高强度铜闪速熔炼过程颗粒行为仿真研究.pdf

2 0 1 5 年第9 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 3 5 高强度铜闪速熔炼过程颗粒行为仿真研究 李俊标，谢剑才，王凤阳 金隆铜业有限公司，安徽铜陵2 4 4 0 2 1 摘要通过在F l u e n t 中增加铜精矿颗粒燃烧模块，建立闪速熔炼仿真模型，对闪速熔炼炉冶金过程颗粒 行为进行仿真研究。通过在给定工艺条件下对颗粒的运动速度及轨迹、存活时间、颗粒温度变化、氧化 程度及颗粒在沉淀池分布状况进行模拟。研究表明，精矿颗粒在进入反应塔内平均存留时间较短，并不 断偏离反应塔中央，闪速熔炼炉内颗粒温度受颗粒直径的影响，粒度越小，温度上升越快，2 0 扯m 的颗粒 受漩涡的影响程度比较大且易随烟气排出。 关键词铜；闪速熔炼；F l u e n t ；颗粒行为；数值模拟 中图分类号T F 8 1 1文献标志码A文章编号1 0 0 7 - 7 5 4 5 2 0 1 5 0 9 0 0 3 5 0 4 P a r t i c l eB e h a v i o rS i m u l a t i o nd u r i n gH i g hS t r e n g t hC o p p e r F l a s hS m e l t i n gP r o c e s s L IJ u n b i a o ，X I EJ i a n c a i ，W A N GF e n g y a n g J i n l o n gC o p p e rC o ．L t d ．，T o n g l i n g2 4 4 0 2 1 ，A n h u i ，C h i n a A b s t r a c t P a r t i c l eb e h a v i o rd u r i n gf l a s hs m e l t i n gf u r n a c em e t a l l u r g i c a lp r o c e s s e sw a ss i m u l a t e db ya d d i n g c o p p e rc o n c e n t r a t ep a r t i c u l a t ec o m b u s t i o nm o d u l ei nF l u e n ta n ds i m u l a t i o nm o d e lo ff l a s hs m e l t i n gw a s e s t a b l i s h e d ．M o v e m e n tv e l o c i t ya n dt r a i lo fp a r t i c l e s ，s u r v i v a ld u r a t i o n ，p a r t i c l et e m p e r a t u r e ，o x i d a t i o n d e g r e ea n dd i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e si ns e d i m e n t a t i o nt a n kw e r es i m u l a t e du n d e rg i v e np r o c e s sc o n d i t i o n s ． T h er e s u l t ss h o wt h a ta v e r a g ep e r s i s t e n c ed u r a t i o ni ss h o r ta n dp a r t i c l e sc o n t i n u a l l yd e v i a t ef r o mr e a c t i o n t o w e rc e n t e ra f t e re n t e r i n gr e a c t i o nt o w e r ．P a r t i c l et e m p e r a t u r ei nf l a s hs m e l t i n gf u r n a c ei sa f f e c t e db y p a r t i c l ed i a m e t e r ，t h a ti s ，t h es m a l l e rp a r t i c l es i z ei s ，t h ef a s t e rt e m p e r a t u r er i s e s ．P a r t i c l e sw i t h 垂2 0u m i se a s i l ya f f e c t e db yv o r t e xa n dd i s c h a r g e df r o mf l u eg a s ． K e yw o r d s c o p p e r ；f l a s hs m e l t i n g ；F l u e n t ；p a r t i c l eb e h a v i o r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 在铜精矿的闪速熔炼过程中，闪速熔炼炉内的 冶金过程非常复杂，有必要对铜精矿的颗粒行为进 行研究，以期为闪速炉的工艺控制提供依据。已有 研究者采用F l u e n t 软件对闪速熔炼过程进行仿 真[ 1 。4 ] 。本文通过在给定工艺条件下对颗粒的运动 速度及轨迹、存活时间、颗粒温度变化、氧化程度及 颗粒在沉淀池的分布状况进行模拟。 收稿日期2 0 1 5 0 4 0 9 作者简介李俊标 1 9 8 4 一 ，男，江西丰城人，硕士，工程师 1 计算模型的建立 本次采用的计算模型主要有P 一1 辐射模型、标 准肛e 湍流模型、组分传输模型、离散相模型、能量 方程、离散相模型[ 5 ] ，并对参与化学反应的精矿颗粒 进行属性设定及F l u e n t 二次开发。 1 ．1 主要化学反应 参与化学反应的物质由气相和固相虚拟颗粒组 成，气相组成0 2 、S O 、H 。0 、C 0 。、C H 。、N 。；虚拟颗 万方数据 3 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第9 期 粒组成C u 2 S 、F e S 2 、C u F e S 2 、F e O 、F e 30 4 、S i 0 2 。主 要反应有 3 F e S 5 0 2 一F e 3 0 。 3 S 0 2 1 2 C u F e S 2 一C u 2 S 2 F e S 0 ．5 S 2 2 2 F e S 2 一F e 2S 0 。5 S 2 3 F e S 1 ．5 0 2 一F e O S 0 2 4 1 ．2 计算网格 为提高计算精度和稳定性，本次网格采用多区 域划分，对网格节点的分布、网格的光滑性[ 4 “] 、单 元格歪斜的角度和形状进行了区分和科学的调整， 提高了数值解的精度。本次计算的网格总数为 2 2 81 7 0 。图1 为闪烁炉炉体以及喷嘴附近区域的网 格图。 图1闪速炉炉体和喷嘴附近区域的网格图 F i g ．1 G r i dc h a r to ff l a s hf u r n a c eb o d ya n dr e g i o no fn o z z l e 1 ．3 工艺条件 闪速熔炼是物质之间进行复杂的高强度传质传 热过程口] ，为计算时与商用软件F l u e n t 相匹配，降 低其计算量，需对精矿做适当的简化处理n ] ，简化后 的工况为投料量1 7 8t ／h 、中央氧16 5 0m 3 ／h 标 态，下同 、工艺氧2 43 6 4m 3 ／h 、工艺风1 55 0 0 m 3 ／h 、分布风20 5 0m 3 ／h 。精矿成分 ％ F e 2 6 ．0 8 、S i 0 27 ．5 9 、C u2 7 ．6 8 、S3 0 ．0 3 、其他8 ．6 2 。 1 7 8t ／h 投料量为精矿、熔剂、烟灰的混合物，根 据铜精矿元素的分布情况，经计算后其物相组成为 ％ C u F e S 26 7 ．3 6 2 、F e S z3 ．1 7 4 、S i 0 21 4 ．9 9 2 、其 他0 ．6 1 0 。 2 颗粒在流场中的行为及分布 2 ．1 颗粒存留时间 由1 可见，在反应塔内，颗粒平均存留时间为 0 ．8S ，最长2 ．7S 。受湍流漩涡的影响，部分颗粒随 漩涡一起运动，存活时间较长，导致颗粒没有以较快 的速度下落到沉淀池中。少部分颗粒成为闪速熔炼 烟尘，存留时间亦相对较长，总体来看绝大部分颗粒 能够在1S 内下落至沉淀池中。从不同直径颗粒平 均存留时间曲线可看出，存留时间随颗粒直径的增 大而减小，这是因为小颗粒受到的气相拽力比大颗 粒小，加速度大，颗粒达到运动最大速度时间短，但 在下落过程中受到的阻力更大，存留时间更长。 9 6 e 6 6 e 3 7 e “ 7 e “ 8 e “ 4 8 e “ l a e 8 8 e q 2 e q e l Hb e ，。㈣J ， ．} 0 ．8 5 ；} 宣0 8 0 黔] L ． 0 ．6 5 1 矿面『_ 丽厂面广而矿砣I 遮≥、、 颗粒R w n 、≤≥j 。一I 、o ＼、 、、、＼，、～、 图2颗粒存留时间图 F i g ．2D i a g r a mo fp a r t i c l ep e r s i s t e n c et i m e 2 ．2 闪速熔炼过程中颗粒的分布 图3 为不同直径精矿颗粒的平均运动速度曲 线。图3 表明，直径不同的颗粒在距反应塔塔顶 1 ．5 ～2 ．5m 范围内能够从静止状态迅速达到速度 最高点，由于受到其它阻力[ 4 ] 的影响，速度不断下 降，粒度越小的颗粒速度梯度下降得越快，在沉淀池 液面区域速度随颗粒直径的减少而降低，最终落入 沉淀池。颗粒达到速度最大值时离塔顶的距离随着 颗粒直径的增大而增大，其中2 0 且m 颗粒离塔顶 1 ．4m 的时候速度最大，落人沉淀池速度为6 ．9 8 m ／s ；4 0 肛m 和5 0 弘m 的颗粒分别离塔顶2m 和2 ．5 m 时速度最大，分别为2 0 ．5 、2 0 ．3 2m ／s ，落入沉淀 池速度分别为1 0 ．7 5 、1 1 ．6 8m ／s ；8 0 扯m 和1 2 0 肚m 颗粒分别离塔顶2 ．5m 和2m 时速度最大，落人沉 穰鬻。 滋鬻黧㈣鲨 万方数据 2 0 1 5 年第9 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 3 7 淀池速度分别为1 4 ．4 1 、1 5 ．5 6m ／s 。 图3 不同直径颗粒的速度图 F i g ．3V e l o c i t yd i a g r a mo fp a r t i c l e sw i t h d i f f e r e n td i a m e t e r 图4 显示从喷嘴中喷出的精矿颗粒在下降过程 中逐渐偏离反应塔中心，呈伞状分布。受分散风影 响，颗粒偏移程度与粒度大小有关，在反应塔上部 4m 区域，颗粒偏移塔中心的距离随颗粒直径的减 小而减小。在沉淀池液面上方，受气流漩涡及流体 在该区域扩张的影响，部分小颗粒随气流方向运动 迅速偏移反应塔r h 己、 昌 谜 蛰 球 壬 辫 婿吼斟z 高m 1 图4 颗粒下降过程中偏离反应塔中心曲线 F i g ．4 D i s t r i b u t i o nc u r v eo fd i s t a n c ed e v i a t i o n o fp a r t i c l e sd e s c e n d i n gi nr e a c t i o nt o w e r 2 ．3 颗粒在沉淀池液面上的分布 从图5 可以看出，随着颗粒直径的增大，颗粒在 沉淀池液面上偏移反应塔中心的平均距离越小。其 中2 0 、4 0 、5 0 、8 0 、1 2 0 弘m 的颗粒偏移塔心距离分别 为0 ．9 7 、0 ．7 4 7 、0 ．7 0 、0 ．6 6 、0 ．6 5m 。 2 ．4 颗粒氧化情况 黄铜矿经精矿喷嘴喷入反应塔后迅速发生氧化 反应，生成C u S 和F e S [ 4 ] 。从图6 的质量分数轨迹 可以看出，大部分精矿在距塔顶2m 内范围内反应 完全，少量精矿在3m 内消耗完全。由于氧气在反 飕 ●卜Z I Jk t m o 一羽lu m ●一S 1I J m 矿f { 1u m 一1 2 l lu n 一兰i ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．【．．．．．．．．．．．．．．，．．．I ．．．．．．，．．I 。．．．．．．．．．．．．- 。．．．．．．．．．．．．_ 一 1 1j2 I 2 ．j3 l l3 ．5 塔心距离／m 图5 不同直径颗粒在沉底池液面分布状况 F i g ．5 D i s t r i b u t i o no fp a r t i c l eo fb o t t o mp o o l l e v e lw i t hd i f f e r e n td i a m e t e r 应塔中心区域基本被完全消耗，只有少量的黄铜矿 因为未被氧化而形成下生料情况，另外，该区域的氧 气浓度较低，中心区域有6 ％～1 0 ％的F e S 没有被 完全消耗[ 4 ] 。 2 ．5 颗粒温度 图7 为颗粒的温度分布图。从图7 可见，颗粒 在反应塔内的温度分布与流体的基本一致，在反应 塔喷嘴下方，精矿颗粒快速发生强氧化反应，释放大 量的热能，温度极速上升，形成一个小范围的高温 区。在该区域以下，大部分颗粒完成造渣反应邛] ，导 致温度迅速降低 造渣反应为吸热过程 。颗粒完成 造渣后，受气体辐射加热，温度上升至17 0 0K 左右。 伞状颗粒外侧区域的氧浓较高，在该区域较多 的F e S 氧化成F e 。O 。形成高温区，因此控制适当的 分散风量和氧浓有助于减少F e 。O 。的生成和提高 氧气利用率。但是，如果分散风过高，会导致气流和 颗粒吹到壁面上，造成反应塔壁冲刷，反应塔壁附近 温度升高，使得壁面挂渣减薄，影响耐火砖和冷却元 件使用寿命。 3结论 1 2 0 ～1 2 0b L r n 精矿颗粒在反应塔内平均存留 时间为0 ．8S ，最长2 ．7S ，并随着颗粒直径的增加而 减小。 2 颗粒达到最大速度的位置离反应塔塔顶距离 随颗粒直径的增大而增加。小颗粒的更容易达到速 度最大值，但在下落过程中阻力更大，速度减小得更 快，相对而言大颗粒更容易落到沉淀池中。 k ” 万方数据 3 8 1 3 e 一 8 2 e S l e l ‘把一l f i ；} { e 一 鬻．一a T e - O ， l 雾q 舢l e 1 2 酬6 ．2 7 著e - l 5 k “l j { { e “1 3 1 8 e “1 3 3 e “1 3 8 8 e “ { 3 e IJ j 5 8 e “l ， * j e “ 3 2 8 e { l j e “J { 7 f ，e “ 2 2 6 e l J 2 7 6 e 1 2 2 6 e 1 1 2 6 e “1 2 2 6 e “1 2 “J e I l | 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第9 期 32 3 e 一 2 ．I J e 一 2S 8 e - c 22 f ℃一 l9 4 e 一 ．2 1 e 1 2 } * { e 1 2 5 6 e 一1 2 2 4 e 一 2 9 2 e 一 2 “l e 1 2 ．2 8 e 1 2 5 9 e 一 j { q e I 3 2 I e 一 3 r H e “x l 9 1 8 e 一 82 6 e 一 73 4 e 一 6 4 2 e 一 5S l e - 4S 9 e 一 j ．6 7 e 一 2 i k l8 4 e 一 9 1 8 e 1 2 ⋯J e “H 】 ＼ t aJ C u F e S 2 八b C u 2 S “c J F e 3 U 4 “d J F e 岛“e J F e O ；【l J F e S 图6 不同颗粒的质量分数轨迹图 F i g ．6 M a s sf r a c t i o nd i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e st r a i lw i t hd i f f e r e n td i a m e t e r 图7颗粒温度图 F i g ．7T e m p e r a t u r ed i a g r a mo fp a r t i c l e s 3 精矿颗粒喷入反应塔内发生强氧化反应，易 在喷嘴下方形成小范围高温区，精矿颗粒在距反应 塔塔顶3r f l 内消耗完全。 4 反应塔中心区域氧势低，该区域易形成下生 料，同时小颗粒易形成闪速炉烟尘， 参考文献 n [ 1 ] 曾青云，周立，汪金良，等．基于自适应模糊神经网络的 铜闪速熔炼冰铜温度模型研究[ J ] ．有色金属 冶炼部 分 ，2 0 0 7 2 2 - 5 ． E 2 ] 涂延安，刘建群．贵冶闪速熔炼冶金数模控制系统的应 用E J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 l 2 3 8 4 1 ． E 3 ] 邹小平，童长仁，王海北．反应塔炉壁三维温度场及内壁 挂渣数模仿真研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 8 1 2 6 ． [ 4 ] 李俊标．基于F l u e n t 的铜闪速熔炼多场仿真[ D ] ．江西赣 州江西理工大学，2 0 1 1 ． [ 5 ] 陶文铨．数值传热学[ M ] ．西安西安交通大学出版社， 2 0 0 1 4 5 - 6 8 ． [ 6 ] 任玉欣，陈海听．计算流体力学基础[ M ] ．北京清华大 学出版社，2 0 0 6 9 9 - 1 0 1 ． [ 7 ] 陈国发．重金属冶金学[ M ] ．北京冶金工业出版社， 2 0 0 9 2 0 1 2 0 2 ． [ 8 ] 朱祖泽，贺家齐．现代铜冶金学[ M ] ．北京科学出版社， 2 0 0 2 3 8 9 3 9 1 ． ●●2 2 2 刊训埘北埘洲m 挑雠‰‰‰ ●●9 6 3 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 叫 k．世k记k记k记k k k 剐攒丑膏q誊“研m糸Ⅲ 6 5 5 4 3 3 2 ●● ．囊。瓣鬻罐誓■ 崆陀刖 一 一 一 一 一 沁砸k k k k5 ■舢Z 卜“ ●●9 n 3 黼麟鬻巍誓● 一’r ’r 一一№她m №‰ 3 2 2 2 ● 鬻 。．鬻滋遴_■ 万方数据