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1、第3章 闪速熔炼3.1概述闪速熔炼是现代火法炼铜的主要方法。它克服了传统方法未能充分利用粉状精矿的巨大表面积,将焙烧和熔炼分阶段进行的缺点。大大减少了能源消耗,提高了硫利用率,改善了环境。闪速熔炼是将经过深度脱水（含水小于0.3%）的粉状精矿，在喷嘴中与空气或氧气混合后，以高速度（60～70m/s）从反应塔顶部喷入高温（1450～1550℃）的反应塔内。精矿颗粒被气体包围，处于悬浮状态，在2～3s内就基本上完成了硫化物的分解、氧化和熔化等过程。 熔融硫化物和氧化物的混合熔体落下到反应塔底部的沉淀池中汇集起来，继续完成冰铜与炉渣最终形成过程，并进行沉清分离。
2、 炉渣在单独贫化炉或闪速炉内贫化区处理后再弃去。闪速熔炼有以下的特点：1.焙烧与熔炼结合成一个过程；2.炉料与气体密切接触，在悬浮状态下与气相进行传热和传质；3.FeS与Fe3O4、FeS与Cu2O(NiO)、以及其它硫化物与氧化物的交互反应主要在沉淀池中以液—液接触的方式进行。 闪速熔炼有两种基本形式：1.精矿从反应塔顶垂直喷入炉内的奥托昆普闪速炉（图3.1）；2.精矿从炉子端墙上的喷嘴水平喷入炉内的因科闪速炉（图3.2）。图图3.1奥托昆普闪速炉图3.2INCO闪速炉闪速炉的主要熔炼过程发生在反应塔内。气流中的精矿颗粒在离开反应塔底部进入沉淀池之前顺利
3、地完成氧化和熔化等过程。 发生在反应塔内的是一个由热量传递、质量传递、流体流动和多相多组分间的化学反应综合而成的复杂过程。 研究反应塔内的传输现象，对获得高的生产率与金属回收率、长的炉寿命和低的能源消耗的具有理论指导意义，也为喷嘴和炉型设计的改进提供基础。3.2闪速熔炼理论基础3.2.1反应塔内的传输现象从反应塔顶部喷嘴喷出的气-固（精矿）混合流，离开喷嘴后，在塔内形成了两个区域：1.喷嘴口附近的喷射区（或称入口区）；2.扩张气流区(如图3.3中的截面A-A以下)。 扩张区延续到熔池面上时流体形状改变。此时的气流速度称为终点气流速度。3.2.1.1精矿颗粒
4、和气体的运动规律图3.3反应塔内的气体-精矿流散布示意图（中央喷嘴）等温气体喷射时的速度衰减由下式表达:式中,Ux为从入口点开始的x距离上的中心喷射速度(m/s)；U0为入口初始速度(m/s)；r0为入口喷嘴半径(m)。式(3-1)说明,气流的终点速度乃由入口初始速度决定，入口初始速度对气体在塔内的停留时间起着决定性的作用。Ux=12.4U0r0/x(3-1)公式(3.1)是在等温情况下得出的。 由于化学反应产生的热使塔内的气体瞬间被加热到高温（1300℃以上），气体体积膨胀扩张了喷射锥空间，因而真实速度将大大减少。 对高为9m,直径为6m的反应塔，当入口
5、初速度为30m/s时，气流在塔内的停留时间约为2s。从反应塔顶落下的颗粒是与气体处在同样重力作用下的流股中。因此,颗粒的速度等于气流速度加上颗粒的下落速度。 在实际条件下,混合流中的颗粒分散度是很大的,相邻两颗粒间的平均距离大约等于20个颗粒的直径,甚至更多。 颗粒的终点速度就可以用斯托克斯公式来描述: up=gc(ρp-ρg)d2p/18η(3-2)式中,up为颗粒的终点速度（m/s）；gc为重力加速度(m/s2)；ρp和ρg分别为颗粒与气体的密度（kg/m3）,dp为颗粒的直径(m)；η为气体的粘度[kg/(m·s)]。按式(3-2)的计算,10μm颗
6、粒的终点速度仅为0.04m/s,而200μm颗粒的终点速度为1.6m/s。因此,细颗粒流经反应塔的速度几乎与气流速度相等。而其停留时间也约为2s。较大颗粒通过反应塔的速度约2倍于气流速度(2m/s+1.6m/s),停留时间更短。对某些工厂反应塔操作数据的统计表明：在不同的反应塔的高度下，平均气流速度为1.4～4.7m/s时，相应的气体停留时间如图３.4所示。图3.4不同高度的反应塔中的平均气流速度与其停留时间(按N.J.Themelis数据绘出)3.2.1.2精矿颗粒与气流之间的热和质传递除了颗粒与气流运动的特性外,反应塔内的传热与传质也是闪速熔炼过程进行
7、的重要基础。在精矿粒子和气体流之间的传热与传质速率是由无量纲因子联系起来的努塞尔数（Nnu）和谢伍德数（Nsh）来描述的，如下面等式所表达:由该二公式可见，影响颗粒与气体之间的热和质传递的因素有颗粒直径、流体热传导率、颗粒与流体的相对速度和流体的性质（密度、粘度与比热）。表3.1颗粒尺寸对其终点速度、传热和传质系数的影响颗粒直径，μm1050100200终点速度，cm/s0.399.9439.8158热传递系数，j/cm·s·℃1.770.360.190.12质传递系数，o，g/cm·s在纯氧中1.1760.2460.130.081在空气中0.2440.0
8、510.0280.07表3.5列出了按式（3-4）计算的在平均膜层
