頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉過程反應速率數(shù)模研究

陳志剛，鄒賢，張源，涂百樂，周斌

（安徽銅陵有色稀貴金屬分公司，安徽銅陵，244021）

頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉過程反應速率數(shù)模研究

陳志剛，鄒賢，張源，涂百樂，周斌

（安徽銅陵有色稀貴金屬分公司，安徽銅陵，244021）

本文依據(jù)界面更新理論，研究了頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉過程數(shù)學模型，分析了吹煉階段限制性環(huán)節(jié)，提出了頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉速率公式，并以生產(chǎn)數(shù)據(jù)加以驗證，最終獲得頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉實踐操作較優(yōu)工藝參數(shù)。實踐證明：參數(shù)選擇與運用具有比較優(yōu)勢。

頂吹轉(zhuǎn)爐；吹煉；反應速率；數(shù)模研究

引言

頂吹轉(zhuǎn)爐又稱為氧氣斜吹轉(zhuǎn)爐，由于爐體傾斜，反應面積增加，同時爐體不斷地旋轉(zhuǎn)，不斷更新反應界面，顯著提高了反應速度［1］。所以頂吹轉(zhuǎn)爐常用來處理那些成分復雜、處理難度大的復雜物料。

頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉為周期性作業(yè)，一臺爐子內(nèi)完成熔煉、吹煉（精煉）作業(yè)過程。有價金屬主要在熔煉階段被還原富集，賤金屬及雜質(zhì)元素主要在吹煉階段以氧化造渣方式和煙塵形式除去［2］。

本文依據(jù)界面更新理論［3］，研究建立頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉階段數(shù)學模型，進而研究頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉過程速率公式并以生產(chǎn)數(shù)據(jù)加以驗證，并獲得頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉實踐操作較優(yōu)工藝參數(shù)。

1 頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉階段限制性環(huán)節(jié)分析

在吹煉階段中，吹煉噴槍往爐內(nèi)吹入高壓壓縮空氣，壓縮空氣吹開熔體表面渣層，與熔體直接接觸發(fā)生氧化反應，氧化物造渣——吹煉渣。

這些氧化反應是典型的氣液反應［4］，反應主要步驟有：①壓縮空氣中的氧氣向熔體表面?zhèn)髻|(zhì)；②氧氣與熔體中物質(zhì)發(fā)生反應；③固體產(chǎn)物造渣，氣體產(chǎn)物逸出。

在吹煉階段，爐內(nèi)溫度高達1200℃，各類反應極為迅速，吹煉渣浮于熔體表面，和殘存的熔煉渣聚集在一起，嚴重阻礙壓縮空氣向熔體中的進一步傳質(zhì)。因此，②③為非限制性環(huán)節(jié)，①是吹煉過程限制性環(huán)節(jié)，針對限制性環(huán)節(jié)建立數(shù)學模型。

2 限制性環(huán)節(jié)數(shù)學模型

2.1噴嘴與液面臨界距離公式

在吹煉作業(yè)中，當噴嘴壓縮空氣壓力達到臨界壓力時，壓縮空氣會吹開噴嘴周圍渣層，新反應界面與氧氣持續(xù)反應。液面和液面最上面渣粒A建立數(shù)學模型（見圖1）。

圖1　液面和液面最上面渣粒數(shù)學模型

所以，噴嘴周圍反應界面更新速率是影響頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉速率的關鍵因素。假設噴嘴出口壓力為P0，噴嘴面積為S0，噴嘴與液面的臨界距離L0，噴射角的一半為β，壓縮空氣到達液面時壓力為P液，噴射面積為S液。那么：P0·S0=P液·S液（1）又S液=π（L0tanβ）2（2）那么：

當渣粒A受到的噴嘴空氣壓力F斜面方向分壓力F1和重力G斜面反方向分力F2平衡時，此時渣粒被吹開，露出新反應界面，有

F1= P·SA·sinβ （4）

F2=GA·sinα （5）

當F1=F2，整理并對微粒半徑rA積分，積分區(qū)間［0，L0tanβ］，得噴嘴與液面的臨界距離L0為

K——設計系數(shù)；

P0——噴嘴出口壓力；

ρA——渣的比重；

g——重力加速度；

α——液面傾斜角；

β——噴嘴噴射角的一半。

噴嘴與液面的實際距離為L，當L＞L0時，噴嘴壓縮空氣到達液面時的壓力不足以吹開液面的渣層，吹煉反應緩慢；當L＜L0時，吹煉反應能夠快速發(fā)生，但L進一步減少時，吹開面積減小，吹煉速率反而減小。只有當L=L0時，吹煉反應最快。

2.2頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉反應速率公式

未通入壓縮空氣前，當微粒球團隨爐轉(zhuǎn)動到X位置時，球團所在料面的傾角為α，微粒球團受到豎直向下的重力G和爐體轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的離心力F向，對微粒球團建立數(shù)學模型（見圖2）。

當微粒球團爐壁切線方向的重力分力和摩擦力相等，微粒球團處于臨界狀態(tài)，此時：

圖2　未通入壓縮空氣前微粒球團數(shù)模

則熔體線速度為：其中：

R1，2——最外圍、最內(nèi)層熔體到爐中心的距離；

f1，2——最外圍熔體與爐壁、熔體層間的摩擦系數(shù)。

熔體各點角

爐內(nèi)參與反應的熔體厚度

熔體頂端至底端的距離為L長，爐內(nèi)熔體總面積

爐體轉(zhuǎn)速為n（rad/min），角速度ω，Δt時間熔體轉(zhuǎn)動角度為∠A=ωΔt。

Δt時間內(nèi)，參與反應的物料體積ΔV和物料量Δm分別為

?1與?2均與熔體黏度η有關［5］，令?1=c·η，?2=d·η，，c、d均為常數(shù)，反應速率

依據(jù)阿侖尼烏斯公式［6］，C'η是一個與溫度有關的函數(shù)，用?（T）表示。同時將固定值tan2β和爐膛半徑R寫入?（T）內(nèi)，反應速率表達式為

其中：

VC——吹煉階段爐內(nèi)的反應速率；

?（T）——與溫度有關的函數(shù)；

L0——噴嘴與反應液面的臨界距離；

L——噴嘴與反應液面的作業(yè)距離；

CM——熔體內(nèi)反應物的濃度；

v0——頂吹轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速。

3 生產(chǎn)驗證

3.1轉(zhuǎn)速驗證

根據(jù)第2節(jié)計算公式，當壓縮空氣流量為1200Nm3/h，吹煉溫度分別為1373K、1473K和1573K時，繪制不同溫度、不同轉(zhuǎn)速時反應速率曲線（見圖3）。

圖3　轉(zhuǎn)速與吹煉反應速率關系曲線

從圖3可看出：隨著轉(zhuǎn)速提高，反應速率大幅提高，與轉(zhuǎn)速三次方成正比。生產(chǎn)與數(shù)模高度吻合。

3.2噴嘴作業(yè)距離驗證

當轉(zhuǎn)速、吹煉溫度、壓縮空氣流量分別保持10rpm，1473K、1200Nm3/h，噴嘴到液面的距離分別為100mm、200mm、300mm、400mm時，繪制不同噴嘴作業(yè)距離時反應速率曲線（見圖4）。

圖4　噴嘴作業(yè)距離與吹煉反應速率關系曲線

從圖4可以看出：噴嘴到反應界面有一個臨界距離，當作業(yè)距離小于臨界距離時，反應速率與距離的平方成正比；反之，反應速率減小，公式不適用。生產(chǎn)與數(shù)模高度吻合。

4 結論

對頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉過程建立數(shù)學模型，研究并驗證了吹煉階段反應速率公式。從驗證結果來看，反應速率公式是合理正確的，獲得頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉階段較優(yōu)工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速8 rpm～12 rpm；噴嘴高度

200 mm。

［1］羅慶文. 有色冶金概論［M］. 北京: 冶金工業(yè)出版社， 2007.

［2］黎鼎鑫， 王永錄.貴金屬提取與精煉: 第2版［M］.湖南: 中南工業(yè)大學出版社， 2001.

［3］鄧修， 吳俊生. 化工分離過程［M］.北京: 科學出版社， 2000.

［4］傅崇說. 有色冶金原理［M］. 北京: 冶金工業(yè)出版社， 1984.

［5］王志魁，劉立英， 劉偉.化工原理: 第4版［M］. 北京: 化學工業(yè)出版社， 2010.

［6］梁英教.物理化學: 第2版［M］. 北京: 冶金工業(yè)出版社， 1992.

陳志剛（1976-），男，湖北廣水人，本科學歷，高級工程師，主要從事冶煉技術工作。

E-mail: ahchenzg@163.com

鄒賢（1988-），女，陜西漢中人，本科學歷，助理工程師，主要從事冶煉技術工作。

E-mail: zoxian@foxmail.com

張源（1957-），男，山西太原人，本科學歷，教授級高工，主要從事冶煉技術工作。

E-mail: zhangyuan@tlys.cn

涂百樂（1975-），男，安徽潛山人，冶煉工程師、注冊安全工程師，主要從事貴金屬生產(chǎn)與研究工作。

E-mail: 1052065772@qq.com

周斌（1990-），男，湖南衡陽人，本科學歷，助理工程師，主要從事冶煉技術工作。

E-mail: 1214634860@qq.com

Mathematical Model Study on Reaction Rate of Top-blown Converter Converting Process

Zhigang Chen， Xian Zou， Yuan Zhang， Baile Tu， Bin Zhou（Tongling Nonferrous Metals Rare & Precious Metals Subsidiary Co.， Tongling， Anhui， 244021， China）

This paper establishes a mathematical model of top-blown converter converting process in accordance with interface updating theory and thereby engages in research on a formula of top-blown converter converting rate and verify with production data. In practical operation of top-blown converter converting， the model has achieved better technical parameters.

Top-blown Converter； Converting； Reaction Rate； Mathematical Model

TF801.2

A

2095-8412 （2016） 04-621-03

工業(yè)技術創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.010