镍闪速熔炼过程的平衡计算.pdf

第5 2 卷第4 期 2 000 年1 1 月 有 色金属 N N F E R R U SM E T A L S V 0 1 ．5 2 ．N o ．4 N o v e m b e r20 0 0 镍闪速熔炼过程的平衡计算 凌玲1 ，沈剑韵1陆金忠2 ，李 光2 1 ．北京有色金属研究总院，北京1 0 0 0 8 8 ；2 ．金J I I 有色金属公司一冶炼厂，金昌7 3 7 1 0 4 摘要典型的镍闪速熔炼体系分成镍冰铜相、炉渣相和气相三个相。本文用自由焓最小的多元多相平衡算法编制平衡 计算程序用以计算这三个相的平衡组成。在相同的炉料成分、熔炼温度、氧量等操作条件下模拟金川镍闪速熔炼过程，计算熔 炼体系的平衡组成，计算结果与实际工业数据一致。 关键词多元多相平衡；闪速熔炼；镍 中图分类号T F 8 0 k 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 一0 2 1 1 2 0 0 0 0 4 一0 0 7 1 一0 3 镍闪速熔炼将焙烧、熔炼和部分吹炼等过程集 中在一个炉子中完成，镍精矿粒度平均为5 0 t i m ， 一般认为在熔炼高温下1 s 之内可以完成冶炼反应。 家守伸正【1 ] 认为包括造渣反应在内的冶炼反应， 至少在反应塔正下方的沉淀池内就已终止。因此， 本文认为镍闪速熔炼过程的产物相是达到或十分接 近平衡状态的，可以通过平衡计算的方法对其规律 进行研究。 镍熔炼体系通常产生镍冰铜相、炉渣相和气相， 是一个典型的高温多元多相体系，与铜熔炼产生冰 铜的过程类似。凌玲等【2 ’3 J 用自由焓最小的多元多 相平衡算法研究铜熔炼及铜渣贫化过程的物质分配 规律。本文用类似的计算原理编制镍闪速熔炼过程 的平衡计算程序，模拟了金川镍闪速熔炼过程，计算 出各相平衡组成并与实际生产数据进行了对比。 1 计算原理及基础数据 根据热力学第一定律，等温等压下封闭体系达 到平衡时，体系总自由焓最小。由以上原理出发进行 平衡计算的方法 即自由焓最小法 已较为成熟，而且 随着计算机技术的发展，计算过程变得相对容易。本 文编制了镍闪速熔炼过程的平衡计算程序，有关数学 推导过程及程序计算框图参见文献[ 2 ，4 ] 。 平衡计算时一般需预先确定平衡时存在的相及 各相中的组分。本文考虑了镍冰铜相、炉渣相和气 相，各相中的组分如表1 所示。平衡计算时需要的 数据如下最终平衡温度和压力，由加料量计算出的 收稿日期2 0 0 0 0 3 0 1 基金项目国家自然科学基金资助项目 作者简介凌玲 1 9 7 0 一 ，女，工程师，从事有色冶金及冶金物化工作 各元素的总摩尔数，每一组分的标准生成自由焓和 活度系数。其中各物质的标准生成自由焓如表2 所 示，镍冰铜相和炉渣相中各组分的活度系数如表3 所示，气相视为理想气体，气相组分的活度系数均等 于1 。 表1 镍闪速熔炼过程中各相中的组分 T a b l e1 C o m p o n e n t so fp h a s e si nn i c k e l f l a s hs m e l t i n gp r o c e s s 相组分 镍冰铜相c u 2 S ，F e S ，F e 3 0 4 ，C u ，N i 2 S ，N i S 。N i ，C o S ，C o ，F e 炉渣相 F e O ，F e 3 0 4 ，C u 2 0 ，N i O ，C o O ，S i 0 2 ，C a O ，M g O 气相0 2 ，S C h ．S O ，c 0 2 ，C O ，H 2 0 ，H 2 ，N 2 表2 各组分的标准生成自由焓 T a b l e 2S t a n d a r dG i b b se n e r g yo ff o r m a t i o n f o rc o m p o n e n t s 一一吲㈨㈨㈨㈨吲⋯㈨～吲Ⅲ吲㈨⋯吲吲㈨㈣吲嘲㈣一 ㈣一c一懈堋川一孽|姗瑚㈣Ⅲ。㈣。蚴㈣。一㈣。堋揪淌一 ～一c一～一一～一一一一一。一。一一。一一。一一一一 地一一一～～～～～～～～一～一～～一～～一～～～一 壬一 一 一 一一，。。。。。。。。。。。。。g。。。g。一 鼢～嘟{耋啪哦邺№鼢叩№【弓∞R№3晓∞啦№踟鼢。| 万方数据 有色金属第5 2 卷 表3 各组分的活度系数 T a b l e3A c t i v i t yc o e f f i c i e n to fc o m p o n e n t s 注①x M 为M 组分在所在相中的摩尔分数 ②[ P c t ．C o ] d 。为C o 在炉渣相中的质量百分数 2计算程序在金川镍闪速熔炼过程中 的应用 金川镍闪速炉分反应塔、沉淀池和贫化区熔池 三个不间断的区域。镍精矿、烟灰等返料、石英粉 熔剂加入炉内，以粉煤为燃料在反应塔内进行一系 列的化学反应，物料落在沉淀池内分出炉渣相和镍 冰铜相，炉渣相在贫化区熔池内用电极加热保温方 法进行贫化。在沉淀池和贫化区熔池区域均不外加 燃料。 如前所述，一般认为在熔炼高温下1 s 之内可 以完成冶炼反应，闪速熔炼反应至少在反应塔正下 方的沉淀池内就已终止【1 ] ，因此，可以将熔炼温 度作为体系平衡温度，而不考虑闪速炉内小幅度的 温度波动。本文用镍闪速熔炼平衡计算程序对金J i I 镍闪速熔炼过程进行了模拟计算。计算时所用原始 物料组成如表4 ，熔炼温度、加料量等主要生产技 术数据如表5 所示，计算结果及相同时期对应的工 业生产数据列于表6 。从表6 可以看出，计算结果 与工业数据基本一致，平衡计算结果能准确地反映 实际生产情况。 表4 金川镍闪速熔炼的炉料成分／％ 9 4 ／7 ／2 6 9 4 ／8 ／1 5 [ 1 2 , 1 3 7 T a b l e 4C o m p o s i t i o n so fr a wm a t e r i a l sf o rJ i n c h u a nn i c k e l f l a s hs m e l t i n gp r o c e s s 7 ／2 6 ／9 4 8 ／1 5 ／9 4 [ 1 2 , 1 3 ．1 ／％ 表5 金川镍闪速熔炼的工艺条件 { 9 4 ／7 ／2 6 9 4 ／8 ／1 5 } [ 1 2 1 3 T a b l e5P r o c e s s i n gp a r a m e t e r sf o rJ i n c h u a nn i c k e l f l a s hs m e l t i n gp r o c e s s 7 ／2 6 ／9 4 8 ／1 5 ／9 4 1 2 , 1 3 ] 项目数值 熔炼温度 熔剂率 烟灰率 用氧量 氧利用率 富氧浓度 用油量 焦炭量 鼓风温度 1 3 3 0 ℃ 2 2 4 k g ／t 一精矿 1 4 9 ．6 k g ／t 一精矿 2 4 0 m 3 ／t 一精矿 9 9 ．4 ％ 4 5 ％ 1 6 ．1 4 k ．∥t 一精矿 4 2 k g ／t 一精矿 2 0 0 ℃ 表6 计算结果与金川镍闪速熔炼过程工业数据[ 1 2 , 1 3 3 的比较 T a b l e6 C o m p a r i s o nb e t w e e nc a l c u l a t e dr e s u l t sa n dc o m m e r c i a ld a t a i nJ i n c h u a nn i c k e lf l a s hs m e l t i n gp r o c e s s t z , t 3 7 少量数据经推算得出。 3 结论与讹 嚣萎耋君葙裂篇嚣糕崔嚣釜票 综上所述，镍闪速熔炼体系是达到或十分接近的多元多相平衡算法计算编制了镍闪速熔炼平衡计 算程序。在相同的炉料成分、熔炼温度、氧量等操 万方数据 第4 期 壅垫竺 堡因鋈堕鉴塾堡堕 煎盐簦 作条件下，程序计算值与金川镍闪速炉实际生产数 据一致，说明该程序有一定的精度和可靠性。程序 可以为镍闪速熔炼过程物质分配规律研究及工业生 产中工艺条件优化提供可靠的计算依据，同时对镍 电炉熔炼、熔池熔炼等过程也有重要的参考价值。 参考文献 家守伸正，青野贞二，黑川晴正等．日本铉棠畲志，1 9 8 7 ，1 0 3 5 3 1 5 凌玲，沈剑韵，远忠森等．有色金属，1 9 9 8 ，5 0 4 6 5 凌玲，沈剑韵，远忠森等．有色金属，1 9 9 9 ，5 1 3 6 4 B a l z h i s e rRE ，S a m u e l sMR ，B l i a s s e nJ ．C h e m i c a lE n g i n e e r i n gT h e r m o d y n a m i c s ．P r e n t i c e H a l l ，E n g l e w o o dC l i f f s ，N e wJ e r s e y ，1 9 7 2 5 5 9 S h i m p oR ，W a t a n a b eY ，G o t oS e ta 1 ．I n S o h nH Ye d ．A d v a n c e si nS u l f i d eS m e l t i n g ．U t a h A I M E ，1 9 8 3 ．2 9 5 M a c k e yPJ ．C a nM e t a lQ u a r t ，1 9 8 2 。2 1 3 2 2 1 S i n h aSN ，N a g a m o r iM ．M e t a l lT r a n s ，1 9 8 2 ，1 3 B 9 4 6 1 N a g a m o r iM ，M a c k e yPJ ．M e t a lT r a n s ，1 9 7 8 ，9 B 6 2 5 5 K y l l oAK ，R i c h a r d sG GM e t a lT r a n s ，B ，1 9 9 1 ，2 2 B 4 1 5 3 N a g a m o r iM ．M e t a lT r a n s ，1 9 7 4 ，5 5 3 1 G r i m s e yEJ ，T o g u r iJM ．C a nM e t a lQ u a r t ，1 9 8 8 ，2 7 4 3 3 1 何焕华，王安铨，周民．有色冶炼，1 9 9 6 年增刊1 卢笠渔．有色冶炼，1 9 9 6 年增刊1 2 E Q U I L I B R I U MC A L C U L A T I O NF O RP R O C E S SO FN I C K E LF L A S HS M E L T I N G L I N GL i n 9 1 。S H E N J i a n y u n l ，L U J i n z h o n 9 2 ，L IG u a n 9 2 1 ．B e i j i n g G e n e r a l R e s e a r c hI n s t i t u t e f o r N o n f e r r o u s M e t a l s ，B e i j i n 9 1 0 0 0 8 8 ； 2 ．五n c h u a nN o n f e r r o u sM e t a l sC o r p o r a t i o n ，J i n c h a n g7 3 7 1 0 4 A B S T R A C T T h ec l a s s i cs y s t e mo ft h e n i c k e lf l a s hs m e l t i n gp r o c e s sc o n t a i n sn i c k e lm a t t ep h a s e ，s l a gp h a s ea n dg a s p h a s e ．B a s e do nt h ea l g o r i t h mo fG i b b se n e r g ym i n i m i z a t i o nf o rc a l c u l a t i n gm u l t i p h a s ea n dm u l t i c o m p o n e n t e q u i l i b r i u m ，t h ep r o g r a mf o rc a l c u l a t i n ge q u i l i b r i u mc o m p o s i t i o n so ft h o s ep h a s e sw a sd e v e l o p e d ．F o rt h es a m e r a wm a t e r i a l s ，s m e l t i n gt e m p e r a t u r e ，c o n s u m p t i o no fo x y g e na n do t h e rp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，J i n c h u a nn i c k e l f l a s hs m e l t i n gp r o c e s sw a ss i m u l a t e da n dt h ee q u i l i b r i u mc o m p o s i t i o n so fp h a s e sw e r ec a l c u l a t e db yt h ep r o g r a m ． T h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa g r e ew i t ht h ec o m m e r c i a ld a t a ． K E YW O R D Sm u l t i p h a s ea n dm u l t i c o m p o n e n te q u i l i b r i u m ；f l a s hs m e l t i n g ；n i c k e l 5 6 7 8 9 m n 屹B 万方数据