基于热力学与动力学计算的冰铜吹炼过程多尺度模拟研究

Copper matte converting is one of the key process for copper pyrometallurgy, which refer to a complex multiphase fluid flow problem involved heterogeneous chemical reaction, mass and heat transfer. Only thermodynamics or kinetics studies on this process have some limitations. Therefore, a new method on simulating such multiphase reaction flow is proposed by united calculation of thermodynamics and kinetics, in which basic principles of interfacial physical chemistry and reaction engineering are used. The slag-making and copper-making processes in PS converter will be studied. Firstly, the reaction zone in the converter is going to defined through thermodynamic and dynamic calculation. Thereby, the simulated model of multiphase reaction flow will be established based on the “effective reaction zone”. Then the multiphase flow field, gas-liquid distribution, mixing time and mass transfer rate will be investigated in the cold visualization experiment to certify the simulation model. Finally, the influence factors and the mechanisms of multiphase reaction and transfer of the PS copper converting process will be explored from multi-scale of chemical reaction (micro), fluid flow (mesoscopic), and blowing conditions (operating unit scale). The converting process is going to optimized by scale-crossing operation, which may reduce magnetic iron content in slag, improve copper recovery and enhance the blowing efficiency. This study will be conducted to provide theoretical basis for technology updating and process improving in industry.

冰铜吹炼是铜火法冶炼的关键工序之一，是一个涉及非均相化学反应、传质、传热的复杂流体流动过程。单一采用热力学或动力学方法对该问题进行研究均存在一定的局限性。据此，本项目应用界面物理化学和反应工程学的基本原理，提出了一种基于热力学和动力学联合计算的多相反应流体仿真新方法。针对PS转炉吹炼的造渣和造铜反应过程，首先利用热力学与动力学计算对炉内反应区进行划分，并基于“有效反应区”建立多相反应流体计算模型。然后，通过冷态的可视化实验从多相流场、气液分布、混合时间与传质速率多个角度对模型进行验证。最后，从化学反应（微观）、流体运动（介观）以及吹炼工艺条件（操作单元级）三个不同尺度探索冰铜PS转炉吹炼过程中多相反应与传输行为的影响因素及其作用规律，通过跨尺度操作，寻求工艺的优化方案，达到降低渣中的磁性铁含量，提高铜回收率和提高吹炼效率的目的，以期为工业上技术的更新和工艺的改进提供理论依据。

Pierce-Smith（PS）转炉吹炼是一个从熔融冰铜中去除铁、硫等多种杂质元素最终获取粗铜的常用方法，是一个涉及化学反应、传热、传质的复杂多元多相流动过程。PS转炉吹炼过程中的多相流体流动特性、气泡行为、相分布对生产效率、气体利用率等指标起着重要影响。然而，目前国内对PS转炉吹炼工艺中的流动和传输特性的研究并不充分。.仅单一采用热力学或动力学方法对该问题进行研究均存在一定的局限性。本项目提出了一种基于热力学和动力学联合计算的多相反应流体仿真新方法。从化学反应（微观）、流体运动（介观）以及吹炼工艺条件（操作单元级）三个不同尺度对冰铜PS转炉吹炼过程中多相反应与传输行为进行多尺度模拟，并结合冷态的可视化冷态物理实验从多相流场、气液分布、混合时间与传质速率多个角度对吹炼过程进行研究。.建立了冷态实验平台和基于热力学动力学联合计算的仿真计算模型。通过实验和仿真计算，对转炉吹炼过程中熔池内喷射区、强循环区、弱循环区、喷溅区和死区五个区域进行了划分，同时考察了不同液位、进气量、喷吹角度、风眼直径、风眼排除对炉内多相流体流动、传输过程以及炉壁应力分布的影响。通过跨尺度操作，得到了最佳的喷吹工艺条，达到了提高吹炼效率、改善炉内渣铜分离、延长炉寿目的，可为工业上技术的更新和工艺的改进提供理论依据。