有色金屬富氧底吹熔煉用氧槍設計與實驗研究

（液化空氣（中國）研發有限公司，上海 201108）

隨著環保要求的提升和高效節能冶金技術的發展需求，富氧熔池熔煉技術逐漸成為近些年來銅鉛等有色金屬先進冶煉工藝的發展方向，國外開發了奧斯麥特爐、艾薩閃速冶煉爐、卡爾多爐及特尼恩特爐等熔池冶煉技術。氧氣底吹冶煉技術是一項具有中國自主知識產權的世界先進的銅冶煉工藝，結束了我國長期依賴國外進口技術和設備的狀況，富氧底吹熔煉的核心設備為臥式可旋轉底吹爐，內襯鉻鎂磚，外形與諾蘭達爐和智利的特尼恩特熔煉爐相似。但是，諾蘭達爐和智利特尼恩特爐通過風口送氧，底吹熔煉爐則通過布置在爐底的專用氧槍送氧。富氧底吹熔煉與其他熔煉工藝相比，能耗低，可實現完全無碳自熱熔煉，便于處理其他工藝難以處理的銅雜礦，更易操作且環境更友好[1]，同時，銅的氧氣底吹熔煉技術具有氧氣濃度高，氧壓高等特點，提高氧氣濃度及選擇并實現合適的氧壓，是提高熔煉效率的重要方式，而氧氣需由氧槍輸送入爐內參與反應，因此氧槍對于實現氧濃及氧壓具有決定性的作用，而在提高氧濃和氧壓的同時，氧槍自身的壽命也將遭遇挑。本文研發的氧槍，意在氧濃、氧壓、氧槍壽命、化學反應效率、爐內耐火材料壽命及運行成本等綜合因素之間取得平衡，實現高生產率，氧槍高壽命的同時保護底吹爐耐火材料[2，3]。

目前，在銅的熔池熔煉過程中使用的氧槍多采用多層套管結構，從單管發展到帶有槽縫的復雜架構，整段式到多段式。目前，縫隙式多層套管氧槍為工業生產熔池熔煉的主流結構，由具有不同直徑的槽縫的不銹鋼結構組合而成，主要包括噴射頭，閥體和氧槍底座等結構。氧槍主體由兩個或多個同軸管組成，它們通常由無縫鋼管制成。內部通道傳輸純氧氣或富氧空氣，外部通道傳輸保護介質，例如氮氣或壓縮空氣。氧槍主體與氧槍底座之間的連接通常通過法蘭螺栓固定，橡膠圈采用滑動連接或焊接[4]。

1 項目背景說明和來源

液化空氣公司曾開發一種用于熔池熔煉的ALSI套管式氧槍。如圖1所示，在封閉式的氧槍管道中，氮氣或壓縮空氣通過環形管道與中心管道中的氧氣一起進入爐內，常溫的氮氣或壓縮空氣的通入有效地冷卻了氧槍頭，減少了氧槍的氧化腐蝕從而延長了氧槍的壽命。如圖1所示，這種結構會產生明顯的固體熔池的增大，也就是通常所說的蘑菇頭，蘑菇頭是多孔狀結構，透氣良好而導熱系數較低，保護氧槍頭的同時還可以保護相鄰耐火材料免受過度侵蝕。注入熔池內的氣體需要一定的壓力，以防止熔體倒灌并可以防止氧槍堵塞，同時滿足反應動力學的需求[5]。

圖1 Air Liquide公司的ALSI氧槍

目前，熔池中的冶煉過程通常是在熔體組成非常復雜、熔體內部不可見和高溫的條件下進行的，因此該技術依舊存在一些應用難點[1，6，7]：①例如熔體的流動狀態不明確，部分入爐礦料難以被迅速卷入熔體，熔池液面噴濺導致加料口堵塞等。這些缺點阻礙了氧氣底吹煉銅工藝的推廣。②氧槍長期處于1200攝氏度甚至超過1300攝氏度的高溫強氧化條件下，極易發生氧化甚至是燒損，這就需要對氧槍進行維修甚至是更換，增加了人力及材料成本，甚至會降低底吹爐熔煉效率及產量。氧槍在進行維修時，尤其是嚴重阻塞或燒毀時，現場操作員必須使用敲擊或拉動之類的操作方法從外殼中拔出氧槍，操作非常困難。③氧槍需要控制富氧空氣或純氧氣與保護氣體的比例，并且需要很大的供應壓力以確保有足夠量的反應氣體進入熔池。常規的氧槍的氧槍頭中，沿氣體傳輸方向具有一定長度的槽縫結構，這種結構對氣體傳輸會產生一定的阻力，增加了氣體供應系統的運行成本。④目前主流氧槍通常采用較為復雜的槽縫式結構，隨著時間的推移，不可避免的會發生氧化燒損，致使槽縫結構損壞丟失，失去原有的結構功能。

2 富氧底吹熔煉氧槍系統設計研究

針對目前冶煉工藝中存在的問題及難點，本工作研發和設計了新型氧槍，并對新型氧槍應用環境進行了模擬對比分析，結合水模型實驗及CFD數值仿真進行優化設計。

由于氧槍的結構和特性對吹氧過程具有非常重大的影響，我們將研發重點放在氧槍射流結構上，該氧槍采用多孔旋轉射流結構，旋流角加在噴氣孔和軸之間，這樣的結構有利于在每個噴射孔出口附近形成較大的渦旋反應區域，在吹氣過程中，每個噴孔出口附近會形成相對獨立的旋流反應區，從而增加了氣固液接觸及反應面積從而提高了富氧空氣的利用率。根據具體案例的底吹爐參數選擇與之匹配的合理的旋流角，可以加快熔渣形成速度，提高熔池混合效果，促進反應。濺渣過程中，由于渦旋角的存在，有效減少了氣體噴射對爐底的直接沖刷，使爐渣聚集到熔池內，同時降低了濺渣的高度，并且消除了爐渣過多粘附在進料口的現象，此結構可以有效減少爐渣的飛濺，保護爐內耐火材料，延長底吹爐的使用壽命。本氧槍采用旋轉噴口結構，摒棄了主流的狹縫式結構，減少了氣體輸送的阻力，降低供氣系統的運行成本。本氧槍設有一圈扇形保護氣體區域，采用氮氣或壓縮空氣作為保護氣體，環抱在氧氣噴口周圍，以增強氧槍的冷卻效果，同時，這樣的設計，加快了有利蘑菇頭的生成速率，可有效延長氧槍壽命。氧槍外觀見圖2所示。

本氧槍采用耐高溫耐腐蝕的金屬制成的氧槍噴頭直接與高溫熔體接觸，降低了氧化燒損的速率，且生成的產物與銅锍成分相似，不會引起熔體的二次污染。氧槍頭采用等離子陶瓷梯度涂層，該涂層在氧槍噴頭的內部和外部使用了多層漸變過渡，這樣的設計可有效地防止涂層的熱裂。該涂層可隔離氧氣和不銹鋼管之間的接觸，并大大提高了氧槍的使用壽命。等離子陶瓷梯度涂層的粗糙度極低，可以大大減少沖刷腐蝕，提高涂層壽命。等離子陶瓷梯度涂層的每一層的厚度為約0.3mm。厚度可以根據實際工作條件進行調整和增厚。

圖2 新型氧槍結構設計

3 新型氧槍實驗研究與結果分析

3.1 新型氧槍水模型實驗結果

為了進一步識別和掌握熔池中流體的流動規律，選擇合適的氧槍運行參數，基于相似原理建立冷態底吹物理模型，并將氧槍與水模型結合使用，在同樣的參數條件下，測試幾款不同的常規的氧槍以及我們研發的新氧槍，進行對比。

測試中采用的水模型以東營方圓的底吹爐為參照，水模型的橫截面尺寸按1:5的比例縮小。設定底吹氣體流量為9.7Nm3/h，氧槍安裝角度為7度，氧氣為單一氣體。結論為，直管道氧槍的夾帶效果最差，大多數材料漂浮在熔池表面上，化學反應速率最低。我們開發的全螺旋氧槍的卷吸夾帶效果最佳，實驗中，示蹤劑顆粒均勻地分散在熔池內；隨著氣體噴入量的增加熔池內的物料顆粒逐漸遠離噴頭的數量增加，并且明顯多于噴頭附近的顆粒量。旋流式氧槍不僅產生軸向力和徑向力，同時形成切向分量，以改善氧氣射流對熔池的攪動。通過冷態的水模型實驗研究表明，恰當的氧槍噴射旋流角度可以有效提高熔池氣含率，改善氣固液分布狀況并減少冶煉過程中不良噴濺的發生[7]。

3.2 新型氧槍的數值模擬計算

在冶金爐噴氧過程中，氧槍的頂端通常直接與高溫熔體接觸，氧槍由熔體和周圍耐火磚的熱流加熱。因此，氧槍模型是一個傳熱與流動相結合的復雜模型。按照傳統的絕熱模型計算氧氣噴射器內的流動過程，將會產生較大的誤差。因此，我們的氧槍計算基于采用橫截面管式氧槍在熱源作用下的氣體流動模型，模型及網格分布如圖3所示，采用了六面體結構網格，劃分了約500000個網格。并作了如下假設[8]：①流量是一維穩定流量。②在流動過程中，氣體的性質是連續變化的。③流動過程中沒有化學反應及相變。④傳熱過程處于穩定狀態，熱源強度不會隨時間變化。⑤氣體是理想氣體，比熱在計算涉及的溫度范圍內恒定。

根據水模型試驗建立相似的數學模型[9-12]：①時間：瞬態。②多相：歐拉-歐拉。③初級階段：水-液。④第二階段：空氣（d=PBM提供的飽和平均直徑）。⑤相位交互：Tomiyama drag模型。⑥氣泡聚集/破裂：PBM模型。⑦湍流模型：標準k-e模型。⑧CFD求解器：ANSYS Fluent V18.2。

在進行正式的數值模擬求解前，我們對數學模型進行了驗證。在不同注入條件下的模擬及不同氧槍布置角度下的測量結果與數值模擬結果吻合良好，如圖4所示，當氣體分別在不同的噴射角度，0°、7°、14°及21°的條件下注入時模型內的氣含率，藍色柱狀代表數值模擬結果與桔色的水模型試驗結果較為接近，誤差在允許范圍內，驗證了數學模型的準確性。

圖3 熔池界面模型網格分布

圖4 氣含率的數值模擬結果與試驗結果比對

該模型用于預測氧氣底吹煉銅工藝中的氣泡行為，為研究氣相和液相之間的傳質行為奠定了基礎。數值仿真結果如下：圖5顯示了在13Nm3/h的流速下該氧槍的氣含率，完全符合預期。圖6顯示了氣體氧槍螺旋通道中心部分的速率分布。

圖5 流速為13 Nm3/h時氧槍的含氣率

圖6 出口壓力為2.5 bar時新氧槍中心截面的速度場

氣體流速沿氣體傳播方向連續增加，在噴口處達到最大值，接近270m/s。在彎頭處，氣體的速度并沒有明顯降低，證明了這種結構設計的合理性，這種結構不僅有利于在噴口處產生旋流，同時，還可以確保氣體的高速噴射。結果表明，氣體在通道內速度低于音速，可有效避免氧槍通道的過度沖刷及腐蝕。

圖7顯示了氧槍在2.5 bar的進氣壓力下中心部分的氣體密度分布。圖8為在進氣壓力為2.5 bar時新噴射器中部的馬赫數。噴射器中的最大氣體馬赫數為0.8。它是亞音速的，沒有過度沖刷的問題。在底吹氣體上升的過程中，氣泡周圍的液體壓力逐漸降低，氣泡逐漸膨脹。這部分功稱為膨脹功，擾亂了周圍的液體，并且是底部攪拌功的重要組成部分。

圖7 出口壓力為2.5bar時氧槍中心截面氣體密度

圖8 出口壓力為2.5bar時氧槍中心截面馬赫數

綜上所述，用Luo laakkonen模型模擬結果表明，新型氧槍具有如下優勢：

（1）帶有螺旋通道及噴射旋流角的新型氧槍結構，可以有效的輸送氧氣促進化學反應快速進行，同時，減少熔體噴濺對于底吹爐內耐火材料的影響。

（2）蘑菇頭的存在有助于底吹爐中熔體與氣體之間的化學反應更加充分的進行。蘑菇的形成與氣體注入壓力和出口形狀及角度有關。蘑菇頭不僅對氣泡的體積和形狀有很大影響，而且對氣泡到達液面的上升速度和時間也有很大的影響。新型氧槍結構有利于蘑菇頭的形成和保持，從而實現冶煉工藝向有利方向進行。

（3）本氧槍的出口處的氧勢最高，而硫勢最低，有利于四氧化三鐵的形成，四氧化三鐵可以提高其熔點和高溫抗氧化性，有利于蘑菇頭的穩定性，從而更好地保護氧槍并延長其使用壽命。

4 結論和展望

（1）根據熔池熔煉技術發展和銅冶煉生產的需要，研究和設計了具有創新性結構的長壽命富氧底吹旋流熔煉氧槍。采用耐熱合金材料和梯度功能陶瓷涂層，該新型氧槍有望應用于生產，并顯著提高氧槍的使用壽命和冶煉企業的生產效率。

（2）水模型實驗測試結果和CFD模擬結果具有較好的一致性，實驗和模擬結果顯示，新型氧槍結構，可以有效的輸送氧氣促進化學反應快速進行，同時，減少熔體噴濺對于耐火材料的影響。

（3）新型氧槍結構有利于蘑菇頭的形成和保持，從而實現冶煉工藝向有利方向進行，并能夠更好地保護氧槍和延長其使用壽命。

下一步，計劃在國內一富氧底吹熔煉爐開展該新型氧槍的生產考核和應用研究，優化和完善氧槍使之更好的滿足有色金屬冶煉行業的需要。