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氧气底吹熔炼炉内流体流动行为的模拟研究

王东兴  
【摘要】:氧气底吹炼铜法是我国具有自主知识产权的一项新的铜冶炼技术,具有投资少、工艺流程短、原料适应性强和能耗低等诸多优点,近年来在我国得到越来越广泛的应用。然而,作为一项新技术,底吹炼铜法不可避免的存在一些缺点和不足,如氧枪结构和布局的设计缺乏理论依据,部分入炉矿料难以被迅速卷入熔体,熔池喷溅导致加料口堵塞等,这些缺点阻碍了氧气底吹炼铜工艺的推广。总的来看,这些问题都与炉内流体流动现象密切相关。为了完善底吹炼铜技术,本文以工业氧气底吹熔炼炉为原型,用物理模拟和数值模拟等方法,对底吹炉熔池内流场、气液传质特性和物料卷吸等机理问题进行了系统的研究,并设计制作了加料口顶吹气幕装置,考察了该装置对熔池喷溅的抑制效果。主要结论如下:(1)在底吹炉切片模型中进行了物理模拟实验,观察发现底吹炉内流体流动具有以下基本特征:射流在液相中形成气柱,携带液体从液面上方喷出,形成凸出液面的“泉涌”现象;射流气柱存在不稳定性,射流在接近氧枪喷嘴出口的位置常出现膨胀-收缩,膨胀发生时,射流气柱会撞击喷嘴处壁面,并形成大量小气泡组成的气泡环。应用PIV技术测量了底吹炉切片模型中的流场,发现熔池内部区域形成两个大的环流,熔池喷溅主要出现在静止液面上方的泉涌区;增加熔池深度有利于提高熔池搅拌效果并减少喷溅;喷气流量增大能够促进熔池搅拌,但也会增加喷溅。(2)在建立的整体水模型实验装置中,利用CO2-NaOH溶液体系模拟底吹炉内的气液传质现象。实验考察了不同CO2体积分数、气体喷吹速度和熔池深度对容积传质系数和气体利用率的影响规律。结果表明:随着CO2体积分数的增加,容积传质系数增大,气体利用率减小;气体喷吹速度加快,容积传质系数和气体利用率都随之增大,因此通过增加空气用量来提高喷吹速度,能够加快气液传质速率并提高气体利用率;随着熔池深度的增加,容积传质系数和气体利用率都增大,表明增加熔池深度有利于增强底吹炉的搅拌效果、加快反应并提高气体利用率。(3)对底吹炉容积传质系数的影响因素进行因次分析,得出容积传质系数AK与底吹相关参数的经验公式为:对底吹炉气体利用率的影响因素进行因次分析,得到利用率与底吹相关参数的经验公式为:两个公式的计算值和实验值吻合良好,以上两个公式适用于长径比为4.3:1的底吹炉,且炉底部氧枪数量、排布需与方圆公司一期底吹熔炼炉一致。(4)通过水模实验,考察了加料口顶吹气幕装置的喷气流量、喷孔直径和喷孔个数对喷溅量的影响,实验发现:在相同气幕喷气流量下,气幕喷孔直径增大,到达加料口的喷溅量随之增加;气幕喷气流量增加,能够到达加料口的喷溅量减少;顶吹喷孔个数减少,喷溅量也减少;改变气幕的喷气量、喷孔直径和喷孔个数的实质都是改变喷孔出口气速,气速增大,喷溅量减少。(5)通过水模实验,考察了底吹气体流量、底吹氧枪喷嘴直径和氧枪安装角度对底吹炉物料卷吸效果的影响,结果表明:底吹气量增加,物料的卷吸效果变好;底吹喷气流量相同时,氧枪喷嘴直径增大能够增强物料卷吸效果;采用2.5 mm氧枪喷嘴时,喷嘴安装角度增大,物料卷吸效果变好,5.92 mm喷嘴的规律则与之相反。(6)用经过水模实验验证的数学模型对工业底吹炉的部分喷吹条件进行了数值模拟研究,得到以下结论:考察单一氧枪对熔池的搅拌效果,发现随着与氧枪中心距离的增大,熔池内流体速度迅速衰减,单一氧枪在底吹炉轴向的有效搅拌半径不超过1m;考察了间距为0.65 m的两个氧枪同时喷吹对熔池的搅拌效果,发现两个氧枪之间的熔池都能够形成稳定的环流,且相比单个氧枪喷吹,熔池整体流速也有很大提升。


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