精礦噴嘴研究現(xiàn)狀與展望

王春艷

（江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013）

在熔煉技術(shù)中，閃速熔煉工藝因能耗低、爐氣質(zhì)量好、硫的利用率高、床能率高、脫硫率高等特點(diǎn)[1]，而取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。精礦噴嘴作為閃速熔煉工藝的關(guān)鍵設(shè)備，可將干燥的銅精礦、熔劑和工藝風(fēng)噴至高溫爐內(nèi)，瞬間完成物理、化學(xué)冶金反應(yīng)，達(dá)到造锍和造渣的目的。熔煉過(guò)程的順利程度以及生產(chǎn)技術(shù)水平等諸多指標(biāo)都與精礦噴嘴的性能相關(guān)，故從1949年發(fā)展至今，精礦噴嘴一直不斷地被研究和完善。

1985年，江西銅業(yè)公司貴溪冶煉廠（以下簡(jiǎn)稱貴冶）從日本和芬蘭引進(jìn)精礦噴嘴技術(shù)和設(shè)備，建成投產(chǎn)我國(guó)第一座閃速熔煉車間，奠定了我國(guó)閃速熔煉的技術(shù)基礎(chǔ)[2-3]。1997年，金隆閃速爐從芬蘭OUTOKUMPU公司首次引進(jìn)中央噴射型噴嘴，建成我國(guó)第二座閃速熔煉銅冶煉廠，實(shí)踐表明，該噴嘴性能優(yōu)良，適合于高投料量和高富氧熔煉[4]。2007年8月，貴冶通過(guò)在精礦噴嘴中央配置氧油燒嘴，建成新的30萬(wàn)t銅工程并投產(chǎn)，使貴冶總的礦產(chǎn)銅能力達(dá)到70萬(wàn)t/a[5]。

由于精礦噴嘴技術(shù)的復(fù)雜性，目前國(guó)內(nèi)均從國(guó)外進(jìn)口，需支付高額的生產(chǎn)許可證及設(shè)備費(fèi)用。為了減少投資，無(wú)論是設(shè)計(jì)單位還是使用單位，都期待國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、制造的精礦噴嘴問(wèn)世[6]。

1 精礦噴嘴的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

精礦噴嘴直接關(guān)系到熔煉的生產(chǎn)能力、燃料消耗、煙塵產(chǎn)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(lǐng)域重要的研究課題。目前，我國(guó)閃速熔煉技術(shù)走的基本路線是：引進(jìn)—吸收—消化—改進(jìn)。在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備后，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐和總結(jié)，我國(guó)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，吸收了大量的技術(shù)并進(jìn)行了消化，最后進(jìn)行研究改進(jìn)，提高精礦噴嘴的多項(xiàng)性能指標(biāo)，從而促進(jìn)了它的發(fā)展。以下從國(guó)內(nèi)最新的研究動(dòng)態(tài)，以及貴溪冶煉廠精礦噴嘴的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析、總結(jié)。

1.1 國(guó)內(nèi)精礦噴嘴的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

2000年，王偉等根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理及渦動(dòng)動(dòng)力學(xué)原理，改善了傳統(tǒng)精礦噴嘴在噴出口層流“傘”狀軌跡的問(wèn)題，增強(qiáng)該處湍流強(qiáng)度，增強(qiáng)混合強(qiáng)度，利用旋渦來(lái)對(duì)爐料與反應(yīng)風(fēng)進(jìn)行充分混合[7]。姚增權(quán)等推導(dǎo)出了簡(jiǎn)式旋流噴嘴流動(dòng)所遵守的一系列關(guān)系式，并給出了噴嘴的設(shè)計(jì)方法，對(duì)噴嘴國(guó)產(chǎn)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(zhǎng)反應(yīng)路徑，提出了“渦旋式新概念噴嘴”。中南大學(xué)謝鍇博士對(duì)超強(qiáng)化閃速熔煉精礦噴嘴（渦旋式精礦噴嘴）新結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真研究與開發(fā)，通過(guò)解決氧氣與精礦的高效混合、強(qiáng)化懸浮熔煉反應(yīng)、加強(qiáng)粒子間的碰撞還原、約束高溫高顆粒濃度的射流對(duì)反應(yīng)塔爐襯的蝕損等問(wèn)題，能將最大生產(chǎn)能力提高至閃速爐原計(jì)劃的4~5倍。

2004年，金川公司和中國(guó)有色工程設(shè)計(jì)研究總院在總結(jié)鎳閃速爐10年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出世界上第一臺(tái)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(nèi)完成閃速熔煉和渣貧化兩種不同的冶金工藝過(guò)程，由于爐渣在爐內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，有利于锍和爐渣的分離，同時(shí)又相應(yīng)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(yīng)用及改造現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，貴冶引進(jìn)技術(shù)和設(shè)備完成了一期年產(chǎn)10萬(wàn)t陰極銅項(xiàng)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(fù)壓，對(duì)下料有很好的引導(dǎo)作用，不會(huì)發(fā)生“頂料”和“漏料”現(xiàn)象[10]，但在投產(chǎn)初期，曾出現(xiàn)煙塵率高達(dá)12%的問(wèn)題，嚴(yán)重影響工廠經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)這一缺陷，劉英剛提出在精礦溜管上增加風(fēng)料混合器和從重油噴槍風(fēng)油輸送管與其保護(hù)套管間通入壓縮空氣等強(qiáng)化風(fēng)料混合的建議[11]。

20世紀(jì)90年代，貴冶在二期工程改造時(shí)將4個(gè)精礦噴嘴改為1個(gè)雙環(huán)式中央擴(kuò)散型精礦噴嘴，精礦處理量提高到140 t/h ~160 t/h。反應(yīng)塔富氧濃度高、煙塵率低、能耗低、維修和操作方便，但經(jīng)過(guò)投產(chǎn)兩年多后，暴露出一些不足，比如難以適應(yīng)精礦投料量的大范圍波動(dòng)、爐況差、產(chǎn)生“下生料”現(xiàn)象、振打器使用頻繁時(shí)容易損壞等問(wèn)題[12]。而該問(wèn)題主要是風(fēng)速不穩(wěn)定、內(nèi)外環(huán)出口處易粘結(jié)、出口處變形及分散錐易粘結(jié)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(diào)風(fēng)錐的中央精礦噴嘴，處理物料設(shè)計(jì)能力達(dá)到200 t/h。出口環(huán)部增設(shè)了銅質(zhì)冷卻水套，防止了出風(fēng)口的變形，穩(wěn)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(diào)風(fēng)錐的精礦噴嘴，設(shè)計(jì)處理能力為160 t/h。由于配置了氧油燒嘴，爐內(nèi)升溫快，溫度分布平衡，相對(duì)于三期改造的精礦噴嘴而言，產(chǎn)出的冰銅品位更均勻，煙塵的性能也得到了改善。

2 國(guó)內(nèi)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(tǒng)的文丘里型噴嘴相比，雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、精礦分散性好、氧利用率高、對(duì)反應(yīng)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(yōu)點(diǎn)，但國(guó)內(nèi)對(duì)OUTOKUMPU中央噴射型精礦噴嘴主要研究的方向?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)、功能、參數(shù)及運(yùn)行實(shí)踐。隨著生產(chǎn)的不斷進(jìn)行，在噴嘴的最優(yōu)化操作方面需進(jìn)行更深層次的探索和嘗試，最大限度地發(fā)揮中央噴射型精礦噴嘴的優(yōu)點(diǎn)和潛力。

中央噴射型精礦噴嘴的主要問(wèn)題表現(xiàn)在：

1）工藝風(fēng)、精礦或中央氧會(huì)發(fā)生偏流現(xiàn)象，部分精礦反應(yīng)不完全；

2）沉淀池內(nèi)易發(fā)生料堆，“下生料”嚴(yán)重；

3）不能充分利用有限的反應(yīng)空間；

4）投料量還有待進(jìn)一步提高；

5）反應(yīng)物對(duì)反應(yīng)塔易造成沖刷，耐火材料壽命較短。

當(dāng)然，也不應(yīng)該滿足于中央噴射型精礦噴嘴的改進(jìn)。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(shù)突破，那將是一次全新的技術(shù)革命，能產(chǎn)生重大的影響和意義，也能使我國(guó)的閃速熔煉技術(shù)真正立于世界前沿。

3 優(yōu)化精礦噴嘴性能的研究手段

在數(shù)學(xué)模擬技術(shù)被引入對(duì)冶金過(guò)程的研究之前，國(guó)內(nèi)的冶金工藝和熔煉過(guò)程主要是依靠實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，需要依賴長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)。而銅閃速爐是一個(gè)高溫、強(qiáng)氧化的密閉環(huán)境，無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的方法得到經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，只能對(duì)一些常見問(wèn)題提出改進(jìn)的意見，而不能對(duì)閃速爐體系進(jìn)行系統(tǒng)的研究，這使得國(guó)內(nèi)對(duì)閃速爐技術(shù)研究沒有歷史意義的突破。隨著計(jì)算機(jī)硬件和相關(guān)軟件的發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)閃速熔煉“高產(chǎn)率、高壽命、高產(chǎn)品質(zhì)量”和“低能耗、低污染”的“三高兩低”的生產(chǎn)目標(biāo)，數(shù)學(xué)模擬已經(jīng)成為今后冶金過(guò)程研究的一個(gè)重要手段。以CFX商業(yè)軟件為計(jì)算平臺(tái)，研究開發(fā)的銅閃速熔煉過(guò)程的仿真系統(tǒng)，將填補(bǔ)國(guó)內(nèi)銅閃速爐仿真與操作參數(shù)優(yōu)化技術(shù)的空缺。

數(shù)學(xué)模擬基于流體力學(xué)、計(jì)算傳熱學(xué)、計(jì)算燃燒學(xué)和冶金反應(yīng)工程學(xué)的原理，利用數(shù)值方法求解非線性方程聯(lián)立的質(zhì)量、動(dòng)量、能量、組分方程組，并進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，預(yù)報(bào)出流動(dòng)、傳熱以及燃燒過(guò)程的細(xì)節(jié)。CFD仿真是一種非常有效的研究銅閃速爐反應(yīng)塔內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)以及熱傳輸現(xiàn)象的手段，對(duì)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(shù)的前沿，就必須改變傳統(tǒng)的研究手段，使用更加先進(jìn)的CFD技術(shù)來(lái)研究閃速爐內(nèi)部的流場(chǎng)、濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、燃燒釋熱場(chǎng)以及顆粒的軌跡變化、溫度變化和化學(xué)反應(yīng)。

國(guó)內(nèi)很多高校加強(qiáng)了對(duì)計(jì)算機(jī)模擬在閃速熔煉中的應(yīng)用，其中，貴溪冶煉廠蔣建興對(duì)原有目標(biāo)銅锍溫度控制模型進(jìn)行了修改，達(dá)到提高計(jì)算機(jī)控制質(zhì)量的目的[13]。中南大學(xué)譚鵬夫等修正了數(shù)據(jù)模型，對(duì)貴溪冶煉廠閃速熔煉過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬[14]。西安交通大學(xué)萬(wàn)維漢等利用自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法建立了鎳閃速爐模型，以較為準(zhǔn)確地反映鎳閃速爐的運(yùn)行過(guò)程[15]。清華大學(xué)李欣峰等研究了流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及顆粒軌跡，在CFD軟件中進(jìn)行了仿真，并將試驗(yàn)溫度與仿真溫度進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性。中南大學(xué)陳紅榮等建立了顆粒相和氣相模型以及一些化學(xué)反應(yīng)模型，來(lái)模擬OUTOKUMPU閃速爐的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、釋熱場(chǎng)，仿真得到了對(duì)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(jìn)的研究手段外，由于精礦噴嘴的設(shè)計(jì)不是孤立的，而是和整個(gè)熔煉反應(yīng)過(guò)程、閃速爐的各個(gè)組成模塊和諧統(tǒng)一的，是多空間的高溫復(fù)雜過(guò)程，因此，對(duì)于精礦噴嘴的設(shè)計(jì)與改進(jìn)是多種因素耦合的結(jié)果?；诰V噴嘴研究的復(fù)雜性，在其技術(shù)的改進(jìn)過(guò)程中，需要采用高校與研究院一起合作戰(zhàn)略方式，充分利用國(guó)內(nèi)有利的學(xué)術(shù)資源，努力推動(dòng)閃速研究技術(shù)的迅速發(fā)展。比如，金川第一冶煉廠和西北工業(yè)大學(xué)就對(duì)精礦噴嘴的研究進(jìn)行了合作。

因此，如果要在技術(shù)水平上走在世界的前列，應(yīng)該更加注重科學(xué)前沿技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，得到重要的理論依據(jù)，再在試驗(yàn)過(guò)程中得到驗(yàn)證，最后對(duì)該技術(shù)加以利用并推廣，才能不斷推動(dòng)精礦噴嘴高科技研究的發(fā)展。經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研，目前精礦噴嘴重點(diǎn)研究的方向有：

1）精礦的反應(yīng)機(jī)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(yīng)耦合過(guò)于復(fù)雜，熔煉反應(yīng)機(jī)理還需要深入的研究。

2）國(guó)內(nèi)已有學(xué)者建立銅閃速爐反應(yīng)塔的二維柱坐標(biāo)系模型，考慮到了顆粒相的湍動(dòng)與擴(kuò)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(jìn)一步的研究。在仿真模型中，還要考慮到顆粒對(duì)壁面的沖刷與掛渣等問(wèn)題，同時(shí)要綜合考慮塔內(nèi)傳熱、傳質(zhì)、燃燒以及反應(yīng)過(guò)程，才能建立更加精確的模型。

3）中南大學(xué)謝鍇博士提出工藝風(fēng)內(nèi)外環(huán)出口風(fēng)速和旋流數(shù)的控制對(duì)渦旋式超強(qiáng)化噴嘴（旋渦式噴嘴）的功能至關(guān)重要，這部分技術(shù)有重大的研究?jī)r(jià)值。

4）為了驗(yàn)證系統(tǒng)仿真結(jié)果的可靠性及工程指導(dǎo)意義，需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試部門與測(cè)試手段研究工作的大力支持。國(guó)內(nèi)相關(guān)冶煉企業(yè)只有為相應(yīng)研究單位創(chuàng)造條件，進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和對(duì)比，許多量化的工作及參數(shù)才有可能得到解決，才有可能將總結(jié)出的理論投放到實(shí)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(fù)引進(jìn)技術(shù)和花費(fèi)大量的外匯，更重要的是打破國(guó)外對(duì)閃速熔煉關(guān)鍵技術(shù)的壟斷，可以大大提高國(guó)內(nèi)有色冶煉技術(shù)水平在國(guó)際市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。既可帶來(lái)巨額經(jīng)濟(jì)效益，也可節(jié)約資源，還有利于環(huán)境保護(hù)。因此，精礦噴嘴的研究具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)家技術(shù)前瞻研究組也提出要研制具有我國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的閃速熔煉關(guān)鍵裝備技術(shù)，這充分說(shuō)明國(guó)家對(duì)銅冶煉技術(shù)的重視，對(duì)閃速爐產(chǎn)業(yè)化的迫切希望。