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入溶液，為了獲得高質量的金屬產品，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，特別是當溶液含鐵較高時，Fe(OH)3膠體易堵塞板框壓濾機導致生產過程難以進行；②赤鐵礦法沉鐵，使溶液中的鐵以赤鐵礦形式入渣，1968年～1970年由日本同和礦業公司發明，1972年在日本飯島煉鋅廠投入生產，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路線的濕法煉鋅生產線。該法需要昂貴鈦材制造高壓設備和附設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入渣中而除去，但也給溶液帶入了如K+、Na+或NH4+等雜質離子；④針鐵礦法沉鐵，使溶液中的鐵以針鐵礦形態入渣。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。針鐵礦法具有工藝設備簡單、除鐵成本較低、鐵沉降物呈結晶態因而過濾性能良好等優點，但目前大量工業實踐發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題。

已開展的研究表明，針鐵礦法沉鐵包括一系列復雜的物理化學反應過程，包括二價鐵離子氧化、三價鐵離子水解以及中和反應等。這些化學反應過程受溫度、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、結晶析出涉及一系列氣、液、固三相互相耦合的化學、物理反應，反應機理非常復雜。國內外專家學者對此進行了大量研究工作，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，可允許浮動的范圍非常窄，參數控制要求極為嚴格。但在規模化生產中，由于針鐵礦沉鐵工序通常由多臺連續沉鐵反應器串聯組成，反應溶液入口與出口存在較大的時滯，且沉鐵反應器體積龐大，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，尤其在實際生產中隨著生產原料、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，依照現有的人員經驗調控方式，難以實現對沉鐵過程參數進行實時調控，導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(流速、溫度、密度、粘度等)、化學場性質(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行沉鐵，顯然難以實現準確、穩定地針鐵礦法沉鐵，使得針鐵礦沉鐵渣晶型常常不穩定，導致所產鐵渣鐵品位低、渣量大、難過濾，且難以實現鐵渣資源化、全量化高值回收利用。本領域急需一種能夠在規模化針鐵礦沉鐵前，能夠對沉鐵過程及沉鐵效果實現預測、評估的方法及手段，并在獲得合格沉鐵評估效果后，可按照經效果評估后的工藝參數進行實際針鐵礦沉鐵操作。

如何確定鐵礦沉鐵過程中與反應有關的參數？

步驟①，對針鐵礦沉鐵過程的氣體傳質速率、Fe2+氧化速率和中和反應速率參數求解：根據氣體傳質過程服從雙膜理論來推導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，再進行最小二乘法擬合，得出氣體傳質速率；然后根據氧化反應原理推導Fe2+氧化過程動力學，結合氣體傳質速率方程，得出Fe2+和氣體濃度與時間之間的微分方程，利用滴定和ICP結合的方法測量不同時間下溶液中Fe2+濃度，再進行最小二乘法擬合，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程動力學，得出中和劑濃度與時間之間的微分方程，通過滴定和ICP結合的方法測量不同時間下溶液中中和劑濃度，再進行最小二乘法擬合，得出中和反應速率方程；

步驟②：對針鐵礦沉鐵過程的含鐵溶液密度、粘度、表面張力和導熱系數溶液性質參數求解：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控制變量法進行測量，通過測量不同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系表達式。

步驟1中，根據實際沉鐵反應器結構建立仿真模型是根據實際沉鐵反應器幾何形狀及尺寸，以及實際沉鐵反應器中攪拌槳、進液口、出液口、進氣口、出氣口、進料口和加熱套管的結構數據建立仿真模型。

步驟2包括以下過程：

對所建立仿真模型以實際生產所用進氣流量、進液流量、投料量、攪拌速率和加熱介質流量參數為基準，以±20％為范圍，作為邊界條件；然后基于當前仿真過程對于精度的要求進行網格劃分。

步驟3包括以下過程：

對流場、化學傳質場、溫度場耦合模擬沉鐵過程通過瞬態非線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行優化，是通過改變沉鐵反應槽槽型、攪拌器類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進行的。

步驟4中，針鐵礦法沉鐵最佳反應條件區間為75℃-80℃、進液流速為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和反應時間為4000s～6000s。

在進行模擬仿真時，是采用有限元多物理場模擬仿真軟件實現，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。