全文摘要
公布了一種監(jiān)測及優(yōu)化冶煉爐運行的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括處理部件，用于在爐子中處理待冶煉物料的樣本并確定其礦物特性。該系統(tǒng)還包括與處理部件協(xié)同工作的運行參數(shù)確定部件，用于接收礦物特性數(shù)據(jù)。運行參數(shù)確定部件根據(jù)礦物特性來確定對應(yīng)于爐子運行的運行參數(shù)。該系統(tǒng)還包括與處理部件和運行參數(shù)確定部件協(xié)同工作的冶煉參數(shù)確定部件，用于分別接收礦物特性數(shù)據(jù)和運行參數(shù)。冶煉參數(shù)確定部件根據(jù)礦物特性和運行參數(shù)來確定冶煉參數(shù)。冶煉參數(shù)隨后被送入爐子以優(yōu)化爐子的冶煉運行。
文檔編號C22B5/00GK102933728SQ201180007354
公開日2013年2月13日 申請日期2011年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月19日
發(fā)明者哈沙·喬希, 希里什·塔勒, 比斯瓦吉特·巴蘇, 迪夫揚·沙阿 申請人:埃迪亞貝拉科技有限公司, 印度鋁工業(yè)有限公司