底吹熔煉爐銅锍流體動力學(xué)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(shù)產(chǎn)權(quán)的底吹熔煉爐，以其節(jié)能高效、安全環(huán)保、原料適應(yīng)性強(qiáng)，能夠處理復(fù)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(qiáng)大優(yōu)勢，使得我國的有色金屬冶煉躋身于國際領(lǐng)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(jìn)一步探討深化、系統(tǒng)化；技術(shù)細(xì)節(jié)上需要進(jìn)一步改進(jìn)、完善、優(yōu)化；實(shí)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(jié)構(gòu)形態(tài)上進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)入手，優(yōu)化底吹熔煉爐的銅锍流體動力學(xué)運(yùn)行態(tài)勢，達(dá)到進(jìn)一步提高熔煉效率的目的。

冶煉的過程是一個化學(xué)反應(yīng)與物理反應(yīng)同時進(jìn)行、相互影響的過程；是一個分解、化合、置換的綜合反應(yīng)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(yùn)動過程。底吹冶煉是一個利用礦物料與氧氣間進(jìn)行分解、化合、置換反應(yīng)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(jìn)行的反應(yīng)過程；是一個礦物料因氧的參于由固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)換過程。反應(yīng)中生成的銅锍熔液，在氧槍射流的原始?xì)鈩恿?、反?yīng)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(jìn)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(zhì)和新生物質(zhì)的不同比重發(fā)生沉降分層，分別釋放排出，實(shí)現(xiàn)冶煉的全過程。

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

1. 反應(yīng)區(qū)：是礦物料與氧氣發(fā)生反應(yīng)，由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)形成銅锍，并進(jìn)一步加熱降低其粘稠度，并在劇烈的湍流與旋流中反復(fù)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(yīng)區(qū)，在允許條件范圍內(nèi)，攪拌越劇烈越好，溫度越高越好。

2. 沉降區(qū)：是各種化學(xué)反應(yīng)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(zhì)和新生物質(zhì)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(shè)置反應(yīng)區(qū)和沉降區(qū)的目的和達(dá)此目的所需要的條件，也就不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)實(shí)踐中的局限和進(jìn)一步改進(jìn)，優(yōu)化的方向。

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

氧槍于爐體正下方縱向單排垂直設(shè)置，其優(yōu)點(diǎn)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(yīng)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(hù)氧槍，延長氧槍的使用壽命。

氧槍正下方垂直設(shè)置，氧槍射流產(chǎn)生的氣動力與反應(yīng)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(zhuǎn)化消失，利于由動態(tài)向靜態(tài)轉(zhuǎn)換，為銅锍的沉降分層提供更多空間和時間。其缺點(diǎn)和不足是：單一的渦流攪拌作用差，反應(yīng)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(nèi)目標(biāo)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(shè)置，其優(yōu)點(diǎn)是：（1）氧槍雙排不同角度設(shè)置，橫向覆蓋面寬，反應(yīng)區(qū)域大，反應(yīng)迅速，充分徹底。（2）氧槍的有角度設(shè)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(yīng)提供了更多空間和時間機(jī)會，反應(yīng)更徹底。（3）氧槍的有角度設(shè)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(cè)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(shí)踐中，底吹熔煉爐的結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計(jì)采用圓桶形水平臥式方案，一端為進(jìn)料、吹氧的反應(yīng)區(qū)，一端為出氣、排渣、放锍的沉降區(qū)。此種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是爐體重力平衡好，按裝和使用過程中穩(wěn)定牢固，缺點(diǎn)是爐體內(nèi)兩端熔液等深，吃料多，熔液深時于反應(yīng)端的氧槍噴射動力和反應(yīng)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(nèi)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(shí)踐中的底吹熔煉爐的大體結(jié)構(gòu)形態(tài)，氧槍數(shù)量和對熔煉銅锍在動力學(xué)上的影響和形成的運(yùn)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(shù)實(shí)踐中的問題和不足、改進(jìn)方向和突破點(diǎn)。據(jù)此，提出以下改進(jìn)方案供業(yè)內(nèi)人士進(jìn)行探討：

1. 氧槍的設(shè)置問題：氧槍既是底吹熔煉爐內(nèi)熔锍運(yùn)行的最初原動力和反應(yīng)熱動力的基本來源，也是決定熔锍運(yùn)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(jìn)行沉降分層的環(huán)境發(fā)揮著重要作用。同時，氧槍的科學(xué)設(shè)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(xué)的選擇、設(shè)置和安裝氧槍是底吹熔煉爐成敗優(yōu)劣的最重要技術(shù)要素之一。

怎樣設(shè)計(jì)、設(shè)置、安裝氧槍？筆者認(rèn)為：于反應(yīng)區(qū)底部兩側(cè)，雙排相向交叉、小俯角、奇數(shù)設(shè)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(shè)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(shè)置、布排氧槍。其氧槍射流在熔锍內(nèi)形成漏斗狀三維面性反應(yīng)中心區(qū)，由面性反應(yīng)中心區(qū)承接并打散進(jìn)料口落料，在放熱反應(yīng)熔融中進(jìn)入湍流和旋流的均混過程。它較之現(xiàn)行技術(shù)的線性或點(diǎn)性反應(yīng)中心，擴(kuò)大了料、氧、熱的接觸面和反應(yīng)空間、而減弱了反應(yīng)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(yùn)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(nèi)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(jìn)入沉降區(qū)。

氧槍射流小俯角的設(shè)計(jì)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(nèi)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(yīng)中心與兩側(cè)爐壁間的等距離，均衡劇烈反應(yīng)對爐壁的沖擊和侵蝕。

2. 針對現(xiàn)行實(shí)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(yīng)端，降低熔爐的沉降端，其傾斜的結(jié)果是：造成了熔爐內(nèi)銅锍漸進(jìn)的反應(yīng)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(yīng)端銅锍淺，有利于氧槍射流的原動力與反應(yīng)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(yīng)距離縮短的缺陷，可因氧槍小俯角設(shè)置的方式加以彌補(bǔ)。

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?yàn)槿垡褐械亩嘟饘俪两岛蜌堅(jiān)√峁└罂臻g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?jiān)儍舳雀?，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(qiáng)度。

3. 由于銅锍在反應(yīng)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(jìn)行沉降，也由于放锍和排渣端液面的垂直距離加長，銅锍內(nèi)高比重貴金屬離子更易于沉降聚集于爐腔內(nèi)沉降端的底角最底層，以此可考慮設(shè)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(shè)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(lǐng)先地位的底吹熔煉爐在結(jié)構(gòu)、形態(tài)方面的基本現(xiàn)狀和主要優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行了扼要的分析，對比評價，也提出了對底吹熔煉爐在結(jié)構(gòu)、形態(tài)方面進(jìn)行調(diào)整、改進(jìn)的理念和方案，其目的就是力圖從冶煉銅锍流體動力學(xué)的認(rèn)識上，探尋一條更符合其運(yùn)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(shù)產(chǎn)權(quán)的有色金屬底吹熔煉技術(shù)以更高效率、更好效果、更安全環(huán)保，對礦石原材物料適應(yīng)能力更強(qiáng)的全新姿態(tài)占據(jù)技術(shù)前沿，持續(xù)確保其領(lǐng)先地位。