轉(zhuǎn)爐側(cè)吹熔煉水模型計算機仿真實驗
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摘要：本文針對側(cè)吹噴吹總氣量與噴槍內(nèi)徑開展水模擬及計算機仿真實驗研究，通過頂吹吹氣攪拌運動狀態(tài)、攪拌混勻時間、熔池攪拌強度的對比對比分析，探索轉(zhuǎn)爐側(cè)吹熔煉的最佳噴吹氣量和噴槍尺寸的等設(shè)計參數(shù)。
關(guān)鍵詞：側(cè)吹熔煉;水模型;計算機仿真;研究
1前言
某廠陽極泥和貴鉛處理主要采用轉(zhuǎn)爐表吹熔煉，存在能耗較高的缺點。國內(nèi)側(cè)吹轉(zhuǎn)爐主要用于煉鋼，項目組擬通過實驗研究，探索煉鋼的側(cè)吹轉(zhuǎn)爐用于處理陽極泥和貴鉛的相關(guān)參數(shù)。國內(nèi)外公開報道研究側(cè)吹轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)熔熔煉體行為的研究很少。項目組開展轉(zhuǎn)爐側(cè)吹熔煉水模型及計算機仿真實驗研究，達到以下目的。1.1試驗研究得到的規(guī)律可以用來解釋實際冶金過程的規(guī)律；1.2實驗過程中發(fā)現(xiàn)和總結(jié)出一些具有參考價值的數(shù)據(jù)，指導(dǎo)實際冶煉過程中工藝的改進；1.3成本低、重復(fù)試驗性強、試驗周期短。
2實驗方案
根據(jù)工程實際需求以及實際生產(chǎn)經(jīng)驗先確定爐型尺寸并建立水模型有機玻璃反應(yīng)器.1，模型相關(guān)研究參數(shù)及實驗變量實驗主體為在臥式圓柱體模型爐體的基礎(chǔ)上，用水作為流體模擬陽極泥和貴鉛進行實驗。圖2為側(cè)吹吹氣方式簡圖，實驗主要設(shè)置變量為噴吹總氣量與噴槍內(nèi)徑。實驗主體基于粒子圖像測速系統(tǒng)對不同變量下的熔池流場進行拍攝觀測，每一組實驗連續(xù)拍攝30張流場圖片。同時輔以高速攝像系統(tǒng)觀測各變量下熔池的實際運動狀態(tài)及其變化，使用電導(dǎo)率儀以飽和食鹽水為介質(zhì)對熔池電導(dǎo)率進行測定以確定熔池攪拌混勻時間。通過對實驗數(shù)據(jù)大量對比綜合分析以確定反應(yīng)器最佳參數(shù)。
3熔池頂吹吹氣攪拌運動狀態(tài)分析
本實驗基于粒子圖像測速系統(tǒng)與高速攝像系統(tǒng)進行了大量系統(tǒng)性的物理模擬實驗，、噴吹總氣量10m3/h下的側(cè)吹吹氣方式的瞬時狀態(tài)圖.實驗條件下的側(cè)吹吹氣方式的瞬時矢量云圖，氣方式的熔池運動狀態(tài)簡圖。雙排側(cè)吹過程使用水平噴吹射流時熔池能量損耗較少，噴吹射流能量不會部分消耗于強噴射造成的噴濺，也不會部分消耗與射流穿透。側(cè)吹過程中，熔池主流區(qū)主要存在于熔池中上部，蕭澤強老師在單排側(cè)吹研究中提到：側(cè)吹射流前方熔池內(nèi)形成一股可基本占據(jù)全熔池的主循環(huán)流。在作者的研究中，雙排側(cè)吹過程將在熔池下部形成兩股循環(huán)流，在理想狀態(tài)下，雙循環(huán)流能夠相互循環(huán)。
4熔池側(cè)吹吹氣攪拌混勻時間對比
熔池混勻速度的大小，由記錄到的熔池電導(dǎo)率變化曲線確定。電導(dǎo)率曲線的不斷變化或激劇波動，均表示混合尚未均勻，當(dāng)電導(dǎo)率曲線的上下波動穩(wěn)定的等于或小于平均值的5%時，即可認(rèn)定混勻時間足夠均勻，所消耗的時間即位混勻時間。實驗利用DDSJ-308A電導(dǎo)率儀對熔池側(cè)吹吹氣攪拌混勻時間進行測定，測定結(jié)果如下圖所示。，當(dāng)側(cè)吹氣量較小時，隨側(cè)吹氣體流量的增加，熔池攪拌混勻時間隨之下降較快；當(dāng)側(cè)吹氣量較大時，隨側(cè)吹氣體流量的增加，熔池攪拌混勻時間隨之下降較慢。這表明在低的側(cè)吹氣體流量范圍，隨側(cè)吹氣體流量增加，熔池的水平攪拌作用逐漸增強，使熔池的混勻時間隨之下降；而當(dāng)側(cè)吹氣體流量較大時，再增加側(cè)吹氣體流量，對熔池的攪拌混勻影響很小。隨側(cè)吹噴槍內(nèi)徑的增加，熔池攪拌混勻時間變化規(guī)律大體相當(dāng)。在此實驗條件下，每種噴槍內(nèi)徑下熔池攪拌混勻時間都存在一個拐點，當(dāng)側(cè)吹氣體流量小于拐點時，隨側(cè)吹氣體流量的增加，熔池的混勻時間隨之下降較快；當(dāng)側(cè)吹氣體流量大于拐點時，隨側(cè)吹氣體流量的增加，熔池的混勻時間隨之下降較滿。噴槍內(nèi)徑2.5mm時，臨界氣體流量為7.5m3/h，此時熔池攪拌混勻時間約為25s～30s；噴槍內(nèi)徑5mm時，臨界氣體流量為10m3/h，此時熔池攪拌混勻時間約為28s～33s；噴槍內(nèi)徑7.5mm時，臨界氣體流量為7.5m3/h，此時熔池攪拌混勻時間約為30s～38s；噴槍內(nèi)徑10mm時，臨界氣體流量為12.5m3/h，此時熔池攪拌混勻時間約為28s～30s。由此可知在側(cè)吹過程中，小的側(cè)吹氣量下應(yīng)選用相對小噴槍內(nèi)徑有利于降低攪拌混勻時間；大的側(cè)吹氣量下應(yīng)選擇相對較大噴槍內(nèi)徑。
5熔池側(cè)吹吹氣熔池攪拌強度對比
通過粒子圖像測速技術(shù)（PIV）得到的不同噴槍內(nèi)徑不同噴吹總氣量熔池瞬時照片經(jīng)由Tecplot軟件進行分析處理，從而得到噴槍不同插入深度熔池運動矢量云圖（圖中VelMag表示在云圖中流場某處微元的融合速度，單位m/s；右側(cè)色柱為速度強度的強弱由低到高）。由于粒子圖像測速激光片光源性質(zhì)，本實驗激光拍攝位置全部為臥式圓柱形爐體偏右側(cè)1/4處。由圖7與表2可知道，對比側(cè)吹過程不同氣量單個噴槍內(nèi)徑熔池片光源截面平均速度，噴吹氣量變化規(guī)律為：當(dāng)噴吹氣量為5m3/h～12.5m3/h時，熔池片光源截面平均速度隨噴吹氣量增加而增加，當(dāng)噴吹氣量超出12.5m3/h時，熔池片光源截面平均速度隨噴出氣量增加變化相對較緩，說明側(cè)吹過程噴吹氣量臨界值為12.5m3/h左右。對比側(cè)吹過程不同氣量不同噴槍內(nèi)徑熔池片光源截面平均速度，噴槍內(nèi)徑5.0mm時，各噴吹氣量下熔池片光源截面平均速度皆大于其余噴槍內(nèi)徑，因此認(rèn)為噴槍內(nèi)徑5.0mm左右為此種爐型側(cè)吹狀態(tài)下的最佳噴槍尺寸。
6結(jié)論
（1）側(cè)吹過程中，熔池主流區(qū)主要存在于熔池中上部，水平流股噴入熔池后，側(cè)吹射流的能量帶動熔池運動，射流在風(fēng)壓作用下噴入一定距離后，變成大小各異的離散氣泡或氣泡團，此時熔池左右兩側(cè)上部區(qū)域會形成氣液兩相區(qū)。（2）側(cè)吹熔池上部到液面區(qū)域運動相對強烈，而熔池下部區(qū)域運動較為緩慢。噴槍內(nèi)徑越大，氣泡尺寸越大，同時隨噴吹氣量增大，氣泡尺寸也增大。（3）在此實驗條件下，每種噴槍內(nèi)徑下熔池攪拌混勻時間都存在一個拐點，當(dāng)側(cè)吹氣體流量小于拐點時，隨側(cè)吹氣體流量的增加，熔池的混勻時間隨之下降較快；當(dāng)側(cè)吹氣體流量大于拐點時，隨側(cè)吹氣體流量的增加，熔池的混勻時間隨之下降較滿。由此可知，在小的側(cè)吹氣量下應(yīng)選用相對小噴槍內(nèi)徑有利于降低攪拌混勻時間；大的側(cè)吹氣量下應(yīng)選擇相對較大噴槍內(nèi)徑。（4）側(cè)吹過程噴吹氣量拐點為7.5m3/h左右，噴槍內(nèi)徑5.0mm左右為此種爐型側(cè)吹狀態(tài)下的最佳噴槍尺寸。
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作者:吳紅林 漆鑫 代龍果 單位:云南馳宏鋅鍺股份有限公司 云南鉛鋅資源綜合利用企業(yè)重點試驗室 昆明理工大學(xué)