氧气底吹造锍多金属捕集过程中的气泡行为的研究

氧气底吹造锍技术是具有我国知识产权的炼铜吹炼技术，底吹过程可以利用气泡上浮驱动熔池内金属液循环流动并以此来加快传递过程。为了设计和操作底吹气体喷射装置，需要掌握喷吹参数、喷射区几何形状、气液上升速度及含气率等。然而，至今上述有关基础研究尚不够充分。本课题针对现有的氧气底吹熔炼多金属捕集反应过程中存在的一些问题，基于界面物理化学的基本理论，用物理模拟与数学模拟想结合的实验手段，从图像分析、因次分析、气含率、均混时间、气泡上升速度、气泡利用率、数值模拟等角度，系统地研究氧气底吹熔炼多金属捕集反应过程中气泡微细化和气泡分散的影响因素及其相互作用规律，建立包括各种喷吹参数的含气率分布模型，研究喷射区的形成过程并建立其边界模型，根据动量守恒和力的平衡关系，建立喷射区的气一液上升速度的物理模型，在冷态物理模拟与数值模拟基础上进一步预测高温下底吹气泡行为。为选择最佳底吹工艺参数提供实验和理论依据。

氧气底吹熔炼技术的工业化是我国底吹连续炼铜法进步的一个标志，该技术目前还存在很多问题，为了改良底吹气体喷射装置，需要了解和掌握喷吹参数、气泡大小、喷溅、卷渣及熔池内气含率等参数。为了进一步认识和掌握气－液喷射过程的物理单元传递现象，本项目针对现有的氧气底吹熔炼多金属捕集反应过程中存在的问题，基于相似原理建立了水模型实验装置。在水模实验中，采用图像分析、吸收速率、均混时间和因次分析等方法，对氧气底吹造锍熔炼反应过程中气泡微细化和气泡分散的影响因素及其相互作用规律进行了系统地研究，包括横截面水模型的单枪喷吹、双枪喷吹，改变喷嘴数量、喷嘴角度、喷嘴直径、气流速度等一系列因素对气泡大小及气含率的影响规律，并利用因次分析方法分析关联各种因素对气泡尺寸影响的准数方程。全长水模型中，通过高速摄像法、电导率测量法、NaOH溶液吸收CO2法等，对反应器内熔池均混时间、喷溅高度、气体吸收速率及利用率进行测量，系统地研究不同的氧枪布局、喷吹压力、喷气速度、CO2浓度、液面高度等参数变化对熔池搅拌效果、气泡微细化和分散的影响规律。数值模拟应用商业CFD软件，采用Eulerian-Eulerian模型对底吹炉内的气液体系进行数值模拟，研究了横截面水模型不同喷气速度、单喷嘴角度、双喷嘴夹角条件下熔池内气液两相分布、流体速度、内部流场迹线的影响，又通过全长水模型的数值模拟，考察了各个喷嘴之间的影响和整体模型内的流体流动状况及气液分布。并将结果与水模型实验结果对比，数值模拟结果与实验结果一致的基础上，得到以下结论：双喷嘴对称喷吹中，夹角越大，喷溅越小，气泡在水中分布越均匀，采用44°夹角能获得最少的喷溅和最佳的气泡微细化效果；双喷嘴不对称喷吹比对称喷吹在气泡分散和微细化方面更具优势，不同的不对称夹角之间的差别不大，平均气泡直径均小于4mm；由单双喷嘴的比较可知在相同气体流量的情况下，采用双喷嘴能获得更好的熔池搅拌效果并大幅减少液体喷溅和卷渣现象，而超音速喷嘴有利于气泡细化的同时会加剧喷溅和卷渣；全长水模型中，9个喷嘴三排排布能在不增加喷嘴数量的条件下最大的减小熔池均混时间，获得最佳的搅拌效果。本项目通过对氧气底吹炉的物理数值模拟，掌握了操作参数对气泡行为的影响规律；建立了气泡直径与各参数之间的量化关系；探求到了最佳的喷吹条件，为解决底吹实际工业问题、提高冶炼效率、降低成本提供了坚实的理论基础。