瓦钮科夫炉熔池侧吹强化搅拌过程数值模拟及混合效果评价方法研究

发布时间：2020-10-13 21:15

　　 能源与环境问题交织缠绕在一起,构成了新时期中国经济与社会发展的复杂背景。中国作为最大的能源消费国,也是二氧化碳排放总量最大的国家,面临着以“高碳”和“高污染物排放”为主要特征的环境问题。有色金属行业作为典型的高能耗和高排放产业受到国家的重点关注,我国“十二五”发展规划明确有色金属行业的节能减排约束性指标,加大淘汰落后产能的力度。因此,自主创新开发新型冶炼节能技术将伴随着技术改造和淘汰落后的工艺和设备,成为有色冶金行业节能减排的关键。富氧熔池熔炼技术是将气体直接鼓入熔池来实现三相间的快速传热传质过程,其关键在于促进脱硫造渣反应的快速充分进行,要保证熔炼过程的高效和稳定,就必须掌握熔炼过程中支配流体运动和变化的内在规律。为达到上述研究目的,本文针对瓦纽科夫炉双侧吹熔池熔炼中流体的混合反应过程进行了研究。通过理论建模、数值模拟和实验测量等方法,对流体的运动过程和产生的现象进行了量化和分析,得到了操作参数变化对熔池内熔体流动过程的影响规律,本文完成了以下几个方面的研究：(1)对侧吹气体在液体中的穿透行为进行了实验和理论研究,通过实验获得了气体喷流行为的一些基本特征,并对气体喷流的形态进行了分类,给出了相应的修正弗鲁德数和流速划分区间。研究了气体射流的结构,将其分为射流发生区、射流主体区以及射流表面流区三个部分,其中每个部分的流动变化都有各自的特点。基于单个气泡在熔体中的受力分析,对气泡在熔体中的运动规律进行了研究。在实验的基础上对塞姆里利斯的射流轨迹理论模型进行了改进,使其能够更加合理地描述侧吹气体射流在液体中的形态结构.(2)建立了瓦纽科夫炉熔炼过程中多相(气相、渣相、铜锍相)多场(浓度场、流场、温度场)耦合的三维数学模型,对泡状流和射流区制下熔池内的流动以及冶炼过程中传热传质的现象进行了数值模拟研究,结果表明射流可以为冶炼过程创造更好的动力学条件。在此基础上进一步探究射流区制下不同工况对熔池内气液两相流动以及混合行为的影响规律。根据模拟优化的结果,瓦纽科夫炉的最佳技术指标为：炉体宽度2.5m,熔池高度2m,风口向下倾斜角度25°,喷吹速度250m/s,与基准工况相比瓦纽科夫炉的熔炼能力提高了25%,渣层的含气率和湍流动能分别提高了24.7%和21.1%。(3)通过图像处理技术,对气体射流的运动过程进行实验研究。提出面积指数M的计算方法并通过面积指数时间序列对气体射流的运动过程进行量化,对多组工况的喷吹过程进行比较和分析,结果显示面积指数和射流的稳定性都随修正弗鲁德数的增加而增大,喷吹深度对面积指数也有较大的影响,但对射流稳定性的影响不大,而其它因素的影响作用相对较小。通过3σ方法得到工况稳定时间并计算比功率,基于比功率和面积指数两项指标联合对喷吹混合过程的性能进行评价,结果显示工况L2的整体性能最佳。(4)采用流动可视化技术,引入贝蒂数对混合过程的流形进行刻画,0维贝蒂数反映了混合效果的优劣,而1维贝蒂数则反映了混合的不均匀程度。研究了不同工况下的混合效果,结果表明0维贝蒂数随修正弗鲁德数和喷吹深度的增加而增大。对混合过程的流场和混沌特征进行分析,发现修正弗鲁德数和喷吹深度的改变只能增强混合过程中的主体流动,促进宏观混合过程；通过变频的方式进行喷吹,则能够破坏流体的原有流形,产生无规律的混沌流形,促进微观混合过程,从而达到进一步提升混合效果的目的。
【学位单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TF801
【部分图文】：

瓦纽科夫法是前苏联发明的一种富氧侧吹烙池烙炼技术，是由莫斯科钢铁学院的??阿？乌？瓦纽科夫教授于１９４９年提出的。瓦纽科夫炉是一种卧式矩形炉，炉体被分隔为??炫炼区、渣贫化区（后经改造去掉）、渣池和铜统池四个区域，如图１．１所示。炉缸、??渣池、铜梳池及炉顶下部的一段围墙均由络镑砖棚筑，其它的侧墙和端墙均使用铜??水套姐成，水冷铜风管设置于两侧铜水套上，外部用钢架支承，风口设在两面侧墙的??５??

口?２．排渣口?３．渣室４．一次风口?５．二次风口?６．烟道７．加料口?８．低炉底９．图１．２改进的瓦纽科夫炉示意图Ｗ??Ｆｉｇ?１．２?Ｔｈｅ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?出ａｇｒａｍ?ｏｆ?ｉｍｐｒｏｖｅｄ?ｖａｎｙｕｋｏｖ?ｆｏｍａｃｅ??上容易形成炉结??纽科夫炉冶炼过程中，炉壁上容易生成炉结，这是由于烙体喷娥到，遇到温度较低的二次风就会凝结附着在炉壁上，形成早期的炉结烟气中的烟尘レ义及喷瓣的烙体会继续凝结在早期的炉结上，使得长大到一定程度就会堵塞二次风口，降低炉内的氧气含量，导致分反应；如果成形的炉结落入烙池中，大量的炉渣将会从排渣口而炉壁两侧的炉结若是连成一片，炉料将无法落入烙池中，瓦纽进行生产作业。??砖腐蚀??风风压较低时，气流在烙池内的穿透深度很小，风口生成的气泡

图２．３喷嘴内径为４．５ｍｍ情况下侧吹气体喷流的形态??巧§?２．３?Ｔｈｅ?ｓｉｄｅ?ｂｌｏｗｎ?ｊｅｔ?ｓｔｒｅａｍ?ｓｈａｐｅ?ｕｎｄｅｒ?如＝４．５ｍｍ??图２．４为喷嘴内径２．５ｍｍ情况下侧吹气体喷流的形态，随着喷流修正弗鲁??德数的增加，喷嘴处的气泡连续鼓出拉长并连接在一起，１＾＂气股＂的形态在液??体中上浮。气股流的形态介于气泡流和射流之间，随着气体流量的增加，喷流??的形态由气股流转变为射流，液面处的喷满现象明显减弱，这说明液体中气泡??議圓圏國??谷＝０．５?（２＝１．０?０＝１．５?０＝２．０??图２．４喷嘴内径为２．：５ｍｍ情况下侧吹气体喷流的形态??Ｆｉｇ?２．４?Ｔｈｅ?ｓｉｄｅ?ｂｌｏｗｎ?ｊｅｔ?ｓｔｒｅａｍ?ｓｈａｐｅ?ｕｎｄｅｒ?＾／〇＝２．５ｍｍ??图２．５为喷嘴内径２ｍｍ情况下侧吹气体喷流的形态，气体射流在喷嘴处??呈现出＂气柱＂形态，射流运动过程中会将周围液体卷吸进来并带动它们共同运??动，在卷吸作用下许多微小的气泡形成并包裹在＂气柱＂周围，使得喷嘴处的射??流膨胀，其直径大约为喷嘴内径的两倍左右。射流具有较大的初速度，在喷嘴??附近
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本文编号：2839711