铅锌冶炼炉数值模拟研究*

王振威，卢文鹏，李瑞冰

（1.沈阳化工大学机械与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142；2.云南驰宏锌锗股份有限公司，云南 曲靖 655011）

铅和锌都是极为重要的有色金属，广泛应用于汽车、建筑、船舶、机械、轻工、电子、医药等行业，在现代工业所消耗的有色金属中锌居第三位，铅居第四位。我国是铅锌生产大国也是消费大国，有许多铅锌冶炼企业，但工艺技术水平参差不齐，铅锌冶炼工艺逐渐向着低能耗、低污染、高生产效率的方向发展。铅锌冶炼工艺的核心设备是冶炼炉，优化冶炼炉有利于提高冶炼工艺的整体水平。但由于现场条件的制约，很难实地的对冶炼炉内部工况进行测量，所以数值模拟的方法显得尤为重要，通过对冶炼炉内工况、流场、温度场等进行研究，对于优化冶炼炉、提升冶金生产效率、提高能源利用效率具有重要意义。

目前数值模拟已经被广泛用于各种冶金化工设备的过程模拟。对冶炼炉进行数值模拟，可以较好的研究炉内多相流、温度场，可以节省人力物力、便于观察结果、模拟冶炼过程的内部工况。本文介绍了国内外学者通过数值模拟技术，对铅锌冶炼工艺中各种冶炼炉进行的研究以及取得的成果。

1 铅锌冶炼工艺与数值模拟

1.1 铅冶炼工艺

铅冶炼的方法主要有两类：即湿法炼铅和火法炼铅。火法炼铅技术成熟，理论相对完善、设备丰富齐全，己被世界上绝大多数铅冶炼企业采纳。目前主流的火法炼铅工艺主要有传统炼铅法和直接炼铅法。

传统炼铅法是直接烧结焙烧硫化铅精矿，经过脱硫处理，利用铸渣机铸块，再用鼓风炉加热熔化和焦炭还原，最终产出粗铅的工艺。烧结-鼓风炉还原法和铅锌密闭鼓风炉熔炼法是两种典型的传统炼铅工艺，其中烧结-鼓风炉还原法具有精矿处理能力大、原料适应性强等优点，但其也存在一些明显的缺点，比如烧结过程中产出的烟气二氧化硫浓度偏低，制酸能力差，污染环境，工作环境差等。随着国家对环保、能耗要求的不断提高，传统的烧结-鼓风炉法炼铅工艺在国内已经接近淘汰，现代多采用直接炼铅工艺，而直接炼铅工艺又分为闪速熔炼和熔池熔炼。

闪速熔炼法的主要工艺有基夫赛特法和卡尔多法。基夫赛特法是由于其具有能耗低、生产成本低、原料适应性强、烟气中二氧化硫浓度高、便于制酸、污染小等优势，所以基夫赛特法也被称作世界上最先进的炼铅法之一。基夫赛特法在国内首次由江铜集团引进并投产，在生产运行期间，充分证明了基夫赛特工艺的优势，产铅容易，运行可靠[1]。但基夫赛特法对生产规模要求大，不适用于小规模生产，且投资高。基夫赛特炉在实际生产过程中会遇到不同的工况，比如需要进一步降低成本、不需要满负荷运行、投入物料状态改变时，此时炉内工况会发生较大变化，数值模拟技术可以提前进行不同工况的模拟，来为生产操作提供技术参考。采用数值模拟技术也可以用于强化基夫赛特炉熔炼过程的研究。卡尔多法在国内由西部矿业集团首次引进并投产，但由于产能未达标和亏损过多等原因，一直处于停产状态[2]。国内对卡尔多炉炼铅的研究也较少。卡尔多炉炼铅的问题主要集中在卡尔多炉上，如喷枪及喷头、卡尔多炉部件、炉体耐火砖等，现均已部件国产化，但还有一个重要原因就是文丘里风机存在问题，风量达不到设计值，为维持生产，只能调大可调文丘里喉管开度，导致烟气净化效果差，影响生产[3]。文丘里风机需要改进，可使用数值模拟技术模拟文丘里风机流场进行研究。

熔池熔炼的主要工艺有艾萨法、奥斯麦特法、QSL法、水口山法（SKS法）、富氧侧吹法。艾萨法和奥斯麦特法，使用富氧顶吹技术，即使用喷枪插入熔池中，直接充入空气或富氧空气、燃料、粉状物料和溶剂或还原性气体，在熔体中形成搅动，加快传热，依靠炉料中碳质还原剂使炉料发生一系列物理化学过程。但艾萨炉喷枪采用的燃料为柴油，存在成本高、燃烧区域不均匀等问题[4]。炼铅奥斯麦特炉存在的问题有喷枪寿命短、烟气温度高和冶炼温度高[5]。针对上述问题可以使用数值模拟技术，优化喷枪结构和炉内结构，改善冶炼炉所存在的问题。

QSL法、SKS法，使用氧气底吹技术，其中SKS法是我国应用范围最广的一种采用氧气底吹熔炼—鼓风炉还原炼铅、烟化炉吹炼挥发炉渣中铅锌的生产工艺。但鼓风炉还原工艺仍存在能耗高、返料量大、成本高、烟气余热较难回收、环境污染严重等问题[6]。经过这些年的发展，利用数值模拟技术，国内逐渐开发出新工艺，较先进的铅冶炼工艺主要是底吹氧化+底吹还原+烟化挥发工艺、底吹氧化+侧吹还原+烟化挥发工艺、富氧顶吹+侧吹还原+烟化挥发工艺[7]。即在氧化阶段采用富氧底吹炉或富氧顶吹炉，还原阶段通过液态高铅渣直接还原的工艺，采用富氧底吹炉或是富氧侧吹炉进行还原。

QSL法属于熔池熔炼，使用富氧底吹技术，熔炼设备为QSL反应器。QSL法在国外应用较多，主要有德国Stolberg公司和韩国Onsan公司，国外两家通过数值模拟技术，对QSL炉结构进行了重大改进，目前铅生产能力稳定且高效，这两个工厂采用的技术，实现了铅锌互补，产生了巨大的经济效益，而且都成为本国处理废蓄电池等含铅废料的中心，也产生了巨大的环境效益[8]。我国西北铅锌冶炼厂引进该技术后，因为设备问题等原因，未能实现工业化生产。富氧侧吹炼铅法，属于熔池熔炼，是我国自行研发、具有自主知识产权的一种炼铅工艺，核心设备是富氧侧吹氧化炉和富氧侧吹还原炉。

1.2 锌冶炼工艺

锌冶炼工艺可分为火法冶炼和湿法冶炼，现在大部分使用的湿法冶炼，其产量占国内锌总产量的85%以上。火法炼锌工艺有平罐和竖罐炼锌、密闭鼓风炉炼锌和电热炉法炼锌。平罐炼锌法现已基本淘汰，竖罐炼锌也仅有少数中小炼锌企业采用。密闭鼓风炉炼锌法，简称为ISP法，是一种可以同时冶炼铅、锌的方法，具有原料适应性强、工艺流程简化、生产成本低等优点，但它同时也存在炉内易长炉结、炉顶以及耐火砖的使用寿命短、喷淋炉壳烧穿跑渣等问题。电炉炼锌工艺，是利用电能转化为热能进行还原挥发冶炼氧化锌物料，得到锌蒸汽经冷凝获得粗锌的一种火法炼锌方法[9]。冷凝器是电炉炼锌的关键设备，冷凝系统的设计关乎生产的稳定性和安全性，可以通过数值模拟来模拟冷凝器流场，直流电炉有可能成为下一步电炉炼锌的主体设备，需要数值模拟技术来研究电炉内部的运行工况。

2 铅锌冶炼炉数值模拟研究

近年来，数值模拟技术在钢铁、铁合金、有色金属冶炼等领域大放光彩。张振扬等[10]针对富氧底吹熔炼炉，运用数值模拟的方法，选择VOF模型，对炉内氧气-铜锍两相流动进行三维瞬态模拟，研究了炉内气泡主要参数、气含率分布规律、氧枪出口附近压力变化以及液面波动情况；王重君等[11]针对含碳球团气基竖炉，对影响铁冶炼竖炉内流场分布的可能的因素进行了数值模拟分析，得出了最优参数；Zhao Hong-liang等[12]针对铜冶炼的伊萨炉、奥斯麦特炉，采用数值模拟的方法，研究喷枪失效对流场、溅渣、喷枪壁面以及炉体的影响，分析出限制喷枪使用寿命的因素；Nadir Ali Khan等[13]利用CFD软件ANSYS Fluent，针对工业规模铜闪速熔炼炉沉降器中的流场和热场以及化学动力学进行研究，以此改进生产工艺。下面将主要介绍铅锌冶炼领域冶炼炉的数值模拟研究。

2.1 国内研究现状

谢德成[14]在对基夫赛特炉炼铅熔炼过程的数值模拟研究中，采用的方法为，在数学模型的设计上，考虑了气、粒两相流动，传热与组分传输，气、粒两相化学反应以及焦滤层反应等，建立了数学方程来得到需要的值，并结合物理几何模型，建成了数值仿真模型，最后通过实际工业测试结果比对该模型数值仿真结果以确保模型准确性。解决了炉内的基本工况分析问题，如流场、温度场、气相浓度场以及颗粒轨迹分布特点。并利用数值模拟结果，模拟了焦炭粒径对炼铅过程的影响，对不同喷嘴操作方案进行比较、分析，发现不同喷嘴操作方案对炉内物理场分布影响很大，以此可以根据工况需求来选择合适的喷嘴操作方案，对相关企业和从业人员提供指导和技术支持。该数值模拟还需进一步研究精矿喷嘴的结构与操作参数，探索喷嘴操作参数的优化配套方案，以强化熔炼反应。

LI Jia-dong等[15]研究了供氧方式对基夫赛特炉熔炼过程的影响问题。采用合理的供氧方式有助于实现颗粒与氧气的均匀混合和完全反应，并能抑制高温颗粒流对水冷壁的吸附和腐蚀。在方法上考虑气粒两相的传热和传质行为后提出了合适的数学模型，在多相问题上以Euler法描述气相，以Lagrange法描述粒相。通过ANSYS FLUENT模拟熔炼过程，结果表明：对于熔炼能力为50 000 kg/h的基夫赛特炉，其最优的供氧方式为中央氧与侧向氧的质量比率取0.31，在该工况下，炉料的化学反应可以充分进行，同时也保证较低的烟尘率。

表1 基夫赛特炉熔炼过程主要数学模型方程Tab.1 Main mathematical model equation of smelting process of Kivcet furnace

刘方侃[16]针对富氧底吹炼铅熔炼炉进行数值模拟研究，方法上采用VOF多相流模型和Realizable k-ε模型构成数学模型，通过水模型验证数值模型精确性，以此模拟熔炼过程中的多相流体流动、热量传递等行为。解决了底吹炉内基本工况的模拟问题，并釆用正交实验方法以及矩阵分析方法，来研究底吹炉内关键结构与操作参数的最优化方案组合，结果表明：氧枪倾角15°、熔池深度1 420 mm、氧枪直径25 mm、氧枪间距1 300 mm，各优化参数的影响的主次顺序为：氧枪直径影响＞熔池深度＞氧枪间距＞氧枪倾角，根据模拟结果可改进此富氧底吹炉可以提高其冶炼能力。该研究后续还应考虑到炉内冶金反应等因素对熔炼过程的影响，在优化目标上还应考虑更多的操作参数如喷气压力及流量等。

张红亮等[17]对底吹炼铅炉内的多相流模拟以及炉内运行规律进行了更深一步的研究。用耦合VOF三相流模型和标准 κ-ε湍流模型的方法，对底吹炼铅炉内气-渣-金属三相流动过程进行模拟，建立与工业实践的底吹炼铅炉大小尺寸一致的物理模型，并通过对比文献中水模型来验证模型合理性。模拟结果表明：增大入口流速对熔炼效果有利，且最佳的氧枪倾角为5°～7°。该模拟虽只研究与优化了两个因素对底吹炉工况的影响，但其优势在于所建立的模型在研究其他参数对底吹炉工况的影响时依然适用，比如改变氧枪数目、喷气角度等，是一种研究炉体结构和运行条件的好方法。

李卫锋等[18]解决了采用液态高铅渣直接还原工艺的底吹炉热场分布问题，方法上将卧式底吹还原炉沿轴向简要划分为五个区间，并通过对出铅口和排渣口的热力学数据的采集，进行计算机模拟，得到了还原过程炉内的热场分布以及各区域所发生的熔炼反应。该研究可为今后分析还原过程热场分布的影响参数打下基础，通过数值模拟继续研究天然气用量、氧气用量、还原温度、液态高铅渣的成分及潜热等参数，并得到最优化组合，实现液态高铅渣直接还原工艺过程中的热能高效利用，强化熔炼过程。

LIU Yan-ting等[19]针对根据富氧侧吹炉原型建立的水模型进行研究。采用水力实验的方法研究喷枪内气体流速、喷枪浸没深度以及喷枪倾斜角度对气液两相流动的影响，采用数值模拟的方法，选取了不同的湍流模型进行模拟，将模拟结果与实验比对。结果表明，使用realizable k-ε湍流模型的数值模拟结果与实验结果最为相近，气流速度对液体内部流动情况影响较大，而喷枪浸没深度影响相对较小。通过该研究可得知realizable k-ε湍流模型适用于富氧侧吹炉多相流动模拟，但该研究仅是数值模型与实验结果的对比，具体上，喷枪内流速如何对炉内熔炼工况影响以及应如何优化喷枪内气体流速，适应各种工况，强化熔炼过程，是后续数值模拟的需要。

刘朝东[20]针对铅锌密闭鼓风炉，研究了炉内熔炼过程以及多相流动问题，将其分为一维问题和三维问题分开模拟。实现一维数值模拟的方法为，通过炉内主要反应过程建立了描述炉内熔炼过程的一维数学模型，基于Euler求解方法和VB程序语言开发了数值模拟程序，实现了一维数值模拟。结果表明，炉内区域可分为物料加热带、PbO还原带、ZnO还原带、焦炭气化带、焦炭燃烧带五带，通过此模型，研究了操作参数对熔炼过程的影响，如一次风量增加，炉气和物料最高温度会上升，炉内焦点区和物料还原带的位置会上移，使物料还原速度加快。刘朝东通过商业软件FLUENT，采用双流体模型，对炉内冷态气粒两相流动进行了三维数值模拟，模拟炉内多相流动。并对不同一次风的风速、风管插入深度以及喷入角度等多组工况进行了数值模拟研究，结果表明：一次风的风速增加，风口回旋区增大，确定了最佳一次风风速应在265 m/s左右；一次风风口的插入深度与炉身下部料层中央的气流速度成正比；一次风嘴向下倾斜的角度与炉身下部料层中央的气流速度成反比，最佳一次风喷入角度在10°～20°之间。在今后可继续结合该研究中两个模型的特点，实现炉内的多相多场耦合的数值模拟研究。

屠世杰等[21]针对有底电极的直流炼锌埋弧电炉的熔体部分，研究恒功率下不同的电极插入深度对熔体的焦耳热场和温度场的影响，得到了熔体内焦耳热和温度的分布情况。结合以上研究成果，屠世杰[22]又以单阳极电炉和三阳极直流埋弧电炉为数值模拟对象，模拟其内部的热工过程，分析二者工况的异同。在对单阳极电炉的流场、温度场数值模拟时，结合熔体内流动特征以及工业电炉内实际温度分布情况，发现RNG k-ε模型更适用于炉内熔体湍流流动。对三阳极直流埋弧电炉的数值模拟结果表明：焦耳热密度、电流密度、电压降、熔体内高温区主要集中在电极之间的区域；熔体与阳极接触区域之间的垂直区域有利于扩散；与单阳极电路相比，三阳极直流埋弧电炉的温度、速度分布的更加均匀，有利于扩大电炉内的有效容积。为节省资源，该研究所使用的模型仅为实体的四分之一模型，为了充分了解炉内工况，需使用全域模型进行模拟，炉内流场、温度场等可能会发生变化。

2.2 国外研究现状

在富氧顶吹炼铅工艺中，使用顶部浸入式喷枪（TSL）技术将富氧空气注入熔池，该技术在立式圆筒炉内使用浸入式垂直喷枪。通过喷枪，富氧空气被注入熔池，对熔池产生了强烈的混合搅拌作用和相之间的良好接触。NAZMUL HUDA等[21]用CFD方法模拟了冶金容器自由表面的飞溅、破碎和再凝固等流动现象。作者首先根据Morsi等人先前水模型实验研究的现有实验数据，验证了熔池中速度场和湍流产生的模拟结果，再应用该模型测量了自由表面上方特定高度处不同液体密度的飞溅产生程度。作者还使用一种通常用于加热、通风和空调系统模拟的方法（HVAC）研究对流混合现象，气液两相的模拟。最后根据目前的模拟结果，提出了一个半经验公式，用于测量通过喷枪环形空间注入的空气射流在模型圆柱形容器中的垂直穿透距离。

Robert Straka等[24]针对铅锌密闭鼓风炉不同鼓风参数下锌高炉回旋区空腔形状进行了研究。方法上使用开源软件MFIX，模拟回旋区内的烟气流动、焦炭颗粒的燃烧和气化，使用FORTRAN语言来编译其化学反应的求解器，建立了基于两相数学模型的回旋区数值模拟。模拟结果表明，回旋区空腔深度的变化与鼓风量有关，与富氧量无关；回旋区空腔的高度与鼓风量和富氧量有关；死区的形状在很大程度上取决于鼓风量，而富氧对其深度或宽度没有任何影响。在ISP法中，回转区空腔的形状对锌的生产起着重要的作用；死区的变化也会强化ISP的熔炼过程，研究此有助于进一步加强ISP技术。

3 结语

1）综述了基夫赛特炉、氧气底吹炉、铅锌密闭鼓风炉、富氧侧吹炉、直流埋弧电炉、富氧顶吹炉的数值模拟研究，基本方法可总结为：①建立数学模型；②建立物理模型，包括几何模型，网格划分，确定边界条件等；③模型验证，包括水模型实验验证、文献对比、实际工况对比等；④冶炼炉基本工况数值模拟；⑤输出结果，云图、折线图，数据分析；

2）通过合适的物理模型与数学模型的结合，加以实验验证或真实现场数据的比对，可以有效、低成本、方便的了解冶炼炉内熔体的流动特性，把握压力分布与流场的关系以及利用模拟结果，改变结构、操作参数，观察冶炼炉内流场、温度场等的变化，可为熔炼炉的优化设计方向提供一定的理论指导，实现冶炼炉的生产高效，最大限度的提升冶炼炉的熔炼水平。随着科技不断发展，数值模拟技术必然会对冶炼炉的优化起到越来越重要的作用，各种冶炼炉的未来优化方向也一定是更进一步的降低能源消耗和环境污染。