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顶吹喷枪气液分散特性和流场行为研究

闫思佳  
【摘要】:在艾萨熔炼系统中由于铜渣含铜量较高,冶炼工业多采用贫化方法回收铜。贫化过程中通过将还原剂和氮气混合后以顶吹方式喷入熔池中,通过还原磁性铁降低熔渣粘度改善铜锍的沉降环境来回收铜。本文针对贫化过程中的喷枪为原型建立水模型,设计了不同结构的喷枪,并对相关结构喷枪的参数进行调整,对喷枪内分散系数和流场特性进行了研究,并采用大涡模拟方法对不同参数下喷枪内的气液分散效果和流场进行模拟,给喷枪结构改进提供依据。本文得到的主要结论如下:首先,论文针对旋流器喷枪的气液混合效果进行了建模与仿真研究。带有旋流器结构的喷枪对喷枪内气液分散效果有积极影响,分散系数从0.4减小到了0.001左右,气液分散效果有明显提升,气液混合效果变好,并且随着旋流器叶片弯折角度的提升,分散效果有明显提升。旋流器叶片对旋流数没有影响,但会增加有效旋流面积,在旋流器弯折角度不变的情况下,旋流器叶片数增加会提升气液分散效果。旋流器叶片周围会形成丰富的涡结构,涡结构提升流体的湍流程度,同时旋流器会给流体施加剪切应力,提升流体的切向速度,增强流体对熔池内的搅拌效果,有效增强还原剂与铜渣的接触面积。其次,论文针对内螺纹旋流喷枪的气液混合效果进行了建模与仿真研究。在内螺纹喷枪中,螺纹结构可以提升气液混合效果,分散系数从0.4降到0.25,并随螺纹数的提升分散效果逐步提升,当螺纹数增加到40ul后,分散系数有所提升,分散效果有一定程度上的恶化。而增加内螺纹长度对分散效果没有明显提升,对流体在喷枪内停留时间有延长,并造成喷吹出的流体流速降低。相邻螺纹间会产生涡核结构,并结合成强涡结构对主流产生影响,最终在流出螺纹结构后发生耗散。基于大涡模拟的数值方法,可以全面可靠有效的描述喷枪内气液分散的效果,以及管内湍流特性。本文采用大涡模拟方法对不同几何结构顶吹喷枪内气液分散效果以及流动特性进行了初步研究,通过评估分散系数等指标总结了几何结构的变化对气液分散以及流动情况的影响规律,有利于提升喷枪内气液分散效果,促进还原剂的利用率,提升铜的回收率,最终达到资源节约,可持续发展的目的。


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