精矿喷嘴研究现状与展望

王春艳

（江西机电职业技术学院，江西 南昌 330013）

在熔炼技术中，闪速熔炼工艺因能耗低、炉气质量好、硫的利用率高、床能率高、脱硫率高等特点[1]，而取得了长足的发展。精矿喷嘴作为闪速熔炼工艺的关键设备，可将干燥的铜精矿、熔剂和工艺风喷至高温炉内，瞬间完成物理、化学冶金反应，达到造锍和造渣的目的。熔炼过程的顺利程度以及生产技术水平等诸多指标都与精矿喷嘴的性能相关，故从1949年发展至今，精矿喷嘴一直不断地被研究和完善。

1985年，江西铜业公司贵溪冶炼厂（以下简称贵冶）从日本和芬兰引进精矿喷嘴技术和设备，建成投产我国第一座闪速熔炼车间，奠定了我国闪速熔炼的技术基础[2-3]。1997年，金隆闪速炉从芬兰OUTOKUMPU公司首次引进中央喷射型喷嘴，建成我国第二座闪速熔炼铜冶炼厂，实践表明，该喷嘴性能优良，适合于高投料量和高富氧熔炼[4]。2007年8月，贵冶通过在精矿喷嘴中央配置氧油烧嘴，建成新的30万t铜工程并投产，使贵冶总的矿产铜能力达到70万t/a[5]。

由于精矿喷嘴技术的复杂性，目前国内均从国外进口，需支付高额的生产许可证及设备费用。为了减少投资，无论是设计单位还是使用单位，都期待国内设计、制造的精矿喷嘴问世[6]。

1 精矿喷嘴的研究和应用现状

精矿喷嘴直接关系到熔炼的生产能力、燃料消耗、烟尘产出率、铜锍品位以及耐火材料的侵蚀等方面，故精矿喷嘴性能的提高一直是冶金领域重要的研究课题。目前，我国闪速熔炼技术走的基本路线是：引进—吸收—消化—改进。在引进国外先进技术和设备后，经过多年的实践和总结，我国积累了丰富的经验，吸收了大量的技术并进行了消化，最后进行研究改进，提高精矿喷嘴的多项性能指标，从而促进了它的发展。以下从国内最新的研究动态，以及贵溪冶炼厂精矿喷嘴的研究现状进行分析、总结。

1.1 国内精矿喷嘴的研究和应用现状

2000年，王伟等根据空气动力学原理及涡动动力学原理，改善了传统精矿喷嘴在喷出口层流“伞”状轨迹的问题，增强该处湍流强度，增强混合强度，利用旋涡来对炉料与反应风进行充分混合[7]。姚增权等推导出了简式旋流喷嘴流动所遵守的一系列关系式，并给出了喷嘴的设计方法，对喷嘴国产化具有一定的参考意义[8]。张文海院士考虑到固体颗粒浓相载流原理和延长反应路径，提出了“涡旋式新概念喷嘴”。中南大学谢锴博士对超强化闪速熔炼精矿喷嘴（涡旋式精矿喷嘴）新结构进行了仿真研究与开发，通过解决氧气与精矿的高效混合、强化悬浮熔炼反应、加强粒子间的碰撞还原、约束高温高颗粒浓度的射流对反应塔炉衬的蚀损等问题，能将最大生产能力提高至闪速炉原计划的4~5倍。

2004年，金川公司和中国有色工程设计研究总院在总结镍闪速炉10年实践经验的基础上，设计出世界上第一台用于炼铜的铜合成熔炼炉。冯晓梅指出铜合成熔炼炉在同一熔池内完成闪速熔炼和渣贫化两种不同的冶金工艺过程，由于炉渣在炉内停留时间长，有利于锍和炉渣的分离，同时又相应地使渣含铜量降低，炉渣的温度容易控制[9]。

1.2 贵溪冶炼厂精矿喷嘴的应用及改造现状

20世纪80年代，贵冶引进技术和设备完成了一期年产10万t阴极铜项目，闪速炉精矿处理量为80 t/h ~100 t/h。由于在其喉口能形成负压，对下料有很好的引导作用，不会发生“顶料”和“漏料”现象[10]，但在投产初期，曾出现烟尘率高达12%的问题，严重影响工厂经济效益。针对这一缺陷，刘英刚提出在精矿溜管上增加风料混合器和从重油喷枪风油输送管与其保护套管间通入压缩空气等强化风料混合的建议[11]。

20世纪90年代，贵冶在二期工程改造时将4个精矿喷嘴改为1个双环式中央扩散型精矿喷嘴，精矿处理量提高到140 t/h ~160 t/h。反应塔富氧浓度高、烟尘率低、能耗低、维修和操作方便，但经过投产两年多后，暴露出一些不足，比如难以适应精矿投料量的大范围波动、炉况差、产生“下生料”现象、振打器使用频繁时容易损坏等问题[12]。而该问题主要是风速不稳定、内外环出口处易粘结、出口处变形及分散锥易粘结引起的。

2002年年初，贵冶在闪速炉三期改造中，采用套筒式带调风锥的中央精矿喷嘴，处理物料设计能力达到200 t/h。出口环部增设了铜质冷却水套，防止了出风口的变形，稳定了闪速炉的炉况。

2007年8月，贵冶新的30 t铜工程采用带中央油枪和调风锥的精矿喷嘴，设计处理能力为160 t/h。由于配置了氧油烧嘴，炉内升温快，温度分布平衡，相对于三期改造的精矿喷嘴而言，产出的冰铜品位更均匀，烟尘的性能也得到了改善。

2 国内精矿喷嘴性能存在的不足

目前，中央喷射型精矿喷嘴与传统的文丘里型喷嘴相比，虽然具有结构简单、维护方便、精矿分散性好、氧利用率高、对反应塔壁侵蚀少、烟尘率低、适用于高投料量和高富氧熔炼等突出优点，但国内对OUTOKUMPU中央喷射型精矿喷嘴主要研究的方向为其结构、功能、参数及运行实践。随着生产的不断进行，在喷嘴的最优化操作方面需进行更深层次的探索和尝试，最大限度地发挥中央喷射型精矿喷嘴的优点和潜力。

中央喷射型精矿喷嘴的主要问题表现在：

1）工艺风、精矿或中央氧会发生偏流现象，部分精矿反应不完全；

2）沉淀池内易发生料堆，“下生料”严重；

3）不能充分利用有限的反应空间；

4）投料量还有待进一步提高；

5）反应物对反应塔易造成冲刷，耐火材料寿命较短。

当然，也不应该满足于中央喷射型精矿喷嘴的改进。正如张文海院士提出的“涡旋式新概念喷嘴”，是富于新意的研究课题[3]，如果能取得技术突破，那将是一次全新的技术革命，能产生重大的影响和意义，也能使我国的闪速熔炼技术真正立于世界前沿。

3 优化精矿喷嘴性能的研究手段

在数学模拟技术被引入对冶金过程的研究之前，国内的冶金工艺和熔炼过程主要是依靠实验室研究和现场观测，需要依赖长期积累的经验。而铜闪速炉是一个高温、强氧化的密闭环境，无法通过实验和现场观测的方法得到经验数据，只能对一些常见问题提出改进的意见，而不能对闪速炉体系进行系统的研究，这使得国内对闪速炉技术研究没有历史意义的突破。随着计算机硬件和相关软件的发展，为了实现闪速熔炼“高产率、高寿命、高产品质量”和“低能耗、低污染”的“三高两低”的生产目标，数学模拟已经成为今后冶金过程研究的一个重要手段。以CFX商业软件为计算平台，研究开发的铜闪速熔炼过程的仿真系统，将填补国内铜闪速炉仿真与操作参数优化技术的空缺。

数学模拟基于流体力学、计算传热学、计算燃烧学和冶金反应工程学的原理，利用数值方法求解非线性方程联立的质量、动量、能量、组分方程组，并进行数学分析，预报出流动、传热以及燃烧过程的细节。CFD仿真是一种非常有效的研究铜闪速炉反应塔内部化学反应以及热传输现象的手段，对精矿喷嘴的深入研究具有重要意义。要走在世界闪速炉研究技术的前沿，就必须改变传统的研究手段，使用更加先进的CFD技术来研究闪速炉内部的流场、浓度场、温度场、燃烧释热场以及颗粒的轨迹变化、温度变化和化学反应。

国内很多高校加强了对计算机模拟在闪速熔炼中的应用，其中，贵溪冶炼厂蒋建兴对原有目标铜锍温度控制模型进行了修改，达到提高计算机控制质量的目的[13]。中南大学谭鹏夫等修正了数据模型，对贵溪冶炼厂闪速熔炼过程进行了计算机模拟[14]。西安交通大学万维汉等利用自适应模糊神经网络的方法建立了镍闪速炉模型，以较为准确地反映镍闪速炉的运行过程[15]。清华大学李欣峰等研究了流场、温度场以及颗粒轨迹，在CFD软件中进行了仿真，并将试验温度与仿真温度进行了对比，验证了模型的正确性。中南大学陈红荣等建立了颗粒相和气相模型以及一些化学反应模型，来模拟OUTOKUMPU闪速炉的流场、温度场、释热场，仿真得到了对冶炼有利的3C（高温、富氧、高投放量）条件。

另外，除了要采用先进的研究手段外，由于精矿喷嘴的设计不是孤立的，而是和整个熔炼反应过程、闪速炉的各个组成模块和谐统一的，是多空间的高温复杂过程，因此，对于精矿喷嘴的设计与改进是多种因素耦合的结果。基于精矿喷嘴研究的复杂性，在其技术的改进过程中，需要采用高校与研究院一起合作战略方式，充分利用国内有利的学术资源，努力推动闪速研究技术的迅速发展。比如，金川第一冶炼厂和西北工业大学就对精矿喷嘴的研究进行了合作。

因此，如果要在技术水平上走在世界的前列，应该更加注重科学前沿技术在该领域的应用，通过计算机仿真，得到重要的理论依据，再在试验过程中得到验证，最后对该技术加以利用并推广，才能不断推动精矿喷嘴高科技研究的发展。经文献调研，目前精矿喷嘴重点研究的方向有：

1）精矿的反应机理具有代表性的是日本住友金属矿山的“两粒子模型”[16]，但其反应耦合过于复杂，熔炼反应机理还需要深入的研究。

2）国内已有学者建立铜闪速炉反应塔的二维柱坐标系模型，考虑到了颗粒相的湍动与扩散作用，但没反映颗粒相之间的碰撞与融合。由于这部分工作影响到仿真的全息性，故需要做进一步的研究。在仿真模型中，还要考虑到颗粒对壁面的冲刷与挂渣等问题，同时要综合考虑塔内传热、传质、燃烧以及反应过程，才能建立更加精确的模型。

3）中南大学谢锴博士提出工艺风内外环出口风速和旋流数的控制对涡旋式超强化喷嘴（旋涡式喷嘴）的功能至关重要，这部分技术有重大的研究价值。

4）为了验证系统仿真结果的可靠性及工程指导意义，需要现场测试部门与测试手段研究工作的大力支持。国内相关冶炼企业只有为相应研究单位创造条件，进行生产现场测试和对比，许多量化的工作及参数才有可能得到解决，才有可能将总结出的理论投放到实践研究中去。

4 展望

精矿喷嘴的成功研究，不仅可以减少重复引进技术和花费大量的外汇，更重要的是打破国外对闪速熔炼关键技术的垄断，可以大大提高国内有色冶炼技术水平在国际市场中的竞争力。既可带来巨额经济效益，也可节约资源，还有利于环境保护。因此，精矿喷嘴的研究具有非常重大的现实意义。国家技术前瞻研究组也提出要研制具有我国知识产权的闪速熔炼关键装备技术，这充分说明国家对铜冶炼技术的重视，对闪速炉产业化的迫切希望。