郭學(xué)益， 姜保成， 王親猛, 王松松， 田慶華， 李棟

（中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083）

氧氣底吹煉銅是我國(guó)自主研發(fā)的清潔煉銅新工藝，具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、自熱熔煉程度高、節(jié)能減排等優(yōu)勢(shì)[1-2]，符合冶金工業(yè)綠色發(fā)展要求，逐漸在火法煉銅工藝中占領(lǐng)一席之地。作為一項(xiàng)正在發(fā)展的煉銅技術(shù)，氧氣底吹煉銅在生產(chǎn)運(yùn)行中也暴露出一些不足，如氧槍燒損、渣含銅偏高等，阻礙氧氣底吹煉銅工藝的推廣和應(yīng)用。

氧氣底吹煉銅技術(shù)革新已成為重要研究課題，但煉銅過(guò)程有溫度高、反應(yīng)劇烈、組分復(fù)雜的特殊性，難以直接進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，選擇合適的研究方法是非常必要的。模擬仿真是對(duì)氧氣底吹煉銅過(guò)程的虛擬，建立包含氧氣底吹煉銅過(guò)程關(guān)鍵特性的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并通過(guò)試驗(yàn)獲取有價(jià)值信息，揭示氧氣底吹煉銅過(guò)程某些現(xiàn)象的特性和機(jī)理。隨著模擬手段豐富，氧氣底吹煉銅過(guò)程研究更加深入，氧氣底吹煉銅技術(shù)得到提高。

1 氧氣底吹煉銅模擬仿真研究方法

氧氣底吹煉銅模擬仿真是利用物理和數(shù)學(xué)的模型類(lèi)比，模仿現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中氧氣底吹煉銅過(guò)程變化，并探索氧氣底吹煉銅過(guò)程變化規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)和優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備。目前，氧氣底吹煉銅模擬方法主要有物理模擬和數(shù)學(xué)模擬兩類(lèi)，如圖1所示。

圖1 氧氣底吹煉銅模擬研究方法Fig.1 Simulation research method of oxygen bottom blowing copper smelting

物理模擬是用真實(shí)的物理模型進(jìn)行試驗(yàn)，基于相似原理，在保留氧氣底吹爐內(nèi)流體特性基礎(chǔ)上，通常用熱模型（接近工況）、水模型（室溫）結(jié)合必要的測(cè)試手段進(jìn)行試驗(yàn)，直觀地觀察和監(jiān)測(cè)氧氣底吹煉銅過(guò)程的反應(yīng)狀況[3-4]。

數(shù)學(xué)模擬是建立虛擬的數(shù)學(xué)模型，然后對(duì)模型進(jìn)行求解和分析，從而對(duì)氧氣底吹煉銅過(guò)程進(jìn)行研究。數(shù)學(xué)模擬包括數(shù)學(xué)計(jì)算模擬、計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬和計(jì)算平臺(tái)模擬。利用信息技術(shù)手段，模擬過(guò)程變得快捷、高效，并且可以在宏觀或微觀層面開(kāi)展研究，便于理解和認(rèn)識(shí)煉銅過(guò)程的主要特征和機(jī)理，在氧氣底吹煉銅過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用[5]。

物理模擬和數(shù)學(xué)模擬的特點(diǎn)有所不同，兩者差異如表1所列。

表1 物理模擬和數(shù)值模擬差異Table 1 Differences between physical simulation and numerical simulation

從表1中可以看出，物理模擬最大優(yōu)勢(shì)在于可靠性相對(duì)較高，但存在成本高、周期長(zhǎng)、靈活性低的不足。數(shù)學(xué)模擬則相反，在成本、周期和靈活性上占有優(yōu)勢(shì)，但模擬出的結(jié)果可靠性相對(duì)較低。因此，氧氣底吹煉銅模擬經(jīng)常采用數(shù)學(xué)模擬和物理模擬相結(jié)合的方式，以保證研究結(jié)果的可靠性。

氧氣底吹煉銅過(guò)程是一個(gè)高溫、多相、多反應(yīng)的冶金過(guò)程，直接進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)難度較大、安全性差、成本較高，因此模擬仿真研究成為探索氧氣底吹煉銅過(guò)程的重要手段，正在發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

2 氧氣底吹煉銅模擬仿真研究現(xiàn)狀

2.1 反應(yīng)機(jī)理模擬仿真

氧氣底吹煉銅技術(shù)自2007年問(wèn)世投產(chǎn)以來(lái)[6]，其反應(yīng)機(jī)理一直是研究熱點(diǎn)，與其他火法煉銅工藝相似，氧氣底吹煉銅過(guò)程發(fā)生一系列氧化還原反應(yīng)，但實(shí)際冶煉過(guò)程又存在一定差異。氧氣底吹煉銅技術(shù)具有富氧空氣底部上浮[7]、熔煉過(guò)程無(wú)需配煤[8]、造锍捕金[9]等特性，與鼓風(fēng)爐、閃速爐等煉銅方式有所區(qū)別。尚存在氧氣底吹煉銅認(rèn)知不足、反應(yīng)機(jī)理不明確等問(wèn)題，引起了研究人員廣泛關(guān)注。

2.1.1 多相平衡模擬

多相平衡模擬是揭示氧氣底吹煉銅反應(yīng)機(jī)理的重要方法，主流算法有最小吉布斯函數(shù)法和化學(xué)平衡常數(shù)法[10]。多相平衡模擬是對(duì)氧氣底吹煉銅過(guò)程中各相反應(yīng)平衡狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，獲得平衡狀態(tài)下氣相、銅锍相、渣相的物質(zhì)組成，以及分析氧氣底吹煉銅過(guò)程物質(zhì)在各相中的分配關(guān)系。

近年來(lái)，高品位銅精礦供應(yīng)緊張、環(huán)保要求嚴(yán)格，冶煉原料發(fā)生巨大變化。低品位且難處理的多金屬礦料（如高砷銅精礦）、金和銀含量高的貴金屬伴生礦料（如含銅金精礦）、城市礦料（如含銅電子廢棄物）、工業(yè)礦料（如含銅固廢），都開(kāi)始用于氧氣底吹煉銅。這些礦料中除Cu元素外，還含有Pb、Zn、Au、Ag、As等多種元素，一部分雜質(zhì)元素有回收價(jià)值，一部分對(duì)環(huán)境有害。通過(guò)多相平衡模擬揭示其在冶煉過(guò)程各相分配規(guī)律，有利于各元素的精準(zhǔn)調(diào)控，從而對(duì)有價(jià)元素回收利用和有害元素脫毒轉(zhuǎn)化。

對(duì)于銅冶煉過(guò)程雜質(zhì)元素分配情況，AKIRA等認(rèn)為雜質(zhì)元素的脫除機(jī)理有兩種：氧化造渣和揮發(fā)[11]。從造渣角度來(lái)看，Ag、Na、Cu、Pb、Co、Ni幾乎都進(jìn)入銅锍中，Ba、Ca、Bi、Zn在渣中和銅锍中都存在，Mn、Sn、Al、Sb、Mg主要存在于渣中。從揮發(fā)角度來(lái)看，Pb、Cd、Sb、Bi、As、Sn可以通過(guò)其硫化物揮發(fā)來(lái)脫除。對(duì)于銅冶煉常見(jiàn)的Pb、Sb、Bi和As元素，不是通過(guò)氧化，而是通過(guò)揮發(fā)來(lái)去除。

溫度是元素分配的重要影響因素。ZHANG等模擬研究發(fā)現(xiàn)隨著熔煉溫度的升高（1 400~1 650 K），As、Sb、Bi、Pb和Zn在氣相中含量增大，而在锍中的分布減小[12]。

此外，銅锍品位、氧礦比等工藝參數(shù)也會(huì)影響元素分配。DENIS等研究發(fā)現(xiàn)銅锍品位為70%以下時(shí)，Ag在渣中的分配系數(shù)隨銅锍品位的增加而減?。汇~锍品位在70%~80%時(shí)，Ag在渣中的分配系數(shù)隨銅锍品位的增加而增加。銅锍品位在60%~75%之間時(shí)，Au在渣與锍之間的分配系數(shù)隨锍品位的增加而減小[13]。

2.1.2 渣型調(diào)控

造渣是氧氣底吹煉銅過(guò)程銅元素富集的重要環(huán)節(jié)，良好渣型不僅為降低渣相銅元素溶解提供化學(xué)條件，而且為增強(qiáng)熔渣流動(dòng)和銅锍沉降提供流動(dòng)條件。典型火法煉銅過(guò)程造渣反應(yīng)如下[14]：

造渣反應(yīng)形成FeO、SiO2、Cu2O、CaO等氧化物互相熔融的渣體系，Cu在渣相中因化學(xué)溶解和機(jī)械夾雜造成損失。目前，每產(chǎn)出1 t精煉銅同時(shí)有2.2 t銅渣產(chǎn)生[15]，銅渣規(guī)模巨大，銅資源損失嚴(yán)重。TAUFIQ等對(duì)火法煉銅Cu-Fe-O-Si系熱力學(xué)和相平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，并考慮雜質(zhì)Al2O3、CaO和MgO在該體系內(nèi)的影響，建立了一個(gè)優(yōu)化模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，可用于分析熔煉過(guò)程中的爐渣化學(xué)成分和Cu-Fe-O-Si系中渣-锍平衡的預(yù)測(cè)[16-17]。盛力等利用Roscoe方程結(jié)合Factsage軟件計(jì)算，研究銅冶煉FeO-SiO2-Fe3O4-CaO-Al2O3－MgO六元渣系，基于所建立的計(jì)算模型考察不同組分含量對(duì)平衡相組成及黏度的影響規(guī)律，當(dāng)控制爐渣中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為FeO 40%~60%、SiO225%~40%、Fe3O40~15%、CaO 0~10%、Al2O30~8%和MgO 0~4%時(shí)，可在銅冶煉過(guò)程中得到流動(dòng)性較好、固體量較少的熔渣[18]。

2.1.3 建立反應(yīng)機(jī)理模型

為了更好地研究氧氣底吹煉銅過(guò)程，建立其反應(yīng)機(jī)理模型具有重要意義。SHIMPO等建立了銅冶煉過(guò)程的熱力學(xué)計(jì)算模型，對(duì)锍-渣-氣的平衡態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，并得到很好的應(yīng)用[19-20]。汪金良等以最小吉布斯原理和元素勢(shì)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出基于元素勢(shì)的多相平衡模型，具備求解變量少、計(jì)算速度快、計(jì)算過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)負(fù)摩爾分?jǐn)?shù)的優(yōu)點(diǎn)，有望在氧氣底吹煉銅過(guò)程中得以應(yīng)用[21]。王計(jì)敏等建立了富氧底吹銅熔池熔煉爐衡計(jì)算模型，對(duì)影響富氧底吹銅熔池熔煉爐生產(chǎn)過(guò)程效率的主要工藝參數(shù)進(jìn)行回歸分析，以提高效率來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗[22]。

上述數(shù)學(xué)模型的建立對(duì)探究氧氣底吹煉銅反應(yīng)機(jī)理起到重要作用，但仍然缺乏包含氧氣底吹煉銅特性的機(jī)理模型。WANG等基于氧氣底吹煉銅熔煉特性和最小吉布斯自由能理論，建模過(guò)程中修正溫度和活度系數(shù)對(duì)反應(yīng)的影響，還考慮S2的行為和機(jī)械夾雜的影響，最終建立氧吹底銅冶煉過(guò)程熱力學(xué)計(jì)算模型[23]。之后，構(gòu)建了氧氣底吹煉銅機(jī)理模型，將氧氣底吹爐內(nèi)劃分為3個(gè)功能區(qū)、7個(gè)功能層，進(jìn)而分析層/區(qū)之間的相互作用關(guān)系，如圖2所示[24]。

圖2 氧氣底吹煉銅機(jī)理模型[24]Fig.2 Mechanism model of oxygen bottom blowing copper smelting[24]

2.1.4 開(kāi)發(fā)模擬平臺(tái)

模擬平臺(tái)是對(duì)氧氣底吹煉銅生產(chǎn)過(guò)程的虛擬實(shí)踐，通過(guò)平臺(tái)操作可以認(rèn)識(shí)和理解氧氣底吹煉銅的機(jī)理，還可以對(duì)工藝條件進(jìn)行探索及優(yōu)化，為科研和教學(xué)提供更加直觀、形象的研究條件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，很多軟件拓展應(yīng)用到銅冶煉領(lǐng)域，F(xiàn)actsage、HSC、Metsim等軟件都有相關(guān)模塊可以進(jìn)行模擬研究。廖立樂(lè)等借助Metsim冶金流程模擬軟件，開(kāi)發(fā)氧氣底吹煉銅工藝流程靜態(tài)模型，并探索熔劑加入速率、富氧加入速率、精礦加入速率等操作條件對(duì)銅氧氣底吹熔煉段工藝性能的影響[25]。

開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)適用于氧氣底吹煉銅工藝的模擬平臺(tái)，可以減少模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)的偏差，實(shí)現(xiàn)與真實(shí)冶煉現(xiàn)場(chǎng)同步和相符的目標(biāo)，以達(dá)到對(duì)生產(chǎn)工藝過(guò)程模擬再現(xiàn)。郭學(xué)益等開(kāi)發(fā)出氧氣底吹煉銅計(jì)算機(jī)模擬軟件（SKSSIM），如圖3所示[26]。在此平臺(tái)內(nèi)模擬計(jì)算，可以明確氧氣底吹煉銅過(guò)程中多元素的走向情況、反映體系中各組分之間的相互關(guān)系，以及不同過(guò)程參數(shù)對(duì)最終產(chǎn)物的影響情況。此外，平臺(tái)具有快速輸出物料平衡與熱平衡的特性，可集成DCS、PLC等在線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的精細(xì)化控制。

圖3 氧氣底吹煉銅模擬平臺(tái)[26]Fig.3 Simulation platform for oxygen bottom blowing copper smelting[26]

2.2 爐內(nèi)流動(dòng)模擬仿真

氧氣底吹煉銅是一個(gè)氣-液-固三相共存的復(fù)雜體系，存在物料加入和融化、富氧空氣噴入和上浮、熔池內(nèi)部劇烈反應(yīng)和傳熱、渣層噴濺和翻卷等過(guò)程。氧氣底吹爐內(nèi)氣-锍-渣的流動(dòng)情況一直是研究熱點(diǎn)，計(jì)算流體力學(xué)模擬、物理模擬以及兩者結(jié)合成為主流的研究手段，大量研究工作使氧氣底吹爐內(nèi)流動(dòng)情況可視化，為氧氣底吹煉銅技術(shù)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持。

2.2.1 富氧噴吹過(guò)程模擬

富氧噴吹過(guò)程是氧氣底吹煉銅的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，噴吹富氧空氣既是氧化反應(yīng)的原料來(lái)源，又是攪拌熔池的能量（包括動(dòng)量、沖量、動(dòng)能和膨脹功）來(lái)源，在氧氣底吹過(guò)程中發(fā)揮重要作用。吹氧不足會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)不充分，原料夾雜在渣中，致使渣含銅上升而損失嚴(yán)重，還會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)熱供應(yīng)不足，無(wú)法自熱熔煉；吹氧過(guò)度會(huì)使熔池反應(yīng)過(guò)于劇烈而產(chǎn)生惡性噴濺，加料口被堵塞，同時(shí)氧槍也會(huì)快速燒損，削減了氧槍壽命。目前，富氧噴吹過(guò)程模擬主要關(guān)注氣泡生長(zhǎng)周期、氣泡微細(xì)化和蘑菇頭調(diào)控。

1）氣泡生長(zhǎng)周期。早期的研究指明噴射氣體入爐后的形態(tài)，主要有鼓泡流和射流兩種流型[27]，如圖4所示。氧氣底吹煉銅實(shí)際生產(chǎn)中，氧槍噴吹壓力在0.4~0.6 MPa之間[28]，屬于接近射流的流型狀態(tài)。氧氣底吹爐射流氣體進(jìn)入熔池后，會(huì)發(fā)生變形、破裂、融合等一系列變化。

圖4 噴射氣體入爐后的形態(tài)[27]Fig.4 The form of injected gas into the furnace[27]

關(guān)于氧氣底吹煉銅過(guò)程氣泡的生長(zhǎng)周期（如圖5），相關(guān)研究表明[29-30]，熔池內(nèi)氣泡運(yùn)動(dòng)包括4個(gè)過(guò)程：①形成過(guò)程。氣泡最早在氧槍根部形成，并不斷長(zhǎng)大，直徑到達(dá)400 mm左右，受到浮力作用，氣泡上浮形成縮頸，氣泡脫離，頸保持和氣孔接觸。②變形過(guò)程。脫離氣孔時(shí)，氣泡近似橢圓形，之后變形成底部凹進(jìn)的帽子形狀，并逐步變形成蘑菇狀，其尾部會(huì)分離出小氣泡。③破裂過(guò)程。帽子形狀的氣泡由于受力不均，下部形成裂縫，破裂形成若干細(xì)小氣泡或流股。④融合過(guò)程。氣泡之間發(fā)生碰撞時(shí)，兩個(gè)氣泡會(huì)融合到一起，但熔池內(nèi)氣含率低，氣泡與氣泡的融合概率較小。

圖5 氧氣底吹煉銅過(guò)程氣泡生長(zhǎng)周期[30]Fig.5 Bubble growth cycle in the oxygen bottom blowing copper process[30]

此外，熔池上部是氣泡破碎或合并的主要發(fā)生區(qū)，此區(qū)域內(nèi)氣含率較大，熔煉反應(yīng)發(fā)生于此。熔池內(nèi)部的氣泡直徑分布符合Boltzmann函數(shù)方程，直徑為0~100 mm的氣泡數(shù)量占比80%左右，氣液接觸面積大，有利于氣液之間傳熱傳質(zhì)。

2）氣泡微細(xì)化。氣泡微細(xì)化是增加氣體反應(yīng)表面積、延長(zhǎng)氣泡停留時(shí)間的重要措施。王東興等針對(duì)φ4.4 m×16.5 m底吹爐原型建立5∶1縮小水模型，利用氣泡微細(xì)化手段來(lái)增加熔池氣含率和削弱熔池噴濺，研究發(fā)現(xiàn)雙噴嘴對(duì)稱噴吹，氣泡微細(xì)化較好，雙噴嘴夾角44°時(shí)氣含率最高為9%，氣泡分布廣，熔池噴濺較小[31]。

3）蘑菇頭調(diào)控。氧氣底吹煉銅氧槍噴出的低溫氣體與高溫熔體接觸，使熔體迅速冷凝結(jié)晶，在氧槍出口處形成一個(gè)形狀類(lèi)似“蘑菇頭”的疏松多孔物體。

針對(duì)蘑菇頭的研究，一方面是關(guān)于蘑菇頭的形成機(jī)理，袁集華等采用水模型研究底吹噴槍出口端蘑菇頭形成機(jī)理及控制模型，研究發(fā)現(xiàn)水在噴槍出口結(jié)晶形成冰瘤，之后冰瘤相互搭接形成蘑菇頭核，最終長(zhǎng)大成蘑菇頭[32]。蘑菇頭的形成，會(huì)導(dǎo)致噴槍出口端溫度急劇下降，起到防止氧槍燒損的作用。王書(shū)曉等發(fā)現(xiàn)蘑菇頭存在“生成—破碎—生成”反復(fù)階段和穩(wěn)定蘑菇頭生成階段，穩(wěn)定的蘑菇頭處于動(dòng)態(tài)熱平衡狀態(tài)，熱量平衡主要與氣體溫度和氣體流量有關(guān)。穩(wěn)定蘑菇頭尺寸和孔隙率會(huì)隨氣體流量增加而變大，生成穩(wěn)定蘑菇頭所用的時(shí)間則縮短[33]。

另一方面是蘑菇頭對(duì)氣體流動(dòng)的影響，楊鵬等根據(jù)熱平衡法計(jì)算出蘑菇頭直徑為60.2 mm，在此基礎(chǔ)上建立蘑菇頭模型，并通過(guò)數(shù)學(xué)模擬，如圖6所示[34]，氣泡在氧槍出口先形成球形，然后變?yōu)樯喜堪肭蝮w、下部細(xì)長(zhǎng)圓柱體蘑菇形。圓柱體上部與半球體一同脫離，圓柱體下部與新噴入的氣體再次形成蘑菇形氣泡，以此往復(fù)。此外，還發(fā)現(xiàn)存在蘑菇頭時(shí)氣泡體積與表面積更大、停留時(shí)間更長(zhǎng)，有助于冶煉反應(yīng)的充分進(jìn)行。

圖6 蘑菇頭模型和氣泡形態(tài)變化[34]Fig.6 Mushroom head model and bubble shape change diagram[34]

尺寸合適的蘑菇頭，既不影響富氧空氣的輸送，還對(duì)氧槍起到很好的保護(hù)作用，改善氧槍工作環(huán)境。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可根據(jù)蘑菇頭形成條件來(lái)調(diào)整噴吹參數(shù)，在保證蘑菇頭不消失的情況下進(jìn)行正常噴吹操作。

2.2.2 爐內(nèi)流動(dòng)特性模擬

氧氣底吹爐內(nèi)流動(dòng)特性對(duì)反應(yīng)程度有重要影響，流動(dòng)不充分導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)存在死區(qū)，以及礦料反應(yīng)不完全致使渣含銅上升；流動(dòng)過(guò)于劇烈導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)耐火材料沖刷受損，波及沉降區(qū)破壞沉降環(huán)境。目前，為摸清氧氣底吹爐內(nèi)熔體流動(dòng)特性，主要開(kāi)展?fàn)t內(nèi)流動(dòng)狀況和沉降優(yōu)化兩方面研究。

1）爐內(nèi)流動(dòng)狀況。氧氣底吹爐內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，在封閉和高溫的氧氣底吹爐內(nèi)，相關(guān)數(shù)據(jù)采集困難，難以摸清爐內(nèi)流動(dòng)狀況。模擬仿真研究結(jié)果[35-36]表明：①氧氣底吹爐內(nèi)渣層會(huì)被氣體沖擊形成渣眼，并出現(xiàn)不停地開(kāi)合現(xiàn)象。吹氣量大時(shí)，渣眼周?chē)黧w有較大的運(yùn)動(dòng)速度和剪切力（如圖7），使得部分熔渣進(jìn)入銅锍中，形成卷渣現(xiàn)象。②氣泡脫離氧槍噴嘴時(shí)，產(chǎn)生回流壓力，引起氧槍出口壓力波動(dòng)，形成氣泡后坐現(xiàn)象。氣泡后坐的反作用力和高溫氣體侵蝕，氧槍會(huì)暴露出來(lái)腐蝕受損。③氧氣底吹爐熔池內(nèi)形成兩個(gè)大環(huán)流，被氧槍上方噴射區(qū)分開(kāi)（如圖8）。在液面上方會(huì)出現(xiàn)泉涌區(qū)，此區(qū)域內(nèi)會(huì)發(fā)生液滴噴濺。④氧氣上升路徑是倒三角形狀，在熔池上部氣含率較大、氣體分布廣，化學(xué)反應(yīng)主要在此區(qū)域。

圖7 熔池渣眼及渣層受力情況[35]Fig.7 The force of the slag hole and slag layer of the molten pool[35]

圖8 熔池內(nèi)環(huán)流情況[36]Fig.8 Circulation in the molten pool[36]

另外，氧氣底吹爐內(nèi)氣體射流發(fā)揮著重要作用，最為關(guān)鍵的是射流對(duì)熔池的攪拌，銅冶煉效果很大程度上取決于射流對(duì)熔池?cái)_動(dòng)是否合理。李鵬等以VOF多相流模型結(jié)合水模擬進(jìn)行試驗(yàn)。研究表明，噴吹氣體1 s內(nèi)即可形成穩(wěn)定的豎直射流，射流在20 s后相互吸引或排斥進(jìn)而開(kāi)始搖擺，熔池內(nèi)氣體分布不均。氣體射流對(duì)熔池縱向和橫向的擾動(dòng)情況不同，爐體縱向擾動(dòng)力較穩(wěn)定，但擺動(dòng)頻率加快；爐體橫向擾動(dòng)力呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，而變化頻率較為穩(wěn)定。此外，氣體射流開(kāi)始階段對(duì)沿爐體高度方向上熔池表面擾動(dòng)最強(qiáng)，“噴涌”現(xiàn)象較為明顯，40 s后液面波動(dòng)會(huì)維持穩(wěn)定[37]。

2）沉降優(yōu)化。氧氣底吹爐在爐長(zhǎng)方向上分為反應(yīng)區(qū)、分離過(guò)渡區(qū)、液相澄清區(qū)[38]，反應(yīng)區(qū)的涌動(dòng)會(huì)波及其他區(qū)域（如圖9）[29]，微弱波動(dòng)可為锍下沉和爐渣上浮提供動(dòng)力，劇烈波動(dòng)則容易侵蝕爐體。

圖9 熔池表面波傳播過(guò)程中的衰減[29]Fig.9 Attenuation of surface wave propagation in the molten pool[29]

羅謙等設(shè)計(jì)冷態(tài)水模型研究氧氣底吹沉降區(qū)內(nèi)液面波動(dòng)行為，在反應(yīng)區(qū)到沉降區(qū)方向上，高溫熔體的運(yùn)動(dòng)隨著距離的增加而逐漸變緩，液面波動(dòng)逐漸減弱[39]。在沉降區(qū)內(nèi)，有明顯的锍—渣分層現(xiàn)象，沉降區(qū)液面波動(dòng)會(huì)對(duì)分層點(diǎn)的位置產(chǎn)生影響。此外，采取適當(dāng)增大氧槍直徑和傾角、減少氣體流量和降低液面高度的措施，可有效減緩沉降區(qū)的液面波動(dòng)，但氧槍角度過(guò)大會(huì)使沉降區(qū)后移，縮小沉降區(qū)長(zhǎng)度，不利于渣—锍分離。穆亮照等通過(guò)改變靠近排渣端氧槍數(shù)量來(lái)延長(zhǎng)澄清區(qū)長(zhǎng)度。對(duì)于φ4.5 m×28.6 m等效大型底吹爐，關(guān)閉2支氧槍后，渣—锍澄清區(qū)相較于原工況延長(zhǎng)了27.425%（0.925 m）；關(guān)閉4支氧槍后，渣—锍澄清區(qū)延長(zhǎng)了50.165%（1.695 m），對(duì)渣—锍澄清過(guò)程有積極影響[40]。

2.3 設(shè)備改進(jìn)模擬仿真

氧氣底吹爐是氧氣底吹煉銅技術(shù)的核心反應(yīng)器，其內(nèi)部發(fā)生多種物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)，設(shè)備合理性對(duì)煉銅效果產(chǎn)生重要影響。目前氧氣底吹煉銅技術(shù)尚不成熟，爐型尺寸、氧槍布置、操作參數(shù)等依然存在不足，不利于提高氧氣底吹爐處理能力和提高金屬回收效率，制約氧氣底吹煉銅技術(shù)發(fā)展進(jìn)步。對(duì)氧氣底吹爐進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，探索冶煉設(shè)備與冶煉效果合理的耦合關(guān)系，將有助于推動(dòng)氧氣底吹煉銅技術(shù)革新。

2.3.1 氧槍優(yōu)化

氧槍作為氧氣底吹煉銅工藝核心裝置之一，對(duì)氧氣底吹冶煉系統(tǒng)產(chǎn)生直接影響。氧槍優(yōu)化問(wèn)題是設(shè)計(jì)者和使用者一直以來(lái)共同關(guān)注的問(wèn)題，目前針對(duì)槍位布置、氧槍結(jié)構(gòu)、槍體傳熱3個(gè)方面做出了大量研究。

過(guò)一種簡(jiǎn)單詩(shī)意的生活，剔除掉生命以外、世俗附加上去的虛名俗利，讓心靈還原至樸素原樣，撿拾起它的敏感驛動(dòng)，去發(fā)現(xiàn)美、感受美、創(chuàng)作美。

1）槍位布置。氧槍作為熔池?cái)_動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源，以及氧化反應(yīng)的原料來(lái)源，合理的槍位布置會(huì)對(duì)熔煉效果產(chǎn)生積極影響，有利于氧氣底吹煉銅過(guò)程高效進(jìn)行。蔡志鵬等通過(guò)水模型試驗(yàn)，研究氧槍有效攪拌區(qū)直徑與槍距之間的關(guān)系（如圖10），得出半經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)公式，如式（3）所示[41]：

圖10 氧槍有效攪拌區(qū)直徑與槍距之間的關(guān)系示意[41]Fig.10 Schematic diagram of the relationship between the diameter of the effective stirring zone of the oxygen lance and the lance distance[41]

式（3）中：S為有效攪拌直徑，W為槍距，D0為氧槍直徑，H為熔體高度，D為爐體直徑，F(xiàn)r′為修正弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)。

為了保障有效攪拌直徑合理，避免過(guò)度攪拌對(duì)爐襯的損傷，同時(shí)滿足消除死區(qū)和氧擴(kuò)散充分，S/W取1.2~1.5為合理指數(shù)范圍。

氧槍傾角會(huì)改變進(jìn)入熔池的氣體路徑，熔池內(nèi)部的擾動(dòng)情況也會(huì)隨之改變。閆紅杰等選用Fluent軟件中Realizable k-ε模型，對(duì)氧槍布置方式及直徑對(duì)底吹熔池熔煉過(guò)程(其爐體規(guī)格為φ4.4 m×16.5 m)的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加氧槍傾角有利于熔煉的進(jìn)行，單排槍傾角在17°~22°之間時(shí)，熔池各指標(biāo)均處于較好的水平；對(duì)于雙排氧槍?zhuān)瑑A角分別為12°和22°時(shí)，熔池的攪拌效果顯著增強(qiáng)[42]。

此外，氧槍處于爐體同側(cè)和異側(cè)、氧槍口指向爐心與非指向爐心等布置方式，同樣也會(huì)對(duì)熔池內(nèi)部的擾動(dòng)情況產(chǎn)生影響。郭學(xué)益等針對(duì)氧氣底吹爐（簡(jiǎn)化模型為φ3.5 m×15 m）氧槍對(duì)心異側(cè)、對(duì)心同側(cè)、非對(duì)心同側(cè)3種不同槍位布置方式（如圖11）進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)非對(duì)心同側(cè)的氧槍布置方式，熔體噴濺高度低、熔池波動(dòng)平穩(wěn)、熔池平均氣含率最大、煙塵率低，可以獲得良好熔煉效果[43]。

圖11 3種氧槍布置方式下的速度流線分布（t=5.0 s）[43]Fig.11 Velocity streamline distribution under three oxygen lance arrangements(t=5.0 s)[43]

因此，通過(guò)優(yōu)化氧槍的間距、傾角、排布方式，選取合適的氧槍布置模式，是獲得高效熔煉反應(yīng)的重要措施。

2）氧槍結(jié)構(gòu)。氧槍是具有特定結(jié)構(gòu)的供氧裝置，目的是將射流氣體穩(wěn)定噴入熔池，使熔池內(nèi)不斷循環(huán)流動(dòng)。不同的氧槍結(jié)構(gòu)，改變了射流氣體的流動(dòng)特性，對(duì)熔池的攪拌效果也隨之改變。

余躍等以VOF數(shù)學(xué)模型結(jié)合水模型，研究4種噴口結(jié)構(gòu)（如圖12（a））對(duì)爐內(nèi)流動(dòng)過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)彌散型結(jié)構(gòu)的氧槍攪拌面積更大，可達(dá)到18.78%，但其噴口處的壓力波動(dòng)更明顯[44]。張?bào)w富等通過(guò)數(shù)值模擬，研究噴槍柵欄結(jié)構(gòu)（如圖12（b））對(duì)熔池?cái)嚢栊Ч挠绊懀l(fā)現(xiàn)多層?xùn)艡跇尶诮Y(jié)構(gòu)相比無(wú)柵欄結(jié)構(gòu)湍動(dòng)能提升了7%、壓力波動(dòng)差值減小至0.1 MPa，氣液混合產(chǎn)生的渦旋帶動(dòng)熔池內(nèi)部攪拌，可以起到強(qiáng)化底吹熔池內(nèi)部攪拌的效果[45]。

圖12 不同的氧槍結(jié)構(gòu)[44-45]Fig.12 Different oxygen lance structures[44-45]

3）槍體傳熱。增強(qiáng)氧槍的熱傳導(dǎo)，是減小氧槍熱燒損的重要措施。李志輝等建立氧氣底吹噴嘴附近傳熱模型，研究不同材質(zhì)內(nèi)管的溫度場(chǎng)的分布，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)較大的材料溫度梯度小，熱端面的溫度低，可以抑制噴嘴燒損[46]。

因此，對(duì)氧氣底吹煉銅吹氧過(guò)程進(jìn)行研究，可以揭示氣體在熔池中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探索吹氧強(qiáng)度對(duì)熔煉強(qiáng)度的影響，以及氧槍對(duì)熔池?cái)_動(dòng)的影響，尋找合適的結(jié)構(gòu)和布局來(lái)優(yōu)化過(guò)程，真正發(fā)揮底吹氧氣對(duì)熔池的強(qiáng)化作用。

2.3.2 參數(shù)優(yōu)化

銅冶煉工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備參數(shù)和操作參數(shù)都直接影響生產(chǎn)狀況，匹配合理的參數(shù)才能獲得氧氣底吹煉銅的較優(yōu)冶煉效果。針對(duì)生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整滯后、控制系統(tǒng)待優(yōu)化、全流程物質(zhì)和能量流動(dòng)不明確等問(wèn)題，利用模擬仿真手段優(yōu)化生產(chǎn)核心參數(shù)，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要指導(dǎo)意義。

對(duì)于物料參數(shù)變化對(duì)生產(chǎn)指標(biāo)影響，柴雪針對(duì)氧氣底吹煉銅過(guò)程建立物流機(jī)理模型，開(kāi)發(fā)氧氣底吹煉銅物流仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可通過(guò)調(diào)節(jié)控制量（物料成分），定量分析最終生產(chǎn)指標(biāo)（品位、鐵硅比）的變化[47]。在系統(tǒng)上即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，探索物料成分對(duì)銅锍品位的影響。

對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程各工序間關(guān)鍵參數(shù)的判斷，李明周等基于質(zhì)量守恒、元素分配約束、化學(xué)平衡、指標(biāo)約束和熱量守恒等原理，根據(jù)各工序的物料平衡和熱平衡構(gòu)建多約束控制模型，開(kāi)發(fā)出底吹熔煉—PS轉(zhuǎn)爐吹煉煉銅工藝全流程模擬系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)該工藝的全流程模擬計(jì)算[48]。

對(duì)于氧氣底吹煉銅過(guò)程關(guān)鍵操作參數(shù)的自動(dòng)控制問(wèn)題，張官祥等針對(duì)氧氣底吹銅熔煉生產(chǎn)工藝自動(dòng)控制問(wèn)題，構(gòu)建了化合物冶金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)和冶金數(shù)學(xué)模型，并在數(shù)據(jù)分析和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)輔助下，開(kāi)發(fā)在線冶金計(jì)算系統(tǒng)[49]。可根據(jù)入爐物料參數(shù)和工藝生產(chǎn)目標(biāo)控制參數(shù)，使用系統(tǒng)內(nèi)置熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)和冶金反應(yīng)計(jì)算算法程序計(jì)算模擬，實(shí)現(xiàn)全流程冶金過(guò)程的元素平衡及熱平衡在線計(jì)算，實(shí)際參與到氧氣底吹銅熔煉生產(chǎn)的過(guò)程控制，可為生產(chǎn)作業(yè)的穩(wěn)定連續(xù)和工藝優(yōu)化提供重要的技術(shù)支撐。

因此，對(duì)氧氣底吹煉銅過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，以獲取生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)并調(diào)整優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、及時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性。

3 氧氣底吹煉銅模擬仿真發(fā)展方向

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代檢測(cè)方法不斷進(jìn)步，以及人們對(duì)氧氣底吹煉銅技術(shù)認(rèn)知不斷提升，模擬仿真研究的可靠性會(huì)得到進(jìn)一步提高，將在氧氣底吹煉銅技術(shù)發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮更加重要的作用。基于當(dāng)前氧氣底吹煉銅技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)該技術(shù)開(kāi)展模擬仿真研究具有較大的應(yīng)用前景，具體如下：

1）面對(duì)氧氣底吹煉銅原料來(lái)源和成分愈發(fā)復(fù)雜化趨勢(shì)，模擬仿真研究可為其提供物料搭配、雜質(zhì)元素調(diào)控、有價(jià)金屬分離回收等關(guān)鍵問(wèn)題的指導(dǎo)，從而更好地發(fā)揮氧氣底吹煉銅技術(shù)的物料兼容特性。

2）面對(duì)氧氣底吹爐設(shè)備大型化趨勢(shì)，模擬仿真研究可開(kāi)展探明爐內(nèi)流動(dòng)狀況、強(qiáng)化多相界面反應(yīng)與多相傳質(zhì)、優(yōu)化流體流動(dòng)狀況等方面研究，指導(dǎo)設(shè)備改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化，從而保障大型氧氣底吹爐運(yùn)行的高效和穩(wěn)定。

3）面對(duì)氧氣底吹煉銅連續(xù)化趨勢(shì)（從“底吹熔煉”到“底吹熔煉—底吹吹煉”，再到“底吹熔煉—底吹吹煉—底吹精煉”），模擬仿真研究可探索各工序的物料平衡和熱平衡，以及各工序元素分配行為，指導(dǎo)關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)調(diào)控，推進(jìn)氧氣底吹連續(xù)煉銅發(fā)展。

4）面對(duì)氧氣底吹煉銅智能化趨勢(shì)，模擬仿真可建立爐體模型、氧槍模型、煙道模型等核心區(qū)域模型，將氧氣底吹煉銅各部分模型參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行集成分析，實(shí)現(xiàn)氧氣底吹煉銅的操作參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整，減少因人工操作誤差帶來(lái)的損失。

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐和積累，模擬仿真研究方法因具有快捷、高效的特點(diǎn)，已經(jīng)在氧氣底吹煉銅技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新發(fā)展中發(fā)揮重要作用。在反應(yīng)機(jī)理方面，多相平衡模擬對(duì)元素分配和渣型調(diào)控方面有很好的闡釋?zhuān)⒎磻?yīng)機(jī)理模型并發(fā)展為模擬平臺(tái)，使氧氣底吹煉銅反應(yīng)機(jī)理更易被人們理解；在爐內(nèi)流動(dòng)方面，闡明了富氧噴吹過(guò)程及爐內(nèi)流動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)高溫底吹爐內(nèi)可視化；在設(shè)備改進(jìn)方面，氧槍優(yōu)化強(qiáng)化吹氧環(huán)節(jié)，參數(shù)優(yōu)化強(qiáng)化控制環(huán)節(jié)，可提高實(shí)際生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

未來(lái)，氧氣底吹煉銅模擬仿真研究將在原料復(fù)雜化、設(shè)備大型化、底吹連續(xù)化、控制智能化等方面不斷實(shí)現(xiàn)突破，推動(dòng)氧氣底吹煉銅技術(shù)綠色可持續(xù)發(fā)展。