引 言
富氧双侧吹熔池熔炼工艺是是一种高效、节能、环保的铜熔炼新工艺。它与白银﹑诺兰达﹑艾萨﹑澳斯麦特和底吹炼铜法技术的比较有以下主要优势[1]：(1)设备上铜水套喷嘴寿命长，炉膛使用的铜水套和钢水套使用寿命可达5年，远比其他衬耐火材料使用时间长;炉墙采用铜水套围成，靠铜水套工作面上形成的冷凝炉渣层来抵御炉渣的冲刷和腐蚀。(2)鼓入熔融渣层的富氧空气或工业氧保证了熔体的强烈鼓泡搅拌，搅拌功率大。在此种情况下，液、固、气反应极快，使炉渣中的金属或铜锍长大至0.5～5mm的液滴，能迅速地下沉与炉渣分层。(3)床能力高;炉渣含铜量低;出炉烟气SO2含量高利于制酸。但是，其存在的问题还有：在富氧双侧吹熔池熔炼技术中，对于不同操作条件下，乳化层厚度及其随时间的变化规律，及乳化层内冰铜与渣两相的界面面积的确定，目前为止，还尚未有人进行研究。在工业上这层乳化层(乳浊液)不再单纯是造渣氧化物的聚合体，而是以炉渣为基体，熔解了一定数量的液态硫化物，铜锍粒子，烟尘以及悬浮着一定数量的难熔物质及和气相产物的混合层。熔渣层中一定数量的硫化物的存在有效地阻止了铁的过氧化，而熔池内的剧烈鼓泡搅动则大大地改善了Fe3O4还原的动力学条件。这种吹厚渣层是双侧吹法和其他熔池熔炼法的区别[2,3]。本研究目的在于测量不同喷嘴倾角及气体流量下，熔池内乳化层厚度﹑乳化层内液滴尺寸分布的变化规律，计算出传质界面面积A。进而为稳定，顺利的生产提供理论依据。
1 实 验
本实验以某企业铜熔炼炉为原型，采取相似比为1：8的比例，建造了一个实验室比例模型进行冷态物理模拟研究。根据相似理论，以水-油模拟实际熔炼中的铜锍-渣层，侧吹空气模拟工业上喷吹的富氧空气[4]，考察不同气量及喷嘴倾角对乳化层厚度，乳化层内液滴尺寸分布及两相之间的界面面积的影响，实验中通过单反相机进行拍摄，并通过IPP图像处理软件处理，得到相关实验数据。
1.1 物理模拟原理
1.1.1 几何相似
几何相似考虑的是模型与原型主要尺寸的相似[5,6]。研究侧吹熔池熔炼过程的物理模型是水模型，即用有机玻璃制成模拟富氧双侧吹炉，用自来水模拟反应器中的流体。在选定模型与原型的尺寸时，可以根据研究对象和实验条件考虑，一般研究过程的水模型尺寸小于原型尺寸，即 Dm小于Dp(下标m和p分别表示模型和实物)。本实验中，考虑实际情况，选定：
(1-1)
1.1.2 动力相似
对于物理模拟来说，能够找到与熔体物理性质相近的实验室用的流体很困难，因此前人所做的实验基本都是用自来水来模拟流体，用空气模拟富氧空气来进行模拟实验。对于富氧双侧吹熔池熔炼反应体系来说，引起体系内流动的动力主要是从反应器侧面倾斜吹入的气流所带来的冲击力与产生的气泡带来的浮力，因此保证模型与原型的修正弗洛德准数相等，就能基本上保证它们的动力相似[7-9]。根据这一原则，可以确定模型中吹气量的范围，修正弗洛德准数可以定义为：
(1-2)
式中：—特征速度(m/s);—熔池深度(cm);—气体密度(kg/m3);— 液体密度(kg/m3);
特征速度u可以由下式给出：
(1-3)
式中：Q—气体体积流量(m3/h);d—喷嘴直径(mm)。
将(1-3)代入(1-2)，可得：
(1-4)
为模型的弗洛德准数，为原型的弗洛德准数，由得出：
(1-5)
因此，可用(1-5)式确定模型中的吹气量。
1.2 实验装置
实验装置是以某企业的反应器为模型，根据生产实际情况，确定了模型与实际设备之间的比例为1：8进而设计了物理模拟装置。同时也根据比例设计了不同倾角的喷嘴结构。如下图1为实验室物理模拟模型，图2为喷嘴。
1.3 乳化实验原理
1.3.1 乳化层的形成及其高度随时间的变化规律
在水-油模拟的体系中，利用相机采集图片信息，将图片导出到电脑中，利用图像处理软件(Image-Pro-Plus 6.0)对图像进行分析，得出不同操作条件下乳化层高度及其随时间的变化规律。
1.3.2 液滴在乳化层中的尺寸分布及界面面积的确定
通过气体搅拌可将大液滴打碎成小液滴，增加了界面面积，大大促进两相反应;并且产生的液滴直径越小，体积越小，其比表面积就越大，则相同体积下拥有的表面积就越大，越能增大传质速率，加快反应[10-12]。研究中，对采集的图像利用Image Pro-Plus 6.0软件进行分析，得到每个液滴的直径，再利用公式(2-11)进行计算，得到体积表面积平均直径(SMD)。
(1-6)
此处，为单个液滴的当量直径。
1.3.3 乳化区内水相与油相之间的界面面积的确定
在冶金反应过程中，金-渣间传输物质传质过程总速率可表示如下[13-15]：
(1-7)
式中Ce为与渣平衡的金属中组元i 的浓度，mol/l;Ci 为金属中组元i 的浓度，mol/l;ka为容量传质系数，1/s;t 为时间，s。
在物理模拟中，我们通过吸收速率实验可以测得容量传质系数ka，其中：
(1-8)
K：质量传质系数;A：界面面积;V：熔体体积。
我们很难求得质量传质系数与界面面积这两项，而这两项恰恰是影响传质的关键因素。本研究中，由于体系的不透光性，使得拍摄所得的图像中，液滴就是一个平面上的，没有重叠，这样使得界面面积的求得有可能，与此同时，质量传质系数也可求出。对以后研究质量传递有一定的意义。
其中，为液滴体积;为乳化层体积;为液滴在乳化层中的体积百分比。
2 实验结果与讨论
本研究针对乳化层认知不清的问题，利用富氧双侧吹模型进行水模拟研究，根据相似理论，以水-油模拟实际熔炼中的铜锍-渣层，侧吹空气模拟工业上喷吹的富氧空气，考察气量从17m3/h变化到25m3/h，喷嘴倾角分别为7°，12°和17°时对乳化层厚度，乳化层内液滴尺寸分布及两相之间的界面面积的影响，实验中通过单反相机进行拍摄，并通过IPP软件处理，得到相关实验数据。
2.1 乳化层的形成过程
水模型内放有水-油两相，其中水相模拟工业上的冰铜层，模型与工业原型按几何相似，向模型中加入自来水至水的上表面距模型底部10cm为止，再向模型中注入植物油，使其上表面距水的上表面20cm，如图2.1所示，使其满足式(2-1)：
(2-1)
图 2.1 模型加水与油的位置
Firure 2.1 The water and oil position in model
在实验时，为模拟工业中加料形式，从加料口位置将水注入模型内至油层上表面浮至距模型下边缘30cm，与此同时气体从模型侧面喷吹入模型内，加料结束后继续喷吹5分钟后停止。此后，记录下乳化层的形成过程如下图2.2。
从图2.2(a)可以看到，实验中由于从反应器侧面喷入气体，气流的冲击力带来的动量与气泡上浮产生的浮力对熔池内油层有很大的搅动，致使油-水-空气三相充分接触，发生乳化作用，但由于搅拌剧烈，使得包含着液滴的乳化层未能从乳化相中分离开来。图2.2(b)是停吹后5分钟拍摄到的，其与图a的区别在于下部含有液滴的乳化层逐渐形成。图2.2(c)可明显看出乳化层的上下边缘，这是由于乳化层中含有的液滴其中包含水与油，而水的密度大于油的密度，导致水滴向下运动，由于水滴外面可能包裹着油滴(或油滴包裹着水滴)，使得部分油与水同时下落，形成白颜色的乳化层，与油相(其中含有水相)分离，产生明显边界。图(d),(e)表明乳化层随时间会逐渐变薄，最终基本稳定在一个厚度。这是由于重力差使得水向下运动而油向上运动，这时乳化层会慢慢变薄。最终由于浓度差的存在，使得乳化层中由于重力差向外扩散出去的水与油的质量等于由浓度差引起的向内扩散来的水与油的质量，从而保持了乳化层厚度不发生变化。
图 2.2 乳化层的形成过程
Figure 2.2 The formation process of emulsion layer
2.2 乳化层厚度的变化
(1) 不同气体流量对乳化层厚度的影响
实验时，在喷嘴倾角为7°，喷嘴直径为3.7mm，排布方式为1#排布的情况下，测得了气体流量从17m3/h变化到25m3/h的乳化层厚度，结果见图2.3。
从图2.3中，我们可以看到，随着气体流量的增大，乳化层的厚度从气量为17m3/h的9.0cm增加到气量为25m3/h的13.4cm。当流量为17m3/h时，气体的气速为44m/s，而流量为25m3/h时，气速为65m/s。气速越大，气体所携带的动能就越大，与水油相遇时传递给它们的动量越多，水与油混合得越好，乳化程度越深，这就导致乳化层的厚度随着气量的增加而增加。
与此同时，当气速大的气流与水和油相撞时，便将水与油打碎成直径更小的液滴。在液滴运动的过程中会受到重力，浮力与曳力，其中：
其中，为液滴密度，为流体密度，d为液滴直径，为阻力系数，为沉降速度。
达到沉降速度时，阻力大小应等于净重力，即
(2-2)
解得：
(2-3)
从式(2-2)我们可以看出，液滴的沉降速度与液滴直径有关，其直径越小，沉降速度也就越小。同时，由于在乳化层中会有水油相互包裹的现象，则液滴直径越小，其比表面能越高，水油发生分离越困难，这也是导致乳化层厚度随气流量增大而增高的原因之一。
图 2.3 不同气体流量下乳化层厚度直方图
Figure 2.3 The emulsion thickness histogram under different gas flow
(2) 喷嘴倾角对乳化层厚度的影响
实验时，在喷嘴直径为3.7mm,气体流量为20m3/h，排布为1#排布的情况下，考察喷嘴倾角分别为7°，12°和17°的情况下，乳化层的厚度变化。
图 2.4 乳化层厚度随喷嘴倾角变化图
Figure 2.4 Emulsion layer thickness varies with the nozzle angles
从图2.4可以看出，随着喷嘴倾角的增加，乳化层的最终高度是降低的。从图2.5中可以看出，随着喷嘴倾角的增加，喷吹位置下移导致喷吹范围缩小，并且由于喷嘴倾角增大会使下面的水层界面波动较大，易使水向中夹带油相也就是工业上的冰铜层中混有渣相，带来麻烦。同时，喷吹范围的缩小使得油相的混合效果变差，导致乳化层随喷吹角度的增大而减小[16]。
2.3液滴在乳化层中的尺寸分布及界面面积的确定
实验时，通过单反相机对不同操作条件下的乳化层进行拍照，得到如图2.7，2.8所示的存在于乳化层内的小液滴的图片，再用Image Pro-Plus 6.0软件进行数据分析，得到不同条件下乳化层内液滴的尺寸并确定界面面积。
2.3.1 不同气体流量对液滴尺寸及界面面积的影响
实验时，在喷嘴倾角为7°，喷嘴直径为3.7mm，喷嘴排布方式为1#的情况下，考察了不同气体流量对液滴尺寸及界面面积的影响。在前面的叙述中，我们得知：通过气体搅拌可大大促进任何两相反应并且增加界面面积。乳化现象对炉渣和金属之间的反应速率以及传质速率的贡献是非常巨大的，两相之间的传质速率与界面面积直接相关，具体表达式如下所示：
(2-4)
此处，k为传质系数，A为界面面积，表示穿过界面的浓度梯度。
为了预测传质动力学，不得不量化其中的界面面积[6]。对于大多数的研究来讲，他们都只是测量了体系的容量传质系数，而不能将传质面积与传质系数分别求得。本实验中，通过对所获截面上的液滴尺寸进行统计，根据公式计(1-6)﹑(1-9)和(1-10)算出Sauter平均直径(SMD),即体积表面积平均直径和界面面积。从图2.9中我们可以看到乳化层中液滴的尺寸分布与不同直径的液滴数目占整个统计液滴数目的百分比。通过公式(1-6)的计算得到图2.10，即液滴的SMD图[17]。
从图2.9中可以看到，实验时对350～500个液滴进行统计分析，在气体流量为17m3/h时，液滴尺寸分布直方图峰值较低，液滴尺寸主要集中在2.5mm～5.0mm区间内，其所占比例为：92.03%。此时，液滴的SMD为：3.31mm。随着气体流量的增大，液滴尺寸分布直方图峰值突起，液滴尺寸主要集中在2.0mm～3.0mm范围内，其所占比例为：91.36%。同时液滴的SMD缩小为：2.31mm。
在整个液滴的尺寸分布中，较小的液滴(直径≤1.0mm)与较大的液滴(直径≥6.0mm)的液滴所占的比例非常少，可合理推断乳化层内液滴的尺寸分布为1.0mm～6.0mm之间。从图2.9右侧的百分比图中很明显地看出，随着气体流量的增大，百分比峰值逐渐向直径小的方向移动，这表明随气量增大，乳化层内被包裹的水滴尺寸逐渐减小。
在水-油相流动体系中，当一个液滴经历邻近移动流体的剪切力时，它能保持停滞状态或被推入旁边，这取决于它的惯性和应力的大小。在黏度较大的相中较大的液滴被推向远处的难度较大。因此，它们更有可能被打碎成小的液滴。与之相反，对于惯性较小的液滴来说，也就是尺寸较小的液滴，它更倾向于被流体推至远处。因此，通过增加气体流速，尺寸大的液滴能更容易被分离成较小的液滴。所以我们有理由认为，对于一个明确的液体和速度场体系，其具有一个临界液滴尺寸，即液滴不能发生破碎的最小尺寸。
从图2.10看出，随着气体流量的增大，液滴的SMD从3.31mm逐渐递减至3.01mm，2.32mm最终至2.31mm。当气体流量增大到一定程度后，液滴尺寸基本维持在2.3mm而不再减小，这与上述结论一致。并且我们可以合理推断甚至在高流速情况下，水-油熔池内的平均液滴尺寸不能小于2～4 mm，即发生乳化作用液滴的临界尺寸为2～4mm。
图2.11给出了在不同气体流量情况下，乳化区界面面积与气体流速的函数关系。正如图中所见，界面面积几乎随气体流速的增加而线性增加。从30.29m2逐渐递增36.20m2，47.47m2至54.33m2。
图 2.9 液滴尺寸分布直方图与微分分布图
Figure 2.9 The droplet size distribution histogram and the differential distribution
2.3.2 不同喷嘴倾角对液滴尺寸及界面面积的影响
实验中，喷嘴直径为3.7mm，流量为20m3/h，排布为1#排布，考察不同喷嘴倾角下液滴的直径分布及乳化层中水油两相的界面面积，同时检验上述结论的准确性。
图2.12给出了喷嘴倾角分别为7°，12°和17°条件下乳化层内液滴尺寸分布直方图与微分分布图。我们可以看出直方图与曲线的峰值随角度的增加而降低，且曲线的峰值随角度的增大有向右移动的趋势。图2.12与图2.9的变化规律可以说是相反的。结合图2.13进行说明。造成这种现象的原因是，当角度增大时，喷吹的位置由原来的油层变为水层，此时对油层的搅拌作用减弱，油层混合效果不好，则乳化层会降低。同时，由于搅拌效果不好，只有一小部分的液滴被打碎成小液滴，而大部分让然保持大液滴的本质，从而随着倾角的增大，液滴的SMD值也随之增大。
图 2.12 液滴尺寸分布直方图与微分分布图
Figure 2.12 The droplet size distribution histogram and the differential distribution
3 结 论
本文是主要是通过冷态物理模型的研究方法，考察了气体流量和喷嘴角度对乳化层厚度，液滴尺寸分布及乳化层界面面积的影响，得到以下结论：
⑴ 乳化层的高度随着喷嘴倾角的增大而减小;随着气体流量的增加而增加。
⑵ 乳化层中液滴的SMD值随着气体流量的增大而减小，随着喷嘴倾角的增大而增大。
⑶ 乳化层界面面积随着气体流量的增大呈几乎线性增大;界面面积随角度的增大呈线性减小。
⑷ 发生乳化现象的液滴的临界SMD值为2～4mm。
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声明：
“富氧双侧吹熔炼铜过程的物理模拟研究” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：中冶有色技术网
来源：东北大学多金属共生矿生态化冶金教育部重点实验室
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