呂 南 袁朝新 孫彥文

(1.北京礦冶研究總院，北京 1001602.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

等離子體在熔體空間內(nèi)是通過氣體分子和原子的電離與復(fù)合、分解與復(fù)合創(chuàng)造出一種強(qiáng)烈振動(dòng)的氣相環(huán)境。振動(dòng)氣相環(huán)境作用于金屬熔體表面，使后者也進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài)，可以加大液態(tài)金屬與振動(dòng)的氣相間的接觸面積，為反應(yīng)物輸送和化合物擴(kuò)散提供良好條件，對(duì)加快化學(xué)反應(yīng)的速度與深度發(fā)揮著極大作用[1，2]。利用等離子體高溫、高焓、能量集中等特點(diǎn)，依靠其瞬間高溫打破銅渣中無定形玻璃體包裹，使銅粒子聚集長(zhǎng)大。利用在惰性氣體或還原性氣體保護(hù)下的石墨電極產(chǎn)生的等離子氣體提高銅渣溫度，可降低銅渣氧勢(shì)，可使銅渣得以貧化。

目前，國(guó)外的一些研究學(xué)者對(duì)等離子體貧化銅渣進(jìn)行了研究，但關(guān)于其實(shí)驗(yàn)具體操作與數(shù)據(jù)說明較少，還待考證。國(guó)內(nèi)尚無該領(lǐng)域的文獻(xiàn)報(bào)道。隨著科技的發(fā)展，等離子氣體化學(xué)也在不斷發(fā)展，冶金工作者越來越關(guān)注如何利用低溫等離子氣體的化學(xué)活性來強(qiáng)化氧化物的還原過程[3-7]。但是由于等離子氣體的復(fù)雜特性，目前無論在理論上還是實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于等離子體自身對(duì)金屬氧化物還原過程影響的研究，都沒有非常明確的結(jié)論。

本研究是國(guó)內(nèi)首次將等離子體技術(shù)應(yīng)用于銅渣貧化領(lǐng)域的研究，該研究可為銅渣貧化探索出一條新的途徑。由于目前市場(chǎng)上的等離子體爐無法滿足實(shí)驗(yàn)研究要求，迫切需要開發(fā)研制一種用于銅渣貧化的小型等離子體實(shí)驗(yàn)爐。為合理選取電源電壓、功率及優(yōu)化爐子電極位置提供依據(jù)，本文通過COMSOL Multiphysics軟件模擬研究了小型等離子體銅渣貧化爐爐腔內(nèi)部等離子體電子密度的分布情況，并對(duì)爐體、電源系統(tǒng)、等離子體發(fā)生系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

1 等離子體銅渣貧化爐的結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1為自行開發(fā)研制的、可應(yīng)用于等離子體銅渣貧化試驗(yàn)的小型等離子體銅渣貧化爐。整個(gè)貧化爐包括爐體、電源系統(tǒng)、等離子體發(fā)生系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)。該設(shè)備可處理銅渣100 kg/爐，采用Ф50 mm的可升降石墨電極，內(nèi)開Ф10 mm小孔，插入Ф8 mm×1.5 mm鋼管通入工作氣體在爐腔內(nèi)產(chǎn)生等離子體進(jìn)行銅渣貧化。爐頂開四個(gè)孔，進(jìn)料孔和煙道孔共用，為DN 350的開孔。爐頂對(duì)稱開兩個(gè)DN 150的石墨電極孔，另一側(cè)開DN 200的取樣孔一個(gè)。爐體底部開一個(gè)DN 200的排料孔，工作時(shí)用耐火泥堵住，排料時(shí)打開。

1—爐體；2—取樣孔；3—電極孔；4—電極升降裝置；5—石墨電極；6—進(jìn)料口/煙道；7—排渣口圖1 等離子體銅渣貧化爐Fig.1 Plasma copper slag dilution furnace

該貧化爐的工作原理是：利用等離子體貧化銅渣，通過調(diào)節(jié)電源功率使等離子體發(fā)生器達(dá)到可以激發(fā)產(chǎn)生等離子體的狀態(tài)，依靠在惰性氣體或還原性氣體保護(hù)下的石墨電極在爐體內(nèi)將工作氣體等離子化，添加少量還原劑并憑借低溫等離子氣體的化學(xué)活性來強(qiáng)化氧化物的還原過程。同時(shí)等離子體高溫、高焓、能量集中，可利用其具有的瞬間高溫，打破渣中無定形玻璃體包裹，使銅粒子聚集長(zhǎng)大，靜置沉降分離，降低貧化渣含銅量。

2 等離子體爐爐腔內(nèi)等離子體電子密度模擬計(jì)算

對(duì)低壓下等離子體爐爐腔內(nèi)的電子密度進(jìn)行模擬計(jì)算。利用COMSOL Multiphysics軟件并結(jié)合有限元的方法，建立數(shù)學(xué)模型，通過求解電子密度和平均電子能的漂移擴(kuò)散方程來計(jì)算電子密度和平均電子能[8]。分析爐內(nèi)電子密度分布情況，為合理選擇電源電壓，優(yōu)化電極位置提供依據(jù)。

2.1 腔體模型的建立與網(wǎng)格劃分

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，研制的等離子體銅渣貧化爐處理能力為100 kg/爐。其爐膛呈圓臺(tái)狀，下底半徑為0.18 m，上底半徑為0.29 m，高為0.4 m。等離子體發(fā)生器采用V型石墨電極結(jié)構(gòu)，陰極和陽極規(guī)格型號(hào)相同，直徑50 mm。將等離子體爐設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)化，并按照1∶1的比例進(jìn)行繪制建模，繪制得如圖2a所示的設(shè)備腔體簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。圖中白色代表石墨電極，灰色代表等離子爐腔體即為氣體碰撞放電的空間。在對(duì)等離子體進(jìn)行模擬的過程中，模型的收斂性是很致命的問題，所以本次模擬主要采用了自由三角形的網(wǎng)格，同時(shí)針對(duì)壁處進(jìn)行了網(wǎng)格的優(yōu)化。圖2b是網(wǎng)格劃分的結(jié)果。

圖2 簡(jiǎn)化處理后的初始結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分Fig.2 Simplified initial structure and meshing

2.2 模擬計(jì)算結(jié)果分析

以氬氣為工作氣體，模擬了不同放電電壓對(duì)爐腔內(nèi)電極間電子密度的分布影響，在電極兩端分別施加70、80、90、100、110、120 V的電壓，研究不同電壓下兩電極間電子密度的變化情況，對(duì)所得結(jié)果作圖分析。圖3為100 V電壓下，模擬計(jì)算等離子爐腔體內(nèi)氬氣等離子體電子密度分布圖和真實(shí)爐體內(nèi)氬氣等離子體的分布照片。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在爐內(nèi)電極之間等離子體電子密度較大，氣體在兩極間被擊穿并發(fā)生碰撞產(chǎn)生等離子體。

圖3 爐內(nèi)表面電子密度云圖與爐內(nèi)電子密度分布圖Fig.3 Electron density distributions on the surface of inner furnace and in furnace

通過對(duì)比不同電壓下爐腔內(nèi)兩電極間等離子體電子密度的分布曲線，對(duì)電子密度分布情況進(jìn)行研究。圖4所示為爐內(nèi)電極間電子密度隨電壓變化的分布圖。從圖4可以看出，隨著電壓的增大，電子密度不斷增大；當(dāng)電壓低于90 V時(shí)，電子密度維持在1010數(shù)量級(jí)左右，當(dāng)電壓升至90 V，此時(shí)電子密度突然大幅度增加到1014～1015數(shù)量級(jí)。這是因?yàn)?，產(chǎn)生了持續(xù)放電所必需的二次電子所導(dǎo)致的。電壓低于90 V時(shí)，電子主要分布在陽極附近，電壓高于90 V時(shí)，電子在正負(fù)極之間都有較大密度分布。

圖4 電子密度分布隨電壓變化圖Fig.4 Graph of electron density distribution with voltage

根據(jù)模擬結(jié)果，等離子體電源設(shè)計(jì)為輸出最高電壓600 V，最高電流300 A的直流整流電源。電極位置過低可能會(huì)導(dǎo)致耐火材料受損嚴(yán)重，過高可能會(huì)導(dǎo)致熔體中電子分布不均勻，在后續(xù)設(shè)備操作中要將電極升降至合適的位置。

3 等離子體銅渣貧化實(shí)驗(yàn)爐研制

通過測(cè)試和對(duì)比計(jì)算，選擇出抗渣性、抗沖刷性好的耐火材料和保溫效果好的保溫材料。借助計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)軟件，對(duì)爐體結(jié)構(gòu)、升降裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，完成爐體、電源系統(tǒng)、等離子體發(fā)生系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)等的選型設(shè)計(jì)，研制出一種體積小、保溫效果好、操作簡(jiǎn)潔方便的小型等離子體銅渣貧化爐。

3.1 爐體結(jié)構(gòu)

等離子體銅渣貧化實(shí)驗(yàn)爐是通過產(chǎn)生等離子體作用于銅渣，利用其瞬間高溫打破渣中無定形玻璃體包裹，使銅粒子聚集長(zhǎng)大，進(jìn)而貧化。這就要求爐內(nèi)具有良好的保溫效果。對(duì)于爐殼，最高溫度不超過60 ℃，以免對(duì)周圍環(huán)境及人員操作產(chǎn)生影響。以一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱為基礎(chǔ)，計(jì)算選取合適的耐火材料，保溫材料和外層不銹鋼板，計(jì)算爐體耐火保溫層厚度，并最終確定高溫爐爐體的結(jié)構(gòu)。

3.1.1 耐火層

等離子體銅渣貧化爐內(nèi)局部最高溫度可達(dá)1 500～1 600 ℃，耐火層是等離子體銅渣貧化爐爐體最內(nèi)側(cè)的一層，它直接與等離子體和銅渣熔體接觸，因此它的溫度是爐體中最高的。這就要求耐火層的材質(zhì)耐高溫，且具有良好的抗渣性、抗沖刷性和抗熱震性。

選用抗侵蝕性和抗熱震性好的鋁鉻磚作為此次研制的等離子體銅渣貧化爐耐火材料。對(duì)于該工況，當(dāng)磚中鋁和鉻的氧化物含量之和大于80%時(shí)，具有很好的應(yīng)用效果。根據(jù)爐體形狀，該等離子體銅渣貧化爐由不同規(guī)則的異型磚砌筑而成。

3.1.2 保溫層

在耐火層和爐體外殼之間設(shè)置一層保溫層，對(duì)爐內(nèi)起到保溫作用，可為在爐內(nèi)進(jìn)行的銅渣貧化提供一個(gè)適當(dāng)?shù)母邷丨h(huán)境。保溫層的材質(zhì)和厚度決定了保溫效果，也決定了爐子的能源利用效率。因此，保溫層是爐體結(jié)構(gòu)中最重要的部分。

對(duì)保溫層采用航天級(jí)耐火保溫涂料與(黏土磚+硅酸鋁棉)的兩種保溫方式進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比，表1列出了兩種不同保溫方式所需設(shè)計(jì)的保溫層厚度。由表1可知，采用耐火保溫材料可以大大降低保溫層的厚度，從而減小爐體尺寸，利于后期排渣操作。

表1 兩種保溫方式對(duì)比Table 1 Comparison of two heat preservation methods

等離子體銅渣貧化實(shí)驗(yàn)爐的保溫材料選用航天級(jí)耐火保溫涂料，涂刷于爐體鋼結(jié)構(gòu)外殼與耐火材料之間。涂層的導(dǎo)熱系數(shù)極低，只有0.03 W/(m·K)，隔熱保溫效果明顯，在一定厚度條件下抑制效率可達(dá)到90%左右。涂層整體構(gòu)造相當(dāng)于打造了暖水瓶保溫隔熱機(jī)理，相對(duì)較低導(dǎo)熱系數(shù)的無機(jī)成膜物質(zhì)作為涂層的支撐，構(gòu)造了以靜態(tài)空氣層和無機(jī)成膜物質(zhì)的絕熱屏蔽層。熱反射材料作為輔助填料加入，這樣使涂層的導(dǎo)熱系數(shù)接近真空導(dǎo)熱系數(shù)，起到了有效的隔熱保溫。

表2列出了使用耐高溫保溫涂層之后的爐子在實(shí)際運(yùn)行后，爐子各部位的溫度。由表2可知，采用耐高溫涂層的爐殼外部溫度在60～120 ℃，相較未涂耐高溫涂料的地方溫度降低120 ℃左右，耐高溫涂層起到了很好的保溫效果。

表2 爐體各部位溫度Table 2 Temperature of each part of furnace body

3.1.3 外殼

爐體、筋板、頂蓋、吊耳等選用碳鋼材質(zhì)焊接而成，鋼板厚度16 mm。爐體鋼結(jié)構(gòu)外表面涂覆酚醛樹脂銀粉防銹漆。

3.2 電源及等離子體發(fā)生系統(tǒng)

等離子體直流電源采用現(xiàn)有成熟的水冷高頻開關(guān)電源模塊組合成電源柜方案，可滿足等離子體負(fù)載的技術(shù)指標(biāo)，其中效率在滿功率情況下可達(dá)到94%。由于采用模塊化的水冷型高頻電源為核心器件，使此電源柜具有體積小、效率高、反饋控制速度快、低噪音、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。電源模塊和整機(jī)控制系統(tǒng)都設(shè)有完善的保護(hù)功能以確保電源能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。圖5所示為電源的水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，模塊的水路連接頭采用拔插雙封閉自鎖，輸入輸出和控制為拔插航空插頭，無論水路或電路都能快速將模塊退出工作狀態(tài)。

圖5 電源水冷系統(tǒng)Fig.5 Water cooling system for power supply

電源由4 個(gè)電源模塊、一個(gè)監(jiān)控及控制單元組成，4 個(gè)電源模塊并聯(lián)均流輸出，可實(shí)現(xiàn)總電流最大為300 A。監(jiān)控及控制單元與 4 個(gè)電源模塊進(jìn)行通信，顯示器可顯示各個(gè)電源模塊的工作狀態(tài)，同時(shí)還能與遠(yuǎn)程進(jìn)行通信。電源模塊化的結(jié)構(gòu)更有利于使用和維護(hù)，且單個(gè)模塊故障不會(huì)影響其他模塊的工作，提高了系統(tǒng)長(zhǎng)期工作的可靠性。

等離子體發(fā)生器采用Ⅴ型石墨電極結(jié)構(gòu)，陰極和陽極規(guī)格型號(hào)相同，均采用高功率石墨電極。由電極驅(qū)動(dòng)絲桿升降裝置完成電極升降，最大升降行程大于700 mm，進(jìn)給速率約30 mm/min(根據(jù)使用情況調(diào)節(jié))。圖6所示為升降裝置結(jié)構(gòu)。

圖6 電極升降裝置Fig.6 Lifting device of the electrode

3.3 控制系統(tǒng)

采用PLC控制系統(tǒng)編程對(duì)等離子體銅渣貧化爐操作系統(tǒng)進(jìn)行控制，電源具有開機(jī)軟啟動(dòng)功能，并設(shè)有過壓、欠壓、過流、短路、過溫、斷弧、水壓、水溫保護(hù)等故障報(bào)警、保護(hù)功能。在人機(jī)界面上顯示電源狀態(tài)信息和操作，并預(yù)留3個(gè)連鎖保護(hù)控制信號(hào)，控制采用本地人機(jī)界面操作與遠(yuǎn)程通訊控制兩種方式。圖7為等離子體銅渣貧化爐操作界面。

圖7 等離子體銅渣貧化實(shí)驗(yàn)爐操作界面Fig.7 Operation interface of plasma copper slag depletion experiment furnace

4 結(jié)束語

新研制的小型等離子體銅渣貧化爐具有體積小、保溫效果好、操作簡(jiǎn)潔方便等特點(diǎn)。用于銅渣貧化，可有效降低渣中銅、鉛、鋅等金屬含量，回收渣中有價(jià)金屬。該設(shè)備應(yīng)用于某冶煉廠，可以將渣含銅降至0.3%以下，貧化效果顯著。該研究可為銅渣貧化探索出一條新的途徑。