顶吹转炉吹炼过程反应速率数模研究

陈志刚，邹贤，张源，涂百乐，周斌

（安徽铜陵有色稀贵金属分公司，安徽铜陵，244021）

顶吹转炉吹炼过程反应速率数模研究

陈志刚，邹贤，张源，涂百乐，周斌

（安徽铜陵有色稀贵金属分公司，安徽铜陵，244021）

本文依据界面更新理论，研究了顶吹转炉吹炼过程数学模型，分析了吹炼阶段限制性环节，提出了顶吹转炉吹炼速率公式，并以生产数据加以验证，最终获得顶吹转炉吹炼实践操作较优工艺参数。实践证明：参数选择与运用具有比较优势。

顶吹转炉；吹炼；反应速率；数模研究

引言

顶吹转炉又称为氧气斜吹转炉，由于炉体倾斜，反应面积增加，同时炉体不断地旋转，不断更新反应界面，显著提高了反应速度［1］。所以顶吹转炉常用来处理那些成分复杂、处理难度大的复杂物料。

顶吹转炉冶炼为周期性作业，一台炉子内完成熔炼、吹炼（精炼）作业过程。有价金属主要在熔炼阶段被还原富集，贱金属及杂质元素主要在吹炼阶段以氧化造渣方式和烟尘形式除去［2］。

本文依据界面更新理论［3］，研究建立顶吹转炉吹炼阶段数学模型，进而研究顶吹转炉吹炼过程速率公式并以生产数据加以验证，并获得顶吹转炉吹炼实践操作较优工艺参数。

1 顶吹转炉吹炼阶段限制性环节分析

在吹炼阶段中，吹炼喷枪往炉内吹入高压压缩空气，压缩空气吹开熔体表面渣层，与熔体直接接触发生氧化反应，氧化物造渣——吹炼渣。

这些氧化反应是典型的气液反应［4］，反应主要步骤有：①压缩空气中的氧气向熔体表面传质；②氧气与熔体中物质发生反应；③固体产物造渣，气体产物逸出。

在吹炼阶段，炉内温度高达1200℃，各类反应极为迅速，吹炼渣浮于熔体表面，和残存的熔炼渣聚集在一起，严重阻碍压缩空气向熔体中的进一步传质。因此，②③为非限制性环节，①是吹炼过程限制性环节，针对限制性环节建立数学模型。

2 限制性环节数学模型

2.1喷嘴与液面临界距离公式

在吹炼作业中，当喷嘴压缩空气压力达到临界压力时，压缩空气会吹开喷嘴周围渣层，新反应界面与氧气持续反应。液面和液面最上面渣粒A建立数学模型（见图1）。

图1　液面和液面最上面渣粒数学模型

所以，喷嘴周围反应界面更新速率是影响顶吹转炉吹炼速率的关键因素。假设喷嘴出口压力为P0，喷嘴面积为S0，喷嘴与液面的临界距离L0，喷射角的一半为β，压缩空气到达液面时压力为P液，喷射面积为S液。那么：P0·S0=P液·S液（1）又S液=π（L0tanβ）2（2）那么：

当渣粒A受到的喷嘴空气压力F斜面方向分压力F1和重力G斜面反方向分力F2平衡时，此时渣粒被吹开，露出新反应界面，有

F1= P·SA·sinβ （4）

F2=GA·sinα （5）

当F1=F2，整理并对微粒半径rA积分，积分区间［0，L0tanβ］，得喷嘴与液面的临界距离L0为

K——设计系数；

P0——喷嘴出口压力；

ρA——渣的比重；

g——重力加速度；

α——液面倾斜角；

β——喷嘴喷射角的一半。

喷嘴与液面的实际距离为L，当L＞L0时，喷嘴压缩空气到达液面时的压力不足以吹开液面的渣层，吹炼反应缓慢；当L＜L0时，吹炼反应能够快速发生，但L进一步减少时，吹开面积减小，吹炼速率反而减小。只有当L=L0时，吹炼反应最快。

2.2顶吹转炉吹炼反应速率公式

未通入压缩空气前，当微粒球团随炉转动到X位置时，球团所在料面的倾角为α，微粒球团受到竖直向下的重力G和炉体转动所产生的离心力F向，对微粒球团建立数学模型（见图2）。

当微粒球团炉壁切线方向的重力分力和摩擦力相等，微粒球团处于临界状态，此时：

图2　未通入压缩空气前微粒球团数模

则熔体线速度为：其中：

R1，2——最外围、最内层熔体到炉中心的距离；

f1，2——最外围熔体与炉壁、熔体层间的摩擦系数。

熔体各点角

炉内参与反应的熔体厚度

熔体顶端至底端的距离为L长，炉内熔体总面积

炉体转速为n（rad/min），角速度ω，Δt时间熔体转动角度为∠A=ωΔt。

Δt时间内，参与反应的物料体积ΔV和物料量Δm分别为

ƒ1与ƒ2均与熔体黏度η有关［5］，令ƒ1=c·η，ƒ2=d·η，，c、d均为常数，反应速率

依据阿仑尼乌斯公式［6］，C'η是一个与温度有关的函数，用ƒ（T）表示。同时将固定值tan2β和炉膛半径R写入ƒ（T）内，反应速率表达式为

其中：

VC——吹炼阶段炉内的反应速率；

ƒ（T）——与温度有关的函数；

L0——喷嘴与反应液面的临界距离；

L——喷嘴与反应液面的作业距离；

CM——熔体内反应物的浓度；

v0——顶吹转炉转速。

3 生产验证

3.1转速验证

根据第2节计算公式，当压缩空气流量为1200Nm3/h，吹炼温度分别为1373K、1473K和1573K时，绘制不同温度、不同转速时反应速率曲线（见图3）。

图3　转速与吹炼反应速率关系曲线

从图3可看出：随着转速提高，反应速率大幅提高，与转速三次方成正比。生产与数模高度吻合。

3.2喷嘴作业距离验证

当转速、吹炼温度、压缩空气流量分别保持10rpm，1473K、1200Nm3/h，喷嘴到液面的距离分别为100mm、200mm、300mm、400mm时，绘制不同喷嘴作业距离时反应速率曲线（见图4）。

图4　喷嘴作业距离与吹炼反应速率关系曲线

从图4可以看出：喷嘴到反应界面有一个临界距离，当作业距离小于临界距离时，反应速率与距离的平方成正比；反之，反应速率减小，公式不适用。生产与数模高度吻合。

4 结论

对顶吹转炉吹炼过程建立数学模型，研究并验证了吹炼阶段反应速率公式。从验证结果来看，反应速率公式是合理正确的，获得顶吹转炉吹炼阶段较优工艺参数为：转速8 rpm～12 rpm；喷嘴高度

200 mm。

［1］罗庆文. 有色冶金概论［M］. 北京: 冶金工业出版社， 2007.

［2］黎鼎鑫， 王永录.贵金属提取与精炼: 第2版［M］.湖南: 中南工业大学出版社， 2001.

［3］邓修， 吴俊生. 化工分离过程［M］.北京: 科学出版社， 2000.

［4］傅崇说. 有色冶金原理［M］. 北京: 冶金工业出版社， 1984.

［5］王志魁，刘立英， 刘伟.化工原理: 第4版［M］. 北京: 化学工业出版社， 2010.

［6］梁英教.物理化学: 第2版［M］. 北京: 冶金工业出版社， 1992.

陈志刚（1976-），男，湖北广水人，本科学历，高级工程师，主要从事冶炼技术工作。

E-mail: ahchenzg@163.com

邹贤（1988-），女，陕西汉中人，本科学历，助理工程师，主要从事冶炼技术工作。

E-mail: zoxian@foxmail.com

张源（1957-），男，山西太原人，本科学历，教授级高工，主要从事冶炼技术工作。

E-mail: zhangyuan@tlys.cn

涂百乐（1975-），男，安徽潜山人，冶炼工程师、注册安全工程师，主要从事贵金属生产与研究工作。

E-mail: 1052065772@qq.com

周斌（1990-），男，湖南衡阳人，本科学历，助理工程师，主要从事冶炼技术工作。

E-mail: 1214634860@qq.com

Mathematical Model Study on Reaction Rate of Top-blown Converter Converting Process

Zhigang Chen， Xian Zou， Yuan Zhang， Baile Tu， Bin Zhou（Tongling Nonferrous Metals Rare & Precious Metals Subsidiary Co.， Tongling， Anhui， 244021， China）

This paper establishes a mathematical model of top-blown converter converting process in accordance with interface updating theory and thereby engages in research on a formula of top-blown converter converting rate and verify with production data. In practical operation of top-blown converter converting， the model has achieved better technical parameters.

Top-blown Converter； Converting； Reaction Rate； Mathematical Model

TF801.2

A

2095-8412 （2016） 04-621-03

工业技术创新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.010