铝熔体旋转喷吹净化过程数值仿真

作者:范超;胡义华;周雄新;龙思远;杨怀德 刊名:特种铸造及有色合金 上传者:江连河

【摘要】采用Fluent软件分析了不同旋转喷吹参数对铝熔体净化过程流场的影响。结果表明,600r/min偏置搅拌时,熔体内部气泡分布情况最好。熔体流速和湍流强度随转速的增加而增加,随进气量的增加而降低,偏置搅拌能够进一步提高湍流强度,气泡更细小,精炼效率更高。

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旋转喷吹净化技术,是浮选法的一种,广泛应用于铝熔体的精炼过程,它能够显著改善铝熔体精炼时的动力学条件[1,2]。数值仿真是一种高效经济的工艺设计和优化的手段,但其结果可信赖程度高度依赖工艺模型的合理定义和工艺参数的合理设定。本课题采用计算流体动力学[3,4](ComputationalFluidDynamics,缩写为CFD)软件Fluent,分析了铝熔体旋转喷吹净化过程中气体流量、转子转速、位置等参数对铝熔体净化流场的影响,以及其相互影响规律,旨在为实际生产提供参考。1计算过程铝熔体旋转喷吹净化的各项参数,如湍动强度、流速、气体体积分数等都需要通过计算得到。图1为模型求解过程流程图。坩埚底部直径为300mm,上部直径为400mm,铝液容量为30kg,转子结构见图2,石墨杆直径为20mm,转子直径为40mm,高度为30mm,喷吹孔数目为6个,直径为3mm,距坩埚底部距离为50mm。建立3D模型,并进行网格划分后,导入到商用软图1求解过程流程图图2石墨转子示意图件Fluent中进行计算。采用非定常、多相流欧拉模型和标准的k-湍流模型进行求解[5]。石墨转子接触的内域采用移动坐标系,它的旋转速度设定为所需的角速度。石墨杆的边界条件与其类似。石墨转子设为移动壁面,其旋转速度相对于旋转坐标系为0。顶部表面设为压力出口边界。石墨坩埚的壁面设为固定壁面。所有的壁面定义为无滑动的壁面,并采用标准壁面函数(剪切应力近似为半经验的函数)进行处理。氩气的引入根据流量计算出速度,采用速度入口边界,同时设定气相的体积分数为1。速度的计算需要假定气体为理095想气体,并给出气体压力和正确的温度值。采用有限体积法对方程进行离散,采用相耦合的SIMPLE算法对压力和速度进行耦合,采用一阶迎风差分格式对动量、体积分数和湍动量进行离散。当所有变量的残差低于10-3时,认为收敛,并且当通入计算域的氩气和自顶面逸出的氩气达到质量平衡时[6],认为计算结束。试验采用两种方案:中心搅拌和偏置搅拌,并进行对比分析。2计算结果与分析2.1气泡分布状况的模拟对比图3是进气量为160mL/min时,不同搅拌方式和旋转速度条件下,达到平衡后,纵截面氩气气体分布云图。低速中心搅拌时,氩气分布主要集中在精炼器中心位置,见图3a。这是由于搅拌程度不高,产生的径向流和切向流不高,气泡喷出喷嘴后不能跟随液流到达更远的区域。另一方面,旋转速度不高,对气泡破碎程度不够,气泡尺寸较大,只能集中在石墨杆周围,然后上浮到液面。随着转速增加,在强力搅拌的作用下,气泡分散情况明显改善,气泡尺寸较小,在强液流的带动下能分散到精炼器内更远的区域中,见图3b。但值得注意的是,在液面出现了倒锥形的高气体分布区,这可能是液面出现了漩涡,导致附近的气泡内吸附到漩涡上形成的。也可能也是离心力的作用下而形成的。采用偏置搅拌方式,低速条件下,相比中心搅拌,气泡分布状况明显改善,但由于搅拌程度不够,气泡不能达到精炼器所有区域,见图3c。高速旋转条件下,气泡分布状况良好,几乎能达到精炼器内所有的区域,分布较均匀,没有出现中心搅拌时液面出现高浓度气体分布的情况,显示液面较平稳,没有出现漩涡,见图3d。这种方式下的精炼效果最好。(a)300r/min,中心搅拌(b)600r/min,中心搅拌(c)300r/min,偏置搅拌(d)600r/min,偏置搅拌图3不同搅拌方式和转速条件下,进气量为160mL/min时截面的氩气分布图2.2流速和湍动强度的模拟分析气泡的破碎程度和分布与流体中的流速和湍动强度有密切的关系。流体的流速是由于石墨转子旋转运动通

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