（工程热物理专业论文）铜闪速炉沉淀池锍沉降机理分析与流场温度场数值模拟研究.pdf

摘要 闪速熔炼工艺以其巨大的技术又是和良好的经济效益获得了世界火法炼 铜行业的青睐，特别是“四高”作业制度的实现，更是开创了铜工业高技术 熔炼的新时代。然而，随着熔炼强度的增加、熔炼指标的不断提高，闪速熔 炼系统弃渣含铜升高问题日益突出。沉淀池作为闪速炉主要组成部分之一， 其结构及其操作制度对弃渣含铜有着重要影响。因此，有必要对沉淀池内熔 体的理化形态、熔体流场与温度场的分布等基础问题进行深入研究。 对国内某厂的沉淀池入口熔体与出口熔体( 渣) 的矿相组成分别采用x 射线衍射分析、矿相显微镜分析、扫描电子显微镜分析、化学元素分析、化 学物相分析法进行了定性及定量分析。结果表明，进入沉淀池的熔体中f e ，0 4 浓度较高( 2 4 9 哟是造成沉淀池炉结大量形成，也是造成渣含铜升高的的重要 原因；沉淀池渣中铜损失以硫化态铜损失为主，且硫化态铜以众多的粒径介 于o 0 0 1 7 - 0 0 0 5 2 m m 之间的未能沉降的锍颗粒状态存在，因而深度还原熔 渣中的f e ，0 4 加速沉淀池渣中小粒径锍液滴的沉降是降低渣中铜损失的重要 途径。 对沉淀池入口截面沿半径方向熔体质量分布与粒径分布进行了测定，结 果表明，进入沉淀池熔体颗粒平均直径为0 8 5 m m ，颗粒集中降落在以反应塔 中心为圆心、直径约为3 m 的圆形区域内； 基于熔体在水平管道中的流动长度与熔体粘度平方根成反比的原理，设 计并研制了满足生产现场需求的炉渣粘度测定装置熔渣粘度快速分析 仪。 通过分析熔池内锍液滴的沉降机理，导出了锍液滴沉降速度、沉降时间 的计算公式；并将渣中最大锍颗粒直径的计算值与显微结构下的实测值进行 了比较，两者结果一致，由此证明了上述公式的有效性。对渣中锍夹带损失 影响因素的分析表明，增大熔体中离散态分布的锍液滴直径是降低渣中铜夹 带损失的重要措施。其次是升高渣温度有助于渣中锍的沉降；而提高锍液滴 初速度及减小渣层厚度等措施对降低渣中铜夹带损失作用不大。 本文对沉淀池内大粘度熔体的数值计算进行了有益的尝试，建立了描述 熔体流场及温度场的数学模型，并在商业软件c f x 4 3 平台上，对入口边界条 件进行了二次开发，模拟了熔体散落于沉淀池的真实状态，实现了沉淀池流 场及温度场数值模拟；通过对2 个放渣口与4 个放锍口的不同组合工况下的 沉淀池内流场与温度场的数值模拟，并以速度与温度分布均匀、减少炉结为 目标，提出了应优先采用靠近渣口的铜锍口放锍的优化操作措施；对典型炉 结工况下沉淀池内熔体流场与温度的进行了数值模拟，结果表明：沉淀池内 正常量的炉结，不会对沉淀池内熔体流动态势造成太大影响，且炉结使熔池 内流场趋于均匀，但同时显著提高熔体流速，缩短锍液滴沉降时间，其综合 结果是炉结的存在不利于渣锍分离。 关键词：沉淀池，炉渣粘度，数值模拟，锍沉降 a b s t r a c t t h ec o p p e rf l a s h s m e l t i n gt e c h n o l o g y h a sa t t r a c t e d g r e a ta t t e n t i o n so f c o p p e r - s m e l t i n gp r o f e s s i o n a l sw o r l d w i d ew i t hi t st e c h n i c a la d v a n t a g e sa n db e r e r e c o n o m i cb e n e f i t s ，a n df u r t h e ro p e n e dan e we r ao fh i g h e rt e c h n o l o g yl e v e li n c o p p e ri n d u s t r ys i n c et h ew o r k i n gs y s t e mo f “f o u rh i g h h a sb e e np u ti np r a c t i c a l h o w e v e r a l o n gw i m e n h a n c e ds m e l t i n gi n t e n s i t ya n ds m e l t i n gn o r m s t h ep r o b l e m o fc o p p e rl o s i n gi ns l a gb e c o m e sm o r es e r i o u s a so n eo ft h em a i ne q u i p m e n to f f l a s hf u r n a c e ，t h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o nr u l eo fs e r l e rh a sas i g n i f i c a n te f f e c to n t h ec o p p e rl o s ei ns l a g t h u si ti s n e c e s s a r yt os y s t e mr e s e a r c hs o m eb a s i c p r o b l e m s ，s u c ha st h ep 1 1 y s i c a la n dc h e m i c a lf o r m ，a n dt h ed i s t r i b u t i o no fv e l o c i t y a n dt e m p e r a t u r eo fm e l ti nt h es e t t l e r x r d ( x - r a yd i f f r a c t i o n ) ，o r em i c r o s c o p ya n a l y s i s ，s e m ( s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ) ，c h e m i c a le l e m e n ta n a l y s i sa n dc h e m i c a lp h a s ea n a l y s i sm e t h o dw e r e u s e dt oq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z et h em i n e r a lc o m p o s i t i o no ft h e i j l l e tm e l ta n dt h eo u t l e ts l a go ft h es e r i e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei sh i g h e r c o n c e n t r a t i o no ff e 3 0 4i nt h ei n l e tm e l t ，w h i c hi st h em a i nr e a s o no ff o r m i n gt h e f r o z e nm e l ti nt h es e r l e r c o p p e rs u l f i d ei st h em a i n l yc o m p o s i t i o no f c o p p e rl o s e i n s l a ga n di s i nt h ef o r mo f1 2 1 1 一s e t t l i n gm a r ep a r t i c l e sw i t hd i a m e t e r s m o 0 0 1 7 - 4 ) 0 0 5 2 m m t h e r e f o r e i ti so b v i o u st h a ta c c e l e r a t i n gt h es e t t l i n go f m a r e p a r t i c l e sw i t hs m a l ld i a m e t e ri st h em a i nm e r n st or e d u c et h ec o p p e ri ns l a g t h em e l tp a r t i c l em a s sa n ds i z ed i s t r i b u t i o na l o n gr a d i a ld i r e c t i o na tt h ei n l e t c r o s ss e c t i o nw e r em e a s u r e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea v e r a g ed i a m e t e ro fm e l t p a r t i c l e sa tt h es e r l e ri n l e ti s8 4 9 5 1 a m , a n dt h ep a r t i c l e sm a i n l yf a l li n t ot h ea r e a a r o u n dt h es h a f ti nac i r c l eo f d i a m e t e ra b o u t3 m b a s e do nt h ep r i n c i p l et h a tt h em e l tf l o wl e n g t hi nt h eh o r i z o n t a lp i p e l i n ei si n i n v e r s ep r o p o r t i o nt ot h es q u a r er o o to fm e l tv i s c o s i t y , aq u i c km e a s u r i n g e q u i p m e n to fm e l ts l a gv i s c o s i t yw a sd e v e l o p e da n dm a d ei no r d e rt om e e tt h e r e q u i r e m e n to f p r a c t i c a lp r o d u c t i o n t h ef o r m u l a so ns e r l i n gv e l o c i t ya n dt i m eo fm a r ep a r t i c l e sw e r ed e r i v e db y m e a n so ft h es e t t l i n gm e c h a n i s mo ft h em a r ep a r t i c l e si nt h es e t t l e r t h ec a l c u l a t e d m a x i m u md i a m e t e ro fm a r ep a r t i c l ew a sa g r e e m e n tw i t ht h em e a s u r e dv a l u ew i t h m i c r o s c o p e ，w h i c hv e r i f i e d t h ev a l i d i t yo ft h ef o r m u l a s t h ef a c t o r s ，w h i c h i n f l u e n c ec o p p e rl o s ei ns l a gd u et om e c h a n i c a lc a r r y i n g ，w e r ea n a l y z e da n dt h e c o n c l u s i o n sc a nb eg o tt h a ti n c r e a s i n gt h ed i a m e t e r so fd i s c r e t em a t t ep a r t i c l e si n s l a gi st h ei m p o r t a n tm e a s u r e m e n t t or e d u c ec o p p e rl o s ei ns l a g i ti sa l s oh e l p f u l t or e d u c ec o p p e rl o s eb yr a i s i n gt h et e m p e r a t u r eo fs l a g h o w e v e r ，i th a sl i r l e e f f e c tb ye n h a n c i n gt h ei n i t i a lv e l o c i t yo fm a r ep a r t i c l ea n dr e d u c i n gt h et h i c k n e s s o f t h e s l a gl a y e r i nt h i sp a p e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o no nh i 曲v i s c o u sm e l ti ns e a l e rw a sa h e l p f u la t t e m p t 1 1 1 em a t h e m a t i cm o d e l so nv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ef i e l do fm e l t i nt h es e a l e rw e r ee s t a b l i s h e d b a s e do nt h ec o m m e r c i a ls o f t w a r eo fc f x 4 3 t h e c o d ew a sd e v e l o p e df o rt h ei 1 1 l e tb o u n d a r yc o n d i t i o n s o t h ea c t u a ls t a t eo ft h e m e l tp a r t i c l e ss c a t t e r i n gi n t ot h es e a l e rw a ss i m u l a t e d ，a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o nf l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l do fm e l ti ns e a l e rw e r er e a l i z e d i no r d e rt o r e d u c et h ef r o z e nm e l ta n dg e tt h em o r eu n i f o r md i s t r i b u t i o no fv e l o c i t ya n d t e m p e r a t u r e ，t h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e ro fm e l tw a sn u m e r i c a l l ym o d e l e df o rt h e d i f f e r e n tc o m b i n a t i o no ft w os l a go u t l e t sw i t hf o u rm a r eo u t l e t s n eo p t i m a l o p e r a t i o nr u l ew a sp u tf o r w a r dt h a tt h em a r eo u t l e tn e a rt h es l a go u t l e ts h o u l db e p r i o rc h o s e n b a s e do nt h es i m u l a t i o no fm e l tf l o wa n dt e m p e r a t u r ef i e l di nt h e c a s eo ft y p i c a lf r o z e nm e l t ，t h ec o n c l u s i o n sc a nb eo b t a i n e dt h a tt h ee x i s t e n c eo f f r o z e nm e l tm a k e st h ef l o wf i e l dm o r eu n i f o r m 聊l e r e a s t h em e l tv e l o c i t yi s i n c r e a s e dg r e a t l y , w h i c hr e d u c es i g n i f i c a n t l yt h es e a l i n gt i m eo fm a r ep a r t i c l e s i n aw o r d ，t h ee x i s t e n c eo ft h ef r o z e nm e l ti sd i s a d v a n t a g et os e p a r a t i n gm a r ef r o m s l a g k e y w o r d s ：s e a l e r , s l a gv i s c o s i t y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m a r es e t t l i n g 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 的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：么焯 日期：丛年上月丑日 关于学位论文使用授权说明 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，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；学校可根据国家或 湖南省有关部门规定送交学位论文。 名：越。聊签名蜉魄吐一4 日 中南大学硕十学付论文第一章绪论 1 1 铜熔炼生产概述 第一章绪论 随着工业的发展，铜和铜合金越来越多地应用于电气、机械、建材工业和运输工具制 造业。世界铜产量也伴随着需求量的增长而逐年增长。如1 9 9 4 年世界铜产量为9 7 2 万吨， 1 9 9 9 年达到1 4 4 7 万吨，到2 0 0 2 年更高达1 5 3 4 万吨，1 9 9 4 年到2 0 0 2 年年平均增长率为 4 1 蜊”。 现代铜冶炼生产工艺分为两大类：火法熔炼与湿法提取。目前世界铜工业生产主要以 火法熔炼为主，其产品产量约占精炼铜总产量的8 5 ，而湿法冶金产品产量仅占世界铜 总产量的1 5 左右【2 j 火法熔炼又可分为三大类：传统熔炼、熔池熔炼和鳓速熔炼。按我国有色行业习惯， 反射炉熔炼、鼓风炉熔炼、电炉熔炼三种工艺统称为传统造锍熔炼，简称传统熔炼。由于 工艺落后，新建铜厂大多不采用传统熔炼过程的设备和工艺。熔池熔炼具有传热、传质效 果好，可大大强化冶炼过程的特点，在2 0 世纪7 0 年代后熔池熔炼得到了迅速发展。工业 上现使用的熔池熔炼方法有诺兰达法、白银法、瓦纽科夫法、特尼恩特法、三菱法、旋转 顶吹法和艾萨法等【3 】。火法熔炼中的闪速熔炼法则充分利用了铜精矿巨大的比表面积和高 速反应的特点，逐渐成为火法炼铜中发展最快、应用最广的方法。目前在全世界有4 0 多 个工厂采用闪速炼铜法，其铜产量已占世界铜产量的4 5 以上 4 - 6 1 。 我国的炼铜工业自新中国成立后经历了从无到有、从小到大、由弱到强的转变。我国 不仅开发了具有自主知识产权的铜冶炼技术，如白银炼铜法，而且也不断跟踪、引进、消 化、吸收国际先进的炼铜技术，如引进的闪速炉、艾萨炉等在我国江西、云南、山西等冶 炼厂正常使用。作为国家。八五”重点工程项目，我国自行设计的第一台闪速炉也于1 9 9 4 年在安徽金隆铜业公司投产【6 1 。随着新技术的开发和应用，我国每年铜产量达8 0 万吨以 上，仅次于美国、智利和日本，居世界第四位【7 - 9 1 。 虽然过去的5 0 年中，我国炼铜业取得了长足的进步，但我们必须要看到，我国是一 个铜资源相对贫乏的国家，一半以上的铜精矿需要进口。我国的铜冶炼技术与世界先进水 平相比，还存在金属回收率低、自动化程度低、能耗偏高、环境污染严重等明显差距睁1 ”。 因此，加强铜冶炼的科学研究和技术创新，不断开发先进技术，改造传统工艺，提高我国 铜冶炼企业参与国际市场激烈竞争的能力，将具有深远而重要的意义。 1 2 闪速熔炼概况 1 9 4 9 年第一台闪速炉在芬兰诞生后。闪速炼铜便以其可靠的工艺和设备，较低的工 中南大学硕十学付论文 第一章绪论 厂综合投资和生产成本，有价元素的高回收率以及良好的劳动条件，受到国际炼铜业的重 视，许多炼铜企业放弃传统熔炼，转向闪速熔炼 1 2 - 1 4 i 。 最初的闪速炼铜工艺采用预热常氧空气进行熔炼，同时添加辅助燃料以帮助维持反应 塔内的高温。这种设计利用了当时燃料价格低廉的优势。但是随着能源价格的不断上涨， 环保立法的日趋严格，以及对设备单位产能的更高要求，8 0 年代以后，闪速炼铜技术在 保持低污染、高寿命等优点的基础上向着富氧强化熔炼的道路快速发展，并逐步形成了高 富氧浓度、高投料量、商铜锍品位、高容积热强度( “四高”) 的技术特色【”一7 1 。高投料量 使闪速炉单台炉的生产能力大大提高；高富氧熔炼则提高了烟气中s 0 2 浓度，更易于制酸； 高容积热强度使闪速炼铜由原来的半自热熔炼向着完全自热熔炼迈进。以日本左贺关时速 炉1 3 1 为例，采取四高技术措施后，原两台闪速炉停用一台，而另一台生产能力增加一倍， 单位生产率1 0 9 以m 2 d ) ，富氧浓度达到7 9 ，单位容积热强度1 7 2 0m j ( m 3 h ) ，铜生产能 力高达3 2 9 0t d ，冶炼过程完全实现了自热熔炼。这些令世人瞩目的先进技术，逐步使闪 速熔炼成为火法炼铜的主流i l 引。 闪速熔炼技术由传统造锍熔炼向强化造锍熔炼发展的同时，也不断向冶金其它领域 拓展使用范围。1 9 5 9 闪速熔炼法成功地用于镍的冶炼【1 9 - 2 0 l ，1 9 7 8 年在波兰g l o g o w i 建成 直接用于生产粗铜的闪速炉，1 9 8 2 年闪速熔炼技术成功用于铅熔炼 2 1 - 2 2 1 ，1 9 9 5 年美国犹 它冶炼厂建成世界第一座铜闪速吹炼工厂，该厂被认为是世界上最清洁的冶炼厂 2 3 1 。目前， o u t o k u m p u 冶金专家更是构想了一台闪速炉有两个反应塔的铜冶炼厂模型，其中一个反应 塔将精矿熔炼成锍，而另一个则把锍和高品位铜精矿炼成租铜，熔炼过程中全部使用纯氧 1 3 l 。这种闪速炉将会体积更小，投资更少，而熔炼效率更高。闪速熔炼技术从熔炼到吹炼， 从铜冶炼领域到镍、铅等领域的广泛应用，证明了闪速熔炼适用性广，是一种极具活力的 熔炼技术，在未来很长一段时间内闪速熔炼技术仍将是冶金工业中的主流技术 2 4 1 。 当世界闪速熔炼技术快速发展时，我国有色冶金企业也不失时机地将闪速炉熔炼技术 成功地用于镍、铜的冶炼。同时，紧跟世界闪速熔炼技术进步的脚步，采用中央精矿喷嘴 2 5 - 2 6 1 ，实行富氧熔炼和“四高”操作等先进技术，将江西贵溪冶炼厂和安徽金隆铜业公司 的两座炼铜闪速炉锍品位由5 0 0 , 提高到6 3 ，富氧浓度由5 0 提高到7 0 ，闪速炉铜产 量也分别由设计值1 5 万吨年，l o 万吨年提高到3 0 万w - q 年和2 1 万吨年。特别值得一提 的是贵溪冶炼厂闪速炉采用“四高”操作后不需要燃烧重油维持反应塔及沉淀池的温度， 冶炼过程也实现了铜精矿完全自热熔炼，大大降低了生产成本1 2 7 - 3 1 1 。 闪速炼铜工艺过程经过5 0 年的发展已开趋成熟，世界各大冶炼厂现在使用的工艺可 概括如图l 所示。 2 生塑盔兰堡兰竺堡奎 苎二童笙堡 富氧空气 精矿 石英石 精铜 图1 1 铜闪速熔炼工艺流程示意图 根据闪速炉炉型的不同，分为奥托昆普( o u t o k u m p u ) 闪速熔炼口2 】和因科( i n c o ) 闪速熔炼两种类型【3 3 4 6 1 。由于种种原因，因科型闪速炉远不及奥托昆普型闪速炉普及，我 国现使用的闪速炉也均为奥托昆普闪速熔炼炉。图1 2 是奥托昆普闪速熔炼炉结构示意图， 闪速炉本体由反应塔、沉淀池和上升烟道组成。各部分的作用分述如下： 反应塔为精矿燃烧提供反应空间，完成基本的造锍、造渣反应 造锍反应：2 c u f e s 2 + 3 0 2 = ( c u 2 s f e s ) + f e o + 2 s 0 2 造渣反应：2 f e s + 3 0 2 = 2 f e o + 2 s 0 2 2 f e o + s i 0 2 = 2 f e o s i 0 2 沉淀池 ( 1 ) 起到熔池熔炼的作用，给反应塔内过氧化的f e 、c u 及难熔物烟尘等成分提供 继续反应的空间，主要化学反应如下： c u 2 0 + f e s = c u 2 s + f e o 2 f e o + s i 0 2 = 2 f e o s i 0 2 3 f e 3 0 4 + f e s + 5 s i 0 2 = 5 ( 2 f e o s i 0 2 ) + s 0 2 ( 2 ) 澄清、分离渣、锍相： ( 3 ) 贮存锍与渣，平衡贫化电炉及转炉生产； 上升烟道是闪速炉夹带着渣粒、烟尘的高温烟气排出的通道。 图卜1 闪速炉结构示意图 量晨 簟屠 中南大学硕十学伊论文 第一章绪论 1 3 沉淀池研究概况 叫速炉沉淀池位于反应塔下部，铜锍和炉渣在沉淀池中储存并澄清分离，夹带烟尘的 高温烟气经沉淀池进入到上升烟道。因此，沉淀池设计中必须考虑防止熔体渗漏，同时还 要有利于渣与锍分离。为了延长渣与锍分离时间沉淀池被设计成扁平狭长的形状。为了防 止高温烟气的冲刷及强腐蚀性铜锍的渗漏，沉淀池顶部及侧墙均采用高强度铬镁砖砌筑， 并在其中布有冷却水管及铜水套，通过强制冷却提高耐火材料寿命。为了防止熔体散热量 过大，导致熔体中的四氧化三铁在熔池底部析出形成炉结，故熔池底部都砌筑得很厚( 我 国两座闪速炉熔池底部耐火材料厚度均为1 8 2 5 m ) 。沉淀池的这些特殊设计一定程度上保 证了沉淀池的使用寿命、渣锍分离效率以及设备的可靠性，但也正因这些特殊结构，使沉 淀池成为闪速炉本体中造价最为昂贵的部分。 1 3 1 沉淀池研究现状 闪速炉作为火法炼铜的主流设备，科研人员及工程技术人员对其进行了大量细致的研 究。但涉及沉淀池的研究相对少。究其原因可能足沉淀池工作原理简单、运行稳定，研究 人员无需投入太多的精力。但是，随着闪速熔炼向着高富氧浓度、高投料量、高铜锍品位、 高容积热强度的方向发展，沉淀池问题越来越多。高富氧浓度导致熔体中f e ，0 含量增加， f e ，0 。在沉淀池内低温区大量析出形成炉结。高投料量导致沉淀池渣锍分离时间缩短，渣 含铜升高。高铜锍品位、高容积热强度又可能会导致沉淀池耐火材料寿命缩短。为保证沉 淀池高效、长寿命，研究人员从不同角度对沉淀池进行了研究，归纳起来有如下几方面： ( 1 ) 提高熔池寿命 沉淀池的耐火材料工作条件较恶劣，在设计时多选用昂贵的铬镁砖等高质量耐火材料 砌筑。但即使这样，在熔池顶部及渣线区耐火材料受到流体( 熔体及烟气) 的冲刷及高温热 冲击等因素的影响，还是易于变形脱落，需要定期停炉检修。而闪速炉采用“四高”生产 条件后，高温、高浓度s 0 2 更是对沉淀池耐火材料的使用寿命造成威胁。因而，在“四商” 条件下如何延长沉淀池耐火材料寿命成为研究热点。 文献 3 7 在对闪速炉渣线区耐火材料理化分析的基础上，探讨了渣线区耐火材料的侵 蚀机理，认为高温熔体及s 0 2 烟气侵入砖内微小孔洞是造成渣线区耐火材料损坏的主要原 因。提出对电熔镁铬砖进行浸渍，封闭砖内的微小孔洞，减小高温熔体或气体渗入。 文献【3 8 、3 9 、4 0 针对贵冶闪速炉采用了富氧闪速熔炼新工艺之后，沉淀池烟气温度 由1 4 2 0 升高到1 4 6 0 ，铜锍温度由1 2 1 0 升高到1 2 5 0 ，炉渣温度由1 2 4 0 升高到 1 3 2 0 ，沉淀池内总热收入项比以前增大4 2 ，由此可能出现耐火材料高温侵蚀加剧的问 题1 3 9 1 ，提出改变现有沉淀池水平铜板水套位置及增加一层水平水套的技术方案，以此强化 炉体冷却，延长沉淀池寿命。这一方案在贵冶二期改造工程中得以应用并收到了较好的效 果。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 控制熔池内炉结的形成 影响沉淀池正常生产的另一个因素是，熔池内炉结的形成。由于沉淀池内炉结大量 生成，造成沉淀池炉床上升、侧墙结瘤、甚至在沉淀池内出现坝墙，使熔体流动发生困 难，排铜、排渣极不顺畅，严重影响闪速炉正常生产【4 ”。 针对炉结问题，文献 4 2 】分析了沉淀池内的炉结主要成分，结果表明炉结主要由 f e 3 0 4 、f e 2 s i 0 4 、玻璃体、锍及金属铜五种成分组成，其中f e ，0 。占的比例较大。因此， 控制炉结应以控制熔体中f e ，0 的析出为主。 为了防止f e ，0 在熔池内沉积，多数工厂采用传统的加生铁处理方式，有一定效果， 但炉结问题还很突出。为此，昂正同【4 l 】等人从冶金反应原理的角度分析了闪速炉内四氧 化三铁的生成机理，建议在反应塔段改善精矿喷嘴性能、添加焦粉；在沉淀池段维持熔 池高温，尽量优先从靠近渣口的铜口处排放铜锍，使熔体大面积流动等项技术措施以降 低沉淀池内炉结的生成；日本玉野冶炼厂 4 3 1 尝试向熔池内喷吹焦粉强化沉淀池内f e ，0 的还原；博次瓦纳b c l 公司在镍闪速炉反应塔加块煤消除了沉淀池内的炉结，并使熔 渣温度及熔锍温度有所降低，金隆公司进行了沉淀池添加块煤的初期探索研究工作；芬 兰奥托昆普公司则采用提高熔锍0 1 2 5 0 ) 和熔渣温度的方法控制熔池内炉结的析出。 这些措施均取得了较好的效果。 ( 3 ) 提高熔池效率 沉淀池靠重力沉降方式分离渣锍两相保持熔池内熔体流动均匀，即减少熔体“短路 流”及“死区”是提高熔池效率的一项重要措施。这涉及到对熔池内流场的研究。 目前示踪法是研究熔池内熔体流动最主要的方法。图l - 2 是日本学者用示踪剂l i 对闪 速炉沉淀池渣所做的停留时间的测定l 。测定时存留在熔池内渣的总容量为2 2 0 , - - 2 4 0 t ，进 入熔池的渣量为3 0 q 5 t h 。 图1 - 2 沉淀池内渣停留时问分布 示踪曲线表明：渣成分对渣流在熔池内的停留时间分布影响很大，f e s i 0 2 为o 9 5 时 渣中l i 浓度最高点出现在4 小时左右，而f e s i 0 2 为1 0 9 时渣中l i 浓度最高点出现在1 5 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 小时左右。研究者z e n j i o r 对停留时间曲线进行了分析，并得出以下结论：( 1 ) 熔池内1 0 的区域属于活塞流，4 0 属于全混流，5 0 区域属于停滞流。( 2 ) 熔池内一半以上的渣是 不流动的。 由于z e n j i o r 未在文献中指出是针对多大铁硅比做的计算，同时也未指出判断停滞 流与活塞流的标准。因而本文对图l - 2 中f e s i 0 2 = 1 0 9 时的停留时间按文献【4 5 】提供的方 法对曲线重新分析。 首先将停留时间曲线中的时间及浓度参数无量纲化。 时间无量纲的关系式为： 0 = 乙删f ( 1 1 ) 其中，0 为无量纲时间； f “为取样时间，s ； f 为理论平均停留时间，s ；t 通过下式进行计算 t = v q ( 1 - 2 ) 式中：矿为熔池有效容积，o ； q 为进入熔池的总体积流量，m ； 浓度无量纲的关系式为： c = g c 。别 ( 1 - 3 ) 式中，e 为无量纲浓度； c d 。为实际测量的浓度； c 。叫为积分浓度，实际计算时通过梯形积分公式计算。 c w 驯= i c m d o ( 1 - 4 ) 对浓度进行无量纲化的目的是为了使无量纲浓度对无量纲的时间积分为l ，即： i 。c ，d0 = 1 ( 1 5 ) 将图1 - 2 中停留时间曲线无量纲化后，得到无量纲浓度停留时间分布图( 见图1 3 ) 。 按照0 l e 眦s p i l e m l 的建议，把流体流团在容器内停留时间大于理论平均停留时间两倍以 上的那一部分流团( 即口 2 ) 称为死区，口 5 0 以上视为不正常，此时因渣层传热效率低 影响了1 3 5 0 - - 1 4 0 0 热烟气对熔体的加热，一旦熔体温度降低将不可避免地析出固相 f e ，0 ，恶化相分离过程。为了降低1 。，要避免沉淀池渣层过厚，生产中采取薄渣层 操作，并要求排渣口清理平扁( 去掉结壳) 、渣流顺畅，少夹带铜锍进入贫化电炉。然 而，1 巳，这一重要的指标仅来源于生产经验，事实我们并不知道真实的熔池内的温度场 分布。所以采取的控制熔池内温度的措施有很大成分是经验性的，有必要对熔池内熔体温 度分布进行深入细致的研究。 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图卜4 正常蝇为2 0 3 0 时的温度数值 ( 3 ) 强化熔池功能的措施有待深入研究 闪速炉采取“四高”技术措施后，沉淀池渣含铜升高，增大了贫化电炉的负担，一定 程度上导致了最终弃渣含铜升高。由于沉淀池与贫化电炉的工作原理非常相似，为了减轻 贫化电炉的负担，人们自然想到，让沉淀池担负起贫化电炉部分还原贫化的功能，即向熔 池内添加块煤【4 ”、硫铁矿嘲、喷吹焦粉m 1 等还原剂，使沉淀池渣在沉淀池内完成深度还 原贫化后再进入贫化电炉。由于向熔池内添加还原剂这一措施，同时还具有减少沉淀池炉 结的生成量、降低沉淀池重油消耗等众多优点。因而，成为近年来各企业的研究热点。但 关于在什么位置、以什么方式、向熔池内喷吹多大粒度的还原剂，既能使渣锍分离不受影 响，又保证熔体中的f e ，0 被还原，同时还保证熔池耐火材料不受损坏等方面的文献较少。 因而有必要对这些问题深入研究。 1 4 本文研究内容 1 4 1 课题背景 铜作为不可再生资源，储量日益减小，提高金属回收率减少弃渣含铜损失，是冶金 工作者永恒的课题，有众多研究人员不懈地作着努力。而近年来国际市场上铜的价格持 续上涨【4 7 l ，国内各冶炼厂采取多种措施强化熔炼以提高现有设备的铜产量后，弃渣含铜 升高问题日益突出【椎删。在此背景条件下，安徽金隆铜业公司联合中南大学进行“关于 金隆铜业公司降低贫化电炉渣含铜”的研究课题。 贫化电炉弃渣含铜问题是个世界性的难题，其影响因素众多 5 0 - 5 4 】。文献【5 4 】曾总结 了金隆公司影响贫化电炉弃渣含铜的l o 个因素，并采用多元线性回归分析法及方差分析 法确定出影响贫化电炉渣含铜的几个最主要因素，影响由大到小依次排列是：闪速炉炉 况、电炉铜锍品位、电炉铜锍产出量、电炉块煤加入量。针对这些主要因素，文献建议 采取如下几大技术措施：( 1 ) 确保稳定正常的闪速炉炉况；( 2 ) 尽可能降低闪速炉及贫 化电炉铜锍品位；( 3 ) 减少闪速炉沉淀池侧墙和炉底炉结；( 4 ) 采取向沉淀池加还原剂 的方法，尽可能地利用沉淀池的空间进行炉渣的贫化；( 5 ) 尽量减少沉淀池渣夹带铜锍 进入电炉的量。 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 从文献l 5 4 的研究成果不难看出，由于闪速炉工作状况不稳定甚至恶化，从而增加了 贫化电炉的负担，是造成终弃渣含铜升高的最主要因素。欲降低贫化电炉渣含铜必先改善 闪速炉工艺状况。而沉淀池作为闪速炉的一部分、又是贫化电炉的上游设备，因此，沉淀 池工作状态的好坏也直接关系着整个熔炼系统的生产稳定性、弃渣含铜和能耗的高低。 1 4 2 本文研究工作 本文将结合。关于金隆铜业公司降低贫化电炉渣含铜”研究课题，以金隆铜业公司 闪速炉沉淀池为研究对象开展如下工作： ( 1 ) 对金隆铜业公司闪速炉沉淀池熔体物理、化学形态进行系列检测与分析，探讨 沉淀池渣中铜的损失形态。 ( 2 ) 对沉淀池渣中锍液滴的受力状况进行分析，以了解影响熔池内锍液滴沉降的因 素。 ( 3 ) 研究一种适合于工业现场快速测定炉渣粘度的装置或仪器。 ( 4 ) 对沉淀池内的熔体流动特性深入分析，建立起描述熔体运动的物理模型和数学 模型；并以商业软件c f x 4 3 为平台，对沉淀池中熔体的流动及温度分布进行数值模拟。 以便找出强化沉淀池内渣锍分离过程、提高熔池工作效率的改进方向与优化措施。 ( 5 ) 比较不同渣与锍放出口的组合对沉淀池中熔体流场与温度场的影响，对沉淀池 操作制度进行优化。 9 中南大学硕士学位论文 第二章沉淀池熔体理化形态分析与熔清粘度的快速测定 第二章沉淀池熔体理化形态分析与熔渣粘度的快速测定 熔池内熔体物理及化学形态检测与分析是推定熔池内化学反应过程、分析渣中铜损失 原因的基础。本章将采用多种分析手段对进入沉淀池的熔体及流出沉淀池的熔体( 渣) 的成 分进行定性及定量检测分析。此外，粘度作为熔渣的重要物性参数，直接影响到闪速炉渣 含铜的高低，而熔渣粘度的直接检测非常困难，因此需要研制一种能快速测定闪速炉炉渣 粘度的仪器或装置，以满足工业生产的需要。 2 1 熔体化学形态分析方法与典型闪速炉工况 由于熔体物相形态十分复杂，单一的分析方法不能得出熔体成分的全貌。因而，本次 研究采用多种分析方法，并将各种分析结果互相比较、验证、归纳、综合后得出熔体物理 化学形态分析的最终结论。 本次检测内容可分为化学元素定量分析、化学物相定量分析、矿相组成定性分析三大 部分。化学元素分析以x 荧光分析和化学分析为主。矿相组成则是x 射线衍射分析，矿 相显微镜分析和扫描电子显微镜分析三者综合结果。 本研究中采用分析仪器如表2 - 1 所示， 表2 - 1 仪器分析设备表 分析设备设备型号 x 荧光分析设备 x 射线衍射分析设备 矿相显微分析设备 电子显微分析设备 粘度测定设备 e l 本r i g a k u 公司s n l * - i i 型x 荧光分析仪 美国t j a 公司i r i s 全谱直读i c p 光谱仪 r i g a k u 振动磨、r i g a k u 压饼机 日本p 3 9 a k u o m a x 2 5 5 0 v 9 + 1 8 k w 转耙x 射线衍射仪 日本n i k o n 透反两用显微镜 k y k y 2 8 0 0 型扫描电子显微镜 r t w - - 0 6 型内柱体旋转法熔体物性综合测定仪 取测定样品时闪速炉典型工况参数见表2 - 2 、表2 3 所示。 表2 - 2 闪速炉投料量 i o 中南大学硕士学伊论文 第二章沉淀池熔体理化形态分析b 熔渣粘度的快速测定 表2 - 3 精矿成分 2 2 沉淀池入口处熔体理化形态分析 2 2 1 取样装置的设计与取样方法 闪速炉正常工作时，经精矿喷嘴燃烧后的熔滴像阿滴一样源源不断地落入沉淀池，由 于喷嘴的喷吹作用，熔体在沉淀池入口面各点上质量分布应是不均匀的。因此，取样工作 有两个目的：一是要求取得有代表性的，即能反映沉淀池入口熔体成分的样品。另一目的 是测定熔体在沉淀池入口面上的质量分布。 根据这两个目的，特制作如图2 1 所示的取样装置，装置主要由粘土坩埚与水冷管组 成，水冷管采用公称直径2 0 m m 的无缝钢管弯曲而成，钢管弯曲成型后要经过水压试验检 查是否漏水后方可取样。 取样步骤如下： ( 1 ) 取样时将前端盛有水的坩埚快速插入反应塔中心后停留8 秒钟( 时间太长坩埚 内水会被烧干) 。此时，从反应塔顶落下的液滴在坩埚内会被冷却成颗粒状，而落在水冷 管上的物料也会凝结成壳状。 ( 2 ) 快速将取样装置从反应塔中取出，待取样装置完全冷却后，将水冷管上的壳状 物料均匀分成若干段，并分别编号、称量重量、记录在水冷管上的位置，用于分析熔体在 沉淀池入口面上的质量分布。坩埚内的样品，则倒入另一容器暂时保存。 ( 3 ) 由于坩埚内的样品重量较少，不够分析所用。重复第( 1 ) 步及第( 2 ) 再取几 次坩埚内的样，直到够实验分析所用时，将取得的所有坩埚内样品冷却、混合、烘干后， 供分析沉淀池入口处熔体成分所用。 由1 2 0 i r m 图2 - 1 取样装置 进水 出，水 中南大学硕十学伊论文第二章沉淀池熔体理化形态分析与熔渣枯度的快速测定 2 2 2 样品形貌分析 ( 1 ) 沉淀池入口中心处熔体粒径分布及形貌观察 对枯土坩埚内所取的颗料分级筛分、称重并观察颗粒的形态。结果表明：进入沉淀池 的液滴( 或颗粒) 粒径大部分( 5 8 ) 介于2 4 6 t t m 1 0 0 0 m 之间，直径小于2 4 6 t t m 的占 2 9 ，直径大于1 0 0 0 t t m 的仅占1 2 。按i ：罗d 。i 公式计算，进入沉淀池的液滴( 或 颗粒) 总平均粒径d 为8 4 9 5 n 。而进入反应塔的入炉混合料总平均粒径d 为9 7 5 8 t t m 。 进入沉淀池的液滴( 或颗粒) 平均直径是入炉混合料平均直径的9 倍。这说明，在反应塔 内液滴( 或颗粒) 问相互碰撞长大。 将沉淀池入口中心处样品按粒径大小分成8 级，并按由大到小的顺序排列，则颜色由 亮黑色( 有玻璃质光泽) 逐渐变为深褐色，浅褐色。表面由熔融圆滑光亮逐渐变为粗糙， 且有棱角。由颜色和形状来看，大粒级的应为反应熔融物，而小粒级的试料中似应有未反 应的炉料。 表2 - 4 沉淀池入口中心处混合熔体粒度分布 颗粒粒径m m o 1 0 5 r a m 编号为r s ，粒度中 o 1 0 5 r a m 编号为r s 十。分别将r s 和r s 十注胶并 研磨成光片，在透反两用显微镜下观察，发现两个粒级的样品显微结构基本一致，唯一区 别在于r s + 的样品中未发现黄铜矿矿物组成。由