引 言
富氧雙側吹熔池熔煉工藝是是一種高效、節能、環保的銅熔煉新工藝。它與白銀﹑諾蘭達﹑艾薩﹑澳斯麥特和底吹煉銅法技術的比較有以下主要優勢[1]：(1)設備上銅水套噴嘴壽命長，爐膛使用的銅水套和鋼水套使用壽命可達5年，遠比其他襯耐火材料使用時間長;爐墻采用銅水套圍成，靠銅水套工作面上形成的冷凝爐渣層來抵御爐渣的沖刷和腐蝕。(2)鼓入熔融渣層的富氧空氣或工業氧保證了熔體的強烈鼓泡攪拌，攪拌功率大。在此種情況下，液、固、氣反應極快，使爐渣中的金屬或銅锍長大至0.5～5mm的液滴，能迅速地下沉與爐渣分層。(3)床能力高;爐渣含銅量低;出爐煙氣SO2含量高利于制酸。但是，其存在的問題還有：在富氧雙側吹熔池熔煉技術中，對于不同操作條件下，乳化層厚度及其隨時間的變化規律，及乳化層內冰銅與渣兩相的界面面積的確定，目前為止，還尚未有人進行研究。在工業上這層乳化層(乳濁液)不再單純是造渣氧化物的聚合體，而是以爐渣為基體，熔解了一定數量的液態硫化物，銅锍粒子，煙塵以及懸浮著一定數量的難熔物質及和氣相產物的混合層。熔渣層中一定數量的硫化物的存在有效地阻止了鐵的過氧化，而熔池內的劇烈鼓泡攪動則大大地改善了Fe3O4還原的動力學條件。這種吹厚渣層是雙側吹法和其他熔池熔煉法的區別[2,3]。本研究目的在于測量不同噴嘴傾角及氣體流量下，熔池內乳化層厚度﹑乳化層內液滴尺寸分布的變化規律，計算出傳質界面面積A。進而為穩定，順利的生產提供理論依據。
1 實 驗
本實驗以某企業銅熔煉爐為原型，采取相似比為1：8的比例，建造了一個實驗室比例模型進行冷態物理模擬研究。根據相似理論，以水-油模擬實際熔煉中的銅锍-渣層，側吹空氣模擬工業上噴吹的富氧空氣[4]，考察不同氣量及噴嘴傾角對乳化層厚度，乳化層內液滴尺寸分布及兩相之間的界面面積的影響，實驗中通過單反相機進行拍攝，并通過IPP圖像處理軟件處理，得到相關實驗數據。
1.1 物理模擬原理
1.1.1 幾何相似
幾何相似考慮的是模型與原型主要尺寸的相似[5,6]。研究側吹熔池熔煉過程的物理模型是水模型，即用有機玻璃制成模擬富氧雙側吹爐，用自來水模擬反應器中的流體。在選定模型與原型的尺寸時，可以根據研究對象和實驗條件考慮，一般研究過程的水模型尺寸小于原型尺寸，即 Dm小于Dp(下標m和p分別表示模型和實物)。本實驗中，考慮實際情況，選定：
(1-1)
1.1.2 動力相似
對于物理模擬來說，能夠找到與熔體物理性質相近的實驗室用的流體很困難，因此前人所做的實驗基本都是用自來水來模擬流體，用空氣模擬富氧空氣來進行模擬實驗。對于富氧雙側吹熔池熔煉反應體系來說，引起體系內流動的動力主要是從反應器側面傾斜吹入的氣流所帶來的沖擊力與產生的氣泡帶來的浮力，因此保證模型與原型的修正弗洛德準數相等，就能基本上保證它們的動力相似[7-9]。根據這一原則，可以確定模型中吹氣量的范圍，修正弗洛德準數可以定義為：
(1-2)
式中：—特征速度(m/s);—熔池深度(cm);—氣體密度(kg/m3);— 液體密度(kg/m3);
特征速度u可以由下式給出：
(1-3)
式中：Q—氣體體積流量(m3/h);d—噴嘴直徑(mm)。
將(1-3)代入(1-2)，可得：
(1-4)
為模型的弗洛德準數，為原型的弗洛德準數，由得出：
(1-5)
因此，可用(1-5)式確定模型中的吹氣量。
1.2 實驗裝置
實驗裝置是以某企業的反應器為模型，根據生產實際情況，確定了模型與實際設備之間的比例為1：8進而設計了物理模擬裝置。同時也根據比例設計了不同傾角的噴嘴結構。如下圖1為實驗室物理模擬模型，圖2為噴嘴。
1.3 乳化實驗原理
1.3.1 乳化層的形成及其高度隨時間的變化規律
在水-油模擬的體系中，利用相機采集圖片信息，將圖片導出到電腦中，利用圖像處理軟件(Image-Pro-Plus 6.0)對圖像進行分析，得出不同操作條件下乳化層高度及其隨時間的變化規律。
1.3.2 液滴在乳化層中的尺寸分布及界面面積的確定
通過氣體攪拌可將大液滴打碎成小液滴，增加了界面面積，大大促進兩相反應;并且產生的液滴直徑越小，體積越小，其比表面積就越大，則相同體積下擁有的表面積就越大，越能增大傳質速率，加快反應[10-12]。研究中，對采集的圖像利用Image Pro-Plus 6.0軟件進行分析，得到每個液滴的直徑，再利用公式(2-11)進行計算，得到體積表面積平均直徑(SMD)。
(1-6)
此處，為單個液滴的當量直徑。
1.3.3 乳化區內水相與油相之間的界面面積的確定
在冶金反應過程中，金-渣間傳輸物質傳質過程總速率可表示如下[13-15]：
(1-7)
式中Ce為與渣平衡的金屬中組元i 的濃度，mol/l;Ci 為金屬中組元i 的濃度，mol/l;ka為容量傳質系數，1/s;t 為時間，s。
在物理模擬中，我們通過吸收速率實驗可以測得容量傳質系數ka，其中：
(1-8)
K：質量傳質系數;A：界面面積;V：熔體體積。
我們很難求得質量傳質系數與界面面積這兩項，而這兩項恰恰是影響傳質的關鍵因素。本研究中，由于體系的不透光性，使得拍攝所得的圖像中，液滴就是一個平面上的，沒有重疊，這樣使得界面面積的求得有可能，與此同時，質量傳質系數也可求出。對以后研究質量傳遞有一定的意義。
其中，為液滴體積;為乳化層體積;為液滴在乳化層中的體積百分比。
2 實驗結果與討論
本研究針對乳化層認知不清的問題，利用富氧雙側吹模型進行水模擬研究，根據相似理論，以水-油模擬實際熔煉中的銅锍-渣層，側吹空氣模擬工業上噴吹的富氧空氣，考察氣量從17m3/h變化到25m3/h，噴嘴傾角分別為7°，12°和17°時對乳化層厚度，乳化層內液滴尺寸分布及兩相之間的界面面積的影響，實驗中通過單反相機進行拍攝，并通過IPP軟件處理，得到相關實驗數據。
2.1 乳化層的形成過程
水模型內放有水-油兩相，其中水相模擬工業上的冰銅層，模型與工業原型按幾何相似，向模型中加入自來水至水的上表面距模型底部10cm為止，再向模型中注入植物油，使其上表面距水的上表面20cm，如圖2.1所示，使其滿足式(2-1)：
(2-1)
圖 2.1 模型加水與油的位置
Firure 2.1 The water and oil position in model
在實驗時，為模擬工業中加料形式，從加料口位置將水注入模型內至油層上表面浮至距模型下邊緣30cm，與此同時氣體從模型側面噴吹入模型內，加料結束后繼續噴吹5分鐘后停止。此后，記錄下乳化層的形成過程如下圖2.2。
從圖2.2(a)可以看到，實驗中由于從反應器側面噴入氣體，氣流的沖擊力帶來的動量與氣泡上浮產生的浮力對熔池內油層有很大的攪動，致使油-水-空氣三相充分接觸，發生乳化作用，但由于攪拌劇烈，使得包含著液滴的乳化層未能從乳化相中分離開來。圖2.2(b)是停吹后5分鐘拍攝到的，其與圖a的區別在于下部含有液滴的乳化層逐漸形成。圖2.2(c)可明顯看出乳化層的上下邊緣，這是由于乳化層中含有的液滴其中包含水與油，而水的密度大于油的密度，導致水滴向下運動，由于水滴外面可能包裹著油滴(或油滴包裹著水滴)，使得部分油與水同時下落，形成白顏色的乳化層，與油相(其中含有水相)分離，產生明顯邊界。圖(d),(e)表明乳化層隨時間會逐漸變薄，最終基本穩定在一個厚度。這是由于重力差使得水向下運動而油向上運動，這時乳化層會慢慢變薄。最終由于濃度差的存在，使得乳化層中由于重力差向外擴散出去的水與油的質量等于由濃度差引起的向內擴散來的水與油的質量，從而保持了乳化層厚度不發生變化。
圖 2.2 乳化層的形成過程
Figure 2.2 The formation process of emulsion layer
2.2 乳化層厚度的變化
(1) 不同氣體流量對乳化層厚度的影響
實驗時，在噴嘴傾角為7°，噴嘴直徑為3.7mm，排布方式為1#排布的情況下，測得了氣體流量從17m3/h變化到25m3/h的乳化層厚度，結果見圖2.3。
從圖2.3中，我們可以看到，隨著氣體流量的增大，乳化層的厚度從氣量為17m3/h的9.0cm增加到氣量為25m3/h的13.4cm。當流量為17m3/h時，氣體的氣速為44m/s，而流量為25m3/h時，氣速為65m/s。氣速越大，氣體所攜帶的動能就越大，與水油相遇時傳遞給它們的動量越多，水與油混合得越好，乳化程度越深，這就導致乳化層的厚度隨著氣量的增加而增加。
與此同時，當氣速大的氣流與水和油相撞時，便將水與油打碎成直徑更小的液滴。在液滴運動的過程中會受到重力，浮力與曳力，其中：
其中，為液滴密度，為流體密度，d為液滴直徑，為阻力系數，為沉降速度。
達到沉降速度時，阻力大小應等于凈重力，即
(2-2)
解得：
(2-3)
從式(2-2)我們可以看出，液滴的沉降速度與液滴直徑有關，其直徑越小，沉降速度也就越小。同時，由于在乳化層中會有水油相互包裹的現象，則液滴直徑越小，其比表面能越高，水油發生分離越困難，這也是導致乳化層厚度隨氣流量增大而增高的原因之一。
圖 2.3 不同氣體流量下乳化層厚度直方圖
Figure 2.3 The emulsion thickness histogram under different gas flow
(2) 噴嘴傾角對乳化層厚度的影響
實驗時，在噴嘴直徑為3.7mm,氣體流量為20m3/h，排布為1#排布的情況下，考察噴嘴傾角分別為7°，12°和17°的情況下，乳化層的厚度變化。
圖 2.4 乳化層厚度隨噴嘴傾角變化圖
Figure 2.4 Emulsion layer thickness varies with the nozzle angles
從圖2.4可以看出，隨著噴嘴傾角的增加，乳化層的最終高度是降低的。從圖2.5中可以看出，隨著噴嘴傾角的增加，噴吹位置下移導致噴吹范圍縮小，并且由于噴嘴傾角增大會使下面的水層界面波動較大，易使水向中夾帶油相也就是工業上的冰銅層中混有渣相，帶來麻煩。同時，噴吹范圍的縮小使得油相的混合效果變差，導致乳化層隨噴吹角度的增大而減小[16]。
2.3液滴在乳化層中的尺寸分布及界面面積的確定
實驗時，通過單反相機對不同操作條件下的乳化層進行拍照，得到如圖2.7，2.8所示的存在于乳化層內的小液滴的圖片，再用Image Pro-Plus 6.0軟件進行數據分析，得到不同條件下乳化層內液滴的尺寸并確定界面面積。
2.3.1 不同氣體流量對液滴尺寸及界面面積的影響
實驗時，在噴嘴傾角為7°，噴嘴直徑為3.7mm，噴嘴排布方式為1#的情況下，考察了不同氣體流量對液滴尺寸及界面面積的影響。在前面的敘述中，我們得知：通過氣體攪拌可大大促進任何兩相反應并且增加界面面積。乳化現象對爐渣和金屬之間的反應速率以及傳質速率的貢獻是非常巨大的，兩相之間的傳質速率與界面面積直接相關，具體表達式如下所示：
(2-4)
此處，k為傳質系數，A為界面面積，表示穿過界面的濃度梯度。
為了預測傳質動力學，不得不量化其中的界面面積[6]。對于大多數的研究來講，他們都只是測量了體系的容量傳質系數，而不能將傳質面積與傳質系數分別求得。本實驗中，通過對所獲截面上的液滴尺寸進行統計，根據公式計(1-6)﹑(1-9)和(1-10)算出Sauter平均直徑(SMD),即體積表面積平均直徑和界面面積。從圖2.9中我們可以看到乳化層中液滴的尺寸分布與不同直徑的液滴數目占整個統計液滴數目的百分比。通過公式(1-6)的計算得到圖2.10，即液滴的SMD圖[17]。
從圖2.9中可以看到，實驗時對350～500個液滴進行統計分析，在氣體流量為17m3/h時，液滴尺寸分布直方圖峰值較低，液滴尺寸主要集中在2.5mm～5.0mm區間內，其所占比例為：92.03%。此時，液滴的SMD為：3.31mm。隨著氣體流量的增大，液滴尺寸分布直方圖峰值突起，液滴尺寸主要集中在2.0mm～3.0mm范圍內，其所占比例為：91.36%。同時液滴的SMD縮小為：2.31mm。
在整個液滴的尺寸分布中，較小的液滴(直徑≤1.0mm)與較大的液滴(直徑≥6.0mm)的液滴所占的比例非常少，可合理推斷乳化層內液滴的尺寸分布為1.0mm～6.0mm之間。從圖2.9右側的百分比圖中很明顯地看出，隨著氣體流量的增大，百分比峰值逐漸向直徑小的方向移動，這表明隨氣量增大，乳化層內被包裹的水滴尺寸逐漸減小。
在水-油相流動體系中，當一個液滴經歷鄰近移動流體的剪切力時，它能保持停滯狀態或被推入旁邊，這取決于它的慣性和應力的大小。在黏度較大的相中較大的液滴被推向遠處的難度較大。因此，它們更有可能被打碎成小的液滴。與之相反，對于慣性較小的液滴來說，也就是尺寸較小的液滴，它更傾向于被流體推至遠處。因此，通過增加氣體流速，尺寸大的液滴能更容易被分離成較小的液滴。所以我們有理由認為，對于一個明確的液體和速度場體系，其具有一個臨界液滴尺寸，即液滴不能發生破碎的最小尺寸。
從圖2.10看出，隨著氣體流量的增大，液滴的SMD從3.31mm逐漸遞減至3.01mm，2.32mm最終至2.31mm。當氣體流量增大到一定程度后，液滴尺寸基本維持在2.3mm而不再減小，這與上述結論一致。并且我們可以合理推斷甚至在高流速情況下，水-油熔池內的平均液滴尺寸不能小于2～4 mm，即發生乳化作用液滴的臨界尺寸為2～4mm。
圖2.11給出了在不同氣體流量情況下，乳化區界面面積與氣體流速的函數關系。正如圖中所見，界面面積幾乎隨氣體流速的增加而線性增加。從30.29m2逐漸遞增36.20m2，47.47m2至54.33m2。
圖 2.9 液滴尺寸分布直方圖與微分分布圖
Figure 2.9 The droplet size distribution histogram and the differential distribution
2.3.2 不同噴嘴傾角對液滴尺寸及界面面積的影響
實驗中，噴嘴直徑為3.7mm，流量為20m3/h，排布為1#排布，考察不同噴嘴傾角下液滴的直徑分布及乳化層中水油兩相的界面面積，同時檢驗上述結論的準確性。
圖2.12給出了噴嘴傾角分別為7°，12°和17°條件下乳化層內液滴尺寸分布直方圖與微分分布圖。我們可以看出直方圖與曲線的峰值隨角度的增加而降低，且曲線的峰值隨角度的增大有向右移動的趨勢。圖2.12與圖2.9的變化規律可以說是相反的。結合圖2.13進行說明。造成這種現象的原因是，當角度增大時，噴吹的位置由原來的油層變為水層，此時對油層的攪拌作用減弱，油層混合效果不好，則乳化層會降低。同時，由于攪拌效果不好，只有一小部分的液滴被打碎成小液滴，而大部分讓然保持大液滴的本質，從而隨著傾角的增大，液滴的SMD值也隨之增大。
圖 2.12 液滴尺寸分布直方圖與微分分布圖
Figure 2.12 The droplet size distribution histogram and the differential distribution
3 結 論
本文是主要是通過冷態物理模型的研究方法，考察了氣體流量和噴嘴角度對乳化層厚度，液滴尺寸分布及乳化層界面面積的影響，得到以下結論：
⑴ 乳化層的高度隨著噴嘴傾角的增大而減小;隨著氣體流量的增加而增加。
⑵ 乳化層中液滴的SMD值隨著氣體流量的增大而減小，隨著噴嘴傾角的增大而增大。
⑶ 乳化層界面面積隨著氣體流量的增大呈幾乎線性增大;界面面積隨角度的增大呈線性減小。
⑷ 發生乳化現象的液滴的臨界SMD值為2～4mm。
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聲明：
“富氧雙側吹熔煉銅過程的物理模擬研究” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業用途，請聯系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發明人(作者)
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編輯：吉利娜
來源：東北大學多金屬共生礦生態化冶金教育部重點實驗室
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