Cu吹炼炉气液流动的模拟

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本文作者：邵品张廷安刘燕王东兴作者单位：东北大学材料与冶金学院

氧气底吹炉连续炼铜法是相对于传统炼铜间断操作而产生的一种炼铜新技术,也是我国自主研发的一种铜冶炼方式[1-2]。其底吹喷射形成的扩散区较顶吹炉和侧吹更均匀,区域更广,无死角,炉衬无特殊物理受蚀部位。更具有原料的适应性强、熔炼强度高、熔炼工艺流程短、配置简单等优点。

目前,关于底吹炼铜炉内气泡行为的研究尚少,对于底吹技术的研究报道主要应用在转炉、钢包等反应器中。蔡志鹏等为底吹氧气连续炼铅熔炼炉做了冷态模拟试验[3],作者通过测量熔池中示踪剂混合均匀时间来优化底部枪距与隔墙的布置。然而,上述研究尚不够充分,对于熔池中气液两相流行为的研究仅靠水模型是无法全部实现的。

在数值模拟方面,对于底吹气液两相流的模拟方法可以分为Euler-Lagrange模型与Euler-Euler模型。Johansen等[4-7]采用Euler-Lagrange模型描述了钢包与转炉中的底吹气液两相流流动,其中把液体处理为Euler坐标系,气泡视为Lagrange坐标系,但由于模型本身不考虑第二相(离散型)在空间上的体积分数,因而该模型的一个基本假设是,作为离散的第二相的体积比率应很低。Venturini等[8-11]采用欧拉-欧拉模型来描述底吹气泡行为,气液两相被处理为欧拉坐标系,并在模型方程中引入气含率。

但以上模型的共同特点是描述气流量较低的鼓泡流,而在氧气底吹炼铜时,氧气多为超音速射流,射流行为与鼓泡流行为在气泡尺寸、分布及气液两相流行为均有较大区别。为了更好地改进底吹工艺,设计和操作底吹气体喷射装置,需要了解和掌握喷吹参数、喷射区几何形状、气液上升速度及气含率等。本文采用Eulerian-Eulerian模型考察底吹双喷嘴对称喷吹的情况下气液两相流行为,以及增大对喷角度对气液两相的分布、液面喷溅情况、湍动能及气含率的影响。

1模型的建立

1.1几何模型及网格划分

图1是根据相似原理,按照5∶1比例制作的底吹炉的水模型及其网格模型,模型气量根据修正Fr准数来确定。其中主要以底吹射流反应区断面来进行建模,以方便气泡微细化情况的观察。

表1为模型与原型的参数表。数学建模时,为了节省计算资源,仅建立1/4模型体,然后进行对称处理即可得到与水模型原型等效的几何模型。同时对几何模型采用分块划分六面体结构化网格。为了更好地观测喷射区的气相状态,对根据水模型实验得到的气相范围进行了相应网格加密处理。

1.2数学模型的建立（略）。

1.3边界条件及求解方法

设定水模型的顶部为压力出口边界条件,气体体积分数为100%,即没有液体溢出和进入。设置喷嘴处为气体质量入口边界条件,具体数值根据不同喷气速度有所调整;对称面上所有变量梯度为零;近壁面处使用标准壁面函数。采用商业软件FLUENT对模型进行求解,采用patch命令定义初始时两相的体积区域。收敛以各个变量的无量纲残差小于1×10-3为标志。初始时间步为0。0001s,同时选择adaptive,即随计算时间时时调整步长。

2结果分析与讨论

2.1模拟结果验证

图2是在不同条件下水模型实验所拍摄气液两相流运动形态照片与数值模拟结果对比,其中喷气速度340m/s,氧枪直径3mm,液面高度342mm。由图可见,在不同实验条件下,气液两相区的计算结果与实测结果的吻合程度良好。另外,单孔中心喷吹的液面喷溅量要大于偏心情况,而双孔喷吹的液面波动也要大于单孔喷吹的情况,本文所采用的数值模拟方法可以较好地反映气液两相流实际流动状态。

2.2底吹熔池内气液两相流运动过程

图3即为双喷嘴底吹气液两相流运动行为的模拟结果,其中两喷嘴中心呈28°对喷,底吹气速为340m/s。从图中可以看出,整个对喷过程的液面起伏波动很大,而液体喷溅及气柱间距等均随时间而相应变化。图3a~3c是气柱冲出液面后的流场变化。从图3b可以看出,在气柱刚冲出液面的时候,液面波动明显,高速气流柱瞬间喷涌至熔池顶部,而此时会有液相夹杂其中,随之喷出熔池,造成剧烈喷溅,这在工业上是需要极力避免的状况。而在经过一定的时间后,液面波动有所缓和,图3c的液面波动高度较图3b明显降低,整个过程与实际液面的变化过程能相互吻合,证明了模拟的切实可行性。

2.3对喷角度对气液两相分布的影响

图4是底吹双喷嘴对喷,底吹气速为340m/s,液面高度342mm,不同喷吹角度下,气液两相的分布示意图。从图中可以看出,14°对喷角度下的喷溅现象最为严重,而且随着喷吹角度的增大,喷溅情况也相应有所减弱,说明增加对喷角度对降低液面喷溅情况有一定的意义。经分析认为是由于高速气流冲入熔池内部以后相互吸引,且由于喷吹倾斜角度较小,故而气体在熔池内部通过的路径也相应减小,所受液相对其的阻力也相应较小,两条气柱急剧相交,形成了较大的喷溅。由图5可以看出,同等条件下,28°对喷的情况下,液面下方的气体总体积是最大的。结合前面的内容,经分析认为,这是由于28°对喷情况下,高速气柱的相互影响适中,气柱部分重叠,增大了局部气体体积的同时,又由于喷吹角度原因,气泡从喷入熔池到喷至液面的路径长短合适,增大了气泡在熔池内的停留时间,故而其整体气体含量在同等条件下为最高。

2.4对喷角度对气流速度和湍动能的影响

图6描述的是气速340m/s,液面高度342mm条件下,湍动能随喷吹角度的变化而发生的变化。湍动能对气泡的分散和破裂有着直接的影响,是影响气泡微细化效果的关键因素之一。从图6中可以看出,在14°情况下湍动能主要分布于两气柱重叠区域,而随着喷吹角度的增大,湍动能的分布区域相应增大,说明熔池内部气泡微细化的状态整体有所提高,有利于提高气泡利用率,相应地也加速了气液反应速度;但在44°时,两股射流相互影响作用减弱,湍动能反而有所降低。

3结论

1)14°对喷角度下的喷溅现象最为严重,随着喷吹角度的增大,可以减少气体对液面的冲击喷溅情况也相应有所减弱。

2)随着对喷角度的增大,射流横向速度增加,穿透距离增大,气泡分布更均匀,停留时间更长。但当夹角超过一定范围后,继续增大角度会使射流出口到液面垂直距离减小,气泡在熔池中的停留时间反而减小,不利于氧气利用率的提高。同等条件下,28°对喷情况下,气含率是最高的。

3)随着喷吹角度的增大,湍动能的分布区域相应增大,说明熔池内部气泡微细化的状态整体有所提高,有利于提高气泡利用率,相应地也加速了气液反应的速度,在44°时,两股射流相互影响作用减弱,湍动能反而有所降低。