鉛鋅冶煉爐數值模擬研究*

王振威，盧文鵬，李瑞冰

（1.沈陽化工大學機械與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142；2.云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 655011）

鉛和鋅都是極為重要的有色金屬，廣泛應用于汽車、建筑、船舶、機械、輕工、電子、醫藥等行業，在現代工業所消耗的有色金屬中鋅居第三位，鉛居第四位。我國是鉛鋅生產大國也是消費大國，有許多鉛鋅冶煉企業，但工藝技術水平參差不齊，鉛鋅冶煉工藝逐漸向著低能耗、低污染、高生產效率的方向發展。鉛鋅冶煉工藝的核心設備是冶煉爐，優化冶煉爐有利于提高冶煉工藝的整體水平。但由于現場條件的制約，很難實地的對冶煉爐內部工況進行測量，所以數值模擬的方法顯得尤為重要，通過對冶煉爐內工況、流場、溫度場等進行研究，對于優化冶煉爐、提升冶金生產效率、提高能源利用效率具有重要意義。

目前數值模擬已經被廣泛用于各種冶金化工設備的過程模擬。對冶煉爐進行數值模擬，可以較好的研究爐內多相流、溫度場，可以節省人力物力、便于觀察結果、模擬冶煉過程的內部工況。本文介紹了國內外學者通過數值模擬技術，對鉛鋅冶煉工藝中各種冶煉爐進行的研究以及取得的成果。

1 鉛鋅冶煉工藝與數值模擬

1.1 鉛冶煉工藝

鉛冶煉的方法主要有兩類：即濕法煉鉛和火法煉鉛。火法煉鉛技術成熟，理論相對完善、設備豐富齊全，己被世界上絕大多數鉛冶煉企業采納。目前主流的火法煉鉛工藝主要有傳統煉鉛法和直接煉鉛法。

傳統煉鉛法是直接燒結焙燒硫化鉛精礦，經過脫硫處理，利用鑄渣機鑄塊，再用鼓風爐加熱熔化和焦炭還原，最終產出粗鉛的工藝。燒結-鼓風爐還原法和鉛鋅密閉鼓風爐熔煉法是兩種典型的傳統煉鉛工藝，其中燒結-鼓風爐還原法具有精礦處理能力大、原料適應性強等優點，但其也存在一些明顯的缺點，比如燒結過程中產出的煙氣二氧化硫濃度偏低，制酸能力差，污染環境，工作環境差等。隨著國家對環保、能耗要求的不斷提高，傳統的燒結-鼓風爐法煉鉛工藝在國內已經接近淘汰，現代多采用直接煉鉛工藝，而直接煉鉛工藝又分為閃速熔煉和熔池熔煉。

閃速熔煉法的主要工藝有基夫賽特法和卡爾多法。基夫賽特法是由于其具有能耗低、生產成本低、原料適應性強、煙氣中二氧化硫濃度高、便于制酸、污染小等優勢，所以基夫賽特法也被稱作世界上最先進的煉鉛法之一。基夫賽特法在國內首次由江銅集團引進并投產，在生產運行期間，充分證明了基夫賽特工藝的優勢，產鉛容易，運行可靠[1]。但基夫賽特法對生產規模要求大，不適用于小規模生產，且投資高。基夫賽特爐在實際生產過程中會遇到不同的工況，比如需要進一步降低成本、不需要滿負荷運行、投入物料狀態改變時，此時爐內工況會發生較大變化，數值模擬技術可以提前進行不同工況的模擬，來為生產操作提供技術參考。采用數值模擬技術也可以用于強化基夫賽特爐熔煉過程的研究。卡爾多法在國內由西部礦業集團首次引進并投產，但由于產能未達標和虧損過多等原因，一直處于停產狀態[2]。國內對卡爾多爐煉鉛的研究也較少。卡爾多爐煉鉛的問題主要集中在卡爾多爐上，如噴槍及噴頭、卡爾多爐部件、爐體耐火磚等，現均已部件國產化，但還有一個重要原因就是文丘里風機存在問題，風量達不到設計值，為維持生產，只能調大可調文丘里喉管開度，導致煙氣凈化效果差，影響生產[3]。文丘里風機需要改進，可使用數值模擬技術模擬文丘里風機流場進行研究。

熔池熔煉的主要工藝有艾薩法、奧斯麥特法、QSL法、水口山法（SKS法）、富氧側吹法。艾薩法和奧斯麥特法，使用富氧頂吹技術，即使用噴槍插入熔池中，直接充入空氣或富氧空氣、燃料、粉狀物料和溶劑或還原性氣體，在熔體中形成攪動，加快傳熱，依靠爐料中碳質還原劑使爐料發生一系列物理化學過程。但艾薩爐噴槍采用的燃料為柴油，存在成本高、燃燒區域不均勻等問題[4]。煉鉛奧斯麥特爐存在的問題有噴槍壽命短、煙氣溫度高和冶煉溫度高[5]。針對上述問題可以使用數值模擬技術，優化噴槍結構和爐內結構，改善冶煉爐所存在的問題。

QSL法、SKS法，使用氧氣底吹技術，其中SKS法是我國應用范圍最廣的一種采用氧氣底吹熔煉—鼓風爐還原煉鉛、煙化爐吹煉揮發爐渣中鉛鋅的生產工藝。但鼓風爐還原工藝仍存在能耗高、返料量大、成本高、煙氣余熱較難回收、環境污染嚴重等問題[6]。經過這些年的發展，利用數值模擬技術，國內逐漸開發出新工藝，較先進的鉛冶煉工藝主要是底吹氧化+底吹還原+煙化揮發工藝、底吹氧化+側吹還原+煙化揮發工藝、富氧頂吹+側吹還原+煙化揮發工藝[7]。即在氧化階段采用富氧底吹爐或富氧頂吹爐，還原階段通過液態高鉛渣直接還原的工藝，采用富氧底吹爐或是富氧側吹爐進行還原。

QSL法屬于熔池熔煉，使用富氧底吹技術，熔煉設備為QSL反應器。QSL法在國外應用較多，主要有德國Stolberg公司和韓國Onsan公司，國外兩家通過數值模擬技術，對QSL爐結構進行了重大改進，目前鉛生產能力穩定且高效，這兩個工廠采用的技術，實現了鉛鋅互補，產生了巨大的經濟效益，而且都成為本國處理廢蓄電池等含鉛廢料的中心，也產生了巨大的環境效益[8]。我國西北鉛鋅冶煉廠引進該技術后，因為設備問題等原因，未能實現工業化生產。富氧側吹煉鉛法，屬于熔池熔煉，是我國自行研發、具有自主知識產權的一種煉鉛工藝，核心設備是富氧側吹氧化爐和富氧側吹還原爐。

1.2 鋅冶煉工藝

鋅冶煉工藝可分為火法冶煉和濕法冶煉，現在大部分使用的濕法冶煉，其產量占國內鋅總產量的85%以上。火法煉鋅工藝有平罐和豎罐煉鋅、密閉鼓風爐煉鋅和電熱爐法煉鋅。平罐煉鋅法現已基本淘汰，豎罐煉鋅也僅有少數中小煉鋅企業采用。密閉鼓風爐煉鋅法，簡稱為ISP法，是一種可以同時冶煉鉛、鋅的方法，具有原料適應性強、工藝流程簡化、生產成本低等優點，但它同時也存在爐內易長爐結、爐頂以及耐火磚的使用壽命短、噴淋爐殼燒穿跑渣等問題。電爐煉鋅工藝，是利用電能轉化為熱能進行還原揮發冶煉氧化鋅物料，得到鋅蒸汽經冷凝獲得粗鋅的一種火法煉鋅方法[9]。冷凝器是電爐煉鋅的關鍵設備，冷凝系統的設計關乎生產的穩定性和安全性，可以通過數值模擬來模擬冷凝器流場，直流電爐有可能成為下一步電爐煉鋅的主體設備，需要數值模擬技術來研究電爐內部的運行工況。

2 鉛鋅冶煉爐數值模擬研究

近年來，數值模擬技術在鋼鐵、鐵合金、有色金屬冶煉等領域大放光彩。張振揚等[10]針對富氧底吹熔煉爐，運用數值模擬的方法，選擇VOF模型，對爐內氧氣-銅锍兩相流動進行三維瞬態模擬，研究了爐內氣泡主要參數、氣含率分布規律、氧槍出口附近壓力變化以及液面波動情況；王重君等[11]針對含碳球團氣基豎爐，對影響鐵冶煉豎爐內流場分布的可能的因素進行了數值模擬分析，得出了最優參數；Zhao Hong-liang等[12]針對銅冶煉的伊薩爐、奧斯麥特爐，采用數值模擬的方法，研究噴槍失效對流場、濺渣、噴槍壁面以及爐體的影響，分析出限制噴槍使用壽命的因素；Nadir Ali Khan等[13]利用CFD軟件ANSYS Fluent，針對工業規模銅閃速熔煉爐沉降器中的流場和熱場以及化學動力學進行研究，以此改進生產工藝。下面將主要介紹鉛鋅冶煉領域冶煉爐的數值模擬研究。

2.1 國內研究現狀

謝德成[14]在對基夫賽特爐煉鉛熔煉過程的數值模擬研究中，采用的方法為，在數學模型的設計上，考慮了氣、粒兩相流動，傳熱與組分傳輸，氣、粒兩相化學反應以及焦濾層反應等，建立了數學方程來得到需要的值，并結合物理幾何模型，建成了數值仿真模型，最后通過實際工業測試結果比對該模型數值仿真結果以確保模型準確性。解決了爐內的基本工況分析問題，如流場、溫度場、氣相濃度場以及顆粒軌跡分布特點。并利用數值模擬結果，模擬了焦炭粒徑對煉鉛過程的影響，對不同噴嘴操作方案進行比較、分析，發現不同噴嘴操作方案對爐內物理場分布影響很大，以此可以根據工況需求來選擇合適的噴嘴操作方案，對相關企業和從業人員提供指導和技術支持。該數值模擬還需進一步研究精礦噴嘴的結構與操作參數，探索噴嘴操作參數的優化配套方案，以強化熔煉反應。

LI Jia-dong等[15]研究了供氧方式對基夫賽特爐熔煉過程的影響問題。采用合理的供氧方式有助于實現顆粒與氧氣的均勻混合和完全反應，并能抑制高溫顆粒流對水冷壁的吸附和腐蝕。在方法上考慮氣粒兩相的傳熱和傳質行為后提出了合適的數學模型，在多相問題上以Euler法描述氣相，以Lagrange法描述粒相。通過ANSYS FLUENT模擬熔煉過程，結果表明：對于熔煉能力為50 000 kg/h的基夫賽特爐，其最優的供氧方式為中央氧與側向氧的質量比率取0.31，在該工況下，爐料的化學反應可以充分進行，同時也保證較低的煙塵率。

表1 基夫賽特爐熔煉過程主要數學模型方程Tab.1 Main mathematical model equation of smelting process of Kivcet furnace

劉方侃[16]針對富氧底吹煉鉛熔煉爐進行數值模擬研究，方法上采用VOF多相流模型和Realizable k-ε模型構成數學模型，通過水模型驗證數值模型精確性，以此模擬熔煉過程中的多相流體流動、熱量傳遞等行為。解決了底吹爐內基本工況的模擬問題，并釆用正交實驗方法以及矩陣分析方法，來研究底吹爐內關鍵結構與操作參數的最優化方案組合，結果表明：氧槍傾角15°、熔池深度1 420 mm、氧槍直徑25 mm、氧槍間距1 300 mm，各優化參數的影響的主次順序為：氧槍直徑影響＞熔池深度＞氧槍間距＞氧槍傾角，根據模擬結果可改進此富氧底吹爐可以提高其冶煉能力。該研究后續還應考慮到爐內冶金反應等因素對熔煉過程的影響，在優化目標上還應考慮更多的操作參數如噴氣壓力及流量等。

張紅亮等[17]對底吹煉鉛爐內的多相流模擬以及爐內運行規律進行了更深一步的研究。用耦合VOF三相流模型和標準 κ-ε湍流模型的方法，對底吹煉鉛爐內氣-渣-金屬三相流動過程進行模擬，建立與工業實踐的底吹煉鉛爐大小尺寸一致的物理模型，并通過對比文獻中水模型來驗證模型合理性。模擬結果表明：增大入口流速對熔煉效果有利，且最佳的氧槍傾角為5°～7°。該模擬雖只研究與優化了兩個因素對底吹爐工況的影響，但其優勢在于所建立的模型在研究其他參數對底吹爐工況的影響時依然適用，比如改變氧槍數目、噴氣角度等，是一種研究爐體結構和運行條件的好方法。

李衛鋒等[18]解決了采用液態高鉛渣直接還原工藝的底吹爐熱場分布問題，方法上將臥式底吹還原爐沿軸向簡要劃分為五個區間，并通過對出鉛口和排渣口的熱力學數據的采集，進行計算機模擬，得到了還原過程爐內的熱場分布以及各區域所發生的熔煉反應。該研究可為今后分析還原過程熱場分布的影響參數打下基礎，通過數值模擬繼續研究天然氣用量、氧氣用量、還原溫度、液態高鉛渣的成分及潛熱等參數，并得到最優化組合，實現液態高鉛渣直接還原工藝過程中的熱能高效利用，強化熔煉過程。

LIU Yan-ting等[19]針對根據富氧側吹爐原型建立的水模型進行研究。采用水力實驗的方法研究噴槍內氣體流速、噴槍浸沒深度以及噴槍傾斜角度對氣液兩相流動的影響，采用數值模擬的方法，選取了不同的湍流模型進行模擬，將模擬結果與實驗比對。結果表明，使用realizable k-ε湍流模型的數值模擬結果與實驗結果最為相近，氣流速度對液體內部流動情況影響較大，而噴槍浸沒深度影響相對較小。通過該研究可得知realizable k-ε湍流模型適用于富氧側吹爐多相流動模擬，但該研究僅是數值模型與實驗結果的對比，具體上，噴槍內流速如何對爐內熔煉工況影響以及應如何優化噴槍內氣體流速，適應各種工況，強化熔煉過程，是后續數值模擬的需要。

劉朝東[20]針對鉛鋅密閉鼓風爐，研究了爐內熔煉過程以及多相流動問題，將其分為一維問題和三維問題分開模擬。實現一維數值模擬的方法為，通過爐內主要反應過程建立了描述爐內熔煉過程的一維數學模型，基于Euler求解方法和VB程序語言開發了數值模擬程序，實現了一維數值模擬。結果表明，爐內區域可分為物料加熱帶、PbO還原帶、ZnO還原帶、焦炭氣化帶、焦炭燃燒帶五帶，通過此模型，研究了操作參數對熔煉過程的影響，如一次風量增加，爐氣和物料最高溫度會上升，爐內焦點區和物料還原帶的位置會上移，使物料還原速度加快。劉朝東通過商業軟件FLUENT，采用雙流體模型，對爐內冷態氣粒兩相流動進行了三維數值模擬，模擬爐內多相流動。并對不同一次風的風速、風管插入深度以及噴入角度等多組工況進行了數值模擬研究，結果表明：一次風的風速增加，風口回旋區增大，確定了最佳一次風風速應在265 m/s左右；一次風風口的插入深度與爐身下部料層中央的氣流速度成正比；一次風嘴向下傾斜的角度與爐身下部料層中央的氣流速度成反比，最佳一次風噴入角度在10°～20°之間。在今后可繼續結合該研究中兩個模型的特點，實現爐內的多相多場耦合的數值模擬研究。

屠世杰等[21]針對有底電極的直流煉鋅埋弧電爐的熔體部分，研究恒功率下不同的電極插入深度對熔體的焦耳熱場和溫度場的影響，得到了熔體內焦耳熱和溫度的分布情況。結合以上研究成果，屠世杰[22]又以單陽極電爐和三陽極直流埋弧電爐為數值模擬對象，模擬其內部的熱工過程，分析二者工況的異同。在對單陽極電爐的流場、溫度場數值模擬時，結合熔體內流動特征以及工業電爐內實際溫度分布情況，發現RNG k-ε模型更適用于爐內熔體湍流流動。對三陽極直流埋弧電爐的數值模擬結果表明：焦耳熱密度、電流密度、電壓降、熔體內高溫區主要集中在電極之間的區域；熔體與陽極接觸區域之間的垂直區域有利于擴散；與單陽極電路相比，三陽極直流埋弧電爐的溫度、速度分布的更加均勻，有利于擴大電爐內的有效容積。為節省資源，該研究所使用的模型僅為實體的四分之一模型，為了充分了解爐內工況，需使用全域模型進行模擬，爐內流場、溫度場等可能會發生變化。

2.2 國外研究現狀

在富氧頂吹煉鉛工藝中，使用頂部浸入式噴槍（TSL）技術將富氧空氣注入熔池，該技術在立式圓筒爐內使用浸入式垂直噴槍。通過噴槍，富氧空氣被注入熔池，對熔池產生了強烈的混合攪拌作用和相之間的良好接觸。NAZMUL HUDA等[21]用CFD方法模擬了冶金容器自由表面的飛濺、破碎和再凝固等流動現象。作者首先根據Morsi等人先前水模型實驗研究的現有實驗數據，驗證了熔池中速度場和湍流產生的模擬結果，再應用該模型測量了自由表面上方特定高度處不同液體密度的飛濺產生程度。作者還使用一種通常用于加熱、通風和空調系統模擬的方法（HVAC）研究對流混合現象，氣液兩相的模擬。最后根據目前的模擬結果，提出了一個半經驗公式，用于測量通過噴槍環形空間注入的空氣射流在模型圓柱形容器中的垂直穿透距離。

Robert Straka等[24]針對鉛鋅密閉鼓風爐不同鼓風參數下鋅高爐回旋區空腔形狀進行了研究。方法上使用開源軟件MFIX，模擬回旋區內的煙氣流動、焦炭顆粒的燃燒和氣化，使用FORTRAN語言來編譯其化學反應的求解器，建立了基于兩相數學模型的回旋區數值模擬。模擬結果表明，回旋區空腔深度的變化與鼓風量有關，與富氧量無關；回旋區空腔的高度與鼓風量和富氧量有關；死區的形狀在很大程度上取決于鼓風量，而富氧對其深度或寬度沒有任何影響。在ISP法中，回轉區空腔的形狀對鋅的生產起著重要的作用；死區的變化也會強化ISP的熔煉過程，研究此有助于進一步加強ISP技術。

3 結語

1）綜述了基夫賽特爐、氧氣底吹爐、鉛鋅密閉鼓風爐、富氧側吹爐、直流埋弧電爐、富氧頂吹爐的數值模擬研究，基本方法可總結為：①建立數學模型；②建立物理模型，包括幾何模型，網格劃分，確定邊界條件等；③模型驗證，包括水模型實驗驗證、文獻對比、實際工況對比等；④冶煉爐基本工況數值模擬；⑤輸出結果，云圖、折線圖，數據分析；

2）通過合適的物理模型與數學模型的結合，加以實驗驗證或真實現場數據的比對，可以有效、低成本、方便的了解冶煉爐內熔體的流動特性，把握壓力分布與流場的關系以及利用模擬結果，改變結構、操作參數，觀察冶煉爐內流場、溫度場等的變化，可為熔煉爐的優化設計方向提供一定的理論指導，實現冶煉爐的生產高效，最大限度的提升冶煉爐的熔煉水平。隨著科技不斷發展，數值模擬技術必然會對冶煉爐的優化起到越來越重要的作用，各種冶煉爐的未來優化方向也一定是更進一步的降低能源消耗和環境污染。