陳志剛，鄒賢，張?jiān)?，涂百?lè)，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(guò)程反應(yīng)速率數(shù)模研究

陳志剛，鄒賢，張?jiān)?，涂百?lè)，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(guò)程數(shù)學(xué)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(yàn)證，最終獲得頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉實(shí)踐操作較優(yōu)工藝參數(shù)。實(shí)踐證明：參數(shù)選擇與運(yùn)用具有比較優(yōu)勢(shì)。

頂吹轉(zhuǎn)爐；吹煉；反應(yīng)速率；數(shù)模研究

引言

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

頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉為周期性作業(yè)，一臺(tái)爐子內(nèi)完成熔煉、吹煉（精煉）作業(yè)過(guò)程。有價(jià)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(xué)模型，進(jìn)而研究頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程速率公式并以生產(chǎn)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證，并獲得頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉實(shí)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(kāi)熔體表面渣層，與熔體直接接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，氧化物造渣——吹煉渣。

這些氧化反應(yīng)是典型的氣液反應(yīng)［4］，反應(yīng)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(yīng)；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(dá)1200℃，各類(lèi)反應(yīng)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(yán)重阻礙壓縮空氣向熔體中的進(jìn)一步傳質(zhì)。因此，②③為非限制性環(huán)節(jié)，①是吹煉過(guò)程限制性環(huán)節(jié)，針對(duì)限制性環(huán)節(jié)建立數(shù)學(xué)模型。

2 限制性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型

2.1噴嘴與液面臨界距離公式

在吹煉作業(yè)中，當(dāng)噴嘴壓縮空氣壓力達(dá)到臨界壓力時(shí)，壓縮空氣會(huì)吹開(kāi)噴嘴周?chē)鼘?，新反?yīng)界面與氧氣持續(xù)反應(yīng)。液面和液面最上面渣粒A建立數(shù)學(xué)模型（見(jiàn)圖1）。

圖1　液面和液面最上面渣粒數(shù)學(xué)模型

所以，噴嘴周?chē)磻?yīng)界面更新速率是影響頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉速率的關(guān)鍵因素。假設(shè)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(dá)液面時(shí)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(dāng)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(shí)，此時(shí)渣粒被吹開(kāi)，露出新反應(yīng)界面，有

F1= P·SA·sinβ （4）

F2=GA·sinα （5）

當(dāng)F1=F2，整理并對(duì)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(shè)計(jì)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(shí)際距離為L(zhǎng)，當(dāng)L＞L0時(shí)，噴嘴壓縮空氣到達(dá)液面時(shí)的壓力不足以吹開(kāi)液面的渣層，吹煉反應(yīng)緩慢；當(dāng)L＜L0時(shí)，吹煉反應(yīng)能夠快速發(fā)生，但L進(jìn)一步減少時(shí)，吹開(kāi)面積減小，吹煉速率反而減小。只有當(dāng)L=L0時(shí)，吹煉反應(yīng)最快。

2.2頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉反應(yīng)速率公式

未通入壓縮空氣前，當(dāng)微粒球團(tuán)隨爐轉(zhuǎn)動(dòng)到X位置時(shí)，球團(tuán)所在料面的傾角為α，微粒球團(tuán)受到豎直向下的重力G和爐體轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力F向，對(duì)微粒球團(tuán)建立數(shù)學(xué)模型（見(jiàn)圖2）。

當(dāng)微粒球團(tuán)爐壁切線(xiàn)方向的重力分力和摩擦力相等，微粒球團(tuán)處于臨界狀態(tài)，此時(shí)：

圖2　未通入壓縮空氣前微粒球團(tuán)數(shù)模

則熔體線(xiàn)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(diǎn)角

爐內(nèi)參與反應(yīng)的熔體厚度

熔體頂端至底端的距離為L(zhǎng)長(zhǎng)，爐內(nèi)熔體總面積

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

Δt時(shí)間內(nèi)，參與反應(yīng)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(guān)［5］，令?1=c·η，?2=d·η，，c、d均為常數(shù)，反應(yīng)速率

依據(jù)阿侖尼烏斯公式［6］，C'η是一個(gè)與溫度有關(guān)的函數(shù)，用?（T）表示。同時(shí)將固定值tan2β和爐膛半徑R寫(xiě)入?（T）內(nèi)，反應(yīng)速率表達(dá)式為

其中：

VC——吹煉階段爐內(nèi)的反應(yīng)速率；

?（T）——與溫度有關(guān)的函數(shù)；

L0——噴嘴與反應(yīng)液面的臨界距離；

L——噴嘴與反應(yīng)液面的作業(yè)距離；

CM——熔體內(nèi)反應(yīng)物的濃度；

v0——頂吹轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速。

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

3.1轉(zhuǎn)速驗(yàn)證

根據(jù)第2節(jié)計(jì)算公式，當(dāng)壓縮空氣流量為1200Nm3/h，吹煉溫度分別為1373K、1473K和1573K時(shí)，繪制不同溫度、不同轉(zhuǎn)速時(shí)反應(yīng)速率曲線(xiàn)（見(jiàn)圖3）。

圖3　轉(zhuǎn)速與吹煉反應(yīng)速率關(guān)系曲線(xiàn)

從圖3可看出：隨著轉(zhuǎn)速提高，反應(yīng)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(yàn)證

當(dāng)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(shí)，繪制不同噴嘴作業(yè)距離時(shí)反應(yīng)速率曲線(xiàn)（見(jiàn)圖4）。

圖4　噴嘴作業(yè)距離與吹煉反應(yīng)速率關(guān)系曲線(xiàn)

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

4 結(jié)論

對(duì)頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型，研究并驗(yàn)證了吹煉階段反應(yīng)速率公式。從驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，反應(yīng)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(xué)出版社， 2001.

［3］鄧修， 吳俊生. 化工分離過(guò)程［M］.北京: 科學(xué)出版社， 2000.

［4］傅崇說(shuō). 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(xué)工業(yè)出版社， 2010.

［6］梁英教.物理化學(xué): 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(xué)歷，高級(jí)工程師，主要從事冶煉技術(shù)工作。

E-mail: ahchenzg@163.com

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

E-mail: zoxian@foxmail.com

張?jiān)矗?957-），男，山西太原人，本科學(xué)歷，教授級(jí)高工，主要從事冶煉技術(shù)工作。

E-mail: zhangyuan@tlys.cn

涂百樂(lè)（1975-），男，安徽潛山人，冶煉工程師、注冊(cè)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(yáng)人，本科學(xué)歷，助理工程師，主要從事冶煉技術(shù)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(shù)創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.010