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铁浴式熔融还原炉的物理模拟研究

王周勇  
【摘要】: 随着社会经济的发展,资源短缺与环境负荷日益加重的局面已经充分显现,开发新技术逐步取代传统技术将迫在眉睫,这其中以熔融还原炼铁技术为主要开发对象。国际钢铁界始终没有停止对熔融还原炼铁技术开发的脚步,本课题就是在这种背景下产生的。 本论文针对200Kg热模实验炉子内流体流动特性进行了水模拟实验和数值模拟研究。水模拟实验以相似原理为基础,主要考虑几何相似和动力学相似。实验中用有机玻璃制成终还原炉,用水模拟铁水,20#机油模拟渣液,模型与原型尺寸比例为1:1。在几何相似的前提下,同时保证模型与原型的修正Froude准数相等,以保证他们的动力相似。水模实验主要研究了油水比和底吹流量的变化对熔池内混匀时间的影响,侧枪和顶枪对熔池搅拌的影响。而数值模拟中,运用商业软件FLUENT,依据计算流体动力学理论建立了三维数学模型,对终还原炉内单底吹流场进行模拟,并验证数值模拟的准确性。 通过对终还原炉进行物理模拟和数值模拟研究结果表明: (1)实验研究了底吹流量、顶枪流量和顶枪枪位对熔融还原炉内混匀时间的影响。单底吹实验结果表明,熔池内的混匀时间随着底吹流量的增大和油层厚度的增大都呈现减小趋势。单顶吹实验结果表明,顶枪流量的增大,熔池内的混匀时间大体有减小的趋势,不同的顶枪枪位对熔池的混匀时间有不同的影响。通过比较混匀时间和喷溅量的大小,顶底复吹正交实验得到本实验条件下最佳组合:底吹流量为9L/min、顶枪流量为15m3/h和顶枪枪位为350mm。 (2)通过侧吹实验的研究,发现在单侧吹实验和顶底侧复吹实验中,侧枪的插入深度对熔池内混匀时间影响最大,其次是侧枪流量和角度,增大底吹气流和顶吹气流后,熔池内的混匀时间有所增大。实验得到最优化组合方案:侧枪插入深度为130mm,角度为50°和流量为6m3/h。 (3)通过对终还原炉单底吹流场的数值模拟,运用Standardκ-ε模型、RNGκ-ε模型、Realizableκ-ε模型三种湍流模型,对熔池内RTD曲线进行模拟,并与实验结果进行比较,发现Standardκ-ε湍流模型与水模结果吻合的最好,比较适合终还原炉喷吹体系。应用Standardκ-ε模型对水油相进行模拟,通过比较水模和数模的密度图验证了数值模拟的准确性。在模拟的结果中还发现,随着底吹流量的增大,熔池内的气相分率在增大,熔池内的死区比率在减小。


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