喷吹还原渣中铜机理及流场数值模拟初步研究

论文摘要

为了强化冶炼过程,控制环境污染,在铜冶炼工艺中大都采用富氧空气或工业氧气,由于冶炼体系中氧势高,导致渣含铜量升高。目前含铜0.4%-0.5%的铜矿已被开采,而产出的弃渣含铜却仍高达0.4%-0.8%,造成对开采资源的浪费。在环保要求日益严格和矿产资源日趋贫乏的今天,铜渣的综合回收利用逐渐引起了人们的关注。论文结合A公司贫化电炉的实际情况,针对现有贫化电炉所使用的还原喷枪存在的严重积碳以及还原率低等问题进行计算和模拟实验。通过热力学计算,找出喷枪所使用还原剂G的还原机理及积碳原因；通过优化贫化电炉所使用的喷枪枪型,改变还原过程的气泡动力学条件,有利于铜锍的分离、沉降,达到提高还原率,降低渣中含铜量的目的。采用物理模拟和数值模拟相结合的研究方法,优化贫化电炉使用还原喷枪枪型及气泡流场方案。根据相似理论及原型的对称性,利用局部实验模型进行水模拟实验,观察7种不同枪型所形成的气泡及循环流行为；同时根据连续性方程、动量传输方程和能量传输方程建立描述喷枪喷吹过程中贫化电炉内流体流动的流场显示,采用商业软件FLUENT进行数值模拟。通过热力学计算表明,还原剂G喷入枪内后在距离枪口0.83m处就已经达到碳化温度；通过水力学模型实验和数值模拟,发现喷枪枪型对贫化电炉内流场具有重要影响。在所进行实验的7种枪型结构中,以水模拟实验中5#枪型能较好满足生产条件对气泡动力学的要求。实验中用到的数学模型得到的结果能较好的解释喷吹过程中熔池内流场显示和低速喷吹大气泡动力学现象,与水力学模型模拟实验结果基本一致。实验结果将对于提高贫化电炉还原效率,降低渣含铜量等方面有较大改善,为今后进一步对流场进行数学模拟提供先决条件,对强化A公司贫化电炉还原过程、优化工艺过程也提供了一定的理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 世界自然资源现状
• 1.2 我国铜渣的现状
• 1.3 铜冶炼工艺概况
• 1.3.1 闪速熔炼
• 1.3.2 诺兰达熔炼
• 1.3.3 白银法熔炼
• 1.3.4 水口山炼铜法
• 1.3.5 其它炼铜方法
• 1.3.6 澳斯麦特熔炼与艾萨熔炼
• 1.3.6.1 澳斯麦特/艾萨炉概况
• 1.3.6.2 艾萨炉熔炼的工艺流程
• 1.4 铜渣贫化处理的意义
• 1.4.1 铜渣的综合利用
• 1.4.2 铜渣的综合利用前景
• 1.5 铜渣贫化处理技术现状
• 1.5.1 电炉贫化
• 1.5.2 特尼恩特转炉贫化法
• 1.5.3 浮选法贫化
• 1.5.4 其它铜渣贫化方法
• 1.5.4.1 反射炉贫化炼铜渣
• 1.5.4.2 真空贫化法
• 1.5.4.3 渣桶法
• 1.5.4.4 熔盐提取
• 1.5.4.5 铜渣的选择性析出处理
• 1.5.4.6 铜锍提取
• 1.5.4.7 HLE法
• 1.6 艾萨熔炼及贫化电炉炉渣现状
• 1.6.1 艾萨熔炼渣现状
• 1.6.2 贫化电炉渣现状
• 1.7 本课题的来源、研究目的、意义、方法及主要内容
• 1.7.1 本课题的来源
• 1.7.2 本课题研究目的和意义
• 1.7.3 本课题研究的方法及主要内容
• 第二章 铜在渣中的损失与贫化电炉水力模型实验原理
• 2.1 渣在铜中的损失形式
• 3O₄的产生及其影响'>2.2 艾萨熔炼过程中Fe₃O₄的产生及其影响
• 3O₄的产生'>2.2.1 艾萨熔炼过程中Fe₃O₄的产生
• 2.2.2 铜渣的粘度及其影响因素
• 2.3 贫化过程喷吹还原剂的选择
• 2.3.1 不同形态还原剂还原效果比较
• 2.3.2 A公司贫化还原剂的选择
• 2.4 贫化电炉概况
• 2.4.1 贫化电炉炉型与结构
• 2.4.2 电炉贫化的原理及工艺流程
• 2.4.2.1 电炉贫化的基本原理
• 2.4.2.2 电炉贫化过程
• 2.4.3 贫化电炉还原喷枪特点与结构
• 2.4.4 贫化电炉喷枪使用现状及热平衡计算
• 2.4.4.1 贫化电炉喷枪使用现状
• 2.4.4.2 贫化电炉喷枪碳化原因计算
• 2.4.4.3 贫化电炉喷枪热平衡计算
• 2.5 贫化过程的理论基础
• 2.5.1 贫化过程反应的热力学分析
• 3O₄被高温碳雾滴还原'>2.5.1.1 渣中Fe₃O₄被高温碳雾滴还原
• 3O₄被CO还原'>2.5.1.2 渣中Fe₃O₄被CO还原
• 3O₄被裂解及燃烧产物H₂还原'>2.5.1.3 渣中Fe₃O₄被裂解及燃烧产物H₂还原
• 3O₄还原反应的动力学分析'>2.5.2 Fe₃O₄还原反应的动力学分析
• 2.6 小结
• 第三章 物理模型实验过程与数据采集
• 3.1 物理模拟实验的作用
• 3.2 物理实验模型的建立方法
• 3.2.1 相似三定理
• 3.2.2 几何相似及动力学相似
• 3.3 物理模型实验的目的
• 3.4 熔池内流体的流动现象
• 3.5 实验设备及实验装置图
• 3.5.1 实验设备
• 3.5.2 实验装置图
• 3.6 实验方案
• 3.7 实验研究方法
• 3.7.1 两相区气泡的特性及流场显示
• 3.7.2 熔池搅拌混合均匀时间的测定
• 3.7.3 冲击深度的测定
• 3.7.4 气泡在熔池中的停留时间
• 3.8 实验步骤
• 3.9 小结
• 第四章 实验结果与讨论
• 4.1 不同枪型对冲击深度的影响
• 4.1.1 1#～7#枪喷嘴面积计算
• 4.1.2 冲击深度数据统计
• 4.2 不同枪型在两相区的气泡特性及流场显示
• 4.3 不同枪型对熔池混匀时间的影响
• 4.3.1 不同枪型混合均匀时间测定数据记录
• 4.3.2 混合均匀时间测定实验结果分析
• 4.4 不同枪型对气泡群特征的影响
• 4.5 小结
• 第五章 喷枪喷嘴出口气泡流场的数值模拟初探
• 5.1 Fluent软件简要介绍
• 5.2 流体力学控制方程理论基础
• 5.2.1 以矢量表示流体力学控制方程
• 5.2.2 以直角坐标表示流体力学控制方程
• 5.3 数学模型的基本假设
• 5.4 数学模型的建立
• 5.4.1 VOF模型（Volume of Fluid Model）
• 5.4.1.1 容积比率方程（The Volume Fraction Equation）
• 5.4.1.2 属性（Properties）
• 5.4.1.3 动量方程（The Momentum Equation）
• 5.4.1.4 能量方程（The Energy Equation）
• 5.4.2 基本方程
• 5.4.2.1 连续性方程
• 5.4.2.2 运动方程
• 5.4.3 边界条件
• 5.5 数值模拟方案
• 5.6 数值模拟结果分析
• 5.6.1 流场分布
• 5.6.2 气泡行为
• 5.6.3 改变喷枪位置
• 5.7 小结
• 第六章 结论、建议及后续工作
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 6.3 后续工作
• 参考文献
• 致谢
• 附录