能源與環(huán)境問(wèn)題交織纏繞在一起,構(gòu)成了新時(shí)期中國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的復(fù)雜背景。中國(guó)作為最大的能源消費(fèi)國(guó),也是二氧化碳排放總量最大的國(guó)家,面臨著以“高碳”和“高污染物排放”為主要特征的環(huán)境問(wèn)題。有色金屬行業(yè)作為典型的高能耗和高排放產(chǎn)業(yè)受到國(guó)家的重點(diǎn)關(guān)注,我國(guó)“十二五”發(fā)展規(guī)劃明確有色金屬行業(yè)的節(jié)能減排約束性指標(biāo),加大淘汰落后產(chǎn)能的力度。因此,自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)新型冶煉節(jié)能技術(shù)將伴隨著技術(shù)改造和淘汰落后的工藝和設(shè)備,成為有色冶金行業(yè)節(jié)能減排的關(guān)鍵。富氧熔池熔煉技術(shù)是將氣體直接鼓入熔池來(lái)實(shí)現(xiàn)三相間的快速傳熱傳質(zhì)過(guò)程,其關(guān)鍵在于促進(jìn)脫硫造渣反應(yīng)的快速充分進(jìn)行,要保證熔煉過(guò)程的高效和穩(wěn)定,就必須掌握熔煉過(guò)程中支配流體運(yùn)動(dòng)和變化的內(nèi)在規(guī)律。為達(dá)到上述研究目的,本文針對(duì)瓦紐科夫爐雙側(cè)吹熔池熔煉中流體的混合反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了研究。通過(guò)理論建模、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量等方法,對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和產(chǎn)生的現(xiàn)象進(jìn)行了量化和分析,得到了操作參數(shù)變化對(duì)熔池內(nèi)熔體流動(dòng)過(guò)程的影響規(guī)律,本文完成了以下幾個(gè)方面的研究：(1)對(duì)側(cè)吹氣體在液體中的穿透行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究,通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了氣體噴流行為的一些基本特征,并對(duì)氣體噴流的形態(tài)進(jìn)行了分類,給出了相應(yīng)的修正弗魯?shù)聰?shù)和流速劃分區(qū)間。研究了氣體射流的結(jié)構(gòu),將其分為射流發(fā)生區(qū)、射流主體區(qū)以及射流表面流區(qū)三個(gè)部分,其中每個(gè)部分的流動(dòng)變化都有各自的特點(diǎn)�；趩蝹�(gè)氣泡在熔體中的受力分析,對(duì)氣泡在熔體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)塞姆里利斯的射流軌跡理論模型進(jìn)行了改進(jìn),使其能夠更加合理地描述側(cè)吹氣體射流在液體中的形態(tài)結(jié)構(gòu).(2)建立了瓦紐科夫爐熔煉過(guò)程中多相(氣相、渣相、銅锍相)多場(chǎng)(濃度場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng))耦合的三維數(shù)學(xué)模型,對(duì)泡狀流和射流區(qū)制下熔池內(nèi)的流動(dòng)以及冶煉過(guò)程中傳熱傳質(zhì)的現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明射流可以為冶煉過(guò)程創(chuàng)造更好的動(dòng)力學(xué)條件。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究射流區(qū)制下不同工況對(duì)熔池內(nèi)氣液兩相流動(dòng)以及混合行為的影響規(guī)律。根據(jù)模擬優(yōu)化的結(jié)果,瓦紐科夫爐的最佳技術(shù)指標(biāo)為：爐體寬度2.5m,熔池高度2m,風(fēng)口向下傾斜角度25°,噴吹速度250m/s,與基準(zhǔn)工況相比瓦紐科夫爐的熔煉能力提高了25%,渣層的含氣率和湍流動(dòng)能分別提高了24.7%和21.1%。(3)通過(guò)圖像處理技術(shù),對(duì)氣體射流的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。提出面積指數(shù)M的計(jì)算方法并通過(guò)面積指數(shù)時(shí)間序列對(duì)氣體射流的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行量化,對(duì)多組工況的噴吹過(guò)程進(jìn)行比較和分析,結(jié)果顯示面積指數(shù)和射流的穩(wěn)定性都隨修正弗魯?shù)聰?shù)的增加而增大,噴吹深度對(duì)面積指數(shù)也有較大的影響,但對(duì)射流穩(wěn)定性的影響不大,而其它因素的影響作用相對(duì)較小。通過(guò)3σ方法得到工況穩(wěn)定時(shí)間并計(jì)算比功率,基于比功率和面積指數(shù)兩項(xiàng)指標(biāo)聯(lián)合對(duì)噴吹混合過(guò)程的性能進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果顯示工況L2的整體性能最佳。(4)采用流動(dòng)可視化技術(shù),引入貝蒂數(shù)對(duì)混合過(guò)程的流形進(jìn)行刻畫(huà),0維貝蒂數(shù)反映了混合效果的優(yōu)劣,而1維貝蒂數(shù)則反映了混合的不均勻程度。研究了不同工況下的混合效果,結(jié)果表明0維貝蒂數(shù)隨修正弗魯?shù)聰?shù)和噴吹深度的增加而增大。對(duì)混合過(guò)程的流場(chǎng)和混沌特征進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)修正弗魯?shù)聰?shù)和噴吹深度的改變只能增強(qiáng)混合過(guò)程中的主體流動(dòng),促進(jìn)宏觀混合過(guò)程；通過(guò)變頻的方式進(jìn)行噴吹,則能夠破壞流體的原有流形,產(chǎn)生無(wú)規(guī)律的混沌流形,促進(jìn)微觀混合過(guò)程,從而達(dá)到進(jìn)一步提升混合效果的目的。
【學(xué)位單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TF801
【部分圖文】：

瓦紐科夫法是前蘇聯(lián)發(fā)明的一種富氧側(cè)吹烙池烙煉技術(shù)，是由莫斯科鋼鐵學(xué)院的??阿？烏？瓦紐科夫教授于１９４９年提出的。瓦紐科夫爐是一種臥式矩形爐，爐體被分隔為??炫煉區(qū)、渣貧化區(qū)（后經(jīng)改造去掉）、渣池和銅統(tǒng)池四個(gè)區(qū)域，如圖１．１所示。爐缸、??渣池、銅梳池及爐頂下部的一段圍墻均由絡(luò)鎊磚棚筑，其它的側(cè)墻和端墻均使用銅??水套姐成，水冷銅風(fēng)管設(shè)置于兩側(cè)銅水套上，外部用鋼架支承，風(fēng)口設(shè)在兩面?zhèn)葔Φ??５??

口?２．排渣口?３．渣室４．一次風(fēng)口?５．二次風(fēng)口?６．煙道７．加料口?８．低爐底９．圖１．２改進(jìn)的瓦紐科夫爐示意圖Ｗ??Ｆｉｇ?１．２?Ｔｈｅ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?出ａｇｒａｍ?ｏｆ?ｉｍｐｒｏｖｅｄ?ｖａｎｙｕｋｏｖ?ｆｏｍａｃｅ??上容易形成爐結(jié)??紐科夫爐冶煉過(guò)程中，爐壁上容易生成爐結(jié)，這是由于烙體噴娥到，遇到溫度較低的二次風(fēng)就會(huì)凝結(jié)附著在爐壁上，形成早期的爐結(jié)煙氣中的煙塵レ義及噴瓣的烙體會(huì)繼續(xù)凝結(jié)在早期的爐結(jié)上，使得長(zhǎng)大到一定程度就會(huì)堵塞二次風(fēng)口，降低爐內(nèi)的氧氣含量，導(dǎo)致分反應(yīng)；如果成形的爐結(jié)落入烙池中，大量的爐渣將會(huì)從排渣口而爐壁兩側(cè)的爐結(jié)若是連成一片，爐料將無(wú)法落入烙池中，瓦紐進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。??磚腐蝕??風(fēng)風(fēng)壓較低時(shí)，氣流在烙池內(nèi)的穿透深度很小，風(fēng)口生成的氣泡

圖２．３噴嘴內(nèi)徑為４．５ｍｍ情況下側(cè)吹氣體噴流的形態(tài)??巧§?２．３?Ｔｈｅ?ｓｉｄｅ?ｂｌｏｗｎ?ｊｅｔ?ｓｔｒｅａｍ?ｓｈａｐｅ?ｕｎｄｅｒ?如＝４．５ｍｍ??圖２．４為噴嘴內(nèi)徑２．５ｍｍ情況下側(cè)吹氣體噴流的形態(tài)，隨著噴流修正弗魯??德數(shù)的增加，噴嘴處的氣泡連續(xù)鼓出拉長(zhǎng)并連接在一起，１＾＂氣股＂的形態(tài)在液??體中上浮。氣股流的形態(tài)介于氣泡流和射流之間，隨著氣體流量的增加，噴流??的形態(tài)由氣股流轉(zhuǎn)變?yōu)樯淞�，液面處的噴滿現(xiàn)象明顯減弱，這說(shuō)明液體中氣泡??議圓圏國(guó)??谷＝０．５?（２＝１．０?０＝１．５?０＝２．０??圖２．４噴嘴內(nèi)徑為２．：５ｍｍ情況下側(cè)吹氣體噴流的形態(tài)??Ｆｉｇ?２．４?Ｔｈｅ?ｓｉｄｅ?ｂｌｏｗｎ?ｊｅｔ?ｓｔｒｅａｍ?ｓｈａｐｅ?ｕｎｄｅｒ?＾／〇＝２．５ｍｍ??圖２．５為噴嘴內(nèi)徑２ｍｍ情況下側(cè)吹氣體噴流的形態(tài)，氣體射流在噴嘴處??呈現(xiàn)出＂氣柱＂形態(tài)，射流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)將周圍液體卷吸進(jìn)來(lái)并帶動(dòng)它們共同運(yùn)??動(dòng)，在卷吸作用下許多微小的氣泡形成并包裹在＂氣柱＂周圍，使得噴嘴處的射??流膨脹，其直徑大約為噴嘴內(nèi)徑的兩倍左右。射流具有較大的初速度，在噴嘴??附近
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本文編號(hào)：2839711