超声在湿法冶金中的应用及仿真模拟现状.pdf

第 卷第期 年月有色金属工程 ，犱 狅 犻：犼 犻 狊 狊 狀 收稿日期：基金项目：云南省基础研究计划项目（）犉 狌 狀 犱：（）作者简介：王泽英（），女，硕士研究生，研究方向为冶金外场强化及仿真模拟。通信作者：林国（），博士，特聘教授，主要从事冶金外场强化及资源综合利用研究。引用格式：王泽英，林国，胡途，等超声在湿法冶金中的应用及仿真模拟现状有色金属工程，（）：，（）：超声在湿法冶金中的应用及仿真模拟现状王泽英，林国，胡途，钟震，王仕兴，夏洪应，李世伟，张利波，（昆明理工大学 冶金与能源工程学院，昆明 ；省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室，昆明 ；非常规冶金教育部重点实验室，昆明 ）摘要：超声波作为一种新兴技术在冶金领域中具有广阔的应用前景。本文介绍了超声波及其作用机理，详细阐述了超声技术在湿法冶金工业领域中的应用现状，概述了超声仿真模拟技术的研究现状，并对超声仿真模拟技术进行了展望，就超声辅助技术在湿法冶金中的应用进行了分析，为超声辅助技术在湿法冶金中的更好应用提供借鉴。关键词：超声；湿法冶金；仿真模拟中图分类号：文献标志码：文章编号：（）犛 狋 犪 狋 狌 狊 犙 狌 狅狅 犳犃 狆 狆 犾 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱犛 犻 犿 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犝 犾 狋 狉 犪 狊 狅 狀 犻 犮 犻 狀犎 狔 犱 狉 狅 犿 犲 狋 犪 犾 犾 狌 狉 犵 狔 ，（，；，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；在科学技术飞速发展的环境下，冶金产业也得到了迅速的发展。冶金产业为我国国民经济发展奠定了坚实的基础，并为高科技的进步提供了支撑。其在行业规模上取得了连续飞跃和快速增长，但在能源使用方面仍存在很大挑战，对资源的过度依赖、资源的大量消耗以及对环境造成的污染问题不容忽视。面对此现状，很多高新技术和设备被广泛应用到冶金工程中，超声技术就是其中之一。超声波是有 色 金 属 工 程第 卷一种弹性机械振动波，频率在 。超声波具有波长短、频率高、能量大、能量密度高和指向性强等特点，且与介质之间可产生机械振动效应、空化效应及热效应。近年来，世界各国学者纷纷把超声强化技术应用于湿法冶金、化工材料和环境治理等方面，期望能促进反应过程的进行。由于超声波具备许多的优点，使得它在清洗、探伤和测速等领域中得到了广泛应用，目前也逐渐被应用到冶金领域。伴随着技术的不断进步，超声换能器的功率也在朝着大型化的方向发展，可以克服传统换能器低功率、低效率及低能量的限制，从而有望将超声强化技术大规模应用于湿法冶金领域。同时，基于计算机技术的发展和仿真模拟软件的开发，可以通过仿真手段模拟超声作用于溶液过程中的声压、声场、流场等微观过程。本文就超声在湿法冶金中的应用及仿真模拟研究现状进行了简要阐述。超声在湿法冶金领域中的应用 超声强化浸出随着各行各业对金属的需求不断增加，冶金科研工作者也在探索不同的金属提取方法和新技术。氧化物矿石中的金属含量通常比硫化物矿石低，而且它们的浮选富集也比硫化物矿石更困难。为了高效的从复杂低品位矿物中提取有价金属，可以采取不同的新手段和方法，包括微波强化焙烧、超声强化浸出等。超声在贫矿和复合矿的浸出中具有重要意义，可提高溶解率、改善金属回收率、减少试剂消耗。超声作用于溶液时所产生的空化、射流、压力等有助于产生化学、物理和流体力学效应，可以增加溶液中的物质扩散速率和反应速率，加快金属的浸出，从而提高金属的浸出率 。等研究了超声作用下从 硬 锌 渣 中 强 化 浸 出 铟，发 现 在 超 声 功 率 为 的最佳条件下，铟的浸出率 高达 。等确定了超声加强硝酸浸出的可能性，其有利于分散硅胶，防止凝胶在矿物表面的形成和沉淀。将超声应用于三级硝酸浸出的第一阶段，可以显著提高了锆和稀土元素的回收率。随着超声波使用领域逐渐扩大，其作为一种外场强化浸出的方法，得到了冶金行业专家的高度关注。大功率超声波的出现为超声波在湿法冶金中的广泛应用奠定了坚实的基础。浸出是矿物颗粒与溶液之间的多相反应过程，其中包括外扩散、内扩散和化学反应三个阶段。确保目标矿物与浸出溶液之间有效的接触，是实现矿物有效浸出的决定性因素。基于此，诸多学者开展了超 声 对 不 同 金 属 的 强 化 浸 出 研 究。等 提出了一种超声辅助从含铜黑云母中提取铜的方 法，与 常 规 酸 浸 相 比，超 声 法将 浸出 时 间 从 减少到 ，硫酸浓度从 减少到 。此外，在浸出率为 的情况下，浸出温度可以从 降低到 。杨芳芳 以实际含锗浸出液为研究对象，发现当单宁沉锗温度为、反应时间为 、溶液 值为 、超声功率为 时，沉锗率为 ，比常规工艺增加。通过 分析表明，施加超声后降低了单宁锗的絮凝效果，絮体表面团聚的小颗粒脱离虚体进入液相，从而增加了与锗碰撞的可能性，减少了单宁锗表面的杂质金属，有利于加快单宁和锗的反应速率，进一步提高了锗的沉积率。在贵金属回收应用方面，等 研究了超声功率、温度、硫代硫酸盐、钴和氨的浓度对超声浸金率的影响。在超声条件下，金的浸出率是传统条件下的倍，活化能从 降低到 。可以看出，在湿法浸出过程中引入超声后可以增强固液传质过程，改善固体颗粒中贵金属的浸出效果。故利用超声能提高矿物中目标金属的浸出率，能为有效利用金属资源开辟一条新途径。超声辅助电解电解提取和电解精炼是广泛应用于有色金属提取和精炼的两种方法。在电解过程中，由于电解液与电极间发生电化学反应，使溶液浓度发生变化，从而引起阴极上金属离子含量及组成发生变化。在电解过程中，气泡附着在电极表面会影响电流的传导，导致沉积不均匀。通过超声强化手段能够消除气泡，防止其覆盖在电极表面。同时超声可以加快电解液的传质过程，从而提高电流效率，在一定程度上减少能耗。李吉刚 在铝电解过程中施加超声，发现随着超声声强的增大，阳极区域内气泡的覆盖面积逐渐缩小，同时槽电压的降低程度也在不断增加；超声频率高于临界值后，随着超声波振幅的增加，阴极区气泡覆盖面积先减小然后又变大。当超声声强未达到临界值时，气泡区域的覆盖度会随着极距的减小而呈现出逐渐增大的趋势，这表明随着静压力的增加，超声去除气泡的过程受到了阻碍。通过改变电极间距来实现阴极区声场强度均匀性的调节是一种简单有效的方法，可以使超声空化效应得到更好的发挥。第期王泽英等：超声在湿法冶金中的应用及仿真模拟现状铝钪锆合金因其卓越的强度、低密度及其他优异的性能，在兵器、交通运输和民用等领域得到了广泛应用。目前，合金的主要生产方法包括对掺法、金属热还原法和熔盐电解法，然而这些方法主要集中于铝钪和铝锆中间合金的制备。在生产工艺过程中，存在钪锆含量波动较大、能耗高以及钪锆元素分布不均匀等问题，严重影响了铝钪锆合金的广泛应用。此外，通过中间合金熔炼配制铝钪锆合金的过程，还存在流程长、温度高、生产成本高等问题。针对上述问题，制备高质量、粒度分布均匀、工艺简单及成本低廉的钪锆及钪锆合金逐渐成为科学工作者的研究热点。钱义 采用超声辅助熔盐电解法，以氧化钪和氧化锆为原料，铝液为阴极，直接电解制备钪锆及钪锆合金。结果发现，超声能在一定程度上提高电解过程的电流效率并改善钪元素在合金中的分布。在低电流密度（小于 ）下，超声能显著提高合金中钪元素的含量；而当电流密度超过 时，超声作用后合金中的钪含量呈现降低的趋势。此结果对于研究外场强化时，熔盐电解法生产铝合金工艺技术的优化和完善有着重要的指导意义。研究发现，超声可以提高稀酸性硫酸盐浴电沉积铜和稀碱性锌酸盐浴电沉积锌的阴极电流效率，超声可以直接应用于电极或槽的底部，并通过液体间接作用于镀液槽。研究发现，在所有的电流密度下，超声辅助后电镀槽会产生更细的粉末，且超声辅助有助于提高金属的沉积速率。超声强化回收电池中的有价金属尽管电池产量的急剧上升为我们的日常生活提供了巨大的便捷性，但废弃电池的处理问题也逐渐浮现。锂离子电池中存在部分有毒有害物质，如六氟磷酸锂、聚偏氟乙烯等。废旧锂离子电池若不加以合理处置，将给环境带来严重污染。同时，锂电池中还含有大量有价金属，如钴、锂、锰、镍等。若能对废旧锂离子电池中的有价金属进行回收，既可以减轻环保工作的压力，还可以实现资源的再利用。国内外学者采用不同手段针对废旧电池中有价金属的回收开展了大量的研究工作。以废旧手机锂离子电池为研究对象，赵磊 采用超声辅助溶剂法，将正极活性材料从铝箔中分离出来，得 出 在 最 佳 固 液 比 为、超 声 处 理 ，可得到高纯度的正极活性材料。在此研究基础上，为了进一步研究超声辅助浸出废旧锂离子电池 正 极 活 性 材 料 中 的 有 价 金 属 的 效 果，等 通过实验发现当施加功率为 的超声时，、和 金属的浸出率分别可达 、和 ，与常规浸出相比均提高 左右，且超过 的有价金属可以在最佳浸出条件下被浸出。等 利用有机柠檬酸和乙酸作为浸出剂，采用超声辅助提取废旧锂离子电池中的、和。在浸出温度 ，功率为 时，超声浸出时间比常规减少了，、和 的浸出率均提高了左右。这是因为当超声作用于溶液时，液体介质中产生了数百万个微小的真空孔，溶解的气体进入孔中并产生大量气泡。当气泡破裂时，所产生的冲击力和能量，可以有效促进溶液的混合，进而提高金属的浸出效率。超声之所以能够改善分离效果，主要是由于超声压力波在溶剂中的传播和空化效应。空化气泡产生微湍流，导致颗粒间高速碰撞。由于气泡的膨胀空间有限，大部分气泡在容器中不对称地崩溃，形成周期性的流体流动，产生严重的湍流，在材料表面形成一系列微喷射空洞，表面分层、侵蚀，进而促进颗粒分解。一些学者把研究重点放在了电极废料回收流程简化方面，等 建立了一种超声辅助从废锂离子电池中分离和回收涂层材料及铝箔的新工艺。研究表明，在超声作用下，即使是极稀的酸性溶液，也可以显著提高剥离效率和铝纯度，在硫酸、草酸和纯水介质中，均可分离出高纯度的涂层材料。涂层材料迅速剥落归功于酸性超声溶液中形成的自由基的强烈氧化导致黏合剂的快速降解。这种回收方法为从废锂离子电池中回收阴极材料和铝箔提供了一种替代方案，简化了分离程序，提高了回收效率和产品纯度。等 开发了一种持续超声辅助水热法制备 的方法，结果表明，超声处理可使 的回收率从 提高到 。与未加超声相比，制备的 表现出更好的活性。超声强化技术不仅可以辅助废旧锂离子电池中有价金属的提取，对于其他电池中有价金属的提取效果也十分显著。姚金环等 将超声引入到废旧锌锰电池的浸出过程中以强化锰的浸出。发现在超声功率 时，锰的浸出率比常规条件下提高了大约 ，且制备的 纯度较高。超声技术在电池材料的制备与回收领域均展现出巨大的应用潜力。尽管目前超声技术在电池应用领域的理论构建方面还存在一些不足，但随着电池技术的进步及超声强化作用机理的深入研究，超声辅助强化电池材料的制备和回收将会受到更多研究者的关注。有 色 金 属 工 程第 卷 超声强化萃取超声萃取技术利用超声的机械、空化和热效应，来加快介质分子的移动速度和渗透能力，从而让目标成分更容易被溶剂吸收。同时，超声强化技术可以高效地破碎、分散及加速溶解组织结构。由于该方法具有操作方便、不容易引发二次污染、溶剂提取量少、工作效率高等优点，因此在萃取行业中得到了广泛的应用。等 在用 溶剂萃取镓同时引入 超 声 强 化 处 理 溶 液 时 发 现，当 超 声 频 率 为 、声强为 时，镓的萃取速率比常规条件提高了 倍。结果表明，超声条件下温度对镓萃取速率的影响较小，超声作用时萃取时间大大缩短、萃取率显著提高。?等 提出了一种从沉积物样品中超声浸出金属的新方法，结果表明传统方法需要才能选择性地从沉积物样品中浸出目标金属，而采用超声强化浸出时间缩短至 。超声不仅可以提高金属的萃取率，而且对有机物的萃取也有一定的促进作用。等 认为超声能够帮助提取青蒿素，通过单因素实验讨论了液固比、萃取温度、超声时间和超声功率等对青蒿素萃取效率的影响。实验表明，超声辅助萃取比传统溶剂具有更快的萃取速率，并且超声可以显著增强传质。与传统萃取相比，超声在相对较低的温度下表现出更高的效率和更短的萃取时间（从减少到 ）。超声强化能够提高反应过程的动力学，增强物质的传质能力，减弱分子穿透液膜的阻碍，进而促进物质快速进入溶剂，达到快速高效的萃取效果。值得注意的是，?等的研究可将萃取时间由缩短至 ，该研究极大的节约了能源消耗和时间成本，具有重要的指导价值。另外，超声可作用于不同的萃取对象，其物质的类型于存在形态对萃取效率的影响也有一定的研究意义。总得来说，超声辅助在萃取领域具有突出的表现，由于超声辅助萃取技术与常规方法相比，具有无需加热或加热温度低，萃取时间短并且操作简单等优点，被广泛应用于生产实践中，但超声能量密度高，是否会因对样品造成机械剪切和化学效应等作用而导致样品破坏，还有待深入研究。超声仿真模拟技术的研究数值法是目前超声技术仿真模拟中常用的方法。其具有广泛的应用范围和高度的灵活性，能够处理各种不同结构的对象，尤其在医学领域应用较广，但针对湿法冶金强化过程，超声作用下的声场、温度场、流场及搅拌场协同耦合时的仿真研究较少。超声仿真理论研究驻波是入射波和反射波相互叠加形成的，由于其定向和高聚焦的波动效应，被应用于声化学反应、超声波清洗和超声驻波雾化等领域。但驻波场中过大的声压幅值会引起声场非均匀分布，这使得部分区域空化效应难以形成，进而对反应过程的传质速度、提取效率产生负面影响。通过改变声源频率和声压幅值可实现超声作用过程的强化，但目前超声在增强流体传质方面的作用机制还未明确。有学者采用辐射力法和热敏探头法等方法对声场进行了研究，同时采用探针法、激光多普勒速度计和激光粒子图像速度计等技术对流场进行了研究。但以上方法只能测量声场中的压强或流场中流体的流速，测量结果较为局限，无法对物理场进行全面的定量分析。近年来，随着高性能计算机技术的不断发展，数值模拟技术已经成为一种能够准确、全面地求解多场耦合问题的方法。韩鹏 分析了超声的传播规律，在多元高斯声束模型的基础上，对超声探测声场进行了仿真，并对其进行了可视化处理。实验结果表明，超声阵列式可以检测到更大范围的声场，为柱状形件在线无损检测奠定了理论基础。由于声场的高能密度决定了超声驻波雾化，等 基于 软件的模拟环境和多元高斯声束模型，对超声驻波声场的特性进行了数值仿真研究。发现当两个换能器面对面布置，且换能器探头为球形时，声压分布最为均匀，在此基础上，得到了最佳超声频率为 。在工业提取过程中，使用多个压电换能器组成的换能器阵列是一种常见的方法，用于增强声强和确保压力场的均匀分布。等 利用 对换能器的不同布阵方式进行了仿真模拟，从压力场分布中获得了超声强度分布，提供了对主动空化区的几何形状的预测，这对于换能器布阵的优化至关重要。而针对换能器的位置优化问题，驻波效应成为一个不可忽视的因素，有学者在此方面使用 软件对其进行了可视化的研究。欧阳宁宁 以狭缝状腔体为研究对象，建立超声“声场流场温度场”多物理场耦合仿真模型，利用 对模型进行仿真运算，得出声场分布的均匀性与超声频率的设置与频率组合有关，单频设置存在显著的驻波效应，双频设置由于混响场的第期王泽英等：超声在湿法冶金中的应用及仿真模拟现状存在能够减弱驻波效应的结论，为后续驻波效应的研究提供了可视化依据。通过研究和建立多物理场耦合模型，对超声辅助过程进行数值模拟仿真，既为试验设计提供了理论支持，又有效减少了实验室中重复试验的成本。此方法为超声频率选择、参数优化和大功率超声设备改进提供了可行而有效的途径，为大功率超声设备的工业化的应用提供了理论基础。超声仿真模拟技术应用超声仿真模拟技术能对一些难以观测到的、复杂的、难以描述的现象做出定量的分析，并能依据仿真结果推断出潜在的作用规律。通过对超声工作参数（超声功率、频率、超声作用时间、超声作用深度等）和超声强化过程中各结构参数（超声换能器直径、反应腔形状和材质）的关联分析，获得超声强化过程的最佳工艺条件参数，为实际应用奠定基础。等 使用 改变超声换能器的频率，建立单相不可压缩模型，研究了乙醇液体中声压分布的变化。模拟结果表明，声反应器底部发出的声波产生了多层高声压分布。沿声反应器的脉动压力大小表明，相长干涉产生高声压区，而相消干涉产生低声压区。由于超声仿真模拟技术在湿法冶金行业还未大规模开展应用，缺乏系统完善的研究，但其在相关领域的研究值得借鉴。唐永康 提出基于超声联合机械粉碎破壁技术的榛子蛋白提取方法。利用 软件进行数值仿真模拟，分析得出，超声功率主要影响声压的大小，超声频率主要影响声压的分布。若超声换能器直径太小，空化效果弱；若超声换能器直径太大，则会损坏反应器，理想的超声换能器直径为。与此同时，超声作用深度太浅或太深，也都会损伤反应器，理想的超声作用深度为 。为了更深入地探究影响声场分布的因素，有学者还研究了超声能量密度、换能器间距、黏度等与声场分布的关系，王轲 建立了超声强化萃取过程的多场耦合模型，使声场分布可视化，并建立了评价萃取过程声压分布特征的标准。结果表明，随着超声能量密度的增加，声压呈现出先上升后下降的趋势，且声场分布的不均匀性逐渐增加；在不同的超声频率下，声压值与相对标准偏差的变化规律基本一致；与系统流速相比，动力黏度、换能器间距和换能器阵列形式对声场分布特性的影响更加显著。此外，模拟仿真对反应器的设计也提供了可行有效的帮助。等 设计了连续超声槽式反应器，重 点 研 究 了 槽 内 的 声 压 和 温 度 分 布。在 中首次建立了三维槽式反应器模型，获得了声压和温度的分布规律。结果表明，超声可产生强烈搅拌和湍流的极端高压循环，此外超声处理过程中还可产生瞬时高温。等 研究了超声探头位置、反应器形状和超声输入功率对三种不同类型的玻璃反应器（烧杯、锥形烧瓶和圆底烧瓶）内声压分布的影响。结果表明，当探头与容器底部的距离减小时，三种容器声压值均逐渐增大，圆底烧瓶中高声压区的面积没有显著变化，而烧杯和锥形烧瓶中高声压区的面积急剧增大，这说明使用圆底烧瓶可以减少超声对盲区的影响。在实践生产中，可以将圆底类反应器考虑优先设计。模拟仿真技术作为一种设计优化手段，将抽象的声场、声压、温度场和搅拌场等可视化，为超声强化浸出、除杂、电解、萃取等过程的工艺参数选取提供理论依据。同时，可构建超声与其他物理场的耦合模型，研究不同超声条件对湿法冶金反应过程中声场、声压的影响。利用可视化技术描述超声传播、驻波效应及湍动效应等复杂物理过程，为超声频率选择和设备参数的优化提供了全新的途径，并为实现高效、可靠和精确的工业化生产奠定了理论和技术基础。结论超声技术在浸出、电解、萃取等湿法冶金过程中能起到一定的强化作用。它可以有效的提高反应速率、降低反应活化能、加速传质、提高浸出率，并且在一定程度上可以优化工艺参数。这些极大的提高了湿法冶金过程的产能和效率，降低了能耗，减少了环境污染。但是，目前超声在湿法冶金反应过程中的作用机理还未完全探明，为不断完善和推广超声在湿法冶金领域中的应用，进一步提高超声强化的性能，开展超声强化机理、工艺装备、工艺参数等方面的实验研究变得至关重要。从工业生产的角度出发，目前的超声发声器都存在着功率偏低的问题，无法完全满足实际生产的需要。因此，为了解决实际应用问题，迫切需要解决的就是如何将设备进行大型化，并尽快研制出高功率的超声发声器。同时，为进一步阐明超声作用机理，确定最优工作条件、完善超声声源的分布及腔体的优化，需加强基于仿真模拟下反应过程中各条件参数对声场、声压的影响研究，建立反应过程中声场分布有 色 金 属 工 程第 卷特性的评价指标，对超声设备在不同工作模式下的物理场分布进行直观量化。随着科学技术的发展，以及科研工作者对超声技术的深入研究，超声技术在冶金过程强化、复合材料制备、冶金产物分离与提纯等过程中发挥的作用将日益显著。超声技术将为湿法冶金工艺的改进、产品质量的提高和可持续发展提供强有力的支持，与此同时其在冶金领域的创新和应用将继续推动冶金行业向更高水平发展。参考文献：彭万金超声波在冶金中的应用研究上海有色金属，（）：，（）：杨芳芳，梁明，狄浩凯，等从锌锗浸出液中提取锗的研究进展昆明理工大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：刘金 刚，刘 浏，王 新 华超 声 波 在 钢 铁 冶 金 中 的 应用铁合金，（）：，（）：，（）：范兴祥，彭金辉，张利波，等超声波强化锌浮渣浸出的研究昆明理工大学学报（理工版），（）：，（），（）：，：，（）：，（）：，：，：，（）：杨芳芳含锗浸出液单宁沉淀法提取锗的超声强化技术研究昆明：昆明理工大学，：，范茂盛，陆占清，裴启飞，等超声强化次氧化锌深度浸出的响应曲面优化及机理研究昆明理工大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，：，：，（）：李吉刚超声作用及极距变化对铝电解电流效率的影第期王泽英等：超声在湿法冶金中的应用及仿真模拟现状响北京：北京科技大学，：，钱义熔盐电解法制备铝钪锆合金的基础研究北京：北京科技大学，：，（）：，（）：卢宜冠，郝波，孙凯，等钴金属资源概况与资源利用情况分析地质调查与研究，（）：，（）：赵磊废旧锂离子电池有机酸浸出回收钴、锂金属研究扬州：扬州大学，：，：，（）：，：，：，：，：，：姚金环，丘雪萍，李延伟，等超声波强化浸出废旧锌锰电池中的锰制取 的工艺桂林理工大学学报，（）：，（）：，：?，：，犃 狉 狋 犲 犿 犻 狊 犻 犪犃 狀 狀 狌 犪犔 ，（）：王轲基 于 多 场 耦 合 的 超 声 辅 助 提 取 过 程 仿 真 研究镇江：江苏大学，：，韩鹏环形阵列超声检测仿真技术研究太原：中北大学，：，（）：，欧阳宁宁狭缝状超声波多物理场耦合仿真及核桃乳有 色 金 属 工 程第 卷的超声乳化研究镇江：江苏大学，：，：唐永康基于超声波与机械粉碎破壁技术的榛子蛋白提取工艺研究无锡：江南大学，：，：，：，：，：，：