中国是一个铜矿资源稀缺大国,国内大型铜矿山开采品位现已普遍降至0.5%以下,铜冶炼企业每年需大量进口铜精矿以满足生产需要。降低铜冶炼企业弃渣含铜,提高资源综合利用率,已成为学术界和企业界共同关心的课题,更是一项非常有价值和意义的工作,并事关国家资源战略。随着富氧强化冶炼技术在铜冶炼中的应用,在取得了良好的节能减排和生产效益的同时,也带来一些新问题需要研究解决。在高氧势气氛下强化熔炼、吹炼过程中产生大量Fe₃O₄,而Fe₃O₄使得贫化炉炉渣黏度增加、熔点上升、Fe₃O₄富集后形成“横膈膜”,严重影响铜、金、银等有价金属沉降分离,导致铜渣分离不清,弃渣含铜高达0.7-1%,金、银等有价元素也随弃渣损失,资源综合回收率降低。本文针对高氧势铜冶炼熔渣的特性,提出通过改变铜熔渣中铁氧化物的价位,实现渣型定向调控。采用柴油-氮气混合顶吹强化还原贫化的方法,降低熔渣中Fe₃O₄的含量,尽可能多地形成Fe₂SiO₄复合氧化物,改善铜的迁移与富集条件,为铜渣有效分离提供了新思路。首先对铜在渣中的损失机制和还原贫化机理进行了研究,展开了柴油高温裂解以及还原渣中磁性氧化铁的热力学计算及实验研究,得到还原温度和还原时间对铜冶炼熔渣中磁性氧化铁还原的影响,论证了贫化电炉内氮气环境下柴油还原铜渣中磁性氧化铁的工艺可行性。并基于吉布斯自由能原理,建立N₂存在条件下柴油还原Fe₃O₄反应的模型,计算得到柴油裂解产物主要转化成CO₂、H₂O和少量CO,Fe₃O₄与柴油裂解产物的反应平衡常数大,反应程度高。以上机理研究为开展柴油氮气混合顶吹贫化铜渣的技术研发提供了理论依据。其次建立了气液混合顶吹两相流强化搅拌过程的三维数学模型,并将模型计算结果与水模型实验相互验证,揭示了混合顶吹两相流流型演变与搅拌强化效果的耦合机制,即气液比导致气液混合顶吹管内流型的演变,决定着喷吹还原的效果。由泡状流演变为环状流的过程使管内出现旋流,达到强化喷吹搅拌的目的。从而发明了新型柴油氮气混合顶吹还原喷枪。最后将以上理论及模型计算的研究成果应用于柴油氮气混合顶吹还原贫化技术的工业化试验,在贫化电炉渣层厚度控制在700-950mm,柴油氮气混合顶吹还原油枪插入渣层厚度3/5,油气比1：17.5时,炉渣中、下部“横膈膜”得到有效还原。与采用柴油顶吹相比,柴油氮气混合顶吹还原增加了柴油与贫化炉熔渣层的接触面积,喷枪寿命延长了5-6倍,提高了生产效率,渣中Fe₃O₄含量降低39.26%的同时,吨渣柴油单耗降低了56.58%。按年产45万t电炉渣计算,全年可节省104.4万L柴油,相当于节能1247.38tce。弃渣含铜降低了11.67%,按年产45万t电炉渣算,全年可多回收405t铜。同时渣中的金、银也随渣中铜锍颗粒沉降分离进入冰铜,弃渣含银降低了49.23%,全年可多回收1.44t银；弃渣含金降低了60.34%,每年可多回收15.75kg金。本研究成果已成功应用于工业化生产,节能减排及资源回收效益显著,并在相关铜冶炼厂得以推广应用。