现代铜闪速熔炼炉发展中若干理论与操控优化问题

论文摘要

现代铜闪速熔炼炉发展中若干理论与操控优化问题的研究，对闪速熔炼技术的突破、提高铜回收率、提升国内铜冶炼企业盈利水平以及国际市场竞争力具有重要的现实意义。通过对闪速炉反应塔内工艺物料颗粒较全面的分析检测和总结前人研究成果，通过从微粒运动学、动力学、两相流体力学以及统计分析和归纳等方面的论证，提出了新的闪速熔炼模型——粒子脉动碰撞模型（PPC Model）。在闪速炉悬浮熔炼过程中粒子既存在分裂行为，又存在碰撞和聚合过程，精矿粒子的分裂和碰撞聚合是一对矛盾的统一体。粒子分裂是精矿快速氧化反应的结果，也加速了粒子脉动，而精矿粒子脉动正是粒子碰撞聚合主要原因；粒子聚合使氧化脱硫反应继续，是固液相之间氧传递的重要机制。粒子脉动碰撞模型具体表述如下：（1）在闪速炉反应塔不同高度上，精矿粒子的分裂和颗粒群内粒子脉动碰撞过程同时存在；（2）通过系统地论证分析高强湍流喷射流中粒子群的脉动与碰撞机制，提出精矿粒子脉动是粒子碰撞聚合主要原因；（3）随着氧化反应的进行，在颗粒中心形成熔融硫化物和SO2气泡，颗粒外表面是多孔的氧化铁壳；熔融核中气相的生成促使粒子分裂和脉动，氧气浓度和当地温度越高，这一过程越强烈；（4）反应塔中由于粒子的大小、粒子的成分、粒子的周围的氧气浓度和粒子温度的不同，导致各粒子之间的氧化程度差别极大。氧化反应放出的热量使精矿粒子熔化；欠氧化粒子未完成脱硫反应；（5）过氧化粒子在反应塔中下降时，它们彼此之间、或者与反应慢的欠氧化粒子相碰撞，聚合长大，同时过氧化颗粒被欠氧化粒子还原。通过反应动力学和反应热力学分析确定，悬浮熔炼过程主要反应有：铜精矿着火燃烧反应、过氧化反应、碰撞还原反应、二次氧化反应、造渣反应和燃料燃烧反应，并以此建立了闪速熔炼仿真的数学模型。通过直接验证、逻辑验证和间接验证三种方式论证了本仿真模型的合理性和可靠性。本研究对炉渣中的铜损失形态进行了检验分析，并进行了沉淀池工业考察和炉内熔体的垂直取样，分析了炉结形成的主要原因。通过对金隆闪速炉生产数据的统计分析，研究炉渣带走铜所占百分率（或渣含铜）与铜精矿处理量、铜锍品位、炉渣成分（铁硅比）、渣层厚度和渣中Fe3O4含量等参数之间的关系，并提出降低弃渣含铜损失要重点控制闪速熔炼中Fe3O4行为的观点和技术路线。针对如何强化闪速熔炼的同时减少Fe3O4生成量，提出了在反应塔——沉淀池——贫化电炉系统中建立明显的氧势梯度，实行“氧势梯度熔炼”制度。通过在反应塔顶加入适量固体还原剂——焦粉（或煤粒），可以形成必要的氧势梯度，从而可实现在熔炼强化的同时，降低Fe3O4的生成量。通过闪速炼铜数字仿真试验得到了减少Fe3O4生成量优化工况。最后，对超强化闪速熔炼精矿喷嘴新结构进行了仿真研究与开发。它是一种旋流喷嘴，通过采用不同的旋流数可以改变火焰的形状和反应过程。超强化闪速熔炼可将现有的闪速炉的最大生产能力提高3～4倍。一系列仿真试验证明，若铜精矿采用气力输送的方式送入炉内，并且通过主要操作参数的优化匹配可成功实现超强化喷嘴的设计理念和目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 铜与铜熔炼
• 1.1.1 传统造锍熔炼
• 1.1.2 熔池熔炼
• 1.1.3 闪速熔炼
• 1.1.4 闪速熔炼与熔池熔炼的比较
• 1.2 国际铜市场变化
• 1.3 闪速熔炼的发展
• 1.3.1 闪速熔炼技术的发展历程
• 1.3.2 闪速熔炼技术的发展前景
• 1.4 强化熔炼条件下的弃渣含铜问题
• 1.5 闪速炉核心部件—精矿喷嘴的变革
• 1.5.1 文丘里型精矿喷嘴
• 1.5.2 中央喷射扩散型精矿喷嘴
• 1.5.3 闪速熔炼技术发展对精矿喷嘴的要求
• 1.6 课题的提出和研究意义
• 第二章 闪速炉反应塔内反应颗粒的取样与分析
• 2.1 反应塔内颗粒取样
• 2.1.1 颗粒取样过程
• 2.1.2 颗粒取样的局限性
• 2.2 反应塔内颗粒试样的分析
• 2.2.1 颗粒熔融物沿反应塔径向分布
• 2.2.2 颗粒试样的外观形态
• 2.2.3 反应塔入炉炉料及试样粒度对比
• 2.2.4 颗粒试样的化学物相分析
• 2.2.5 颗粒试样的X射线衍射分析
• 2.2.6 颗粒试样的矿相显微镜分析
• 2.2.7 颗粒试样的扫描电子显微镜分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 闪速熔炼过程机理模型—粒子脉动碰撞模型
• 3.1 现有闪速熔炼反应模型
• 3.1.1 粒子分裂模型
• 3.1.2 两粒子碰撞模型
• 3.2 粒子脉动碰撞模型的提出
• 3.3 粒子脉动碰撞模型的论证
• 3.3.1 在反应塔高度上精矿粒子分裂与碰撞过程同时存在
• 3.3.2 精矿粒子反应形成多孔的氧化铁壳
• 3.3.3 精矿粒子之间的氧化程度相差极大
• 3.3.4 过氧化粒子和欠氧化粒子发生碰撞还原反应
• 3.3.5 精矿粒子脉动是粒子碰撞聚合主要原因
• 3.4 本章小结
• 第四章 闪速炉反应塔全息数值仿真若干基础问题
• 4.1 闪速炉反应塔数值仿真基本描述方程
• 4.1.1 气相通用微分方程式
• 4.1.2 颗粒群运动方程式
• 4.1.3 颗粒源项计算
• 4.1.4 整个仿真计算流程
• 4.2 闪速炉反应塔数值仿真采取的收敛策略
• 4.2.1 高质量的网格是顺利收敛的基础
• 4.2.2 调节合适的欠松弛因子是顺利收敛的关键
• 4.2.3 内部迭代控制加速收敛过程
• 4.2.4 收敛过程中还应注意的其它问题
• 4.3 闪速炉反应塔仿真中涉及的悬浮熔炼主要化学反应
• 4.3.1 化学反应基本方程和约定
• 4.3.2 铜精矿的着火反应
• 4.3.3 过氧化反应
• 4.3.4 粒子碰撞还原反应
• 4.3.5 造渣反应和其它部分反应
• 4.4 参与反应物质相关基本物理性质
• 4.5 本章小结
• 3O₄问题的提出'>第五章 强化熔炼对弃渣含铜损失影响的研究与Fe₃O₄问题的提出
• 5.1 强化熔炼对弃渣含铜损失的统计分析
• 5.2 铜闪速炉沉淀池作用的工业实验
• 5.2.1 铜闪速炉沉淀池炉结的形态
• 5.2.2 沉淀池的垂直取样分析
• 5.3 渣中铜损失形态检验
• 5.3.1 渣样的X射线衍射分析
• 5.3.2 渣样的矿相显微镜分析
• 5.3.3 渣样的扫描电子显微镜分析
• 5.3.4 渣中铜损失形态检验结果
• 3O₄问题的提出'>5.4 铜闪速炉强化熔炼中的Fe₃O₄问题的提出
• 3O₄的来源'>5.4.1 闪速熔炼中Fe₃O₄的来源
• 3O₄含量的关系'>5.4.2 渣含铜与Fe₃O₄含量的关系
• 3O₄生成的方法'>5.4.3 控制 Fe₃O₄生成的方法
• 5.5 本章小结
• 3O₄的生成—氧势梯度熔炼法的仿真试验'>第六章 有效控制反应塔内Fe₃O₄的生成—氧势梯度熔炼法的仿真试验
• 6.1 现场生产工况下闪速炉的数值仿真
• 6.1.1 现场生产工况参数
• 6.1.2 现场生产工况仿真结果
• 6.1.3 现场生产工况仿真小结
• 6.2 仿真模型合理性的验证
• 6.2.1 仿真模型的直接验证
• 6.2.2 仿真模型的逻辑验证
• 6.2.3 仿真模型的间接验证
• 6.3 加煤粒的探索性仿真试验
• 6.3.1 反应塔加煤粒及其控制原则
• 6.3.2 加煤粒方案的仿真试验及效果优化
• 6.3.3 加煤粒的仿真试验结论
• 6.4 综合性工况仿真试验
• 6.4.1 煤粒和投料混合加入闪速炉的仿真试验
• 6.4.2 煤粒从外环位置加入闪速炉的仿真试验
• 6.4.3 综合性工况仿真试验结论
• 6.5 本章小结
• 第七章 超强化闪速熔炼精矿喷嘴的概念设计与仿真研究
• 7.1 超强化闪速熔炼精矿喷嘴的基本结构形式
• 7.2 超强化喷嘴初步效果的仿真试验
• 7.2.1 工况1仿真条件
• 7.2.2 工况1仿真结果主要信息
• 7.2.3 工况1仿真试验结果分析
• 7.3 超强化喷嘴加强旋流的仿真试验
• 7.3.1 工况2仿真条件
• 7.3.2 工况2仿真结果主要信息
• 7.3.3 工况2仿真试验结果分析
• 7.4 超强化喷嘴调节分散风的仿真试验
• 7.4.1 工况3仿真条件
• 7.4.2 工况3仿真结果主要信息
• 7.4.3 工况4仿真条件
• 7.4.4 工况4仿真结果主要信息
• 7.4.5 工况3和工况4仿真试验效果分析
• 7.5 超强化喷嘴采用气力输送的仿真试验
• 7.5.1 工况5仿真条件
• 7.5.2 工况5仿真结果主要信息
• 7.5.3 工况6仿真条件
• 7.5.4 工况6仿真结果主要信息
• 7.5.5 工况5和工况6仿真试验结果分析
• 7.6 超强化喷嘴的仿真试验结果汇总
• 7.7 本章小结
• 第八章 总结
• 参考文献
• 附录1 相关热化学数据汇总
• 附录2 生产统计数据汇总
• 附录3 沉淀池熔体垂直取样分析结果
• 附录4 炉渣与铜锍的X荧光分析与化学分析结果
• 致谢
• 攻读学位期间期间主要的研究成果目录