（工程热物理专业论文）铜闪速炉下料偏析模型实验研究.pdf

r o ： ，f 。j 一 m a s t e r sd i s s e r t a t i o n | | i irll i l li l11 11t l l iil y 1718 6 8 3 m o d e le x p e r i m e n t a ls t u d yo nm a l d i s t r i b u t i o ni nt h e f e e d i n gp a r t o f c o p p e r f l a s hf u r n a c e a p p l i c a n t ： m a j o r ： s u p e r v i s o r ： s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t h u n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r a p r ，2 0 1 0 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，er c h i n a 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：要。题瑾日期：2 曼血年上月丑日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 储雠：强虹聊雠峭嗍地年上月上日 一一j 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 闪速熔炼技术是现代铜冶炼的一种先进技术，越来越受到世界炼 铜行业的关注。物料在反应塔中分布的均匀程度对其冶金传递过程有 着重要影响，下料均匀是保证闪速炉生产稳定、高效的前提条件。为 此，本研究以某企业铜闪速炉下料系统为实验原型，对下料系统物料 分布的均匀性进行了模型实验研究。 为了便于对下料系统的偏析规律进行定量分析与比较，对物料偏 析现象进行了定义与分类，确定了定量描述偏析程度的偏析函数( 质 量偏析函数与粒径偏析函数) 的计算方法。基于拟流体运动的假设， 通过对物料在下料溜管以及分布器通道中运动规律的分析，了解了影 响下料偏析的主要影响因素。 基于几何相似原理，按l ：4 的比例制作了下料系统的冷态模型装 置，建立了相应的测试系统。选用河沙、白沙、精矿粉三种物料模拟 下料系统中的物料，应用m a t l a b 和e x c e l 软件对实验数据进行处理。 切向进料方式的实验结果表明：下料系统存在明显的局部偏析、周向 偏析和径向偏析；随着投料量的逐渐增大，周向偏析和局部偏析增大， 径向偏析变化不明显；偏离侧的偏析程度大于偏向侧；使用精矿粉时， 周向偏析程度比选用另外两种物料更严重；粒径偏析现象不存在。 为了提高物料分布的均匀性，从物料的进料方向、流通面积、流 动方向三个方面探寻下料系统结构的优化方案。在实验过程中采取了 安装局部挡板、下料溜管中加导流片、中间隔板上加导流片、改变进 料方式( 十字进料) 四种方案，下料模型实验的定性分析表明加装两 块导流片和十字进料都可以较好地改善偏析情况，但加导流片方式不 易在现场操作和改造，因此十字进料方案较优。十字进料方式的系列 模型实验结果表明：与切向进料方式相比较，当投料量增大时，局部 偏析和周向偏析得到明显改善。 为探讨下料偏析影响因素的重要性，运用灰色关联法对下料周向 偏析影响因素的关联度进行了分析。结果显示，关联度从大到小的排 列顺序为：溜管与分布器中间隔板夹角、投料量、模型装置高度、密 度、下料溜管进口角度、下料溜管横截面变化率、分布器环缝宽度、 下料溜管进口宽度。 关键词：偏析，模型实验，切向进料，十字进料，灰色关联 j d i s s e r t a t i o nf o rm a s t e rd e g r e e ，c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y a bs t r a c t f l a s hs m e l t i n gt e c h n o l o g yi sa na d v a n c e dm o d e mt e c h n o l o g yo f c o p p e rs m e l t i n ga n dp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb yc o p p e rs m e l t i n g i n d u s t r i e s t h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni nt h es h a f tt a k e sag r e a tr o l ei n m e t a l l u r g i c a lt r a n s p o r tp r o c e s s u n i f o r md i s t r i b u t i o no fc o n c e t r a t i o ni sa p r e c o n d i t i o nt oe n s u r eas m o o t ho p e r a t i o na n dh i g he f f i c i e n c yf o rt h e f l a s hs m e l t i n gf u r n a c e t ot a k ear e a l f e e d i n gp a r t o fc o p p e rf l a s h s m e l t i n g f u r n a c ea st h ep r o t o t y p e ，t h eu n i f o r m d e g r e e o fp a r t i c l e d i s t r i b u t i o ni nt h ef e e d i n gp a r ti ss t u d i e db yal o to fm o d e l e x p e r i m e n t s f o rt h ec o n v i e n c eo fa n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nf o rt h em a l d i s t r i b u t i o n m l eo ft h ef e e d i n gp a r t ，t h ep a r t i c l em a l d i s t r i b u t i o np h e n o m e ni sd e f i n e d a n dc l a s s i f i d t h e e x p r e s s i o n s o fm a l d i s t i l b u t i o nf u n c t i o n _ 仰a s s m a l d i s t r i b u t i o nf u n c t i o na n ds i z em a l d i s t r i b u t i o n 矗j n c t i o n - a l e d e t e r m i n e d w h i c ha r eu s e dt oq u a n t a t i v e l yd e s c r i b et h em a l d i s t r i b u t i o n d e g r e e b a s e do nt h ea s s u m p t i o n so fp s e u d of l u i d t h em a i nf a c t o r st h a t a f f e c tm a l d i s t r i b u t i o na r eo b t a i n e db ya n a l y z i n gt h em o t i o no fp a r t i c l e m a t e r i a l i ns l i d et u b ea n dd i s t i l b u t o rc h a n n e l a c c o r d i n gt ot h es i m i l a r i t yp r i n c i p l e ，t h ee x p e r i m e n t a lu n i tw i t ht h e s i m i l a r i t yp r o p o t i o no f l ：4w a sd e s i g n e da n dm a d e t h er e l a t e d m e a s u r i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e d q u a r t zs a n d ，w h i t eq u a r t zs a n da n d c o n c e n t r a t ep o w e rw e r ea p p l i e dt om o d e l p a r t i c l em a t e r i a li nt h ef e e d i n g p a r t t h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e r et r e a t e dw i t hm a t l a ba n de x c e l ls o f t w a r e t h em a i nf o l l o w i n gr e s u l t sa r eo b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n t h ec a s eo ft a n g e n t i a lf e e d i n gp a t t e r n ( 1 ) t h e r ea r eo b v i o u sl o c a l m a l d i s t i l b u t i o n ， c i r c u m f e r e n t i a lm a l d i s t r i b u t i o na n dr a d i c a l m a l d i s t r i b u t i o n ( 2 ) 、m t ht h ei n c r e a s eo f f e e d i n g m a s s r a t e ， c i r c u m f e r e n t i a l m a l d i s t r i b u t i o na n dl o c a lm a l d i s t b u t i o ng r o w , b u t r a d i c a lm a l d i s t r i b u t i o nc h a n g el i t t l e ( 3 ) t h em a l d i s t r i b u t i o nd e g r e ew h e n f e e d i n ga w a yf r o mt h ec e n t e ri sh i g h e rt h a nt h a tw h e nf e e d i n gn e a rt h e c e n t e r ( 4 ) c i r c u m f e r e n t i a lm a l d i s t r i b u t i o no fc o n c e n t r a t ep o w e ri sm o r e s e r i o u st h a nt h a to fq u a r t zs a n da n dw h i t eq u a r t z s a n d ( 5 ) s i z e m a l d i s t r i b u t i o np h e n o m e nd o e sn o tt a k ep l a c e h d i s s e r t a t i o nf o rm a s t e rd e 伊e e ，c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y t oi m p r o v et h eu n i f o r mo fp a r t i c l em a t e r i a ld i s t i l b u t i o n s o m e o p t i m a ls c h e m e sf o rt h ef e e d i n gp a r ta r ep r o v i d e df r o mc h a n g i n gf e e d i n g d i r e c t i o n ，f l o w i n ga r e aa n df l o w i n gd i r e c t i o n f o u rs c h e m e s ，i e s o m e b a f ! f l e sb e i n gs e to nt h es l i d et u b ea l o n gt w od i f f e r e n td i r e c t i o n sa n do n t h ei n t e r v a lb o a r d ，a sw e l la sac r o s s f e e d i n gp a t t e m ，w e r et r i e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt w ob a m e so nt h es l i d et u b ea n dc r o s s f e e d i n gc a n d e c r e a s em a l d i s t r i b u t i o nd e g r e e b u tt h ef o r m e ri sd i 伍c u l tt ob er e a l i z e d f o rt h er e a ls y s t e m s oc r o s s - f e e d i n gi st h o u g h tt ob ea p p r o p r i a t e al o to f m o d e le x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o rt h ec r o s s f e e d i n gp a t t e r ni n d i c a t et h a t c o m p a i l e dt o t h et a n g e n t i a l f e e d i n gp a t t e r n ，b o t h t h el o c a la n d c i r c u m f e r e n t i a lm a l d i s t r i b u t i o nf o rt h ec r o s s f e e d i n ga r eg r e a t l yl o w e r e d w h e nt h ef e e d i n gm a s sr a t ei n c r e a s e t od i s c u s st h ei m p o r t a n c eo fi n f l u e n c ef a c t o r so np a r t i c l em a t e r i a l m a l d i s t r i b u t i n oo ff e e d i n gp a r t ，t h e i rc o r r e l a t i o nd e g r e ew a sa n a l y z e db y m e a n so fg r e yc o r r e l a t i o nt h e o r y t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h ed e s c e n d o r d e ro fc o r r e l a t i o nd e g r e ei st h ea n g l eb e t w e e ns l i d et u b ea n di n t e r v a l b o a r do fd i s t r i b u t o r , t h ef e e d i n gm a s sr a t e ，m o d e lu n i th e i g h t ，p a r t i l e d e n s i t y t h ea n g l eo fs l i d et u b e ，c r o s ss e c t i o nr a t i oo fs l i d et u b e ，t h er i n g s l i tw i d t ho ft h ed i s t r i b u t o ra n dt h ew i d t ho fs l i d et u b ea te n t r a n c e k e yw o r d s ：m a l d i s t r i b u t i o n ，m o d e le x p e r i m e n t ，t a n g e n t i a l f e e d i n g ， c r o s s f e e d i n g ，g r e yc o r r e l a t i o n i i i 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 我国铜工业发展现状1 1 2 闪速炼铜简介1 1 2 1 工艺流程2 1 2 2 反应机理3 1 3 铜闪速炉的研究现状4 1 3 1 炉体结构的改进4 1 3 2 熔炼过程参数预测与优化6 1 3 3 熔炼过程的c f d 分析7 1 3 4 模型实验研究8 1 4 课题的提出与本文的研究内容8 第二章下料偏析概述及其影响因素的分析1 0 2 1 偏析的定义1 0 2 2 偏析分类1o 2 3 偏析函数1 1 2 4 偏析影响因素的理论分析1 2 2 4 1 下料溜管内颗粒流均匀流动13 2 4 2 分布器通道内的斜抛运动1 4 2 5 本章小结一15 第三章模型实验设计1 6 3 1 模型实验装置设计的基本依据1 6 3 2 实验装置l7 3 2 1 下料系统模型装置1 7 3 2 2 给料控制装置19 3 2 3 参数检测装置一19 3 3 实验系统及其步骤2 l 3 3 1 实验系统2 1 3 3 2 实验步骤2 2 3 4 本章小结2 3 中南大学硕士学位论文 目录 第四章切向进料的下料偏析实验2 4 4 1 实验投料量的设计2 4 4 2 实验参数2 5 4 3 实验数据处理2 5 4 3 1 图像分析法一2 5 4 3 2 偏析函数法2 6 4 4 下料偏析规律分析。2 7 4 4 1 河沙颗粒分布2 7 4 4 2 白沙颗粒分布。3 3 4 4 3 精矿粉颗粒分布3 7 4 5 本章小结3 9 第五章下料装置结构优化的实验研究4 0 5 1 结构优化的探寻实验4 0 5 1 1 制定实验方案的基本原则4 0 5 1 2 方案探索4 0 5 2 方案的比较4 3 5 3 十字进料的实验4 3 5 3 1 模型实验装置4 3 5 3 2 实验参数4 4 5 3 3 高速摄影图像分析4 4 5 3 4 河沙颗粒分布4 4 5 3 5 白沙颗粒分布4 7 5 3 6 精矿粉颗粒分布4 9 5 4 十字进料与切向进料的偏析比较4 9 5 5 本章小结5 0 第六章下料偏析影响因素的灰色关联分析5 1 6 1 灰色系统的概念一5 l 6 2 灰色关联分析的意义5 l 6 3 下料偏析的灰色关联分析过程5 2 6 3 1 原始数据规范化5 2 6 3 2 关联系数。5 4 6 3 3 关联度5 4 6 3 4 关联度排序5 5 6 4 下料偏析灰色关联分析的结果及讨论5 5 中南大学硕士学位论文 目录 6 5 本章小结5 6 第七章结论与展望5 7 7 1 主要结论5 7 7 2 有待进一步研究的问题5 8 参考文献5 9 附录6 3 攻读学位期间主要研究成果7 5 致谢一7 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 我国铜工业发展现状 第一章绪论 铜是人类最早发现和使用的金属，也是现代工业、农业、国防和科学技术 不可缺少的重要原料，铜和铜的合金广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑 工业、国防工业等领域。在我国有色金属材料中，铜的消费量仅次于铝。 我国现有大中小型铜冶炼厂3 0 多家，一些较大的骨干铜冶炼厂均进行了大 规模的技术改造，即采用国外先进的闪速炉、艾萨炉和诺兰达炉，取代了原有的 工艺落后、污染严重的鼓风炉和反射炉冶炼工艺。经过改造后的技术水平已达到 国际上2 0 世纪9 0 年代的先进水平。 自2 0 0 2 年以来，我国铜消费量一直快速上升。据数据显示，2 0 0 2 年我国铜 消费量仅为2 7 5 万吨，2 0 0 7 年铜的消费量达到4 7 7 万吨。表1 - 1 给出了2 0 0 5 年 至2 0 0 7 年我国铜精矿供需状况【1 1 。为适应国内日益增长的市场需求【2 1 ，我国各大 铜冶炼厂纷纷提高铜的生产能力，如贵溪从“一期 的年产1 0 万吨阴极铜到“二 期”的2 0 万吨，以及完成的“三期 改造年产将达到3 0 万吨阴极铜【3 1 。金隆铜 业有限公司的阴极铜年产量经过二期改造，实现了从1 0 万吨到1 5 万吨再到2 1 万吨的提升【4 7 l 。 表1 i我国精炼铜供需平衡表 单位：万吨 现阶段，我国铜工业的发展面临着铜价的高位震荡、国内铜资源的缺乏、产 业结构不合理和国内国际竞争加剧等一系列市场环境变化，我国铜工业正处于一 个机遇与风险并存的时期。 1 2 闪速炼铜简介 闪速熔炼是现代火法炼铜的主要方法，它克服了传统方法未能充分利用粉状 精矿的巨大表面积、将焙烧和熔炼分段进行的缺点，从而大大减少了能源消耗， 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 提高了硫利用率，改善了环境。自1 9 4 9 年芬兰奥托昆普闪速熔炼技术问世以来， 经过不断改进、完善和发展，闪速熔炼已成为当今最具有竞争力的铜镍强化熔炼 技术【8 】，被普遍认为是标准的清洁冶炼- t - 艺 9 , 1 0 】。据统计，目前全世界火法炼铜 厂约11 0 家，其中闪速熔炼工厂4 0 多家，产铜量占总量的5 0 以_ e t l l l 。 1 2 1 工艺流程 闪速炉有两种基本形式：精矿从反应塔顶垂直喷入炉内的( 芬兰) 奥托昆普闪 速炉和精矿从炉子端墙上的喷嘴水平喷入炉内的( 加拿大) 因科闪速炉，分别如图 1 1 和1 2 所示。 图1 1 奥托昆普闪速炉 炉气 图1 - 2 因科闪速炉 闪速熔炼是将经过深度脱水( 含水小于o 3 ) 的粉状精矿，在喷嘴中与空气或 氧气混合后，以高速度( 6 0 7 0 m s ) 从反应塔顶部喷入高温( 1 4 5 0 - 1 5 5 0 c ) 的反应 塔内。此时，精矿颗粒被气体包围，处于悬浮状态，在2 3 s 内基本上完成了硫 化物的分解、氧化和熔化等过程。熔融硫化物和氧化物的混合熔体落下到反应塔 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 底部的沉淀池中汇集起来最终形成铜锍和炉渣，并进行澄清分离。炉渣在单独贫 化炉或闪速炉内贫化区处理后再弃去。工艺流程见图1 3 。 铜精矿 土 载流干燥 上 ii 闪学劂上 炉渣铜锍- 1烟气 上 上 上 电炉贫化 转炉吹炼i余热回收 上上上 水碎渣 粗铜电收尘 上 土 上 制作水泥 阳极精炼动力波洗涤 土 上 阳极铜 硫酸制造 上 上 电解精炼 硫酸 j 电解铜 图1 3 铜闪速熔炼工艺流程图 1 2 2 反应机理 闪速熔炼是在高温l1 5 0 c 1 2 5 0 。c 下，使硫化铜精矿和熔剂在熔炼炉内进行 熔炼。炉料中的铜、硫与未氧化的铁形成液态铜锍。这种铜锍是以f e s 、c u 2 s 为 主，并溶有a u 、a g 等贵金属及少量其他金属硫化物的共熔体。炉料中的s i 0 2 、 a 1 2 0 3 、c a o 等成分与f e o 一起形成液态炉渣炉渣是以2 f e o s i 0 2 ( 铁橄榄石) 为 主的氧化物熔体。铜锍与炉渣互不相溶，且密度各异( 铜锍的密度大于炉渣的密 度) ，从而分离。 进行造硫熔炼时，投入熔炼炉的炉料有硫化铜精矿、各种返料及熔剂等。这 些物料在炉中将发生一系列物理化学变化，最终形成烟气、铜硫和炉渣，其中主 要的化学反应如下。 ( 1 ) 铜精矿分解反应 2 c t l f e s 2 + 0 2 c u 2 s + 2 f e s + s 0 2 3 中南火学硕士学位论文 第一章绪论 2 f e s 2 2 f e s + s 2 2 c u s f e s 4 + 0 2 _ 5 c u 2 s + 2 f e s - i - s 0 2 ( 2 ) 燃烧反应 s 2 + 2 0 2 _ 2 s 0 2 ( 3 ) 氧化反应 3 f e s + 5 0 2 _ f e 3 0 4 + 3 s 0 2 2 f e s + 3 0 2 2 f e o + 2 s 0 2 4 c u f e s 2 + 5 0 2 - - , 2 c u 2 sf e s + 2 f e o + 4 s 0 2 4 f e s 2 + 70 2 + 2 f e s + 2 f e 0 斗6 s 0 2 2 c u 2 s + 3 0 2 2 c u 2 0 + 2 s 0 2 6 f e c + 0 2 _ 2 f e 3 0 4 ( 4 ) 颗粒内部氧化还原反应 f e s + 3 f e 3 0 4 _ l o f e o + s 0 2 2 c u f e s 2 + 2 f e 3 0 4 - * c u 2 s + 2 f e s + 6 f e o + s 0 2 ( 5 ) 造渣反应 2 f e o + s i 0 2 一f e 2 s i 0 4 1 3 铜闪速炉的研究现状 闪速熔炼过程是一个高温、多相反应、操作变量多、变量间交互耦合的冶金 反应过程。近几十年来，为了提高闪速炉的生产能力，各大闪速炉厂和研究机构 主要在炉体结构、控制优化、熔炼机理上进行了研究 1 2 - 5 2 1 ，模型实验的研究相对 比较少【5 3 - 5 5 1 。 1 3 1 炉体结构的改进 闪速炉主要由精矿喷嘴、反应塔、沉淀池及贫化区、上升烟道、电极系统等 5 个部分组成，属强化冶炼设备，炉温高、热强度大、炉体受炽热的熔体和气流 的机械冲刷和化学侵蚀，工作条件恶劣。为了满足工艺生产要求、提高塔体寿命 和生产能力，我国闪速炉厂在冷修改造中对闪速炉炉体结构进行了改造。 在水冷元件的设计和布置上，采用合理的水冷技术是保证合成炉寿命至关重 要之因素。如金川集团的铜合成熔炼炉采用水套冷却塔体【1 2 , 1 3 1 ，与镍闪速炉相比， 两层水套之间的间距减小了1 5 0 m m ，水套层数相应地增加了3 层，更加强化对 衬砖的冷却，延长反应塔的寿命；在反应塔与沉淀池连接部共设置数块齿形水套， 与镍闪速炉倒“f ”水套相比，水套高度加高，齿数增加，齿间距缩小，增大了 对砖的冷却面积，澳大利亚卡尔古利与贵溪冶炼厂闪速炉在改扩建中也采用了这 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 种水套设计结构；在反应塔下的沉淀池墙设置了3 层平水套和一圈立水套，减小 了熔融物对耐火砖墙壁的冲刷和侵蚀；在上升烟道迎火面的墙壁、后墙和背火面 的墙壁上均设置多层平水套冷却墙砖。金隆铜业有限公司在一期改造中为了提高 闪速炉炉体冷却强度和优化冷却元件结构布局，改造了反应塔、沉淀池和上升烟 道中的冷却元件【1 4 】。贵溪冶炼厂2 0 0 2 年第3 次对闪速炉扩产改造，通过对闪速 炉内衬、冷却系统0 5 , 1 6 进行优化设计，改造后的闪速炉产量达到3 0 万讹铜。 在耐火材料的选用上【l 6 1 ，根据各部位工作特点、熔体和烟气流动特性、耐 火材料理化性能( 重点是抗渣性、抗冲刷性、耐急冷急热性等) 和投资经济性综合 比较进行的，目的是保证各部位使用要求的特殊性与耐火材料的突出使用性能相 一致，使用效果最佳。如金隆铜闪速炉的各个部位选用耐火材料，见表1 2 。 表l - 2 冷修用耐火材料理化性能指标和使用部位 在精矿喷嘴上，喷嘴的工作状况对闪速熔炼的生产能力、燃料消耗、烟灰产 出率、冰铜品位的控制、氧的利用率和高温熔体对它的侵蚀等都会产生重大的影 响，因此设计出优良的精矿喷嘴也成为闪速炉改造中的重要技术。如金川镍闪速 炉的特色新型精矿喷嘴一中央混合型反调式精矿喷嘴，将喷嘴下料管直径增大， 在活动料管头部加装漩涡发生头，分散锥头也改为漩涡发生头，从而有效地降低 了氧消耗并大大提高闪速炉的作业率，大大提高了闪速炉生产能力，主要的能耗 指标，如精矿的氧单耗、油单耗、炉渣电单耗大幅度降低，炉渣含n i 、c u 、c o 等有价金属量相应降低【1 7 】。贵溪冶炼厂在二期改造中，采用了单个双环式中央 精矿喷嘴来替代原设置在反应塔的4 支文丘里型精矿喷嘴，三期改造中，采用套 筒式中央精矿喷嘴，从而提高生产能力，稳定炉况【1 8 】。金隆金隆铜业有限公司 于1 9 9 6 年首次引进了三段式中央喷射型精矿喷嘴，因扩产改造的需要，2 0 0 5 年 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 又更换为新型在线无极调速式中央喷射型精矿喷嘴，从而对物料适用性强，降低 了烟尘发生率，提高了铜产量【悖2 0 1 。 1 3 2 熔炼过程参数预测与优化 由于闪速熔炼过程环境恶劣，各种参数的在线监测非常困难，因此研究人员 对熔炼过程参数的预测进行了大量工作。基于热力学平衡原理、质量守衡定律， b r i n l d e y t 2 1 】提出了g o t o 模型，运用化学平衡常数法，即根据体系的各化学反应， 结合质量守衡定律进行多相多组分平衡计算，求解熔炼产物各相组成。基于热力 学第二定律，w h i t e 2 2 】等人提出的的最小自由能原理模型，即根据在等温等压条 件下，当体系趋向平衡时，体系总的自由能趋于最小原理，并结合质量守衡定律 进行多相平衡计算，求解熔炼产物的各相组成。实际上这两种模型其本质都是一 样的，都是建立在热力学平衡原理基础之上，它们的区别在于g o t o 模型主要是 通过化学反应平衡，利用质量守恒定律来建立非线性方程组，而最小自由能模型 是计算体系各相各组分总的自由能，通过总自由能最小，再结合质量守衡定律建 立非线性方程组。凌玲【2 3 】等用最小自由能原理建立了镍闪速熔炼的数学模型， 计算了熔炼体系分成镍冰铜相、炉渣相和气相的平衡组成。b b j o k m a ne r i k s o n t 2 4 j 运用最小自由能模型建立了铜熔炼和吹炼过程的模型。基于物料平衡和热平衡， 黄建国【2 5 】等建立了铜转炉操作中石英熔剂平衡计算数学模型；m n a g a m o r i 、 p j m a e k e y t 2 6 1 建立了诺兰达法生产粗铜或高品位冰铜的稳态计算模型； d a v e n p o r t 、e h p a r t e l p o e g 2 7 】建立了闪速炉炼铜的工艺模型；s g o t o 2 8 】建立了铜 闪速熔炼的热力学模型；r s h i m p o 2 9 】等对铜闪速熔炼和转炉吹炼进行了模拟；黎 书华【3 0 】等在基于热力学平衡计算的后藤模型的基础上，引进了氧效率系数和热 损失系数，修正了实际熔炼过程与理想热力学平衡体系之间的偏差；谭鹏夫1 3 l 】 等建立了伴生元素在铜熔炼过程中的分配行为的数学模型，并对贵溪冶炼厂闪速 熔炼过程进行了模拟；程利平【3 2 】通过多相多组分体系的化学平衡对云南艾萨炉 熔池熔炼的平衡进行了模拟计算。 由于闪速炉反应迅速，操作要求严格，因此其生产自动化装备水平普遍较高， 大部分冶炼厂家对系统的操作都采用了先进的计算机集散智能控制系统来保证 生产的稳定、顺利进行。智能优化控制是现代工业生产过程中的先进控制技术， 它包括人工智能、神经计算、进化计算、专家推理等一种或多种智能控制技术。 模糊系统基于模糊语言描述的产生式规则：专家系统基于知识和经验产生启发式 规则；神经网络控制基于蕴涵某种函数关系的网路结构，这些非解析性方法使其 在过程建模、优化和控制中，表现出不同于传统控制的优势。曾青云，汪精良【3 3 , 3 4 1 对闪速熔炼的操作数据进行回归分析，且修正了铜锍组分计算的回归公式及渣含 铜的数学模型并建立了铜闪速熔炼的神经网络模型；万维汉【3 5 】等则利用自适应 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 模糊神经网络的方法建立了镍闪速炉模型，以较准确地反应镍闪速炉的运行过 程；颜青君、张定华、谢明等f 3 6 - 3 9 深入研究了闪速熔炼过程的智能集成模型以及 闪速炉智能优化控制技术，对操作参数进行了优化；蒋建兴【删对贵溪闪速炉铜 锍温度控制模型进行了修改，以提高计算机控制质量；桂卫华【4 1 】等提出了基于 数据驱动的操作模式优化控制框架，研究了基于数据的冰铜温度、冰铜品位、渣 中铁硅比的工艺指标预测模型、炉况的综合评价模型及闪速熔炼过程的操作模式 优化。 1 3 3 熔炼过程的c f d 分析 随着计算机技术数值计算水平的不断进步，c f d ( 计算流体力学) 技术【4 2 】 就成为研究闪速熔炼工艺及设备的最有效的手段。早在8 0 年代初期，t h e m e l i s t 4 3 】 和h y s o h n 4 4 4 5 】等就开始对闪速炉反应塔进行了数值模拟研究，在当时的建模 过程中，一方面闪速炉被简化为1 - d 和2 - d 模型，另一方面精矿喷嘴也大大简化 了，但当时的化学反应和传热模型已经非常完整。从9 0 年代中期起，由于流体 力学软件的迅速发展和运用现代计算及实验技术对闪速熔炼工艺和设备的研究 深入，越来越多的研究人员开始利用数值法仿真技术对闪速熔炼的机理和过程做 了大量细致的研究工作。f r a j o r g e n s e n 、a j o k e l a a k s o 、k ws e o 和s r v a m a s t b 。r a d a m s 4 6 , 4 7 等利用数值模拟技术与c f d 软件对反应塔内精矿燃烧、氧压分 布、气流流场分布以及辐射传热等进行了研究，通过对闪速熔炼过程粒子场、温 度场等的仿真，对铜闪速熔炼机理和过程有了更加深入的认识。 与国外研究相比，我国对闪速熔炼工艺的计算机模拟水平存在一定的差距。 1 9 8 4 年我国首次引进了闪速熔炼技术并建立了国内第一家闪速熔炼铜企业一贵 溪冶炼厂，此后又分别建立了金川镍闪速炉和金隆铜业有限公司闪速炉。这些企 业对闪速炉进行了大量细致的研究工作，但多是从操作实践上总结和归纳，缺乏 对工艺及其设备的系统研究。2 0 世纪初，为了从理论上深入了解闪速炉内部熔 炼过程，我国高校研究人员开始使用c f d 技术对闪速炉进行了一系列的仿真研 究。李欣峰【4 8 】利用c f d 等软件对铜闪速熔炼过程数值分析与优化进行了研究， 开发出了基于c f x 4 3 系统的“铜闪速炉仿真系统 ，可作为对闪速炉内熔炼过 程进行仿真与优化研究的高效手段；梅炽【4 9 】等对闪速熔炼系统生产过程的极限 生产能力进行了计算机模拟；陈卓【5 0 】建立了铜闪速炉系统熔炼模型，动态地反 映了熔炼时各参数变化对生产过程的影响，并对反应塔炉衬热场进行了数值仿真 研究；余建平 5 q 等利用商业流体计算软件c f x 4 3 模拟了“四高”生产条件铜闪 速炉沉淀池的三维流场及温度场；谢锴【5 2 】提出了闪速熔炼过程机理模型一粒子 脉动碰撞模型，建立了氧势梯度熔炼法的仿真模型，达到有效地控制反应塔f e 3 0 4 的生成。 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 4 模型实验研究 目前，国内外对闪速炉的研究主要集中在数值仿真上，缺少实验数据验证， 因此，关于闪速炉的模型实验研究就成为另一个亮点。9 0 年代中期，日本住友 公司的m o r i y 、k e m o r i n f 5 3 】通过小型闪速炉实验炉的热态实验测试，证明了精 矿颗粒在反应塔中的下落过程中，数量必须增加。美国哥伦比亚大学的研究人员 建设了小型的闪速熔炼实验炉，通过对各种热态实验测试并分析了闪速炉内的反 应历程与特点，为数值计算提供了大量可靠的验证依据。 近来来，一些研究人员开始着力于闪速炉模型实验的研究。2 0 0 6 年，澳大利 亚f r a j o r g e n s e n 、p t l k o h 和b j e l l i o t t 5 4 】研究人员利用冷态模型装置模拟卡 尔古利闪速炉反应塔上部的分布器通道内颗粒下落到反应塔入口速度问题和在 入口发生回流的条件。研究表明：可以获得入口的接近速度，但得不到准确的数 据，因为所用的铝管内存在摩擦阻力和流体流动损失；入口速度大有利于反应塔 内部料和氧的均匀混合，但同时速度大也容易发生回流；分散锥的直径和角度也 将影响颗粒入炉的分布情况。澳大利亚墨尔本大学的d p d e b r i n c a t ，c b s o l n o r d a l j s j v a nd e v e n t e r t 5 5 】建立了镍闪速炉的实验模型装置，对塔内结块的 悬浮的固体颗粒的分布情况进行研究，并观察了粉末的扩散过程。实验表明：大 小为2 0 0 到7 0 0 0 微米