高效铜侧吹熔炼反应器内均混时间的物理模拟.pdf

2 0 1 5 年第6 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 1 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 6 ．0 0 1 高效铜侧吹熔炼反应器内均混时间的物理模拟 冯亚平1 ，章俊1 ，李小龙2 ，刘燕2 1 。北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 ；2 。东北大学，沈阳1 1 0 8 1 9 摘要采用相似原理指导下的物理模拟试验，通过实时测定溶液电导率研究高效铜侧吹熔炼反应器内均 混时间。结果表明，在喷嘴排布紧凑的1 * 排布下，熔池内流体的混合时间相对较短；随着喷嘴直径的增 加，气体流速减小，均混时间变长；随着气体流量的增大，均混时间不断减小，但减小的幅度变小。 关键词铜；侧吹熔炼；物理模拟；均混时间 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 6 0 0 0 1 0 4 P h y s i c a lS i m u l a t i o no nM i x i n gT i m ei nH i g hE f f i c i e n tC o p p e r S i d e - b l o w nS m e l t i n gR e a c t o r F E N GY a p i n 9 1 ，Z H A N GJu n l ，L IX i a o l o n 9 2 ，L I UY a n 2 1 ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a 2 ．N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y 。S h e n y a n g1 1 0 8 1 9 ，C h i n a A b s t r a c t P h y s i c a lm o d e le x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tb a s e do ns i m i l i t u d ep r i n c i p l et os t u d ym i x i n gt i m ei n h i g he f f i c i e n tc o p p e rs i d e b l o w ns m e l t i n gr e a c t o rb ym e a s u r i n gc o n d u c t i v i t yo fs o l u t i o n ．T h er e s u l t ss h o w t h a tt h em i x i n gt i m ei sr e l a t i v e l ys h o r tw i t hN o ．1c o m p a c tn o z z l ea r r a n g e m e n t ．G a sv e l o c i t yd r o p sa n d m i x i n gt i m er i s e sw i t hi n c r e a s eo fd i a m e t e ro fn o z z l e s ．M i x i n gt i m ed r o p sc o n t i n u o u s l yw i t hs m a l l e r a m p l i t u d ew i t hi n c r e a s eo fg a sf l o w ． K e yw o r d s c o p p e r ；s i d e - b l o w ns m e l t i n g ；p h y s i c a ls i m u l a t i o n ；m i x i n gt i m e 富氧双侧吹熔池熔炼工艺是一种高效、节能、环 保的铜熔炼新工艺。它与现代强化熔炼工艺对比， 有以下主要优势n ≈] 1 投资省，建设工期短。由于炉体高度与鼓风 炉相当，因而厂房高度较低，且上料、送风、渣贫化等 配套设施简单，烟气量小，余热锅炉体积小。1 0 万t 规模比顶吹熔池熔炼炉型节省投资2 ～3 亿元。 2 原料适应性强。原辅料水分要求在8 ％～ 1 0 ％，粒度在3 0m m 以下即可；与闪速炉和三菱法 相比，可节省大量的备料设施投资和运行费用。 3 弃渣含铜低。弃渣平均含铜0 ．5 5 ％，贫化后 可达到0 ．4 5 ％。比其他现代熔炼工艺的全国平均 水平0 ．8 5 ％低近5 0 ％。 4 能耗低。吨粗铜综合能耗低于2 6 0k g c e ，优 于国家规定的先进指标 5 5 0k g c e 。 5 环保好。由于炉体密封性好和烟气S O z 浓度 高，因此可采用不泄漏烟气的负压操作，生产操作环 境好。 6 炉寿命长。由于炉体关键部位采用铜水套， 既节省了耐火材料，又延长了炉体寿命，大修周期可 达3 年以上。 但是，也存在下述问题工业上还无法确定熔池 内部流体的流动规律，不明确熔池内部是否有死区 存在，这在工业实际生产中还是一个盲区。 收稿1 5 1 期2 0 1 5 0 1 1 2 基金项目国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 项目 2 0 1 3 A A 0 6 4 0 0 2 作者简介冯亚平 1 9 7 3 一 ，女，内蒙古宁城人，硕士，高级工程师． 万方数据 2 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6 期 熔池内的混合行为反映了富氧双侧吹熔池熔炼 传输过程的动力学条件，直接决定了熔炼效果，本文 采用物理模拟的方法，研究工艺参数对均混时间的 影响，为优化工艺提供理论依据。 1试验 本试验以某企业铜熔炼炉为原型，采取相似比 1 8 的比例建造了一个试验室模型，然后考察不 同工艺 喷嘴排布方式、喷嘴直径及喷吹气体流量 对模型内均混时间的影响。 1 ．1 物理模拟原理 1 ．1 ．1 几何相似 模型与原型主要尺寸的相似[ 4 ’5 ] 即几何相似。 物理模型为有机玻璃制成的富氧双侧吹熔炼反应 器，用自来水模拟反应器中的流体。在选定模型与 原型的尺寸时，一般研究过程的水模型尺寸D 。小于 原型尺寸D 。，本文选定D 。D 。一1 8 。 1 ．1 ．2 动力相似 对于物理模拟来说，能够找到与熔体物理性质 相近的试验室用的流体很困难，因此前人所做的试 验基本都是用自来水来模拟流体[ 6 吲，用空气模拟富 氧空气来进行模拟试验。对富氧双侧吹熔池熔炼反 应体系来说，从反应器侧面倾斜吹入的气流所带来 的冲击力与产生的气泡带来的浮力是引起体系内流 动的动力，只要确保模型与原型的修正弗洛德准数 相等，就能基本上保证它们的动力相似[ 9 。1 ⋯。因此 模型中的吹气量可用下式表达 Q 。一 等‘p 血i p ‘等。孝 q 1 ＼』D ∥d p ‘ 九p ， 式中，p 为密度；d 为喷嘴直径；H 为熔池深度； Q 为喷气量；下标g 、1 分别代表气体和液体，p 、m 分 别代表原型和模型。 1 ．1 ．3 均混时间的测量方法 混合均匀时间 均混时间 是衡量反应器好坏的 重要指标之一，通常采用在水溶液反应器中加入示踪 剂 本文为K C l ，通过测定反应器中某一特定位置溶 液的p H 或电导率等来确定示踪剂的浓度 图1 ，并 确定均混时间，允许有5 ％以内的不均匀性[ 1 “1 2 ] 。 O1 0 02 03 0 04 0 0 5 0 0 时间／s 图1 均混时间趋势图 F i g ．1 T r e n do fm i x i n gt i m e 1 ．2 试验装置 试验装置是以某企业的反应器为模型，根据生 产实际情况，确定模型与实际设备之间的比例为 1 8 设计了物理模拟装置。同时也根据比例设计 了不同尺寸的喷嘴结构。图2 为实验室模型和不同 直径的喷嘴。 图2 实验室铜侧吹熔炼模型 a 和不同直径的喷嘴 b F i g ．2L a b o r a t o r ym o d e l a o fc o p p e rs i d eb l o w ns m e l t i n ga n dn o z z l e s b w i t hd i f f e r e n td i a m e t e r 1 ．3 试验方法 利用D D S J 一3 0 8 A 型电导率仪实时测定溶液电 导率，对得到的数据进行计算、做图分析，即可得到 流体混匀的均混时间。 2 l O 9 呓 毗 毗 叫 一I-口≯∞目／醑蹄锄 万方数据 2 0 1 5 年第6 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 2 试验结果与讨论 2 ．1 喷嘴排布方式对均混时间的影响 本试验以空气一水为模拟体系，在喷嘴倾角为 7 。、气体流量2 0m 3 ／h 、直径3 ．7m m 的情况下，测量 如图3 所示的6 不同的喷嘴排布方式时反应器内的 均混时间。 模型 正面 l - 加料区 熔炼区 烟囱区 I 模型右倾面 喷嘴排布掣喷嘴排布3 一 ■口■口■口●口●口口 口●口■口■口一口一口 图3 不同喷嘴排布方案图 F i g ．3 D i f f e r e n tn o z z l ea r r a n g e m e n ts c h e m e 结果表明，18 、28 、3 5 排布方式的均混时间分 别为3 2 9 、4 6 4 、4 2 9S 。可以看出，喷嘴的排布方式对 熔池内均混时间的长短有很大影响。其中18 的排 布更加紧凑，有两个相邻排布和一个并列排布情况， 而24 全为单个排布，38 仅有两个并列排布。喷嘴 排布越紧凑，则相邻的气流所拥有的动能就越大，克 服与液相摩擦的能力也越大，对熔池的搅动效果就 越好。因此，18 排布下，熔池内流体的混合时间最 短。工业上应尽可能选取喷嘴排布紧凑的方式来进 行实际生产。 2 ．2 不同喷嘴直径时的均混时间 在喷嘴倾角为1 2 。、1 。喷嘴排布、气体流量2 0 m 3 ／／h 的条件下，测量不同喷嘴直径情况下反应器内 的均混时间，结果如图4 所示。 从图4 可看出，随着喷嘴直径的增加，熔池内的 均混时间变长，这意味着熔池内流体的混合时间变 长，喷人的气流对流体的搅动效果变差，随着喷嘴直 径的增加，在相同喷人气体流量的前提下，气体流速 变慢，对上面渣层的搅动范围与混匀效果都有所降 低。与此同时，我们还应该考虑上层渣层与下层冰 铜层的界面稳定性，不能让气流速度过大，携带能量 过多，穿透界面将渣带人冰铜层中，降低冰铜品位。 2 ．3 不同气体流量下的均混时间 在喷嘴倾角为7 。、喷嘴直径3 ．7m m 、18 喷嘴排 芒 亘 菪 赠 霜 图4 均混时间随喷嘴直径的变化曲线 F i g ．4 V a r i a t i o no fm i x i n gt i m ew i t h n o z z l ed i a m e t e r 布的条件下，考察气体流量对反应器内均混时间的 影响，结果如图5 所示。 图5 不同气体流量下的均混时间 F i g ．5M i x i n gt i m eu n d e rd i f f e r e n t g a sf l o wr a t e 由图5 可见，在气体流量为1 7m 3 ／h 时，反应器 内溶液的均混时间为5 0 8S ，随着气体流量的增大， 均混时间不断减小。但随着气体流量的增加，均混 时间减小的幅度越来越小。表明在实际操作过程 中，在满足搅拌效果的情况下，为减小鼓风动能，降 低能耗，可以在较小的气量下实行操作。 3结论 1 在喷嘴排布紧凑的18 排布下，熔池内流体的 混合时间相对较短，工业上应尽可能选取该方式安 排生产。 2 随着喷嘴直径的增加，气体流速减小，熔池内 的均混时间变长。 3 随着气体流量的增大，均混时间不断减小，但 减小的幅度变小。 下转第2 1 页 万方数据 2 0 1 5 年第6 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 2 1 的摩擦磨损性能研究[ J ] ．高分子材料科学与工程， 1 9 9 9 ，1 5 1 6 8 7 2 ． [ 2 ] 周劭萍．青铜粉对聚四氟乙烯基复合材料摩擦学性能 影响的研究口] ．润滑与密封，2 0 0 6 ，3 1 1 9 4 9 6 ． [ 3 ] 钟清慎，贺秀珍，马玉天，等．铜阳极泥氧压酸浸预处理 工艺研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 7 1 4 2 1 ． [ 4 ] 李运刚．湿法处理铜阳极泥工艺研究 I [ J 3 ．湿法冶 金，2 0 0 0 ，1 9 1 4 1 4 5 ． [ 5 ] 吴跃东，范兴祥，董海刚，等．氧化焙烧一酸浸法从铜浮 渣中提取铜i - 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