脆硫铅锑矿闪速熔炼过程数模仿真

摘要

脆硫铅锑矿是重要的炼锑原料，当前仍以“烧结脱硫-鼓风炉还原”生产工艺为主，存在流程长、返料多、能耗高、污染重、主金属回收率低、伴生金属分散等问题。闪速熔炼技术具有工艺成熟、自动化程度高、生产能力大、能源消耗低等特点，被普遍认为是标准的清洁冶炼工艺。为此，探索将闪速熔炼技术应用于脆硫铅锑矿高效利用，对促进铅锑冶炼工业的节能减排具有重要意义。
　　论文在分析脆硫铅锑矿闪速炉雏形特征的基础上，研究建立了脆硫铅锑矿闪速熔炼热力学模型，并选用 Delphi计算机高级语言，运用面向对象程序方法，自主研发了脆硫铅锑矿闪速熔炼过程计算机仿真系统；基此，开展了脆硫铅锑矿闪速熔炼过程多因素耦合仿真试验，考察了吨矿氧量、熔炼温度、富氧浓度、渣型（ Fe/SiO2、Fe/CaO）、焦率及还原温度等工艺参数对脆硫铅锑矿闪速熔炼过程的综合影响，揭示了脆硫铅锑矿闪速熔炼规律，为闪速熔炼拓展应用于脆硫铅锑矿高效利用提供了理论支持。
　　主要研究内容和结论如下：
　　1、基于相似理论，将脆硫铅锑矿闪速熔炼段分为反应塔氧化部分和焦炭层还原部分，基于吉布斯最小自由能原理，研究建立了脆硫铅锑矿闪速熔炼反应塔氧化段多相平衡数学模型和焦炭层还原段局域平衡数学模型，为脆硫铅锑矿闪速熔炼过程热力学研究提供了一种方法。
　　2、开展了脆硫铅锑矿闪速熔炼反应塔氧化段仿真研究，考察了吨矿氧量、熔炼温度、富氧浓度、渣型（Fe/SiO2、Fe/CaO）等工艺参数对铅、锑在各相中的分配行为影响，结果表明：(1)吨矿氧量对氧化段合金和炉渣的产出率影响显著，但对烟气的产出率影响不大；铅和锑在氧化烟气中的分配比随吨矿氧量的变化趋势正好相反，吨矿氧量高时，锑直收率低，吨矿氧量低时，铅直收率低。因此，综合考虑后续还原段的压力以及铅和锑的直收率，吨矿氧量不宜太高。(2)富氧浓度的升高，有利于降低氧化段烟气量，提高金属直收率，同时有利于将锌固定于炉渣相，利于后续综合回收。(3)熔炼温度的升高，将适当提高铅和锑在烟气中的损失，降低直收率，同时不利于锌固定于炉渣相。因此，熔炼温度应适中。(4)渣中 Fe/SiO2的升高，对减少铅在烟气中的损失有好处，而对锑在烟气中的分配影响不大，但 Fe/SiO2太高，炉渣量大，后续还原压力大。(5)渣中 Fe/CaO对反应塔氧化段影响不大，但从炉渣粘度和渣量等角度，渣中Fe/CaO应适中。
　　3、开展了脆硫铅锑矿闪速熔炼焦炭层还原段仿真研究，考察了焦率和还原温度对铅、锑、锌、铋、铜和砷等金属在还原段各相分配比的影响，结果表明：(1)氧化炉渣中的铅、锑等金属氧化物能快速被焦炭层还原成金属，过量的焦炭将使得锌和铋等金属氧化物被还原进入烟气，不利于有价金属综合回收。(2)焦炭层温度在1000~1200℃之间变化时，对焦炭层还原总体影响不大，但还原温度的提高将使得部分炉渣中的锌和铋转入烟气。
　　4、将闪速熔炼技术应用于脆硫铅锑矿的冶炼在热力学上是可行的。当Fe/SiO2=1.15，Fe/CaO=1.35，熔炼温度为1200℃；吨矿氧量为130~140 Nm3/t，富氧浓度为92％，焦率为20~25 kg/t合金，还原温度为1150℃时，铅的直收率大于70%，锑的直收率大于90%。

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第一章 绪论

1.1 脆硫铅锑矿冶炼技术发展现状

1.2 闪速冶金技术发展现状

1.3 计算机仿真技术及其在冶金中的应用状况

1.3.1 计算机仿真技术发展状况

1.3.2 计算机仿真在闪速熔炼中的应用

1.3.3 多相平衡建模原理与方法

1.4 论文主要研究内容

1.4.1 研究目标

1.4.2 研究内容

1.4.3 研究方案

第二章 脆硫铅锑矿闪速熔炼过程数学模型研究

2.1 脆硫铅锑矿闪速熔炼工艺

2.2 物理模型构建

2.3 模型数学描述

2.4 数学模型求解算法

2.5 数学模型计算流程

第三章 脆硫铅锑矿闪速熔炼过程数值模拟

3.1 体系组成

3.2 热力学数据

3.3 仿真系统研发

3.3.1 开发平台选择

3.3.2 系统结构和组成

3.3.3 系统程序界面

3.3.4 系统模块实现

第四章 脆硫铅锑矿闪速熔炼过程多因素耦合仿真研究

4.1 物料组成

4.2 仿真结果及讨论

4.2.1 吨矿氧量对反应塔氧化段的影响

4.2.2 富氧浓度对反应塔氧化段的影响

4.2.3 熔炼温度对反应塔氧化段的影响

4.2.4 Fe/SiO2对反应塔氧化段的影响

4.2.5 Fe/CaO对反应塔氧化段的影响

4.2.6 焦率对焦炭层还原段的影响

4.2.7 还原温度对焦炭层还原段的影响

4.3 脆硫铅锑矿闪速熔炼最佳工艺条件

第五章 结 论

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果