摘要 ：本文针对现有粗铜火法精炼工艺存在的作业不连续、能耗高及熔池搅拌效率低等问题，提出了一种基于垂直顶吹技术的双区连续精炼新工艺及装置。该装置通过耐火隔墙将炉膛划分为氧化区与还原区， 利用底部的虹吸通道实现熔体的单向连通与初步强化搅拌。基于VOF多相流模型， 对炉内的气液两相流动特性进行了全尺寸数值模拟。研究发现，传统的悬浮式顶吹工艺在熔体表面会形成高含气率的“气垫层”，导致 85% 以上的射流动量被屏蔽，无法有效消除熔池底部的流动死区。相比之下，采用浸没式顶吹工艺可利用气泡羽流的浮力做功构建全池环流，在相同风速下使熔池平均搅拌速度提升 3.5 倍，死区体积由 6.8% 锐减至 2.1%。综合仿真结果，本文确定了“4 枪单排布置、650mm 枪间距、250mm 至 300mm 浸没深度”的最优工艺参数，该工况下喷溅率仅为 0.6%，实现了高效搅拌与操作稳定性的统一。

       关键词 ：行业背景 ；技术现状 ；结构设计 ；数值模拟模型

       1  引言

       1.1  行业背景与技术现状

       铜冶炼工艺流程通常涵盖熔炼、吹炼、火法精炼及电解精炼四大工序。在现代冶金工业技术升级的浪潮中，熔炼与吹炼工序已基本实现了由间断作业向连续作业的跨越，诸如闪速吹炼、多枪顶吹炼等连续化技术的广泛应用，逐步取代了传统的PS 转炉吹炼模式。然而，作为连接粗铜生产与电解精炼的关键环节——粗铜火法精炼，目前在工业生产中仍主要沿用周期性作业模式。

       传统的回转式阳极炉精炼工艺虽然在历史上取代了反射炉，提升了自动化水平，但其本质仍未能摆脱“周期性”的桎梏。一个完整的精炼周期通常包含加料熔化、氧化、还原及浇铸四个阶段。在实际生产数据中，一个典型的作业周期内，真正用于核心化学反应（氧化脱硫与还原脱氧）的时间往往仅占 2h~3.5h，而其余大部分时间则被加料（0.5h~1h）、待料保温（4.5h~16h）、倒渣及浇铸等辅助工序所占据。这种作业模式的弊端显而易见 ：首先，频繁的工序切换导致热工制度不稳定，特别是在长时间的保温待料期间，为了维持熔体温度，必须持续燃烧天然气补热，这直接导致了能源的巨大浪费。据统计，仅用于保温补充热量所消耗的天然气就高达 12m³/t 阳极铜。其次，周期性作业限制了设备作业率，通常需要两台阳极炉交替作业才能匹配上一道工序的连续产出，增加了设备投资与占地面积。随着连续吹炼技术的普及，液态粗铜已能实现自流进入精炼环节，不再依赖吊车与钢包的断续输送，这为精炼工序的连续化提供了物质基础。在连续精炼装备的探索中，中国专利 CN116287760A 提出了一种极具潜力的“立式双区连续精炼装置”概念。该方案创造性地利用一道设有虹吸通道的隔墙，将氧化与还原过程在物理空间上隔离，理论上解决了传统单室炉的返混问题。然而，该专利提出的工艺方案主要基于侧部喷吹技术， 目前尚处于概念设计与理论研究阶段，尚未实现工业化落地应用。与此同时，顶吹浸没喷炼技术因其设备结构简单、反应强度大、对原料适应性强等优势，已在铜、锡等有色金属熔炼领域取得了巨大成功。将顶吹技术引入上述双区精炼炉结构以替代原有侧吹方案，对于反应效率的潜在提升效果以及传统的悬浮式顶吹与强化的浸没式顶吹在该特定炉型中的性能差异，目前在行业内尚缺乏系统的理论验证与数据支撑。

       1.2  研究目的与意义

       针对现有粗铜火法精炼工艺存在的作业不连续、能耗高及熔池搅拌效率低等共性技术难题，本研究在继承双区物理分隔与虹吸连通机制的基础上，提出了一种基于垂直顶吹技术的双区粗铜连续精炼新工艺及装置。研究工作旨在突破传统侧吹供气方式的局限，创新性地将供气系统重构为可升降的垂直顶吹结构，并结合工业设计实践与计算流体力学（CFD）数值模拟技术，深入剖析熔池内的气液两相流动规律。本研究将重点探究悬浮式顶吹工艺中的“动量屏蔽”效应及其动力学瓶颈，论证浸没式顶吹工艺在消除搅拌死区、强化传质过程方面的流体力学优势，并通过多工况模拟确立最佳的喷枪布置、数量及浸没深度参数 ；同时，针对高温长周期运行需求，设计配套的钢骨架弹性约束系统与炉底强制风冷结构，通过“柔性对抗”与主动散热机制有效缓解炉体热膨胀应力，从而为新一代高效、长寿命粗铜连续精炼装备的研发与工程化应用提供坚实的理论依据与数据支撑。

       2  新型双区连续精炼装置的结构设计与工作原理

       为了实现高效的连续精炼，本文提出了一种立式矩形结构的粗铜连续精炼装置。该装置在设计上摒弃了传统回转炉的圆筒构型，转而采用更利于耐材砌筑与膨胀控制的矩形结构，并通过内部隔墙将炉膛科学地划分为功能迥异却又紧密耦和的两个区域，即氧化区与还原区。

       2.1  炉体分区与“虹吸式”连通机制

       本研究的仿真对象主体沿用了专利所提出的立式矩形双区结构。该装置的核心构造特征在于炉膛内部设置的一道耐火材料隔墙。这道隔墙在物理空间上将炉体严格划分为前端的氧化区与后端的还原区，二者虽在气相与渣相空间上相互隔离，但在熔体流动层面保持特定的连通机制。空间布局上，氧化区侧壁设有加料口与排渣口，而还原区侧壁则布置有排铜口。设计的关键创新点集中于隔墙底部的熔体连通方式。结构上，隔墙与炉顶之间预留间隙，允许两区烟气汇流后经同一烟道排出，有效简化了烟气处理系统。而在隔墙底部，不同于传统的水平直孔设计，本装置采用了若干呈“低进高出”形态的虹吸式斜通孔。具体而言，通孔朝向氧化区的一端（进口）位置较低，其下沿紧贴氧化区底部耐火内衬上表面 ；而朝向还原区的一端（出口）位置较高。这种差异化的标高设计蕴含了明确的流体力学机理，由于氧化精炼渣的密度小于铜液，其自然上浮至液面并经排渣口排出，低位进口设计有效利用了重相铜液的液位优势，防止氧化渣被卷入还原区，从而保障了产品纯度。同时，铜液在流经斜向上升的通孔后，能够以一定的初速度“上扬”喷入还原区，这种上扬液流诱导的局部湍流能有效强化还原区内的传质过程， 促进还原剂与铜液的混合，从而显著提升还原反应的动力学效率。此外，为配合这一流动机制，炉底结构亦进行了阶梯化设计，还原区底部的耐火材料内衬厚度较氧化区减薄150mm~200mm，使得还原区熔池底部在物理标高上显著低于氧化区。这种利用重力势能辅助的流变设计，确保了熔体在“氧化 -还原”连续流程中的顺畅迁移。

       2.2  可升降垂直顶吹供气系统

       为了克服传统侧吹工艺在熔池深部搅拌能力上的局限，并满足不同工艺阶段对流场强度的精细化调控需求，本装置在氧化区与还原区均采用了可升降的垂直顶吹供气系统。该系统沿炉体顶部中心线呈单排布置，配备有精密的液压或机械升降机构，允许喷枪在垂直方向上自由调节插入深度，从而灵活实现“液面上方悬浮吹炼”与“液面下浸没吹炼”两种工艺模式的平滑切换。在喷枪本体结构的设计上，本装置采用了一种独特的同心双层套管结构。该结构由外层的工艺气主喷枪与内嵌的燃料 / 还原剂喷枪（即第三喷枪）嵌套而成，两层套管之间保持 1mm~2mm 的环隙。运行时，内层中心管用于输送天然气、煤粉或粉状熔剂，外层环管则输送富氧空气或压缩空气，二者在喷嘴出口处混合并发生剧烈的氧化 / 燃烧反应。这种“枪中枪”的组合式设计不仅实现了气—固—液三相反应物的高效同轴输送，更赋予了设备极高的维护灵活性—当需要更换燃料种类或检修喷嘴时，内层喷枪可随时独立拔出，无需中断外层主气流，从而保障了连续生产作业的稳定性。

       2.3  复合炉墙结构与柔性弹性约束机制

       针对粗铜精炼过程中高温熔体冲刷与热循环冲击可能导致的耐材损毁问题，本装置对炉体结构进行了多重强化设计。炉身侧墙摒弃了单一材质砌筑方式，转而采用“三明治”复合结构，即耐火砖与铜水套沿高度方向相间交替砌筑。铜水套利用其优异的导热性能，能在炉内壁迅速形成稳定的挂渣保护层， 而间隔布置的耐火砖则有效阻断了热量的过度流失， 两者协同作用显著提升了炉墙的整体热震稳定性。更为关键的是，为了科学管控炉体耐火材料因高温膨胀产生的巨大热应力， 装置外部引入了一套基于钢骨架与碟形弹簧的弹性约束系统。该系统由刚性的外部钢骨架（立柱与圈梁）与柔性的碟形弹簧组件构成连接。当炉体进入工作温度产生体积膨胀时， 炉壳向外位移并压缩碟形弹簧 ；碟形弹簧利用其非线性弹性特征，给予炉体一个持续且可控的反向约束力。这种“刚柔并济”的约束机制既允许耐材在安全范围内进行呼吸式膨胀， 避免了刚性闭锁导致的内部压溃， 又防止了结构过度变形引发的开裂泄漏。此外，弹簧组件上集成的刻度标尺可实时反馈膨胀量，操作人员可通过调节螺母修正预紧力，确保设备始终处于最佳应力平衡状态。

       2.4  炉底强制对流风冷系统

       鉴于浸没式顶吹工艺对炉底耐材的冲刷作用相对较强，本装置特别设计了一套炉底强制对流冷却系统以延长设备寿命。紧贴炉底钢板外侧，平行布置有多组贯通的冷却风道。这些风道两端设有进风口，中部连通并设有出风口，形成高效的气流循环网络。生产过程中，通过风机向风道内强制鼓入冷空气或抽取热空气，对炉底进行主动散热。通过调节风量，可以精确控制炉底耐火材料截面的温度梯度，使其工作层保持必要的高温化学活性，而背衬散热层维持在较低温度（约 500℃)。这种人为构造的温度场不仅有效抑制了高温铜液向耐材气孔深处的渗透侵蚀，规避了“穿炉”风险，同时也利用风冷结构作为炉底的支撑加强筋，进一步提升了装置底部的机械承载能力。

       3  熔池熔炼过程的数值模拟模型构建

       为了深入揭示顶吹连续精炼炉内复杂的气—液两相流动行为，特别是高速气体射流与高温铜熔体的交互作用机制，本研究利用计算流体力学（CFD）软件建立了全尺寸数值模型。

       3.1  几何模型与网格划分

       本研究的物理模型严格基于中试装备的设计图纸进行构建，采用了 1:1 的全比例三维建模，以确保模拟结果能够真实反映工业尺度的流场特征。模型几何涵盖了包括氧化区、还原区、隔墙及底部连通通道在内的完整炉膛空间，以及顶部的喷枪结构。

       在网格划分策略上，考虑到喷枪出口区域存在高速梯度的速度场变化以及熔池液面处存在剧烈的气液相界面波动，研究采用了非结构化混合网格技术。重点对喷嘴核心区、气液交界面及近壁面区域进行了局部网格加密处理，以在保证计算精度的同时兼顾计算效率。

       3.2  多相流数学模型

       熔池熔炼过程是一个典型的瞬态多相流过程，涉及高速气体射流冲击高温熔体，伴随着气泡的聚并、破碎以及剧烈的液面翻腾。为了准确捕捉这些复杂的界面现象，必须选择合适的多相流模型。VOF模型在处理具有明显自由分界面的多相流问题上具有显著优势。该模型通过引入相体积分数变量来追踪气相与液相的交界面，非常适用于模拟顶吹射流冲击熔池表面形成凹坑、液滴飞溅以及气泡羽流的运动轨迹。因此，本文选用VOF模型进行求解。

       3.3  边界条件与工况设置

       为确保数值模拟能够准确反映真实的连续精炼工况，本研究严格依据实际工艺设计参数对模型边界条件进行了设定。在入口边界方面，喷枪入口采用速度入口边界条件，依据设计要求将氧化区与还原区喷枪的基准喷吹气量分别设定为 1500m³/h 与 800m³/h，并在研究过程中通过变量控制法调整喷枪的插入深度及喷吹速度， 以考察不同工艺条件下的流场响应特征。对于出口边界，炉顶排烟口被设定为表压 0 的出口边界条件，以模拟自然排烟环境 ；炉体壁面及底部则统一采用标准无滑移壁面条件。在初始条件设置上，设定熔池初始深度为 1.4m，初始时刻熔体处于静止状态，液面上部自由空间填充空气介质。基于上述边界条件求解控制方程组，本研究将重点对比分析悬浮式顶吹与浸没式顶吹两种模式在动量传递效率、熔池搅拌强度及搅拌死区分布上的差异。

       4  结果与讨论

       4.1  悬浮式顶吹的流场局限性与动量屏蔽效应

       在探究将顶吹技术引入双区精炼炉的可行性阶段，研究首先考察了传统的悬浮喷吹模式，即喷枪出口位于液面上方的工况。模拟结果揭示，在深熔池结构下，单纯依靠提高射流速度无法有效建立全池搅拌，其根本原因在于显著的动量屏蔽效应。

       射流能量的非线性耗散，仿真数据显示，当悬浮喷枪的出口速度从 100m/s逐步提升至 300m/s 时，熔池的体积加权平均速度仅从 1.16×10-3m/s微增至 3.52×10-3m/s，且在 200m/s 以上的高速区间，速度增长斜率趋于平坦。与此同时，熔体表面的喷溅比例却随射流速度呈线性显著增加，由 0.66% 上升至 0.97%。这一现象表明在悬浮模式下，输入的射流动能主要转化为无效的表面飞溅与烟气动能，而非有效的深层搅拌功。

       气液两相分布云图进一步解释了上述现象的物理机制，即气垫阻隔机制的形成。在悬浮顶吹工况下，高速射流冲击液面后未能有效穿透至熔池深处，而是在熔体表面上方约 0.4m~0.8m 的区域内迅速发散，形成了一个局部含气率大于 45% 的高含气率低密度气 - 液混合层。该混合层如同一个具有弹性的气垫，将后续高速射流与下层熔体物理隔离。计算表明约 85% 以上的射流动量通量被耗散于该界面层中，真正通过卷吸作用传递至熔池深处的动量份额不足 15%。受此影响，熔池底部存在大面积的弱流死区，其速度小于 0.0005m/s，且在高速喷吹下死区体积分数仍高达 3.5%~ 4.1%。上述结果证实简单的悬浮式顶吹工艺无法满足本装置深熔池结构的搅拌需求。

       4.2  浸没式顶吹的技术突破与流场重构

       针对悬浮模式存在的动量屏蔽弊端，本研究将工艺改进为喷枪出口深入熔体液面以下的浸没式顶吹。仿真对比证实这一供气方式的改变引发了流场结构的根本性跃迁。

       在动量传递效率方面，浸没式顶吹实现了阶跃式提升。在保持出 口速度为 100m/s 不变的前提下，仅将喷枪端部下沉 100mm，熔池体积加权平均速度瞬间跃升至0.0109m/s。与相同风速下的悬浮工况相比， 搅拌强度提升了 3.5 倍。更为重要的是，这种强度的提升并未以牺牲操作稳定性为代价，表面喷溅比例仅从 0.17%微增至 0.67%，始终维持在可控范围内。

       流场形态显示浸没式喷吹彻底消除了表面的气垫屏蔽，气体不再在表面散开，而是被周围的液相紧密包裹，沿枪壁形成高速滑移的柱状气泡羽流。这股强劲的羽流利用气液密度差产生的巨大浮力功，驱动熔体形成了贯穿整个炉缸深度的宏观环流。在此作用下，弱流死区的体积分数从悬浮式的 6.8% 锐减至2.1%。这一结果为氧化区与还原区的均质化反应提供了理想的流体力学保障，有力论证了将顶吹技术应用于双区炉时采用浸没式工艺的必要性与优越性。

       4.3  浸没式工艺参数的优化寻优

       为了确定该新型装置的最佳运行窗口，本研究进一步量化了浸没深度、喷枪数量及间距对熔池特性的影响规律。

       针对浸没深度的线性增益效应，研究设定了 100mm、 200mm 和 300mm 三个梯度进行对比。结果表明，熔池平均搅拌速度与浸没深度之间呈现出高度的线性正相关性。随着喷枪由 100mm 下探至 300mm， 平均速度由 0.0109m/s逐级提升至0.0352m/s，线性拟合斜率约为1.2×10-4(m/s)/mm。这意味着每增加10mm的浸没深度，熔池整体流速即可提升约1.2cm/s。同时，流场云图显示随着氧枪的下探，死区体积呈指数级下降，从4.8%降至0.9%。综合考虑炉膛净空高度及耐火材料的抗冲刷寿命，本研究确定250mm~300mm为最佳经济浸没深度区间。

       在喷枪数量与喷溅控制的平衡方面，模拟了 2 支、3支及 4 支喷枪的工况。数据显示随着枪数增加，搅拌效果呈现典型的边际递减规律，从 2 枪增加到 3 枪时平均速度提升了 19.3%，而从 3 枪增加到 4 枪时提升幅度收窄至7.5%。尽管 4枪方案在速度提升上进入了平台期，但其在喷溅控制方面表现出独特的优势。由于在总气量恒定的前提下，增加枪数意味着降低了单枪的气体流量，同比降低25%，这显著减弱了单股射流对液面的剧烈冲击，液面峰值波高由 12mm 降至 8mm。最终 4枪方案的综合喷溅比例最低，小于 0.6%。对于连续精炼炉而言，低喷溅率是减少炉顶钢水套粘结的关键，因此权衡搅拌效率与运维成本， 4 支喷枪被确定为最优配置。

       针对喷枪间距的剪切干涉效应，研究考察了 4枪布局下 650mm、1300mm、1950mm 三种喷枪间距。模拟结果指出，650mm 的紧凑间距方案在所有测试中保持了最高的熔池平均速度 0.0206m/s。其物理机制在于较小的间距使得相邻气泡羽流之间的剪切干涉作用增强，形成了叠加的涡量场 ；而间距过大时，气泡羽流之间的流体动力学联系减弱，且炉体边缘的低速带面积扩大。

       5  结论

       本文针对粗铜连续精炼工艺中的流场控制难题，提出了一种基于垂直顶吹技术的双区连续精炼新工艺， 并利用VOF 多相流数值模拟技术深入探究了不同供气模式下的熔池动力学特征。研究首先揭示了传统悬浮式顶吹在深熔池结构中存在的动量屏蔽效应，指出射流在冲击液面时会诱导形成高含气率的界面气垫层，导致逾 85% 的动量通量被耗散，无法有效驱动熔池深处的传质循环。对比分析证实，浸没式顶吹工艺是克服这一瓶颈的关键技术路径，该模式通过构建沿枪壁高速下行的柱状气泡羽流， 彻底打破了界面屏蔽，在相同风速下使熔池平均搅拌速度提升了3.5 倍，并将弱流死区体积从 6.8% 显著压缩至2.1%，为氧化脱硫与还原脱氧反应提供了理想的流体动力学环境。

       基于对流场结构的精细化解析，本研究进一步确立了该新型装置的最佳工艺运行窗口。综合考虑搅拌效率、喷溅控制及耐火材料寿命，推荐采用 4 支喷枪单排布置，枪间距设定为 650mm， 并控制浸没深度在250mm~300mm之间。在该参数组合下，熔池内部形成了强劲的宏观环流，同时液面喷溅率被稳定控制在 0.6% 以下，实现了反应强化与操作稳定性的最佳平衡。此外，本研究验证的“双区虹吸连通 + 顶吹浸没喷炼 + 弹性约束炉体”技术体系，有效解决了传统工艺中作业不连续、热效率低及设备寿命短等共性问题，为新一代粗铜连续精炼装备的工程化设计与应用提供了坚实的理论依据与数据支撑。