Cu吹煉爐氣液流動的模擬

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本文作者：邵品張廷安劉燕王東興作者單位：東北大學材料與冶金學院

氧氣底吹爐連續煉銅法是相對于傳統煉銅間斷操作而產生的一種煉銅新技術,也是我國自主研發的一種銅冶煉方式[1-2]。其底吹噴射形成的擴散區較頂吹爐和側吹更均勻,區域更廣,無死角,爐襯無特殊物理受蝕部位。更具有原料的適應性強、熔煉強度高、熔煉工藝流程短、配置簡單等優點。

目前,關于底吹煉銅爐內氣泡行為的研究尚少,對于底吹技術的研究報道主要應用在轉爐、鋼包等反應器中。蔡志鵬等為底吹氧氣連續煉鉛熔煉爐做了冷態模擬試驗[3],作者通過測量熔池中示蹤劑混合均勻時間來優化底部槍距與隔墻的布置。然而,上述研究尚不夠充分,對于熔池中氣液兩相流行為的研究僅靠水模型是無法全部實現的。

在數值模擬方面,對于底吹氣液兩相流的模擬方法可以分為Euler-Lagrange模型與Euler-Euler模型。Johansen等[4-7]采用Euler-Lagrange模型描述了鋼包與轉爐中的底吹氣液兩相流流動,其中把液體處理為Euler坐標系,氣泡視為Lagrange坐標系,但由于模型本身不考慮第二相(離散型)在空間上的體積分數,因而該模型的一個基本假設是,作為離散的第二相的體積比率應很低。Venturini等[8-11]采用歐拉-歐拉模型來描述底吹氣泡行為,氣液兩相被處理為歐拉坐標系,并在模型方程中引入氣含率。

但以上模型的共同特點是描述氣流量較低的鼓泡流,而在氧氣底吹煉銅時,氧氣多為超音速射流,射流行為與鼓泡流行為在氣泡尺寸、分布及氣液兩相流行為均有較大區別。為了更好地改進底吹工藝,設計和操作底吹氣體噴射裝置,需要了解和掌握噴吹參數、噴射區幾何形狀、氣液上升速度及氣含率等。本文采用Eulerian-Eulerian模型考察底吹雙噴嘴對稱噴吹的情況下氣液兩相流行為,以及增大對噴角度對氣液兩相的分布、液面噴濺情況、湍動能及氣含率的影響。

1模型的建立

1.1幾何模型及網格劃分

圖1是根據相似原理,按照5∶1比例制作的底吹爐的水模型及其網格模型,模型氣量根據修正Fr準數來確定。其中主要以底吹射流反應區斷面來進行建模,以方便氣泡微細化情況的觀察。

表1為模型與原型的參數表。數學建模時,為了節省計算資源,僅建立1/4模型體,然后進行對稱處理即可得到與水模型原型等效的幾何模型。同時對幾何模型采用分塊劃分六面體結構化網格。為了更好地觀測噴射區的氣相狀態,對根據水模型實驗得到的氣相范圍進行了相應網格加密處理。

1.2數學模型的建立（略）。

1.3邊界條件及求解方法

設定水模型的頂部為壓力出口邊界條件,氣體體積分數為100%,即沒有液體溢出和進入。設置噴嘴處為氣體質量入口邊界條件,具體數值根據不同噴氣速度有所調整;對稱面上所有變量梯度為零;近壁面處使用標準壁面函數。采用商業軟件FLUENT對模型進行求解,采用patch命令定義初始時兩相的體積區域。收斂以各個變量的無量綱殘差小于1×10-3為標志。初始時間步為0。0001s,同時選擇adaptive,即隨計算時間時時調整步長。

2結果分析與討論

2.1模擬結果驗證

圖2是在不同條件下水模型實驗所拍攝氣液兩相流運動形態照片與數值模擬結果對比,其中噴氣速度340m/s,氧槍直徑3mm,液面高度342mm。由圖可見,在不同實驗條件下,氣液兩相區的計算結果與實測結果的吻合程度良好。另外,單孔中心噴吹的液面噴濺量要大于偏心情況,而雙孔噴吹的液面波動也要大于單孔噴吹的情況,本文所采用的數值模擬方法可以較好地反映氣液兩相流實際流動狀態。

2.2底吹熔池內氣液兩相流運動過程

圖3即為雙噴嘴底吹氣液兩相流運動行為的模擬結果,其中兩噴嘴中心呈28°對噴,底吹氣速為340m/s。從圖中可以看出,整個對噴過程的液面起伏波動很大,而液體噴濺及氣柱間距等均隨時間而相應變化。圖3a~3c是氣柱沖出液面后的流場變化。從圖3b可以看出,在氣柱剛沖出液面的時候,液面波動明顯,高速氣流柱瞬間噴涌至熔池頂部,而此時會有液相夾雜其中,隨之噴出熔池,造成劇烈噴濺,這在工業上是需要極力避免的狀況。而在經過一定的時間后,液面波動有所緩和,圖3c的液面波動高度較圖3b明顯降低,整個過程與實際液面的變化過程能相互吻合,證明了模擬的切實可行性。

2.3對噴角度對氣液兩相分布的影響

圖4是底吹雙噴嘴對噴,底吹氣速為340m/s,液面高度342mm,不同噴吹角度下,氣液兩相的分布示意圖。從圖中可以看出,14°對噴角度下的噴濺現象最為嚴重,而且隨著噴吹角度的增大,噴濺情況也相應有所減弱,說明增加對噴角度對降低液面噴濺情況有一定的意義。經分析認為是由于高速氣流沖入熔池內部以后相互吸引,且由于噴吹傾斜角度較小,故而氣體在熔池內部通過的路徑也相應減小,所受液相對其的阻力也相應較小,兩條氣柱急劇相交,形成了較大的噴濺。由圖5可以看出,同等條件下,28°對噴的情況下,液面下方的氣體總體積是最大的。結合前面的內容,經分析認為,這是由于28°對噴情況下,高速氣柱的相互影響適中,氣柱部分重疊,增大了局部氣體體積的同時,又由于噴吹角度原因,氣泡從噴入熔池到噴至液面的路徑長短合適,增大了氣泡在熔池內的停留時間,故而其整體氣體含量在同等條件下為最高。

2.4對噴角度對氣流速度和湍動能的影響

圖6描述的是氣速340m/s,液面高度342mm條件下,湍動能隨噴吹角度的變化而發生的變化。湍動能對氣泡的分散和破裂有著直接的影響,是影響氣泡微細化效果的關鍵因素之一。從圖6中可以看出,在14°情況下湍動能主要分布于兩氣柱重疊區域,而隨著噴吹角度的增大,湍動能的分布區域相應增大,說明熔池內部氣泡微細化的狀態整體有所提高,有利于提高氣泡利用率,相應地也加速了氣液反應速度;但在44°時,兩股射流相互影響作用減弱,湍動能反而有所降低。

3結論

1)14°對噴角度下的噴濺現象最為嚴重,隨著噴吹角度的增大,可以減少氣體對液面的沖擊噴濺情況也相應有所減弱。

2)隨著對噴角度的增大,射流橫向速度增加,穿透距離增大,氣泡分布更均勻,停留時間更長。但當夾角超過一定范圍后,繼續增大角度會使射流出口到液面垂直距離減小,氣泡在熔池中的停留時間反而減小,不利于氧氣利用率的提高。同等條件下,28°對噴情況下,氣含率是最高的。

3)隨著噴吹角度的增大,湍動能的分布區域相應增大,說明熔池內部氣泡微細化的狀態整體有所提高,有利于提高氣泡利用率,相應地也加速了氣液反應的速度,在44°時,兩股射流相互影響作用減弱,湍動能反而有所降低。