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冶金熔体内气泡行为的数值模拟研究

邵品  
【摘要】:在冶金工业中,气体喷吹技术作为一种提高冶炼效果的重要手段,普遍应用于各个熔炼和精炼过程,并受到了越来越广泛的关注。为了提高气体和冶金熔体的反应效率,气泡不仅要细化,而且要均匀分布于熔体之中,以增大气液接触面积,从而提高气液传质速率。因此,利用数值模拟手段深入研究并揭示气泡在冶金熔体内的行为规律,对反应器的结构、喷吹模式和技术参数的优化具有重要意义。本文针对我国自主研发的铁水预处理原位脱硫喷吹—机械耦合搅拌及铜冶炼底吹熔炼技术中的气体与熔体的相互作用过程,利用CFD商业软件Fluent并结合用户自定义函数(UDF)来构建描述气泡相关行为的数学模型,采用数学和物理模拟相结合的研究方法对铁水预处理原位脱硫喷吹—机械耦合搅拌体系和氧气底吹炼铜射流体系内气液两相流、混合效率、气泡尺寸分布和气液相间传质行为规律进行研究,主要研究内容和获得的结果如下:1.对于铁水原位预处理喷吹—机械耦合搅拌过程,根据相似原理、计算流体力学等相关理论建立了水模型及CFD-PBM耦合数学模型。研究了9种不同的聚合—破裂理论模型对气泡尺寸分布预测结果的影响,通过与水模型测量结果对比,提出了合理的聚合—破裂模型和修正参数,并结合水模型和数值模拟方法考察了不同搅拌桨位置、桨叶类型、转速及喷吹气量等参数对气液两相流、混合效率、气泡微细化和气液相传质行为的影响规律,结果表明:(1)对于不同的气泡聚合—破裂模型,Luo-Lehr模型和Luo-Laakkonen模型均可较为准确的预测出该体系下的气泡尺寸。考虑到Laakkonen模型相对Lehr模型,计算更为高效,因此本文后期计算选取了Luo-Laakkonen模型。同时提出了修正模型系数R,且当R取0.5时,模型预测气泡尺寸及分布情况与实测结果吻合良好。(2)随着搅拌桨偏心率的增加,熔池内的气泡分布区域逐渐增大,气体总体积θ先减小后增大,而气泡尺寸则逐渐降低,气液相间传质速率增大。当偏心率为0.4时,熔池内气体总体积θ和气液相间传质总速率参数考最大,分别为1.19L和1.65×10-4m3/s。与此同时,偏心率0.4时取得混匀时间最小值12.3s,较偏心率为0时,缩短22.6s。整体而言,偏心模式相对于中心模式具有显著的优越性,建议搅拌桨偏心率选取为0.4。(3)相对于VB桨型,采用SSB-D桨虽混合效率略有降低,但能增大熔池内部的气体分布区域,同时在搅拌桨上方形成流体向下回流,阻止气泡快速上浮,从而增大了气体在熔池内部的停留时间,这些均有利于增大气体利用效率,较传统VB桨,SSB-D熔池内部气体总体积增大0.29L,增幅达到32.2%。因此本文推荐选取SSB-D桨型。(4)随着搅拌桨转速和喷气量的增加,熔池内部气体总体积θ和气液相间传质总速率参数ξ快速增大,熔池的混匀时间随着搅拌转速的增加而缩短,但在搅拌转速超过200rpm,喷气量超过2.0Nm3/h后,再增大二者则不能取得明显效果,而且过大喷气量会降低熔池内混合效率。因此本文推荐搅拌桨转速范围为200rpm,喷气量为2.0Nm3/h。(5)在工业铁水包高温熔池内,采用优化后的搅拌-喷吹模式,较工业传统VB桨,虽混匀时间延长2.4s,但熔池内部气体总体积增大0.25m3,增幅达到20.2%,气液相间总传质速率参数考增大0.06m3/s,增幅达到10.3%。2.对于铜冶炼底吹熔炼过程,根据相似原理、计算流体力学等相关理论分别建立了物理模型及CFD-PBM耦合数学模型。在数值模拟结果与实验结果吻合良好的基础上,考察了15种喷嘴布置方案、3种喷嘴数量和5种喷吹气量对熔池内气液两相流、混合效率、气泡微细化和气液相间传质速率的影响,结果表明:(1)当A、B两组的喷嘴布置角度βA与βB布置在中心附近时,即0deg和7deg,熔池内气体总体积θ较大、且气泡尺寸较小,其相应的气液传质总速率参数ξ也较大,但是熔池混合效率低。当喷嘴布置角度过大时,即21deg和28deg,过高布置使气泡上浮至液面的距离缩短,降低气泡在熔池内的总体积θ和总气液传质总速率参数ξ。因此本文根据不同喷嘴布置对比结果,选取了βA-βB为7deg-14deg的喷嘴布置为最优方案。(2)随着喷嘴数量和喷吹流量的增加,熔池内气泡分散性变好,气体总体积θ和气液间传质总速率参数ξ增加,但盲目增大喷嘴数量会造成熔池混合效率的降低,且吹气流量超过18.8Nm3/h时,气泡总体和传质速率增长趋势变缓,综合考虑本文推荐炉底喷嘴数量为13个,喷吹气流量为18.8Nm3/h,其熔池内气体总体积为7.2L,混合时间为241.8 s,气液传质总速率参数为3.78×10-4m3/s。(3)在工业氧气底吹炼铜高温熔池内,采用优化后的吹炼模式,较现有工业喷嘴排布方案,熔池内部的气体总体积θ和气液质量总传输系数ξ分别增长了7.7%和18.1%,混匀时间缩短了73.2s,优化方案相对工业现有吹炼模式具有明显优势。总之,本文所建立的数学模型可以准确描述以上两种不同冶金熔体内的气泡行为,其研究结果有助于优化现有的反应器结构,喷吹模式以及技术参数,为这两项自主技术的进一步的工业推广奠定了理论基础。


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