姚钦文1,2，杨凯1,2，张晓雪1,2，许威1,2，肖清泰1,2
（1. 昆明理工大学，省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室，云南 昆明 650093；2. 昆明理工大学冶金与能源工程学院，云南 昆明 650093）
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引用格式：
①姚钦文, 杨凯, 张晓雪, 许威, 肖清泰. 双层桨耦合混沌搅拌强化铜渣提取有价金属模拟研究[J]. 铜业工程,2024(4):55-64.
②YAO Qinwen，YANG Kai，ZHANG Xiaoxue，XU Wei，XIAO Qingtai. Simulation of extracting valuable metal elements from copper metallurgical slag enhanced by chaos stirring coupled with double-layer impeller[J]. Copper Engineering, 2024(4):55-64.
doi: 10.3969/j.issn.1009-3842.2024.04.006
铜冶炼渣作为火法炼铜生产过程中产生的固体废弃物之一，经常需要大量堆存且难以处理。为了强化铜冶炼渣提取有价金属元素的过程，结合双层刚性组合桨与混沌转速方法，对铜冶炼渣湿法提取有价金属元素工艺过程的固-液混合性能进行水模型研究。结果表明：下层叶轮叶片数量的增加有利于卷起沉底颗粒加快混合过程，但增强复杂的上升流场与均相流场之间的干涉会对固相悬浮产生影响，下层叶轮的上升流场对稳定悬浮时间的影响强于上层叶轮的均相流场，在转速阈值为200 r/min，换速间隔为5 s的Logistic混沌转速条件下，上层桨叶为圆二叶、下层桨叶为圆四叶的搅拌桨对湿法浸出有利，达到稳定悬浮的时间为55.2 s，最多悬浮颗粒数为120粒，混合能耗、单位混合能以及单位混合功率分别为322.38 J，2.69 J和487.78×10-4 J/s，对比各项指标最低值，优化幅度均在10％以上，可在较低能耗下，有效提高铜冶炼渣与浸出液的混合程度，并通过增大反应接触面积，提高有价金属元素的提取效率。
随着工业现代化进程的加快，各类金属材料需求不断增加。铜是支撑中国工业发展的核心金属之一，其用量仅次于铁和铝。因火法冶炼工艺能源成本低、生产效率高，且原材料质量要求较低，世界上约80％的铜是采用火法冶炼工艺生产的。但火法冶炼铜会产生大量冶炼渣。一般平均提炼1 t铜会产出约2 t的铜渣。目前，我国每年产生铜渣约2000万t，世界铜渣产量每年约7000万t。尽管，铜渣处理及再利用研究已不鲜见，但现实是仍有大量的铜渣被堆存。
针对铜冶炼渣与浸出剂混合程度低导致浸出效率低和能耗高的问题，本研究提出了一种基于混沌原理的铜冶炼渣提取有价金属元素的强化方法。通过文献研究，选定高浸出率的搅拌桨转速阈值，并基于该转速阈值生成混沌转速，分析了混沌转速搅拌与恒速搅拌下铜冶炼渣浸出过程水模型的固液悬浮性能差异，探究了铜冶炼渣湿法浸出提取有价金属元素过程的强化机理。
图1 实验装置
图2 9组工况的Betti数时间序列
图3 稳定悬浮时间t₁的变化趋势
图5 上层桨叶型对β₁的影响：（a）下层桨叶型为圆二叶；（b）下层桨叶型为圆三叶；（c）下层桨叶型为圆四叶
图6 混合过程图像
图7 9组工况β₁的玻尔兹曼分布拟合曲线
本研究仅在转速阈值为200 r/min、换速间隔为5 s的Logistic混沌转速条件下，模拟了铜冶炼渣湿法提取有价金属元素的固-液混合浸出过程。后续将结合不同转速阈值、换速时间以及不同混沌映射转速工况下的流体动力学差异，以不同的浸出过程化学反应条件，进行铜冶炼渣湿法浸出试验。
第一作者：姚钦文，男，1999年6月生，重庆铜梁人，昆明理工大学在读硕士生，研究方向为铜冶金过程搅拌混合强化。截至目前，发表SCI论文1篇（第一作者），授权国家发明专利1件（导师第一、本人第二）。
《铜业工程》创刊于1984年，由江西铜业集团有限公司主管主办，是我国铜工业领域全面反映铜产业链技术进步和金属材料科技创新的双月刊。中国工程院外籍院士、加拿大工程院院士、加拿大皇家科学院院士徐政和为期刊特约主编。期刊为《有色金属领域高质量科技期刊分级目录（2023）》T3级别，同时被美国《化学文摘》、俄罗斯《文摘杂志》《中国核心期刊（遴选）数据库》《万方数据库》《维普中文科技期刊数据库》等国内外检索数据库平台收录。本刊主要刊登铜、铅锌、稀有金属、贵金属等有色金属在采选、冶金、加工、环保、分析测试等方面的最新科研成果及应用，以及有色金属领域产业数字化、“双碳”战略推进等研究论文和综述文章。
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