底吹熔池强化搅拌数值模拟与水模型实验研究

发布时间：2020-10-17 18:49

　　 底吹熔池熔炼是铜冶炼环节中关键的一项技术,作为中国自主开发的熔炼技术针对国内矿资源品位低、杂质多的特点具有很好的适应性。本文结合底吹熔池熔炼工艺特性及设计参数,合理的简化模型,设定假设条件,利用基本控制方程、RNGk-ε湍流模型及VOF模型,建立底吹炉二维平面模型及三维立体模型,最终获得二维模型速度场及三维多相流混合流动过程的模拟结果。并设计制作底吹炉实验平台,拍摄气体射流在熔池中的流动过程,借用图像处理方法计算出Betti数值表征水模型实验过程气体射流气泡数量及稳定性,再通过对比数学模型的计算结果及实验结果验证数学模型的可靠性。结合底吹熔炼喷吹操作特点,优化氧枪排布方式,为提高底吹熔炼效率、延长炉体及氧枪寿命等都具有重要意义。主要研究内容如下:(1)建立二维数学模型,液面深度为0.3m、长1.005m的熔池中,氧枪直径为0.005m喷吹气体射流的熔池速度变化直径范围在0.2m左右,当超出该范围时速度变化将急剧减弱,因此喷吹气体射流流场搅拌区域约为氧枪直径的40～50倍。对比本次研究中所获得的水模型实验结果与数学模型计算结果最大误差为5.7%,说明本文建立的数学模型具有可靠性。(2)单排氧枪排布方式下,设定氧枪倾角变化范围为0～14°,单个氧枪喷吹倾角越大,射流产生的气泡数量越多,分布更为均匀,对于熔池搅拌及熔炼更为有利;双排氧枪排布方式下,非对称喷吹相较于对称喷吹方式对熔池强化搅拌效果明显更好。双排氧枪排布时氧枪倾角在14°时射流稳定性较高。(3)因熔池压力较大,气泡进入熔池后首先沿曲面壁面向上流动,在气泡形成后搅动熔池后附着在壁面的气泡脱离壁面向上流动,且之后不再有气泡沿壁面流动。(4)气-液-渣三相的混合过程主要包括:熔池液面波动、锍-渣界面内陷、熔池液面突起、突破渣层、渣层破碎、气-锍-渣混合六个步骤。在表观速度为50m/s和100m/s喷吹下,搅拌半径分别为1.2m和1.5m,“泉涌”达到最高点的时刻为2.12s和1.86s。在炉膛底部氧枪两侧炉壁承受较大的压力,在该位置容易受损。
【学位单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TF811
【部分图文】：

??１．２．３底吹熔炼炉炉体结构及特点??底吹熔炼炉的结构如图１－１所示，该炉型主体结构是一座可以转动的卧式圆??筒，矿料颗粒从炉顶加入，以自由落地坠入熔池中，氧气及空气由底部氧枪鼓入??熔池内部带动熔体向上流动，氧气与矿料颗粒中硫化物在高温条件下发生化学反??应完成氧化、造渣和造锍反应，产出铜锍、炉渣和烟气。三种产物分别从放锍口、??放渣口及烟道排出。??Ｈ?／ｌ＼?５Ｎ６＼??１?ｎ?＾?ｎ?ｎ??１－炉体，２－辅助烧嘴，３－加料口，４－氧枪，５－测温测压口，６－探测口，７－放锍□，?８－烟道，９－??开炉主烧嘴，１０－放渣口??图１－１底吹熔炼炉炉体结构示意图??Ｆｉｇ．?１－１?Ｂｏｔｔｏｍ?ｂｌｏｗｉｎｇ?ｆｕｒｎａｃｅ?ｂｏｄｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ??底吹熔池熔炼技术是一种新型高效的强化铜冶炼技术。其工艺最大的特点是：??采用气体强化搅拌的方式，气流自下而上的从熔池底部鼓入，能够带动底部熔体??向上流动，而矿物从上向下加入，使得两相流颗粒间的接触机率增加，氧化反应??进行的较为彻底

态变化过程。依据底吹熔炼炉的主要结构参数及张振扬等［４８＾］有关氧枪排布对底??吹熔池流场影响的研究内容。制作与真实底吹炉大小为１?：?１０相似水模型，其结??构如图２－１所示，水模型直径为０．３６ｍ，长１．２ｍ，底部均匀分布７排氧枪口，每排??之间枪口中心线夹角约７°，每排为１０个枪口，枪口直径均为０．０４ｍ。在实际生产??过程中，从熔炼炉顶部加料口加入炉料，通过底部氧枪将富氧空气喷入熔池内搅??动溶池并参与反应，入炉物料在溶池中完成加热、融化、氧化、造渣和造琉等过??程，产出的冰铜、炉渣和烟气分别从放锍口、放渣口和排烟道排出。??Ｉｒｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｍｉ?Ｉ■??图２－１底吹熔池水模型实物图??Ｆｉｇ．２－１?Ｂｏｔｔｏｍ?ｂｌｏｗｉｎｇ?ｍｏｌｔｅｎ?ｐｏｏｌ?ｍｏｄｅｌ?ｆｉｇｕｒｅ??水模型内部液体为水，液面深度为０．１８ｍ，喷嘴距液面处的垂直距离为??０．１０？０．１８ｍ。电磁式小型空气压缩机通过透明胶管与玻璃转子流量计及底部氧枪??连接。玻璃转子流量计的型号为ＬＺＢ－１５，测量范围是０．２５ｍ３／ｈ？２．５ｍ３／ｈ；电磁式??小型空气压缩机的型号为ＡＣＯ－２０８，其额定功率为２５Ｗ，额定压强为＞０．０１５ＭＰａ

第二章底吹熔池数学模型及水模型流量为２．７?ｍ３／ｈ。将高速摄像仪放置在底吹水模型的横截面进行拍摄，有黑纸可以最大限度地减少外部光线的影响，有助于提高所拍摄照片，如图２－２所示为水模型实验拍摄示意图。高速摄像仪的型号为ＰＣＯ．ｄ在其全分辨率１９２０ｘ１０８０像素下，最高摄像速度为２１２８帧／秒捕获超高，最短曝光时间是１．５＃。??
【参考文献】

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本文编号：2845184