艾萨旋流顶吹熔炼过程数值模拟

作者:殷攀;赵洪亮;张立峰;王 森;张建坤;范巍; 刊名:材料与冶金学报 上传者:王军

【摘要】以谦比希铜冶炼厂ISA熔炼炉为原型,通过水模拟和时下应用广泛的数值模拟方法对ISA炉顶吹熔炼过程进行了初步研究.以喷枪为研究中心,探讨了喷枪中是否加入旋流片对熔池流场以及熔炼过程中喷溅量的影响.结果表明:喷枪加入旋流片后有利于气流沿径向分布,形成鼓状气泡,气流对液相的冲击深度会减小,从而减轻对渣锍界面的干扰,有利于渣、锍分离,此外还能够明显减小炉内的渣的喷溅量;不过喷枪加入旋流片后,对液相区域的搅拌能力会减弱.

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相较于其它的熔池熔炼方法,艾萨(ISA)熔炼法具有熔炼速度快,生产率高;原料适应性强;炉子结构紧凑;工艺流程和操作相对简单等优点[1],在有色金属冶炼工业逐渐得到人们的认可.2002年云南铜业引进国内第一台艾萨熔炼炉,2009年我国于赞比亚铜带省建成海外投资的最大铜冶炼项目,其使用的也是艾萨熔炼法[2].因此近年来国内关于艾萨炉的研究工作也逐渐开展起来,其中浸没式顶吹喷枪一直是学者研究的重点.谦比希铜冶炼厂为了进一步提高艾萨铜冶炼的生产能力,加大冶炼强度,需要对原有艾萨熔炼炉进行扩建,若单纯依靠在工业生产中改变条件摸索出最佳的生产工艺将会花费巨大的时间和经济成本.由于艾萨熔炼是在顶吹空气的作用下对熔池内熔体和炉料进行剧烈的搅拌过程,涉及到热量、质量的传递和化学反应速率等现象[3-4],因此本文试图用模拟的方法初步探讨当外部操作条件变化时会对熔炼过程中熔池流场产生什么影响,以期找到艾萨熔炼法的最佳工艺条件并为实际工业生产提供指导.1研究方法1.1实验方法本文采用了水模拟和数值模拟两种方法对铜冶金ISA熔炼过程进行研究,两种方法各有自己的优缺点,水模拟实验平台容易搭建,研究内容比较直观,但对于实际熔炼过程的复杂性却很难模拟出熔炼过程中物质传输、热量传输以及化学反应等现象并得出相关数据,只能定性分析.数值模拟则弥补了这方面的缺陷,抛开模型计算的准确性,数值模拟开放的用户自定义设置能够很大程度地满足各种研究问题的需要,并且对于相关数据的获取更方便.不过数值模拟并不能完全取代水模拟,两者之间可以相互验证,更准确的反映实际问题[5-6].水模拟实验以谦比希铜冶炼厂ISA炉为原型,依据相似原理按原型(Lp)与模型(Lm)比为101比例制作物理模型.实验时,用水代替冰铜,硅油代替炉渣,在此基础上根据工业尺寸得到实验模型液相高度为18.5cm,其中水相高度8.5cm,硅油高度10cm.熔池流动主要由气泡浮力引起,为满足动力相似必须要求模型与原型的修正弗鲁德准数Fr(流动由惯性力和重力主导)相等,由此得到流量比:QmQp=(LmLp)2.5(l,ml,p)0.5(g,pg,m)0.5其中,m代表模型,P代表原型,l,m为水的密度、l,p为冰铜的密度、g,m=g,p为空气的密度.工业通气量(标准态下)为30000~32000m3/h,由此得到实验通气量为44.7~47.68m3/h.具体实验时选取通气量为45m3/h.实验借助的测试工具有高速摄像机,每秒能拍摄500张图片,用于捕捉熔池流场的变化.实验用到的通气设备为广涡涡漩空压机,工作时通气量和压力能达到:2m3/min,0.8MPa.实验时顶吹浸没式喷枪的浸没深度可以控制在3、4和5cm,喷枪直径分别为3.5和4cm.根据需要,实验侧重设计了旋流片以考察旋流喷吹对流场的影响[7].图1为实验装置简图,ISA炉模型置于一矩形槽中,矩形水槽中充满水,保持液位高度高于ISA模型中液位,由此可以消除高速相机拍摄时炉体曲面的折射,使熔池区域光线明暗一致.图2所示为实验所用的顶吹喷枪模型,为保证喷枪中气体均匀分布,在喷枪顶部置有三个进气口,在喷枪内部靠近下端部安装一旋流片.调节喷枪插入深度为3cm,调节流量计气量为45m3/h,实验通气的同时高速相机开始记录炉内液相的运动状况.笔记本相机流量计空压机空气硅油水图1实验装置简图Fig.1Schematicviewoftheexperimentaldevice图2带旋流片喷枪模型Fig.2Modelofthegunjetwithswirlplate1.2模拟方法数值模拟方法也是基于

参考文献

引证文献

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