本文關鍵詞：冶金熔體內(nèi)氣泡行為的數(shù)值模擬研究

  更多相關文章： 氣泡行為 鐵水包 底吹煉銅 CFD-PBM 數(shù)值模擬 氣液傳質

【摘要】：在冶金工業(yè)中,氣體噴吹技術作為一種提高冶煉效果的重要手段,普遍應用于各個熔煉和精煉過程,并受到了越來越廣泛的關注。為了提高氣體和冶金熔體的反應效率,氣泡不僅要細化,而且要均勻分布于熔體之中,以增大氣液接觸面積,從而提高氣液傳質速率。因此,利用數(shù)值模擬手段深入研究并揭示氣泡在冶金熔體內(nèi)的行為規(guī)律,對反應器的結構、噴吹模式和技術參數(shù)的優(yōu)化具有重要意義。本文針對我國自主研發(fā)的鐵水預處理原位脫硫噴吹—機械耦合攪拌及銅冶煉底吹熔煉技術中的氣體與熔體的相互作用過程,利用CFD商業(yè)軟件Fluent并結合用戶自定義函數(shù)(UDF)來構建描述氣泡相關行為的數(shù)學模型,采用數(shù)學和物理模擬相結合的研究方法對鐵水預處理原位脫硫噴吹—機械耦合攪拌體系和氧氣底吹煉銅射流體系內(nèi)氣液兩相流、混合效率、氣泡尺寸分布和氣液相間傳質行為規(guī)律進行研究,主要研究內(nèi)容和獲得的結果如下：1.對于鐵水原位預處理噴吹—機械耦合攪拌過程,根據(jù)相似原理、計算流體力學等相關理論建立了水模型及CFD-PBM耦合數(shù)學模型。研究了9種不同的聚合—破裂理論模型對氣泡尺寸分布預測結果的影響,通過與水模型測量結果對比,提出了合理的聚合—破裂模型和修正參數(shù),并結合水模型和數(shù)值模擬方法考察了不同攪拌槳位置、槳葉類型、轉速及噴吹氣量等參數(shù)對氣液兩相流、混合效率、氣泡微細化和氣液相傳質行為的影響規(guī)律,結果表明：(1)對于不同的氣泡聚合—破裂模型,Luo-Lehr模型和Luo-Laakkonen模型均可較為準確的預測出該體系下的氣泡尺寸�？紤]到Laakkonen模型相對Lehr模型,計算更為高效,因此本文后期計算選取了Luo-Laakkonen模型。同時提出了修正模型系數(shù)R,且當R取0.5時,模型預測氣泡尺寸及分布情況與實測結果吻合良好。(2)隨著攪拌槳偏心率的增加,熔池內(nèi)的氣泡分布區(qū)域逐漸增大,氣體總體積θ先減小后增大,而氣泡尺寸則逐漸降低,氣液相間傳質速率增大。當偏心率為0.4時,熔池內(nèi)氣體總體積θ和氣液相間傳質總速率參數(shù)考最大,分別為1.19L和1.65×10-4m3/s。與此同時,偏心率0.4時取得混勻時間最小值12.3s,較偏心率為0時,縮短22.6s。整體而言,偏心模式相對于中心模式具有顯著的優(yōu)越性,建議攪拌槳偏心率選取為0.4。(3)相對于VB槳型,采用SSB-D槳雖混合效率略有降低,但能增大熔池內(nèi)部的氣體分布區(qū)域,同時在攪拌槳上方形成流體向下回流,阻止氣泡快速上浮,從而增大了氣體在熔池內(nèi)部的停留時間,這些均有利于增大氣體利用效率,較傳統(tǒng)VB槳,SSB-D熔池內(nèi)部氣體總體積增大0.29L,增幅達到32.2%。因此本文推薦選取SSB-D槳型。(4)隨著攪拌槳轉速和噴氣量的增加,熔池內(nèi)部氣體總體積θ和氣液相間傳質總速率參數(shù)ξ快速增大,熔池的混勻時間隨著攪拌轉速的增加而縮短,但在攪拌轉速超過200rpm,噴氣量超過2.0Nm3/h后,再增大二者則不能取得明顯效果,而且過大噴氣量會降低熔池內(nèi)混合效率。因此本文推薦攪拌槳轉速范圍為200rpm,噴氣量為2.0Nm3/h。(5)在工業(yè)鐵水包高溫熔池內(nèi),采用優(yōu)化后的攪拌-噴吹模式,較工業(yè)傳統(tǒng)VB槳,雖混勻時間延長2.4s,但熔池內(nèi)部氣體總體積增大0.25m3,增幅達到20.2%,氣液相間總傳質速率參數(shù)考增大0.06m3/s,增幅達到10.3%。2.對于銅冶煉底吹熔煉過程,根據(jù)相似原理、計算流體力學等相關理論分別建立了物理模型及CFD-PBM耦合數(shù)學模型。在數(shù)值模擬結果與實驗結果吻合良好的基礎上,考察了15種噴嘴布置方案、3種噴嘴數(shù)量和5種噴吹氣量對熔池內(nèi)氣液兩相流、混合效率、氣泡微細化和氣液相間傳質速率的影響,結果表明：(1)當A、B兩組的噴嘴布置角度βA與βB布置在中心附近時,即0deg和7deg,熔池內(nèi)氣體總體積θ較大、且氣泡尺寸較小,其相應的氣液傳質總速率參數(shù)ξ也較大,但是熔池混合效率低。當噴嘴布置角度過大時,即21deg和28deg,過高布置使氣泡上浮至液面的距離縮短,降低氣泡在熔池內(nèi)的總體積θ和總氣液傳質總速率參數(shù)ξ。因此本文根據(jù)不同噴嘴布置對比結果,選取了βA-βB為7deg-14deg的噴嘴布置為最優(yōu)方案。(2)隨著噴嘴數(shù)量和噴吹流量的增加,熔池內(nèi)氣泡分散性變好,氣體總體積θ和氣液間傳質總速率參數(shù)ξ增加,但盲目增大噴嘴數(shù)量會造成熔池混合效率的降低,且吹氣流量超過18.8Nm3/h時,氣泡總體和傳質速率增長趨勢變緩,綜合考慮本文推薦爐底噴嘴數(shù)量為13個,噴吹氣流量為18.8Nm3/h,其熔池內(nèi)氣體總體積為7.2L,混合時間為241.8 s,氣液傳質總速率參數(shù)為3.78×10-4m3/s。(3)在工業(yè)氧氣底吹煉銅高溫熔池內(nèi),采用優(yōu)化后的吹煉模式,較現(xiàn)有工業(yè)噴嘴排布方案,熔池內(nèi)部的氣體總體積θ和氣液質量總傳輸系數(shù)ξ分別增長了7.7%和18.1%,混勻時間縮短了73.2s,優(yōu)化方案相對工業(yè)現(xiàn)有吹煉模式具有明顯優(yōu)勢�？傊�,本文所建立的數(shù)學模型可以準確描述以上兩種不同冶金熔體內(nèi)的氣泡行為,其研究結果有助于優(yōu)化現(xiàn)有的反應器結構,噴吹模式以及技術參數(shù),為這兩項自主技術的進一步的工業(yè)推廣奠定了理論基礎。
【關鍵詞】：氣泡行為 鐵水包 底吹煉銅 CFD-PBM 數(shù)值模擬 氣液傳質
【學位授予單位】：東北大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TF01
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第1章 緒論14-38
• 1.1 課題背景14-15
• 1.2 鐵水預處理脫硫15-18
• 1.2.1 KR法15-16
• 1.2.2 噴吹法16-17
• 1.2.3 原位機械攪拌法17-18
• 1.3 銅冶煉的噴吹熔煉18-20
• 1.3.1 銅冶煉的頂吹技術18
• 1.3.2 銅冶煉的側吹技術18-19
• 1.3.3 銅冶煉的底吹熔煉技術19-20
• 1.4 冶金熔體中氣泡行為的數(shù)學物理模擬研究現(xiàn)狀20-35
• 1.4.1 氣液兩相流的研究進展21-26
• 1.4.2 混合效率研究進展26-30
• 1.4.3 氣泡尺寸研究進展30-33
• 1.4.4 氣液傳質速率研究進展33-35
• 1.5 本文的研究內(nèi)容及創(chuàng)新點35-38
• 1.5.1 本文的研究內(nèi)容35-36
• 1.5.2 本文的創(chuàng)新點36-38
• 第2章 鐵水包內(nèi)噴吹-機械攪拌體系數(shù)學模型的建立38-66
• 2.1 物理模型的建立38-46
• 2.1.1 水模型實驗原理38-41
• 2.1.2 實驗裝置41-43
• 2.1.3 實驗方法及方案43-46
• 2.2 氣液兩相流模型的建立46-50
• 2.2.1 歐拉-歐拉方程46-49
• 2.2.2 k-ε湍流模型方程49-50
• 2.3 組分傳輸控制方程50
• 2.4 氣泡群體平衡模型(PBM)50-60
• 2.4.1 氣泡聚合52-57
• 2.4.2 氣泡破碎57-60
• 2.5 模型網(wǎng)格及邊界條件60-62
• 2.5.1 模型網(wǎng)格60
• 2.5.2 邊界條件60-62
• 2.6 控制方程離散化62-63
• 2.7 方程求解和收斂條件63
• 2.8 本章小結63-66
• 第3章 鐵水包內(nèi)氣液兩相流及混合行為模擬研究66-86
• 3.1 攪拌槳位置的影響66-72
• 3.2 攪拌槳類型的影響72-76
• 3.3 攪拌槳轉速的影響76-80
• 3.4 噴吹氣流量的影響80-83
• 3.5 本章小結83-86
• 第4章 鐵水包內(nèi)氣泡聚合、破裂及質量傳輸行為模擬研究86-114
• 4.1 模型驗證和參數(shù)確定86-94
• 4.1.1 實驗測量氣泡尺寸87-90
• 4.1.2 不同模型預測的氣泡尺寸90-92
• 4.1.3 模型系數(shù)的確定92-94
• 4.2 氣泡行為機理的影響94-97
• 4.2.1 氣泡碰撞機制的影響94-96
• 4.2.2 氣泡誘導湍流的影響96-97
• 4.3 氣泡尺寸和傳質速率97-108
• 4.3.1 攪拌槳位置的影響97-101
• 4.3.2 攪拌槳轉速的影響101-104
• 4.3.3 噴吹氣量的影響104-108
• 4.4 高溫鐵水熔池內(nèi)氣泡行為預測108-111
• 4.5 本章小結111-114
• 第5章 底吹煉銅爐數(shù)學模型的建立114-124
• 5.1 物理模型的建立114-119
• 5.1.1 水模型建立114-117
• 5.1.2 實驗方法117-119
• 5.2 數(shù)學模型的建立119-121
• 5.2.1 CFD模型119
• 5.2.2 氣泡群體平衡模型(PBM)119-120
• 5.2.3 網(wǎng)格劃分和邊界條件120-121
• 5.2.4 方程求解和收斂條件121
• 5.3 本章小結121-124
• 第6章 底吹煉銅爐內(nèi)氣液兩相流、混合及質量傳輸?shù)哪M研究124-156
• 6.1 模型驗證124-127
• 6.2 噴嘴位置的影響127-143
• 6.3 噴嘴數(shù)量的影響143-146
• 6.4 噴吹氣量的影響146-149
• 6.5 底吹煉銅高溫熔池內(nèi)的氣泡行為預測149-154
• 6.6 本章小結154-156
• 第7章 結論156-160
• 參考文獻160-172
• 致謝172-173
• 作者簡介173-174
• 攻讀學位期間獲得成果174-175
• 論文包含圖、表、公式及文獻175

【共引文獻】

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