有色金属富氧底吹熔炼用氧枪设计与实验研究

（液化空气（中国）研发有限公司，上海 201108）

随着环保要求的提升和高效节能冶金技术的发展需求，富氧熔池熔炼技术逐渐成为近些年来铜铅等有色金属先进冶炼工艺的发展方向，国外开发了奥斯麦特炉、艾萨闪速冶炼炉、卡尔多炉及特尼恩特炉等熔池冶炼技术。氧气底吹冶炼技术是一项具有中国自主知识产权的世界先进的铜冶炼工艺，结束了我国长期依赖国外进口技术和设备的状况，富氧底吹熔炼的核心设备为卧式可旋转底吹炉，内衬铬镁砖，外形与诺兰达炉和智利的特尼恩特熔炼炉相似。但是，诺兰达炉和智利特尼恩特炉通过风口送氧，底吹熔炼炉则通过布置在炉底的专用氧枪送氧。富氧底吹熔炼与其他熔炼工艺相比，能耗低，可实现完全无碳自热熔炼，便于处理其他工艺难以处理的铜杂矿，更易操作且环境更友好[1]，同时，铜的氧气底吹熔炼技术具有氧气浓度高，氧压高等特点，提高氧气浓度及选择并实现合适的氧压，是提高熔炼效率的重要方式，而氧气需由氧枪输送入炉内参与反应，因此氧枪对于实现氧浓及氧压具有决定性的作用，而在提高氧浓和氧压的同时，氧枪自身的寿命也将遭遇挑。本文研发的氧枪，意在氧浓、氧压、氧枪寿命、化学反应效率、炉内耐火材料寿命及运行成本等综合因素之间取得平衡，实现高生产率，氧枪高寿命的同时保护底吹炉耐火材料[2，3]。

目前，在铜的熔池熔炼过程中使用的氧枪多采用多层套管结构，从单管发展到带有槽缝的复杂架构，整段式到多段式。目前，缝隙式多层套管氧枪为工业生产熔池熔炼的主流结构，由具有不同直径的槽缝的不锈钢结构组合而成，主要包括喷射头，阀体和氧枪底座等结构。氧枪主体由两个或多个同轴管组成，它们通常由无缝钢管制成。内部通道传输纯氧气或富氧空气，外部通道传输保护介质，例如氮气或压缩空气。氧枪主体与氧枪底座之间的连接通常通过法兰螺栓固定，橡胶圈采用滑动连接或焊接[4]。

1 项目背景说明和来源

液化空气公司曾开发一种用于熔池熔炼的ALSI套管式氧枪。如图1所示，在封闭式的氧枪管道中，氮气或压缩空气通过环形管道与中心管道中的氧气一起进入炉内，常温的氮气或压缩空气的通入有效地冷却了氧枪头，减少了氧枪的氧化腐蚀从而延长了氧枪的寿命。如图1所示，这种结构会产生明显的固体熔池的增大，也就是通常所说的蘑菇头，蘑菇头是多孔状结构，透气良好而导热系数较低，保护氧枪头的同时还可以保护相邻耐火材料免受过度侵蚀。注入熔池内的气体需要一定的压力，以防止熔体倒灌并可以防止氧枪堵塞，同时满足反应动力学的需求[5]。

图1 Air Liquide公司的ALSI氧枪

目前，熔池中的冶炼过程通常是在熔体组成非常复杂、熔体内部不可见和高温的条件下进行的，因此该技术依旧存在一些应用难点[1，6，7]：①例如熔体的流动状态不明确，部分入炉矿料难以被迅速卷入熔体，熔池液面喷溅导致加料口堵塞等。这些缺点阻碍了氧气底吹炼铜工艺的推广。②氧枪长期处于1200摄氏度甚至超过1300摄氏度的高温强氧化条件下，极易发生氧化甚至是烧损，这就需要对氧枪进行维修甚至是更换，增加了人力及材料成本，甚至会降低底吹炉熔炼效率及产量。氧枪在进行维修时，尤其是严重阻塞或烧毁时，现场操作员必须使用敲击或拉动之类的操作方法从外壳中拔出氧枪，操作非常困难。③氧枪需要控制富氧空气或纯氧气与保护气体的比例，并且需要很大的供应压力以确保有足够量的反应气体进入熔池。常规的氧枪的氧枪头中，沿气体传输方向具有一定长度的槽缝结构，这种结构对气体传输会产生一定的阻力，增加了气体供应系统的运行成本。④目前主流氧枪通常采用较为复杂的槽缝式结构，随着时间的推移，不可避免的会发生氧化烧损，致使槽缝结构损坏丢失，失去原有的结构功能。

2 富氧底吹熔炼氧枪系统设计研究

针对目前冶炼工艺中存在的问题及难点，本工作研发和设计了新型氧枪，并对新型氧枪应用环境进行了模拟对比分析，结合水模型实验及CFD数值仿真进行优化设计。

由于氧枪的结构和特性对吹氧过程具有非常重大的影响，我们将研发重点放在氧枪射流结构上，该氧枪采用多孔旋转射流结构，旋流角加在喷气孔和轴之间，这样的结构有利于在每个喷射孔出口附近形成较大的涡旋反应区域，在吹气过程中，每个喷孔出口附近会形成相对独立的旋流反应区，从而增加了气固液接触及反应面积从而提高了富氧空气的利用率。根据具体案例的底吹炉参数选择与之匹配的合理的旋流角，可以加快熔渣形成速度，提高熔池混合效果，促进反应。溅渣过程中，由于涡旋角的存在，有效减少了气体喷射对炉底的直接冲刷，使炉渣聚集到熔池内，同时降低了溅渣的高度，并且消除了炉渣过多粘附在进料口的现象，此结构可以有效减少炉渣的飞溅，保护炉内耐火材料，延长底吹炉的使用寿命。本氧枪采用旋转喷口结构，摒弃了主流的狭缝式结构，减少了气体输送的阻力，降低供气系统的运行成本。本氧枪设有一圈扇形保护气体区域，采用氮气或压缩空气作为保护气体，环抱在氧气喷口周围，以增强氧枪的冷却效果，同时，这样的设计，加快了有利蘑菇头的生成速率，可有效延长氧枪寿命。氧枪外观见图2所示。

本氧枪采用耐高温耐腐蚀的金属制成的氧枪喷头直接与高温熔体接触，降低了氧化烧损的速率，且生成的产物与铜锍成分相似，不会引起熔体的二次污染。氧枪头采用等离子陶瓷梯度涂层，该涂层在氧枪喷头的内部和外部使用了多层渐变过渡，这样的设计可有效地防止涂层的热裂。该涂层可隔离氧气和不锈钢管之间的接触，并大大提高了氧枪的使用寿命。等离子陶瓷梯度涂层的粗糙度极低，可以大大减少冲刷腐蚀，提高涂层寿命。等离子陶瓷梯度涂层的每一层的厚度为约0.3mm。厚度可以根据实际工作条件进行调整和增厚。

图2 新型氧枪结构设计

3 新型氧枪实验研究与结果分析

3.1 新型氧枪水模型实验结果

为了进一步识别和掌握熔池中流体的流动规律，选择合适的氧枪运行参数，基于相似原理建立冷态底吹物理模型，并将氧枪与水模型结合使用，在同样的参数条件下，测试几款不同的常规的氧枪以及我们研发的新氧枪，进行对比。

测试中采用的水模型以东营方圆的底吹炉为参照，水模型的横截面尺寸按1:5的比例缩小。设定底吹气体流量为9.7Nm3/h，氧枪安装角度为7度，氧气为单一气体。结论为，直管道氧枪的夹带效果最差，大多数材料漂浮在熔池表面上，化学反应速率最低。我们开发的全螺旋氧枪的卷吸夹带效果最佳，实验中，示踪剂颗粒均匀地分散在熔池内；随着气体喷入量的增加熔池内的物料颗粒逐渐远离喷头的数量增加，并且明显多于喷头附近的颗粒量。旋流式氧枪不仅产生轴向力和径向力，同时形成切向分量，以改善氧气射流对熔池的搅动。通过冷态的水模型实验研究表明，恰当的氧枪喷射旋流角度可以有效提高熔池气含率，改善气固液分布状况并减少冶炼过程中不良喷溅的发生[7]。

3.2 新型氧枪的数值模拟计算

在冶金炉喷氧过程中，氧枪的顶端通常直接与高温熔体接触，氧枪由熔体和周围耐火砖的热流加热。因此，氧枪模型是一个传热与流动相结合的复杂模型。按照传统的绝热模型计算氧气喷射器内的流动过程，将会产生较大的误差。因此，我们的氧枪计算基于采用横截面管式氧枪在热源作用下的气体流动模型，模型及网格分布如图3所示，采用了六面体结构网格，划分了约500000个网格。并作了如下假设[8]：①流量是一维稳定流量。②在流动过程中，气体的性质是连续变化的。③流动过程中没有化学反应及相变。④传热过程处于稳定状态，热源强度不会随时间变化。⑤气体是理想气体，比热在计算涉及的温度范围内恒定。

根据水模型试验建立相似的数学模型[9-12]：①时间：瞬态。②多相：欧拉-欧拉。③初级阶段：水-液。④第二阶段：空气（d=PBM提供的饱和平均直径）。⑤相位交互：Tomiyama drag模型。⑥气泡聚集/破裂：PBM模型。⑦湍流模型：标准k-e模型。⑧CFD求解器：ANSYS Fluent V18.2。

在进行正式的数值模拟求解前，我们对数学模型进行了验证。在不同注入条件下的模拟及不同氧枪布置角度下的测量结果与数值模拟结果吻合良好，如图4所示，当气体分别在不同的喷射角度，0°、7°、14°及21°的条件下注入时模型内的气含率，蓝色柱状代表数值模拟结果与桔色的水模型试验结果较为接近，误差在允许范围内，验证了数学模型的准确性。

图3 熔池界面模型网格分布

图4 气含率的数值模拟结果与试验结果比对

该模型用于预测氧气底吹炼铜工艺中的气泡行为，为研究气相和液相之间的传质行为奠定了基础。数值仿真结果如下：图5显示了在13Nm3/h的流速下该氧枪的气含率，完全符合预期。图6显示了气体氧枪螺旋通道中心部分的速率分布。

图5 流速为13 Nm3/h时氧枪的含气率

图6 出口压力为2.5 bar时新氧枪中心截面的速度场

气体流速沿气体传播方向连续增加，在喷口处达到最大值，接近270m/s。在弯头处，气体的速度并没有明显降低，证明了这种结构设计的合理性，这种结构不仅有利于在喷口处产生旋流，同时，还可以确保气体的高速喷射。结果表明，气体在通道内速度低于音速，可有效避免氧枪通道的过度冲刷及腐蚀。

图7显示了氧枪在2.5 bar的进气压力下中心部分的气体密度分布。图8为在进气压力为2.5 bar时新喷射器中部的马赫数。喷射器中的最大气体马赫数为0.8。它是亚音速的，没有过度冲刷的问题。在底吹气体上升的过程中，气泡周围的液体压力逐渐降低，气泡逐渐膨胀。这部分功称为膨胀功，扰乱了周围的液体，并且是底部搅拌功的重要组成部分。

图7 出口压力为2.5bar时氧枪中心截面气体密度

图8 出口压力为2.5bar时氧枪中心截面马赫数

综上所述，用Luo laakkonen模型模拟结果表明，新型氧枪具有如下优势：

（1）带有螺旋通道及喷射旋流角的新型氧枪结构，可以有效的输送氧气促进化学反应快速进行，同时，减少熔体喷溅对于底吹炉内耐火材料的影响。

（2）蘑菇头的存在有助于底吹炉中熔体与气体之间的化学反应更加充分的进行。蘑菇的形成与气体注入压力和出口形状及角度有关。蘑菇头不仅对气泡的体积和形状有很大影响，而且对气泡到达液面的上升速度和时间也有很大的影响。新型氧枪结构有利于蘑菇头的形成和保持，从而实现冶炼工艺向有利方向进行。

（3）本氧枪的出口处的氧势最高，而硫势最低，有利于四氧化三铁的形成，四氧化三铁可以提高其熔点和高温抗氧化性，有利于蘑菇头的稳定性，从而更好地保护氧枪并延长其使用寿命。

4 结论和展望

（1）根据熔池熔炼技术发展和铜冶炼生产的需要，研究和设计了具有创新性结构的长寿命富氧底吹旋流熔炼氧枪。采用耐热合金材料和梯度功能陶瓷涂层，该新型氧枪有望应用于生产，并显著提高氧枪的使用寿命和冶炼企业的生产效率。

（2）水模型实验测试结果和CFD模拟结果具有较好的一致性，实验和模拟结果显示，新型氧枪结构，可以有效的输送氧气促进化学反应快速进行，同时，减少熔体喷溅对于耐火材料的影响。

（3）新型氧枪结构有利于蘑菇头的形成和保持，从而实现冶炼工艺向有利方向进行，并能够更好地保护氧枪和延长其使用寿命。

下一步，计划在国内一富氧底吹熔炼炉开展该新型氧枪的生产考核和应用研究，优化和完善氧枪使之更好的满足有色金属冶炼行业的需要。