底吹熔煉爐銅锍流體動力學優(yōu)化探討

文 / 董蘭田

我國首創(chuàng)的具有完全自主核心技術產(chǎn)權的底吹熔煉爐，以其節(jié)能高效、安全環(huán)保、原料適應性強，能夠處理復雜礦物料，無須助燃劑，完全自熱熔煉，金屬捕集率高，渣性好等強大優(yōu)勢，使得我國的有色金屬冶煉躋身于國際領先行列。但它像所有新生事物一樣，底吹熔煉爐還存在許多缺陷和不足，理論上需要進一步探討深化、系統(tǒng)化；技術細節(jié)上需要進一步改進、完善、優(yōu)化；實踐中還有許多潛力有待深入發(fā)掘。本文旨在從底吹熔煉爐結構形態(tài)上進行調整改進入手，優(yōu)化底吹熔煉爐的銅锍流體動力學運行態(tài)勢，達到進一步提高熔煉效率的目的。

冶煉的過程是一個化學反應與物理反應同時進行、相互影響的過程；是一個分解、化合、置換的綜合反應過程；是一個在原子、分子層面上由相對靜止，到劇烈活躍的運動過程。底吹冶煉是一個利用礦物料與氧氣間進行分解、化合、置換反應中釋放的熱能作用于礦物料使之熔融液化，啟動后就可持續(xù)循環(huán)進行的反應過程；是一個礦物料因氧的參于由固態(tài)到液態(tài)的轉換過程。反應中生成的銅锍熔液，在氧槍射流的原始氣動力、反應過程中產(chǎn)生的熱動力作用下，在形成的湍流（亂流）和旋流（層流）中攪拌，各種成份混合均勻的熔液進入趨向靜止和相對靜止的沉降區(qū)，因各種游離狀態(tài)的礦物質和新生物質的不同比重發(fā)生沉降分層，分別釋放排出，實現(xiàn)冶煉的全過程。

根據(jù)上述的現(xiàn)象和認識，我們可以將底吹熔煉爐人為的劃分為反應區(qū)和沉降區(qū)兩個功能區(qū)：

1. 反應區(qū)：是礦物料與氧氣發(fā)生反應，由固態(tài)轉化為液態(tài)形成銅锍，并進一步加熱降低其粘稠度，并在劇烈的湍流與旋流中反復攪拌摩擦（專業(yè)中稱之謂沖洗），使之充分混合均勻，各種原子、分子高度游離。在反應區(qū)，在允許條件范圍內，攪拌越劇烈越好，溫度越高越好。

2. 沉降區(qū)：是各種化學反應過程基本完成，湍流和旋流因銅锍的粘度摩擦趨向靜止，在平靜狀態(tài)下，因各種游離狀態(tài)下的礦物質和新生物質的比重不同，而發(fā)生沉降分層。在沉降區(qū)，溫度越均衡，銅锍越穩(wěn)定，間期越長，熔液深度越大越好。

綜上所述，我們可以知道設置反應區(qū)和沉降區(qū)的目的和達此目的所需要的條件，也就不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術實踐中的局限和進一步改進，優(yōu)化的方向。

1. 氧槍的設置：現(xiàn)行技術實踐中，氧槍的設置數(shù)量多在5～9支之間，設置的位置和方式主要有：爐體正下方縱向單排垂直設置：和爐體下方的上下雙排不同相對射流角度設置。

氧槍于爐體正下方縱向單排垂直設置，其優(yōu)點是：（1）射入的富氧空氣與礦物料之間所發(fā)生的爆破性劇烈反應距爐體左右、上下爐壁距離均等穩(wěn)定，銅锍只產(chǎn)生湍流而無旋流，對爐壁的沖擊力相對較小且穩(wěn)定，有利于延長爐體的使用壽命。（2）氧槍射口周邊的動、靜態(tài)環(huán)境均衡少變化，氧槍口易于形成規(guī)則和可控的蘑菇頭保護氧槍，延長氧槍的使用壽命。

氧槍正下方垂直設置，氧槍射流產(chǎn)生的氣動力與反應產(chǎn)生的熱動力平穩(wěn)均衡，銅锍只產(chǎn)生湍流而不產(chǎn)生旋流，其能量易于轉化消失，利于由動態(tài)向靜態(tài)轉換，為銅锍的沉降分層提供更多空間和時間。其缺點和不足是：單一的渦流攪拌作用差，反應的充分度相對不足。銅锍沖洗不充分，影響多金屬的綜合捕集率。爐渣內目標金屬含量高。

氧槍于爐體下方上下雙排不同相對射流角度設置，其優(yōu)點是：（1）氧槍雙排不同角度設置，橫向覆蓋面寬，反應區(qū)域大，反應迅速，充分徹底。（2）氧槍的有角度設置，延長了空氣射流泡在銅锍中的距離，為氧氣與礦物料之間的反應提供了更多空間和時間機會，反應更徹底。（3）氧槍的有角度設置，在環(huán)繞氧槍形成湍流的同時，產(chǎn)生一定的旋流，在單支氧槍形成的湍流攪拌同時，形成相臨氧槍旋流間的摩擦攪拌，使銅锍沖洗更充分，多金屬捕集率更高。其不足之處是：氧槍射流方向于橫截面偏離中心，所形成湍流對兩側爐壁沖擊力不等，存在沖擊、侵蝕差異，違背“霍姆欺馬車”的匹配理論。相臨氧槍間形成的旋流動力差難以通過摩擦完全抵消，其部分旋流殘動力帶入沉降區(qū)，影響多金屬的平穩(wěn)沉降和分層。

2. 現(xiàn)行實踐中，底吹熔煉爐的結構形態(tài)設計采用圓桶形水平臥式方案，一端為進料、吹氧的反應區(qū)，一端為出氣、排渣、放锍的沉降區(qū)。此種設計的優(yōu)點是爐體重力平衡好，按裝和使用過程中穩(wěn)定牢固，缺點是爐體內兩端熔液等深，吃料多，熔液深時于反應端的氧槍噴射動力和反應熱動力形成湍流和旋流動力不足，攪拌不均勻，沖洗不充分，旋流殘動力等徑傳遞，損耗少，延伸距離大，擠占靜止沉降區(qū)域空間。于沉降區(qū)則顯垂直距離短，沉降空間小，去除銅锍與爐渣分層的過渡區(qū)，每次放锍，排渣數(shù)量少，渣內殘留銅含量高。

經(jīng)過以上分析對比，可清楚地了解現(xiàn)行實踐中的底吹熔煉爐的大體結構形態(tài)，氧槍數(shù)量和對熔煉銅锍在動力學上的影響和形成的運行態(tài)式，以及對氧槍自身的作用和爐壁的作用和影響。更容易發(fā)現(xiàn)和提出針對現(xiàn)有技術實踐中的問題和不足、改進方向和突破點。據(jù)此，提出以下改進方案供業(yè)內人士進行探討：

1. 氧槍的設置問題：氧槍既是底吹熔煉爐內熔锍運行的最初原動力和反應熱動力的基本來源，也是決定熔锍運行軌跡的基本動力。對投入的礦物料成锍，對熔锍的均勻攪拌和沖洗，對多金屬的充分游離和捕集發(fā)揮著決定性作用。對制造多金屬在穩(wěn)定空間和較長時間進行沉降分層的環(huán)境發(fā)揮著重要作用。同時，氧槍的科學設置和安裝，對氧槍自身使用壽命的延長、縮小和均衡對熔爐爐壁的侵蝕損害也起著重大作用。因而，合理而科學的選擇、設置和安裝氧槍是底吹熔煉爐成敗優(yōu)劣的最重要技術要素之一。

怎樣設計、設置、安裝氧槍？筆者認為：于反應區(qū)底部兩側，雙排相向交叉、小俯角、奇數(shù)設置、布排氧槍、最能發(fā)揮底吹熔煉爐優(yōu)勢，最易獲取最佳熔煉效果。其布排，設置如圖1、圖2所示。

圖1 氧槍的布排

圖2 氧槍的放置

雙排相向交叉、小俯角、奇數(shù)設置、布排氧槍。其氧槍射流在熔锍內形成漏斗狀三維面性反應中心區(qū)，由面性反應中心區(qū)承接并打散進料口落料，在放熱反應熔融中進入湍流和旋流的均混過程。它較之現(xiàn)行技術的線性或點性反應中心，擴大了料、氧、熱的接觸面和反應空間、而減弱了反應的烈度，使礦物料的熔融過程更平穩(wěn)、更迅速。

雙排、相向交叉布排氧槍，在礦物料熔融運行過程中會形成以氧槍射流為中心的湍流區(qū)，同時形成以氧槍射流方向的，橫向的氧槍間距范圍內的旋流區(qū)。相鄰的湍流和旋流在粘滯摩擦，均勻攪拌，沖洗過程中，削減和抵消其動能趨向靜止后進入沉降區(qū)。

氧槍射流小俯角的設計安裝，其依據(jù)是氧槍射入氣體的低比重糾正氣體在熔液內的上浮力，具有造成扭曲射流方向向上作反彈道弧線抬升的作用，以維持反應中心與兩側爐壁間的等距離，均衡劇烈反應對爐壁的沖擊和侵蝕。

2. 針對現(xiàn)行實踐中底吹熔煉爐水平安裝方式存在的不足，本文提出傾斜熔爐的創(chuàng)新理念，即抬高熔爐的反應端，降低熔爐的沉降端，其傾斜的結果是：造成了熔爐內銅锍漸進的反應端淺，沉降端深（如圖3所示）。

圖3 底吹熔煉爐的傾斜安裝示意圖

熔爐的反應端銅锍淺，有利于氧槍射流的原動力與反應中的熱動力在造成銅锍湍流和旋流中的攪動作用，使攪拌更充分、更均勻，多金屬的沖洗更徹底。其射流在銅锍中反應距離縮短的缺陷，可因氧槍小俯角設置的方式加以彌補。

熔爐的沉降端銅锍深，一是更利于銅锍熔液保持穩(wěn)定均衡的溫度，更重要的是，能夠為熔液中的多金屬沉降和殘渣升浮提供更大空間和更多時間，分別使銅锍和浮渣更厚重，使放锍口和排渣口與锍、渣分離的過渡區(qū)距離更大，放出的銅锍和排出的殘渣純凈度更高，也因此可延長每次放锍。排渣間期，提高每次放锍和排渣數(shù)量，提高熔爐的冶煉效率和效果，降低操控熔爐的勞動強度。

3. 由于銅锍在反應端湍流和旋流中攪拌和沖洗，在沉降端相對平靜的環(huán)境中有更大空間和更長時間進行沉降，也由于放锍和排渣端液面的垂直距離加長，銅锍內高比重貴金屬離子更易于沉降聚集于爐腔內沉降端的底角最底層，以此可考慮設置上下雙口放锍的方案（如圖4所示）。即在抬高的主放锍口下方再設置一輔助放锍口，用以專一收集富含貴金屬的底層銅流，為后續(xù)銅及其他貴金屬的分離提純工序提供方便。

圖4 上下雙口的放锍方案示意圖

綜上所述，我們對有色冶金行業(yè)現(xiàn)行工藝中處于領先地位的底吹熔煉爐在結構、形態(tài)方面的基本現(xiàn)狀和主要優(yōu)、缺點進行了扼要的分析，對比評價，也提出了對底吹熔煉爐在結構、形態(tài)方面進行調整、改進的理念和方案，其目的就是力圖從冶煉銅锍流體動力學的認識上，探尋一條更符合其運動規(guī)律的途徑，提供一種最佳優(yōu)化方案。對這個方案我們暫且將其命名為《富氧低吹雙口放锍傾斜熔爐》。它使我國這一首創(chuàng)的、具有完全自主核心技術產(chǎn)權的有色金屬底吹熔煉技術以更高效率、更好效果、更安全環(huán)保，對礦石原材物料適應能力更強的全新姿態(tài)占據(jù)技術前沿，持續(xù)確保其領先地位。