有色金屬礦通常與鐵的化合物伴生，濕法冶煉時(shí)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(wèn)題，特別是當溶液含鐵較高時(shí)，Fe(OH)3膠體易堵塞板框壓濾機導致生產(chǎn)過(guò)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(chǎng)投入生產(chǎn)，采用“復浸出—赤鐵礦法”沉鐵，國內目前云南云錫文山鋅銦冶煉有限公司也正建設基于赤鐵礦法沉鐵技術(shù)路線(xiàn)的濕法煉鋅生產(chǎn)線(xiàn)。該法需要昂貴鈦材制造高壓設備和附設SO2液化工廠(chǎng)，投資費用高，且有一個(gè)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(shí)，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(shí)老山公司(Vieille Montagne)研制，1971年在巴倫(Balen)廠(chǎng)投產(chǎn)。針鐵礦法具有工藝設備簡(jiǎn)單、除鐵成本較低、鐵沉降物呈結晶態(tài)因而過(guò)濾性能良好等優(yōu)點(diǎn)，但目前大量工業(yè)實(shí)踐發(fā)現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(wèn)題。

已開(kāi)展的研究表明，針鐵礦法沉鐵包括一系列復雜的物理化學(xué)反應過(guò)程，包括二價(jià)鐵離子氧化、三價(jià)鐵離子水解以及中和反應等。這些化學(xué)反應過(guò)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，反應機理非常復雜。國內外專(zhuān)家學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究工作，目前文獻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(dòng)的范圍非常窄，參數控制要求極為嚴格。但在規?；a(chǎn)中，由于針鐵礦沉鐵工序通常由多臺連續沉鐵反應器串聯(lián)組成，反應溶液入口與出口存在較大的時(shí)滯，且沉鐵反應器體積龐大，沉鐵過(guò)程溶液中不同位置處Fe2+/Fe3+濃度、pH值和溫度呈非線(xiàn)性、時(shí)變等特點(diǎn)，尤其在實(shí)際生產(chǎn)中隨著(zhù)生產(chǎn)原料、沉鐵過(guò)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、溶液結構等常常差異較大，依照現有的人員經(jīng)驗調控方式，難以實(shí)現對沉鐵過(guò)程參數進(jìn)行實(shí)時(shí)調控，導致實(shí)際沉鐵時(shí)溶液中不同位置、同一位置不同時(shí)間點(diǎn)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(guò)程對溶液物理場(chǎng)性質(zhì)(流速、溫度、密度、粘度等)、化學(xué)場(chǎng)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進(jìn)行沉鐵，顯然難以實(shí)現準確、穩定地針鐵礦法沉鐵，使得針鐵礦沉鐵渣晶型常常不穩定，導致所產(chǎn)鐵渣鐵品位低、渣量大、難過(guò)濾，且難以實(shí)現鐵渣資源化、全量化高值回收利用。本領(lǐng)域急需一種能夠在規?；樿F礦沉鐵前，能夠對沉鐵過(guò)程及沉鐵效果實(shí)現預測、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進(jìn)行實(shí)際針鐵礦沉鐵操作。

如何確定鐵礦沉鐵過(guò)程中與反應有關(guān)的參數？

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

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

步驟1中，根據實(shí)際沉鐵反應器結構建立仿真模型是根據實(shí)際沉鐵反應器幾何形狀及尺寸，以及實(shí)際沉鐵反應器中攪拌槳、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構數據建立仿真模型。

步驟2包括以下過(guò)程：

對所建立仿真模型以實(shí)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)流量參數為基準，以±20％為范圍，作為邊界條件；然后基于當前仿真過(guò)程對于精度的要求進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

步驟3包括以下過(guò)程：

對流場(chǎng)、化學(xué)傳質(zhì)場(chǎng)、溫度場(chǎng)耦合模擬沉鐵過(guò)程通過(guò)瞬態(tài)非線(xiàn)性求解器求解偏微分方程；并輸出針鐵礦沉鐵反應器內不同區域、不同時(shí)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果。

步驟4中，根據計算結果對沉鐵反應器結構進(jìn)行優(yōu)化，是通過(guò)改變沉鐵反應槽槽型、攪拌器類(lèi)型以及槽內擋板控制溶液流出方式，并根據改變后的計算結果是否提高來(lái)進(jìn)行的。

步驟4中，針鐵礦法沉鐵最佳反應條件區間為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和反應時(shí)間為4000s～6000s。

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