【摘要】：氧氣底吹煉銅法是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一項(xiàng)新的銅冶煉技術(shù),具有投資少、工藝流程短、原料適應(yīng)性強(qiáng)和能耗低等諸多優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)在我國(guó)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而,作為一項(xiàng)新技術(shù),底吹煉銅法不可避免的存在一些缺點(diǎn)和不足,如氧槍結(jié)構(gòu)和布局的設(shè)計(jì)缺乏理論依據(jù),部分入爐礦料難以被迅速卷入熔體,熔池噴濺導(dǎo)致加料口堵塞等,這些缺點(diǎn)阻礙了氧氣底吹煉銅工藝的推廣�？偟膩�(lái)看,這些問(wèn)題都與爐內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象密切相關(guān)。為了完善底吹煉銅技術(shù),本文以工業(yè)氧氣底吹熔煉爐為原型,用物理模擬和數(shù)值模擬等方法,對(duì)底吹爐熔池內(nèi)流場(chǎng)、氣液傳質(zhì)特性和物料卷吸等機(jī)理問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,并設(shè)計(jì)制作了加料口頂吹氣幕裝置,考察了該裝置對(duì)熔池噴濺的抑制效果。主要結(jié)論如下:(1)在底吹爐切片模型中進(jìn)行了物理模擬實(shí)驗(yàn),觀察發(fā)現(xiàn)底吹爐內(nèi)流體流動(dòng)具有以下基本特征:射流在液相中形成氣柱,攜帶液體從液面上方噴出,形成凸出液面的“泉涌”現(xiàn)象;射流氣柱存在不穩(wěn)定性,射流在接近氧槍噴嘴出口的位置常出現(xiàn)膨脹-收縮,膨脹發(fā)生時(shí),射流氣柱會(huì)撞擊噴嘴處壁面,并形成大量小氣泡組成的氣泡環(huán)。應(yīng)用PIV技術(shù)測(cè)量了底吹爐切片模型中的流場(chǎng),發(fā)現(xiàn)熔池內(nèi)部區(qū)域形成兩個(gè)大的環(huán)流,熔池噴濺主要出現(xiàn)在靜止液面上方的泉涌區(qū);增加熔池深度有利于提高熔池?cái)嚢栊Чp少噴濺;噴氣流量增大能夠促進(jìn)熔池?cái)嚢?但也會(huì)增加噴濺。(2)在建立的整體水模型實(shí)驗(yàn)裝置中,利用CO2-NaOH溶液體系模擬底吹爐內(nèi)的氣液傳質(zhì)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)考察了不同CO2體積分?jǐn)?shù)、氣體噴吹速度和熔池深度對(duì)容積傳質(zhì)系數(shù)和氣體利用率的影響規(guī)律。結(jié)果表明:隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加,容積傳質(zhì)系數(shù)增大,氣體利用率減小;氣體噴吹速度加快,容積傳質(zhì)系數(shù)和氣體利用率都隨之增大,因此通過(guò)增加空氣用量來(lái)提高噴吹速度,能夠加快氣液傳質(zhì)速率并提高氣體利用率;隨著熔池深度的增加,容積傳質(zhì)系數(shù)和氣體利用率都增大,表明增加熔池深度有利于增強(qiáng)底吹爐的攪拌效果、加快反應(yīng)并提高氣體利用率。(3)對(duì)底吹爐容積傳質(zhì)系數(shù)的影響因素進(jìn)行因次分析,得出容積傳質(zhì)系數(shù)AK與底吹相關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為:對(duì)底吹爐氣體利用率的影響因素進(jìn)行因次分析,得到利用率與底吹相關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為:兩個(gè)公式的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值吻合良好,以上兩個(gè)公式適用于長(zhǎng)徑比為4.3:1的底吹爐,且爐底部氧槍數(shù)量、排布需與方圓公司一期底吹熔煉爐一致。(4)通過(guò)水模實(shí)驗(yàn),考察了加料口頂吹氣幕裝置的噴氣流量、噴孔直徑和噴孔個(gè)數(shù)對(duì)噴濺量的影響,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在相同氣幕噴氣流量下,氣幕噴孔直徑增大,到達(dá)加料口的噴濺量隨之增加;氣幕噴氣流量增加,能夠到達(dá)加料口的噴濺量減少;頂吹噴孔個(gè)數(shù)減少,噴濺量也減少;改變氣幕的噴氣量、噴孔直徑和噴孔個(gè)數(shù)的實(shí)質(zhì)都是改變噴孔出口氣速,氣速增大,噴濺量減少。(5)通過(guò)水模實(shí)驗(yàn),考察了底吹氣體流量、底吹氧槍噴嘴直徑和氧槍安裝角度對(duì)底吹爐物料卷吸效果的影響,結(jié)果表明:底吹氣量增加,物料的卷吸效果變好;底吹噴氣流量相同時(shí),氧槍噴嘴直徑增大能夠增強(qiáng)物料卷吸效果;采用2.5 mm氧槍噴嘴時(shí),噴嘴安裝角度增大,物料卷吸效果變好,5.92 mm噴嘴的規(guī)律則與之相反。(6)用經(jīng)過(guò)水模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)學(xué)模型對(duì)工業(yè)底吹爐的部分噴吹條件進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,得到以下結(jié)論:考察單一氧槍對(duì)熔池的攪拌效果,發(fā)現(xiàn)隨著與氧槍中心距離的增大,熔池內(nèi)流體速度迅速衰減,單一氧槍在底吹爐軸向的有效攪拌半徑不超過(guò)1m;考察了間距為0.65 m的兩個(gè)氧槍同時(shí)噴吹對(duì)熔池的攪拌效果,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)氧槍之間的熔池都能夠形成穩(wěn)定的環(huán)流,且相比單個(gè)氧槍噴吹,熔池整體流速也有很大提升。
【圖文】：

Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｓｋｅｔｃｈ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｂｏｔｔｏｍ邋ｂｌｏｗｎ邋ｏｘｙｇｅｎ邋ｃｏｐｐｅｒ邋ｓｍｅｌｔｉｎｇ邋ｆｕｒｎａｃｅ逡逑在氧氣底吹熔煉爐內(nèi)，銅精礦從上部加料口落入熔池內(nèi)，在１４７３Ｋ左右的溫度下逡逑與底部噴入的一定濃度的氧氣發(fā)生復(fù)雜的多相化學(xué)反應(yīng)［１ＵＭ８］，如圖１．５所示［４８］。逡逑Ｉ邋ｊａｍｍ邐於邐ｉｖ，＼逡逑ｉ＼邋邐邐Ｉ逡逑＼邋ａｓａｍ，，！逡逑氧搶逡逑圖１．５熔煉爐內(nèi)流體流動(dòng)與發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｆｌｕｉｄ邋ｆｌｏｗ邋ｗｉｔｈ邋ｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ｆｕｒｎａｃｅ逡逑熔煉過(guò)程中，物料中所有的Ｃｕ最終都將以Ｃｕ２Ｓ的形態(tài)進(jìn)入銅锍相中，同時(shí)，一逡逑部分Ｆｅ以ＦｅＳ的形態(tài)進(jìn)入銅锍相，其余部分Ｆｅ以ＦｅＯ的形態(tài)與Ｓｉ０２發(fā)生造渣反應(yīng)后逡逑進(jìn)入渣相。主要反應(yīng)有：逡逑－１０－逡逑

ＩＩ邐＼邐，邐＼逡逑圖２．１實(shí)驗(yàn)用切片水模型逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｓｌｉｃｅ邋ｗａｔｅｒ邋ｍｏｄｅｌ邋ｕｓｅｄ邋ｉｎ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ逡逑ｍｍｉｍｍｉＨｉｗ邋？＇、逡逑 ＇邋？邋－邋■邋％逡逑ｆ邐．，士逡逑ｉ邐：逡逑４，邐＇＂Ｖ＇：：＾＂邐Ｍ逡逑：凝々．．NBＶｓｉｌ}\0ｉ３＾邋ｈ邋ｒ＇邋■0．邐．■＊■邐；■－＇？邐■？？？■逡逑圖２．２實(shí)驗(yàn)用整體水模型逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｆｕｌｌ－ｌｅｎｇｔｈ邋ｗａｔｅｒ邋ｍｏｄｅｌ邋ｕｓｅｄ邋ｉｎ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ逡逑２．邋２．邋２噴氣元件逡逑實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的噴氣元件包括直筒型氧槍噴嘴和頂吹氣幕噴吹裝置。逡逑２．２．２．邋１氧槍噴嘴逡逑由于原型氧槍噴嘴為復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)，直接按幾何相似縮小制作模型噴嘴比較困逡逑難，所以根據(jù)原型氧槍噴嘴的有效氣體流通面積計(jì)算，簡(jiǎn)化為圓形單孔噴嘴，得到原型逡逑－２６－逡逑
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TF811

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本文編號(hào)：2619006