铜富氧双侧吹熔炼炉中多相流的数值模拟

1、铜富氧双侧吹熔炼炉中多相流的数值模拟铜富氧双侧吹熔池熔炼是一种高效、节能、环保的铜熔炼新工艺,其过程利用侧吹到炉内渣层的富氧空气搅动渣层运动,强化熔体的传质、传热过程,减少了铜锍在炉渣中的溶解,改善了熔体反应的动力学条件。但目前,该项技术还存在对乳化层认知不清,熔体流动状态不明确及氧枪操作参数变化幅度大等问题。为了进一步认知和掌握熔池内的流体的流动规律和乳化层现象,选择合适的氧枪操作参数,本文运用商业软件Ansys/Fluent13.0对熔池内多相流的流动特性进行了模拟,在气液两相流中考察了不同氧枪操作条件(气体流量、喷吹角度、喷嘴排布和喷嘴直径)下,熔池内流场分布、速度分布、湍动能分布、气含

2、率分布以及壁面切应力的分布情况,得到了较为适宜的氧枪操作条件,并进一步在实际工况条件下,模拟了不同气体流量和不同喷吹角度下物料卷吸和乳化层高度的变化情况,结论如下:(1)建立了铜富氧双侧吹熔炼炉中多相流的数学模型,采用欧拉模型模拟熔池中多相流的流动过程，运用标准k-e模型模拟湍流的流动情况，通过数值模拟的结果与PIV技术获得的流场的对比以及均混时间的对比，验证了模型的准确性。(2)气体流量增大,气体进入熔池时的表观气速增大,对熔池内的搅拌强度增大,有利于熔池内传热传质的进行,但气体流量过大时,会对熔池下部的铜锍层的搅动加剧,造成铜锍损失增大,同时其气含率的分布也更不均匀。因此,在保证铜锍区稳定

3、的前提下,适当的加大气体流量有助于强化熔炼过程，最佳气体流量为20m3/h23m3/h0(3)喷吹角度的增大，气体纵向的分速度增大,横向的穿透深度减小,导致熔池中心处的搅拌强度随之减小,在喷吹角度较小时,喷吹角度的增大有助于气体在熔池内的均匀分散,熔池内的气含率增大,但喷吹角度过大时,气体在熔池内的停留时间减小,气含率反而下降,综合考虑,最佳的喷吹角度为712°。(4)相邻排布的喷嘴会使气体对熔池的搅动作用有着叠加的效果,即造成该区域流体的速度和湍动能加大,但同时会造成铜锍层的波动也随之加强,此外,局部的气含率的增大会导致气体分布不均和氧枪附近壁面冲刷应力增大,因此,喷嘴的排布不宜过

4、于紧凑。但喷嘴排布如果太过稀疏会导致熔池内的搅拌强度不足。故喷嘴排布方式应采取局部紧凑,整体稀疏的排布方式,即1#喷嘴排布。(5)当气体流量一定时,喷嘴直径的减小会造成喷嘴出口处压力增大,导致气体的表观速度增大,进而对熔池内流体的搅拌强度增大,铜锍层波动也随之增大,但喷嘴直径过大时,熔炼区死区增大,熔炼强度降低。因此，喷嘴直径为3.7mm时较为适宜。(6)物料卷吸的过程可以归结为：物料界面由平静到波动,之后物料与熔体逐渐混合,物料带变宽,然后在熔体的强烈搅拌状态下,物料逐渐向熔体内部扩散,最终与熔体均匀混合。气体流量增大,气体对熔体的搅动作用增强,熔池内流体的湍动强度增大,流速加快,物料能够更加快速且均匀的分散在熔池中;喷吹角度的增大,气体对熔池下层的搅动强度增大,气体在熔池内的分散也更均匀,熔体的湍动强度增大,因此物料分布更加均匀。(7)随着熔炼的进行,熔体的强烈搅动导致炉渣和铜锍相互扩散,在渣层和铜锍层之间会形成铜锍、炉渣和气体相互包裹的乳化层,乳化层的厚度随熔炼的进行会逐渐趋于稳定,同时,乳化层的厚度随喷吹角度的增大和气体流量的增大而增大,因此,熔炼过程中,要适当减