精礦噴嘴研究現狀與展望

王春艷

（江西機電職業技術學院，江西 南昌 330013）

在熔煉技術中，閃速熔煉工藝因能耗低、爐氣質量好、硫的利用率高、床能率高、脫硫率高等特點[1]，而取得了長足的發展。精礦噴嘴作為閃速熔煉工藝的關鍵設備，可將干燥的銅精礦、熔劑和工藝風噴至高溫爐內，瞬間完成物理、化學冶金反應，達到造锍和造渣的目的。熔煉過程的順利程度以及生產技術水平等諸多指標都與精礦噴嘴的性能相關，故從1949年發展至今，精礦噴嘴一直不斷地被研究和完善。

1985年，江西銅業公司貴溪冶煉廠（以下簡稱貴冶）從日本和芬蘭引進精礦噴嘴技術和設備，建成投產我國第一座閃速熔煉車間，奠定了我國閃速熔煉的技術基礎[2-3]。1997年，金隆閃速爐從芬蘭OUTOKUMPU公司首次引進中央噴射型噴嘴，建成我國第二座閃速熔煉銅冶煉廠，實踐表明，該噴嘴性能優良，適合于高投料量和高富氧熔煉[4]。2007年8月，貴冶通過在精礦噴嘴中央配置氧油燒嘴，建成新的30萬t銅工程并投產，使貴冶總的礦產銅能力達到70萬t/a[5]。

由于精礦噴嘴技術的復雜性，目前國內均從國外進口，需支付高額的生產許可證及設備費用。為了減少投資，無論是設計單位還是使用單位，都期待國內設計、制造的精礦噴嘴問世[6]。

1 精礦噴嘴的研究和應用現狀

精礦噴嘴直接關系到熔煉的生產能力、燃料消耗、煙塵產出率、銅锍品位以及耐火材料的侵蝕等方面，故精礦噴嘴性能的提高一直是冶金領域重要的研究課題。目前，我國閃速熔煉技術走的基本路線是：引進—吸收—消化—改進。在引進國外先進技術和設備后，經過多年的實踐和總結，我國積累了豐富的經驗，吸收了大量的技術并進行了消化，最后進行研究改進，提高精礦噴嘴的多項性能指標，從而促進了它的發展。以下從國內最新的研究動態，以及貴溪冶煉廠精礦噴嘴的研究現狀進行分析、總結。

1.1 國內精礦噴嘴的研究和應用現狀

2000年，王偉等根據空氣動力學原理及渦動動力學原理，改善了傳統精礦噴嘴在噴出口層流“傘”狀軌跡的問題，增強該處湍流強度，增強混合強度，利用旋渦來對爐料與反應風進行充分混合[7]。姚增權等推導出了簡式旋流噴嘴流動所遵守的一系列關系式，并給出了噴嘴的設計方法，對噴嘴國產化具有一定的參考意義[8]。張文海院士考慮到固體顆粒濃相載流原理和延長反應路徑，提出了“渦旋式新概念噴嘴”。中南大學謝鍇博士對超強化閃速熔煉精礦噴嘴（渦旋式精礦噴嘴）新結構進行了仿真研究與開發，通過解決氧氣與精礦的高效混合、強化懸浮熔煉反應、加強粒子間的碰撞還原、約束高溫高顆粒濃度的射流對反應塔爐襯的蝕損等問題，能將最大生產能力提高至閃速爐原計劃的4~5倍。

2004年，金川公司和中國有色工程設計研究總院在總結鎳閃速爐10年實踐經驗的基礎上，設計出世界上第一臺用于煉銅的銅合成熔煉爐。馮曉梅指出銅合成熔煉爐在同一熔池內完成閃速熔煉和渣貧化兩種不同的冶金工藝過程，由于爐渣在爐內停留時間長，有利于锍和爐渣的分離，同時又相應地使渣含銅量降低，爐渣的溫度容易控制[9]。

1.2 貴溪冶煉廠精礦噴嘴的應用及改造現狀

20世紀80年代，貴冶引進技術和設備完成了一期年產10萬t陰極銅項目，閃速爐精礦處理量為80 t/h ~100 t/h。由于在其喉口能形成負壓，對下料有很好的引導作用，不會發生“頂料”和“漏料”現象[10]，但在投產初期，曾出現煙塵率高達12%的問題，嚴重影響工廠經濟效益。針對這一缺陷，劉英剛提出在精礦溜管上增加風料混合器和從重油噴槍風油輸送管與其保護套管間通入壓縮空氣等強化風料混合的建議[11]。

20世紀90年代，貴冶在二期工程改造時將4個精礦噴嘴改為1個雙環式中央擴散型精礦噴嘴，精礦處理量提高到140 t/h ~160 t/h。反應塔富氧濃度高、煙塵率低、能耗低、維修和操作方便，但經過投產兩年多后，暴露出一些不足，比如難以適應精礦投料量的大范圍波動、爐況差、產生“下生料”現象、振打器使用頻繁時容易損壞等問題[12]。而該問題主要是風速不穩定、內外環出口處易粘結、出口處變形及分散錐易粘結引起的。

2002年年初，貴冶在閃速爐三期改造中，采用套筒式帶調風錐的中央精礦噴嘴，處理物料設計能力達到200 t/h。出口環部增設了銅質冷卻水套，防止了出風口的變形，穩定了閃速爐的爐況。

2007年8月，貴冶新的30 t銅工程采用帶中央油槍和調風錐的精礦噴嘴，設計處理能力為160 t/h。由于配置了氧油燒嘴，爐內升溫快，溫度分布平衡，相對于三期改造的精礦噴嘴而言，產出的冰銅品位更均勻，煙塵的性能也得到了改善。

2 國內精礦噴嘴性能存在的不足

目前，中央噴射型精礦噴嘴與傳統的文丘里型噴嘴相比，雖然具有結構簡單、維護方便、精礦分散性好、氧利用率高、對反應塔壁侵蝕少、煙塵率低、適用于高投料量和高富氧熔煉等突出優點，但國內對OUTOKUMPU中央噴射型精礦噴嘴主要研究的方向為其結構、功能、參數及運行實踐。隨著生產的不斷進行，在噴嘴的最優化操作方面需進行更深層次的探索和嘗試，最大限度地發揮中央噴射型精礦噴嘴的優點和潛力。

中央噴射型精礦噴嘴的主要問題表現在：

1）工藝風、精礦或中央氧會發生偏流現象，部分精礦反應不完全；

2）沉淀池內易發生料堆，“下生料”嚴重；

3）不能充分利用有限的反應空間；

4）投料量還有待進一步提高；

5）反應物對反應塔易造成沖刷，耐火材料壽命較短。

當然，也不應該滿足于中央噴射型精礦噴嘴的改進。正如張文海院士提出的“渦旋式新概念噴嘴”，是富于新意的研究課題[3]，如果能取得技術突破，那將是一次全新的技術革命，能產生重大的影響和意義，也能使我國的閃速熔煉技術真正立于世界前沿。

3 優化精礦噴嘴性能的研究手段

在數學模擬技術被引入對冶金過程的研究之前，國內的冶金工藝和熔煉過程主要是依靠實驗室研究和現場觀測，需要依賴長期積累的經驗。而銅閃速爐是一個高溫、強氧化的密閉環境，無法通過實驗和現場觀測的方法得到經驗數據，只能對一些常見問題提出改進的意見，而不能對閃速爐體系進行系統的研究，這使得國內對閃速爐技術研究沒有歷史意義的突破。隨著計算機硬件和相關軟件的發展，為了實現閃速熔煉“高產率、高壽命、高產品質量”和“低能耗、低污染”的“三高兩低”的生產目標，數學模擬已經成為今后冶金過程研究的一個重要手段。以CFX商業軟件為計算平臺，研究開發的銅閃速熔煉過程的仿真系統，將填補國內銅閃速爐仿真與操作參數優化技術的空缺。

數學模擬基于流體力學、計算傳熱學、計算燃燒學和冶金反應工程學的原理，利用數值方法求解非線性方程聯立的質量、動量、能量、組分方程組，并進行數學分析，預報出流動、傳熱以及燃燒過程的細節。CFD仿真是一種非常有效的研究銅閃速爐反應塔內部化學反應以及熱傳輸現象的手段，對精礦噴嘴的深入研究具有重要意義。要走在世界閃速爐研究技術的前沿，就必須改變傳統的研究手段，使用更加先進的CFD技術來研究閃速爐內部的流場、濃度場、溫度場、燃燒釋熱場以及顆粒的軌跡變化、溫度變化和化學反應。

國內很多高校加強了對計算機模擬在閃速熔煉中的應用，其中，貴溪冶煉廠蔣建興對原有目標銅锍溫度控制模型進行了修改，達到提高計算機控制質量的目的[13]。中南大學譚鵬夫等修正了數據模型，對貴溪冶煉廠閃速熔煉過程進行了計算機模擬[14]。西安交通大學萬維漢等利用自適應模糊神經網絡的方法建立了鎳閃速爐模型，以較為準確地反映鎳閃速爐的運行過程[15]。清華大學李欣峰等研究了流場、溫度場以及顆粒軌跡，在CFD軟件中進行了仿真，并將試驗溫度與仿真溫度進行了對比，驗證了模型的正確性。中南大學陳紅榮等建立了顆粒相和氣相模型以及一些化學反應模型，來模擬OUTOKUMPU閃速爐的流場、溫度場、釋熱場，仿真得到了對冶煉有利的3C（高溫、富氧、高投放量）條件。

另外，除了要采用先進的研究手段外，由于精礦噴嘴的設計不是孤立的，而是和整個熔煉反應過程、閃速爐的各個組成模塊和諧統一的，是多空間的高溫復雜過程，因此，對于精礦噴嘴的設計與改進是多種因素耦合的結果。基于精礦噴嘴研究的復雜性，在其技術的改進過程中，需要采用高校與研究院一起合作戰略方式，充分利用國內有利的學術資源，努力推動閃速研究技術的迅速發展。比如，金川第一冶煉廠和西北工業大學就對精礦噴嘴的研究進行了合作。

因此，如果要在技術水平上走在世界的前列，應該更加注重科學前沿技術在該領域的應用，通過計算機仿真，得到重要的理論依據，再在試驗過程中得到驗證，最后對該技術加以利用并推廣，才能不斷推動精礦噴嘴高科技研究的發展。經文獻調研，目前精礦噴嘴重點研究的方向有：

1）精礦的反應機理具有代表性的是日本住友金屬礦山的“兩粒子模型”[16]，但其反應耦合過于復雜，熔煉反應機理還需要深入的研究。

2）國內已有學者建立銅閃速爐反應塔的二維柱坐標系模型，考慮到了顆粒相的湍動與擴散作用，但沒反映顆粒相之間的碰撞與融合。由于這部分工作影響到仿真的全息性，故需要做進一步的研究。在仿真模型中，還要考慮到顆粒對壁面的沖刷與掛渣等問題，同時要綜合考慮塔內傳熱、傳質、燃燒以及反應過程，才能建立更加精確的模型。

3）中南大學謝鍇博士提出工藝風內外環出口風速和旋流數的控制對渦旋式超強化噴嘴（旋渦式噴嘴）的功能至關重要，這部分技術有重大的研究價值。

4）為了驗證系統仿真結果的可靠性及工程指導意義，需要現場測試部門與測試手段研究工作的大力支持。國內相關冶煉企業只有為相應研究單位創造條件，進行生產現場測試和對比，許多量化的工作及參數才有可能得到解決，才有可能將總結出的理論投放到實踐研究中去。

4 展望

精礦噴嘴的成功研究，不僅可以減少重復引進技術和花費大量的外匯，更重要的是打破國外對閃速熔煉關鍵技術的壟斷，可以大大提高國內有色冶煉技術水平在國際市場中的競爭力。既可帶來巨額經濟效益，也可節約資源，還有利于環境保護。因此，精礦噴嘴的研究具有非常重大的現實意義。國家技術前瞻研究組也提出要研制具有我國知識產權的閃速熔煉關鍵裝備技術，這充分說明國家對銅冶煉技術的重視，對閃速爐產業化的迫切希望。