有色金屬礦通常與鐵的化合物伴生，濕法冶煉時鐵易于有色金屬一同進(jìn)入溶液，為了獲得高質(zhì)量的金屬產(chǎn)品，必須首先將溶液中的鐵除盡。

水溶液中凈化除鐵的基本原理是將鐵離子沉淀分離，目前常用的主要方法有：①氫氧化鐵沉淀法，即使溶液中的鐵以Fe(OH)3膠體析出，該方法主要存在固液分離困難的問題，特別是當(dāng)溶液含鐵較高時，F(xiàn)e(OH)3膠體易堵塞板框壓濾機導(dǎo)致生產(chǎn)過程難以進(jìn)行；②赤鐵礦法沉鐵，使溶液中的鐵以赤鐵礦形式入渣，1968年～1970年由日本同和礦業(yè)公司發(fā)明，1972年在日本飯島煉鋅廠投入生產(chǎn)，采用“復(fù)浸出—赤鐵礦法”沉鐵，國內(nèi)目前云南云錫文山鋅銦冶煉有限公司也正建設(shè)基于赤鐵礦法沉鐵技術(shù)路線的濕法煉鋅生產(chǎn)線。該法需要昂貴鈦材制造高壓設(shè)備和附設(shè)SO2液化工廠，投資費用高，且有一個單獨還原鐵的階段；③黃鉀鐵礬法，基于有銨或堿金屬離子存在時，溶液中的鐵生成黃鉀鐵礬進(jìn)入渣中而除去，但也給溶液帶入了如K+、Na+或NH4+等雜質(zhì)離子；④針鐵礦法沉鐵，使溶液中的鐵以針鐵礦形態(tài)入渣。1965年～1969年由比利時老山公司(Vieille Montagne)研制，1971年在巴倫(Balen)廠投產(chǎn)。針鐵礦法具有工藝設(shè)備簡單、除鐵成本較低、鐵沉降物呈結(jié)晶態(tài)因而過濾性能良好等優(yōu)點，但目前大量工業(yè)實踐發(fā)現(xiàn)針鐵礦法存在沉鐵渣晶型混雜難控制、沉鐵渣鐵低含量低、難以高值回收利用等突出問題。

已開展的研究表明，針鐵礦法沉鐵包括一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，包括二價鐵離子氧化、三價鐵離子水解以及中和反應(yīng)等。這些化學(xué)反應(yīng)過程受溫度、晶種、攪拌速度、催化程度、組分濃度以及pH值等因素影響。鐵在溶液中的還原、氧化、結(jié)晶析出涉及一系列氣、液、固三相互相耦合的化學(xué)、物理反應(yīng)，反應(yīng)機理非常復(fù)雜。國內(nèi)外專家學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究工作，目前文獻(xiàn)歸納的針鐵礦法沉鐵主要工藝條件通常為pH3～4、溫度70～90℃、溶液中Fe3+濃度小于1g/L等，可允許浮動的范圍非常窄，參數(shù)控制要求極為嚴(yán)格。但在規(guī)模化生產(chǎn)中，由于針鐵礦沉鐵工序通常由多臺連續(xù)沉鐵反應(yīng)器串聯(lián)組成，反應(yīng)溶液入口與出口存在較大的時滯，且沉鐵反應(yīng)器體積龐大，沉鐵過程溶液中不同位置處Fe2+/Fe3+濃度、pH值和溫度呈非線性、時變等特點，尤其在實際生產(chǎn)中隨著生產(chǎn)原料、沉鐵過程上一還原工序工況等的變化，使得不同批次進(jìn)入到針鐵礦沉鐵工序的溶液量、溶液結(jié)構(gòu)等常常差異較大，依照現(xiàn)有的人員經(jīng)驗調(diào)控方式，難以實現(xiàn)對沉鐵過程參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)控，導(dǎo)致實際沉鐵時溶液中不同位置、同一位置不同時間點其流速、密度、粘度、pH值、溫度、離子濃度等變化很大。而針鐵礦沉鐵過程對溶液物理場性質(zhì)(流速、溫度、密度、粘度等)、化學(xué)場性質(zhì)(亞鐵離子濃度、pH值等)的變化非常敏感，不同批次的含鐵溶液采用同一針鐵礦法沉鐵工藝參數(shù)進(jìn)行沉鐵，顯然難以實現(xiàn)準(zhǔn)確、穩(wěn)定地針鐵礦法沉鐵，使得針鐵礦沉鐵渣晶型常常不穩(wěn)定，導(dǎo)致所產(chǎn)鐵渣鐵品位低、渣量大、難過濾，且難以實現(xiàn)鐵渣資源化、全量化高值回收利用。本領(lǐng)域急需一種能夠在規(guī)模化針鐵礦沉鐵前，能夠?qū)Τ凌F過程及沉鐵效果實現(xiàn)預(yù)測、評估的方法及手段，并在獲得合格沉鐵評估效果后，可按照經(jīng)效果評估后的工藝參數(shù)進(jìn)行實際針鐵礦沉鐵操作。

如何確定鐵礦沉鐵過程中與反應(yīng)有關(guān)的參數(shù)？

步驟①，對針鐵礦沉鐵過程的氣體傳質(zhì)速率、Fe2+氧化速率和中和反應(yīng)速率參數(shù)求解：根據(jù)氣體傳質(zhì)過程服從雙膜理論來推導(dǎo)溶液中氣體濃度和時間之間的微分方程，利用分光光度計測量不同時間下溶液中的氣體濃度，再進(jìn)行最小二乘法擬合，得出氣體傳質(zhì)速率；然后根據(jù)氧化反應(yīng)原理推導(dǎo)Fe2+氧化過程動力學(xué)，結(jié)合氣體傳質(zhì)速率方程，得出Fe2+和氣體濃度與時間之間的微分方程，利用滴定和ICP結(jié)合的方法測量不同時間下溶液中Fe2+濃度，再進(jìn)行最小二乘法擬合，得出Fe2+氧化速率方程；基于未反應(yīng)收縮核模型推導(dǎo)中和反應(yīng)過程動力學(xué)，得出中和劑濃度與時間之間的微分方程，通過滴定和ICP結(jié)合的方法測量不同時間下溶液中中和劑濃度，再進(jìn)行最小二乘法擬合，得出中和反應(yīng)速率方程；

步驟②：對針鐵礦沉鐵過程的含鐵溶液密度、粘度、表面張力和導(dǎo)熱系數(shù)溶液性質(zhì)參數(shù)求解：溶液密度、粘度、表面張力和導(dǎo)熱系數(shù)分別利用密度儀、烏式粘度儀、表面張力儀和導(dǎo)熱系數(shù)儀通過控制變量法進(jìn)行測量，通過測量不同F(xiàn)e2+濃度、Zn2+濃度和溫度溶液的密度、粘度、表面張力和導(dǎo)熱系數(shù)得到測量結(jié)果，再利用最小二乘法擬合處理，得到溶液密度、粘度、表面張力和導(dǎo)熱系數(shù)各自與Fe2+濃度、Zn2+濃度和溫度之間的關(guān)系表達(dá)式。

步驟1中，根據(jù)實際沉鐵反應(yīng)器結(jié)構(gòu)建立仿真模型是根據(jù)實際沉鐵反應(yīng)器幾何形狀及尺寸，以及實際沉鐵反應(yīng)器中攪拌槳、進(jìn)液口、出液口、進(jìn)氣口、出氣口、進(jìn)料口和加熱套管的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)建立仿真模型。

步驟2包括以下過程：

對所建立仿真模型以實際生產(chǎn)所用進(jìn)氣流量、進(jìn)液流量、投料量、攪拌速率和加熱介質(zhì)流量參數(shù)為基準(zhǔn)，以±20％為范圍，作為邊界條件；然后基于當(dāng)前仿真過程對于精度的要求進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

步驟3包括以下過程：

對流場、化學(xué)傳質(zhì)場、溫度場耦合模擬沉鐵過程通過瞬態(tài)非線性求解器求解偏微分方程；并輸出針鐵礦沉鐵反應(yīng)器內(nèi)不同區(qū)域、不同時間下的溶液流速、溫度、密度、粘度、壓力以及Fe2+

濃度和pH的變化范圍作為計算結(jié)果。

步驟4中，根據(jù)計算結(jié)果對沉鐵反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，是通過改變沉鐵反應(yīng)槽槽型、攪拌器類型以及槽內(nèi)擋板控制溶液流出方式，并根據(jù)改變后的計算結(jié)果是否提高來進(jìn)行的。

步驟4中，針鐵礦法沉鐵最佳反應(yīng)條件區(qū)間為75℃-80℃、進(jìn)液流速為100m3/h～300m3/h、pH值為3.5～4.0、氧氣流量為100m3/h～400m3/h、攪拌速度為48rpm～136rpm和反應(yīng)時間為4000s～6000s。

在進(jìn)行模擬仿真時，是采用有限元多物理場模擬仿真軟件實現(xiàn)，其中有限元多物理場模擬仿真軟件為ANSYS，ADINA，ABAQUS，MSC和COMSOLMultiphysics中的一種。