仿真分析铜闪速吹炼过程颗粒行为

郎立杰

（中铝东南铜业有限公司，福建 宁德 352106）

铜精矿在完成闪速吹炼过程中，由于受到颅内较为复杂的冶金工序过程影响，有必要将闪速炉的工艺控制提供参考，研究铜闪速吹炼过程中的颗粒行为[1]。当前已有研究者在Fluent软件基础之上仿真闪速熔炼过程[2]。本次研究展开模拟给定工艺条件下的颗粒运动行为，研究速度、轨迹、温度、氧化、存活时间及沉淀情况。

1 建立计算模型

在本次研究中主要采用了P-1辐射模型、组分传输模型、标准k-e湍流模型、离散相模型、能量方程，借此诸多模型基础之上，设定铜精矿颗粒参与至本次研究化学反应的属性，并且在前人研究基础之上二次开发Fluent[3]。

1.1 工艺条件

在铜闪速吹炼的过程中，主要是物质间完成的高强度且复杂化的传热传质过程，为了能够将最终计算结果匹配于Fluent软件，对研究中的计算量加以降低，需要简化精矿。在前期简化处理之后得到工况为[4]：投料量179t/h、工艺氧34365m3/h、中央氧1660m3/h、分布风2050m3/h、工艺风15500m3/h。精矿的成分如下：Fe、SiO2、Cu、S及其他，分别为26.09、7.58、27.69、30.05、8.64。178t/h的投料量作为熔剂、精矿以及烟灰类混合物，通过以铜精矿的具体元素分布状况，经过计算之后所得物相组成如下：CuFeS2、FeS2、SiO2、其他分别为67.365、3.178、14.993、0.612。

1.2 计算网格

在本次仿真实验中为了能够提升最终计算结果的精确度及稳定性，主要采用网格均为多区域划分，科学规范区分调整网格的节点分布、光滑性、单元格的歪斜角度及具体形状，从而有效提升整体数值解的精准度。

2 颗粒在流场内分布情况及具体行为仿真实验结果

2.1 颗粒存留时间

在铜精矿处于反应塔内，所得平均颗粒存留时长是0.8s，其中最长的是2.7s。由于受到湍流漩涡引发影响，在部分颗粒会随着漩涡不断运动，存在较长时间，使得颗粒并未以较快运动速率下落至沉淀池内。只有极少部分颗粒随着烟气拍出，同样存留时间较长。整体来讲绝大多数的颗粒均能够保证在1s之内快速下落至沉淀池内部。

2.2 闪速吹炼过程中颗粒分布

作为铜精矿颗粒的直径不同，具体平均运动速度的变化曲线，经由该图可以发现不同的颗粒直径，能够在与反应塔的塔顶之间距离间隔1.5m～2.5m范围之内，由最初的静止化状态，快速到达至高点。但是受到其他阻力的影响，导致不断降低运动速度。而直径的大小更是直接影响颗粒的下降速度，越小则越快，降落至沉淀池液面区域内的速度，同样会受到颗粒直径大小的影响，两者呈正相关，最终颗粒降落至沉淀池内。经研究发现处于20μm颗粒会受到较大漩涡影响。

可以发现由喷最终喷出的铜精矿颗粒，会在不断发生下降的过程中，逐渐与反应塔的中心产生偏离，具体分布形状以伞状为主。由于分散风对颗粒的下降分布造成影响，且颗粒的力度大小直接影响偏移程度，在反应塔上方4m这一区域，颗粒的偏移塔中心相应距离，会随着颗粒的不同直径改变而随之改变，呈正相关。在沉淀池的页面上方，会受到气流产生漩涡以及其流体所在区域内的扩张影响，部分小颗粒同样会随着气流的不同运动方向，迅速偏移至反应塔的中心。

2.3 颗粒在沉淀池液面分布

可以发现随着铜精矿的颗粒直径变动，直接影响了颗粒在沉淀池液面，距离反应塔中心的偏离平均距离，随着直径增大该距离逐渐减小，两者呈负相关。其中经本次研究发现处于20μm、30μm、40μm、80μm、120μm时，颗粒与反应塔中心偏离分布的距离分别是0.98m、0.748m、0.72m、0.69m、0.65m。

2.4 颗粒氧化情况

喷嘴将铜精矿喷入至反应塔内部，之后会比较迅速的产生氧化反应，生成了FeS及Cu2S。可以根据其质量分数的运行轨迹，发现绝大多数的精矿距离塔顶在2m范围之内完全反应，存在极少数精矿处于距离塔顶3m距离完全消耗。由于氧气在反应塔的中心区域基本已经完全消耗，仅仅存在少量铜精矿并未发生氧化因而生料。除此之外在这一区域仍然存在较低氧气浓度，中心区域仅仅只有6%～10%FeS并未被完全消耗。

2.5 颗粒温度变化

（见图1）作为颗粒温度的主要分布示意图，可以发现处于反应塔内部的颗粒温度及流体基本保持一致性，出与反应塔喷嘴的下方，精矿颗粒会出现快速的强氧化反应，释放出大量热能，导致快速提升温度形成小范围高温区域。处于这一区域内反应绝大多数颗粒呈渣，后产生造渣反应的吸热过程迅速降低了区域温度。

图1 颗粒温度图

3 结语

经本次研究发现精矿颗粒进入至反应塔内平均存留时间较短，并未偏离反应塔的中央，闪速熔炉内部颗粒温度，会受到颗粒直径影响，粒度大小及温度升降呈负相关，处于20μm颗粒会受到较大漩涡影响，容易随着烟气排出。