基于銅渣緩冷制度的銅渣包溫度仿真分析

何黎明

（國投金城冶金有限責任公司，河南 靈寶 472500）

0 引言

所謂銅渣，是指銅礦冶煉作業中吹煉以及熔煉工序中的廢渣，利用火法冶煉工藝所生產出的銅與銅渣的比例約為1∶2.2，即每生產出1 t 的銅，便會產生約2.2 t 的銅渣。對銅渣中有價值金屬元素的回收與利用，是應對我國銅精礦能源枯竭趨勢的必要措施[1-2]。實際冶煉作業中，銅渣冷卻環節的溫度控制能夠直接決定銅渣的質量與利用率，因此需要加強對銅渣包溫度場的認知與控制[3]。但在實際的生產環節中，大部分工廠會選擇利用讀取銅渣包側壁溫度數值的方式對銅渣包的倒包質量進行判斷，假設相關技術人員無法精準判斷不同因素條件下銅渣包內部的溫度場分布情況，便有可能加劇倒包工作中渣包放炮的隱患發生概率[4]。針對這一情況，以銅渣為重點研究對象，基于銅渣緩冷制度，設定冬季冷卻水緩冷以及夏季自然緩冷兩種工況，分析銅渣包在不同工況中的溫度場分布情況。

1 銅渣包溫度場數學模型

設定ΔH0為特定時間內銅渣包熱焓的數值變化，為特定時間內銅渣包熱損失數值，銅渣包內部溫度場的數學方程式如下：

基于銅渣包的熱傳導特性，其渣包內部的熱傳導基本服從不穩定熱傳導的控制公式，如公式（2）。

式中：kx、ky、kz分別為銅渣包x、y、z 三維方向的導熱系數；T、t 分別為銅渣包節點溫度以及熱度節點時間；ρ、c 分別為銅渣密度以及比熱容；qs為銅渣包單位體積標準下的熱產生率，即熱源強度。由于本次的研究重點為銅渣包內溫度場的分布情況而并非化學反應過程，因此設定qs的數值為0。

本次研究設定上述過程為穩定狀態計算，即銅渣包內的溫度并不會受到時間的影響而出現變化，因此可以將上述公式中的視為0，因此可以將銅渣包溫度場數學模型公式簡化為：

2 銅渣包溫度場仿真

2.1 分析模式

基于ANSYSWORK-BENCH（簡稱ANSYS）軟件操作便捷、適用范圍廣、邊界條件簡便等優勢，本次研究重點使用該軟件對某工廠銅渣包的溫度場進行仿真分析，其模型如圖1 所示。其計算流程為：利用Solidworks 建立銅渣包模型并導入至ANSYS 軟件之中；設定溫度場分析參數；添加熱傳遞邊界條件后，進行溫度場求解分析；系統自動生成溫度場分布圖。

圖1 渣包模型

2.2 基礎參數

銅渣由銅（2%，質量分數，下同）、硫（0.7%）、鐵（39.77%）、二氧化硅（28.01%）、氧化鈣與氧化鎂化合物（4.64%）以及業殘渣（24.58%）共同組成。銅渣包材料由ZG230-450 耐高溫耐腐蝕鋼材制成，本研究設定銅渣包溫度閾值為150～1 200 ℃，不同溫度條件下銅渣包比熱容以及導熱系數參數如表1 所示。

表1 ZG230-450 在不同溫度下的比熱及熱導率

2.3 邊界條件

基于工廠4 m3/h 的給水量對冬夏兩季條件下的銅渣緩冷過程中的溫度場分布，其中冬夏兩季的空氣溫度環境分別為-5 ℃以及30 ℃；緩冷工藝冷卻水溫度分別為2 ℃以及20 ℃。

3 不同銅渣緩冷制度下銅渣溫度場分析

設定冬夏兩季的室內溫度自然緩冷時間12 h，分別記錄0 h 初始狀態、2 h、7 h 以及12 h 緩冷結束狀態下的溫度；冷卻水緩冷時間為50 h，分別記錄0 h、2 h、26 h 以及50 h 的溫度。

3.1 冬季銅渣緩冷溫度場分析

3.1.1 冬季自然緩冷

1）銅渣進入渣包之后需要先在空氣中自然冷卻一段時間，剛進入銅渣包的銅渣尚處于熔融狀態下，其最大溫度為1 296.8 ℃。

2）0～2 h 階段，銅渣包的溫度由外向內逐漸下降，整體銅渣包的中心最高溫度為1 292.4 ℃；銅渣包頂部與底部銅渣的溫度分別為1 262.56 ℃以及1 265.72 ℃；銅渣包側壁溫度平均值為1 261.5 ℃，這一階段的銅渣仍屬于熔融狀態。

3）2～7 h 階段，銅渣包的溫度持續下降，整體銅渣包的中心最高溫度為1 119.2 ℃；銅渣包頂部與底部銅渣的溫度分別為955.62 ℃以及894.71 ℃；銅渣包側壁溫度平均值為925.3 ℃，最高溫度相較于2 h 狀態下降177.6 ℃，平均下降35.52 ℃/h。

4）7～12 h 階段，銅渣包的溫度持續下降，整體銅渣包的中心最高溫度為999.5 ℃；銅渣包頂部與底部銅渣的溫度分別為894.3 ℃以及880.92 ℃；銅渣包側壁溫度平均值為876.88 ℃，整體銅渣包溫度場趨于均等。其中最高溫度相較于7 h 狀態下降119.7 ℃，平均下降23.94 ℃/h，這一時刻下銅渣已經凝固。

3.1.2 冬季冷卻水緩冷

1）自然冷卻12 h 后開始接入冷卻水，由于緩冷方式由自然緩冷轉變為冷卻水緩冷，受冷卻水的影響，銅渣上部溫度急劇下降，高溫區域出現下移。冷卻水緩冷過程中銅渣包的高溫區域下移，銅渣包初始最高溫度為999.5 ℃，2 h 狀態下為789.08 ℃，0～2 h 這一過程中，銅渣整體的溫度下降速度較快，共下降210.29 ℃，平均下降溫度為105.145 ℃。

2）2～26 h 階段，冷卻水緩冷過程中銅渣的高溫區域集中在銅渣包中心區域，其最大溫度為356.28 ℃，相較于2 h 狀態下降432.8 ℃，平均下降18.03 ℃/h。

3）26～50 h 階段，銅渣最高溫度為86.72 ℃，相較于26 h 狀態下降269.56 ℃，平均下降11.23 ℃/h。

3.2 夏季銅渣緩冷溫度場分析

3.2.1 夏季自然緩冷

1）0 h 初始狀態下銅渣包內部最大溫度為1 299.3 ℃。

2）0～2 h 階段，銅渣包的溫度內高外低，中心最高溫度為1 294.6 ℃；銅渣包頂部與底部銅渣的溫度分別為1 262.52 ℃以及1 264.5 ℃；銅渣包側壁溫度平均值為1 260.8 ℃/h。

3）2～7 h 階段，銅渣包的溫度持續下降，整體銅渣包的中心最高溫度為1 146.3 ℃；銅渣包頂部與底部銅渣的溫度分別為1 014.2 ℃以及906.3 ℃；銅渣包側壁溫度平均值為952.7 ℃，最高溫度相較于2 h 狀態下降148.3 ℃，平均下降29.66 ℃/h。

4）7～12 h 階段，銅渣包的溫度持續下降，整體銅渣包的中心最高溫度為1 039.8 ℃；銅渣包頂部與底部銅渣的溫度分別為832.5 ℃以及868.3 ℃；銅渣包側壁溫度平均值為862.88 ℃。其中最高溫度相較于7 h 狀態下降106.5 ℃，平均下降21.3 ℃/h，這一時刻下銅渣已經凝固。

3.2.2 夏季冷卻水緩冷

1）銅渣包初始最高溫度為1 039.8 ℃，2 h 狀態下為862.92 ℃，0～2 h 這一過程中，共下降176.88 ℃，平均下降溫度為88.44 ℃/h。

2）2～26 h 階段，冷卻水緩冷過程中銅渣的最大溫度為339.82 ℃，相較于2 h 狀態下降523.1 ℃，平均下降21.80 ℃/h；

3）26～50 h 階段，銅渣最高溫度為89.25 ℃，相較于26 h 狀態下降250.57 ℃，平均下降10.44 ℃/h。

4 仿真結果

圖2、圖3 分別是冬夏兩季自然緩冷與冷卻水緩冷狀態下，銅渣內部溫度變化折線圖以及銅渣包側邊溫度變化折線圖。觀察圖2 可知，冬季銅渣包內部的初始溫度要低于夏季，其二者在12 h 結束自然緩冷狀態下的溫度差值為40.3 ℃。在銅渣進入到冷卻水緩冷狀態下，冬夏兩季都呈現出溫度下降速度先加快后減慢的趨勢，其中以2 h 之前的溫度下降速度較快，為保障整體降溫工序的穩定性，可利用減少冷卻水用量、提升溫度等方式加以控制。

圖2 銅渣內部溫度變化折線圖

圖3 銅渣包側邊溫度變化折線圖

圖3 為銅渣包側邊溫度變化趨勢，其冬夏兩季的溫度變化趨勢基本相同，都處于先逐漸增加后逐漸減少的狀態。

5 結論

1）不同工況下冬夏兩季銅渣包溫度都為中心溫度高于側邊溫度，其兩者的溫度變化趨勢趨于一致，并且銅渣都在自然冷卻12 h 后由熔融狀態轉化為凝固狀態。

2）夏季緩冷作業銅渣包的側邊溫度要高于冬季，并且夏季冷卻水緩冷前2 h 中銅渣溫度的下降速度過快，不利于銅渣中含銅顆粒的轉化，需要采用適當的措施緩解冷卻速率。