Fluent软件在侧吹熔炼炉多相流仿真分析中的应用_刘涛.pdf

工 业 炉Industrial Furnace第45卷第1期2023年1月Vol.45 No.1Jan.2023铜冶炼技术的发展经历了漫长的过程，但至今仍以火法冶炼为主。侧吹熔池熔炼技术作为一种火法熔池熔炼技术，凭借其工艺成熟、能耗低、环境保护好、投资省、运行成本低等优点，已广泛应用于铜冶炼行业，并逐渐向垃圾焚烧、废固处理、尾渣处理等领域扩展1。侧吹熔炼技术，简单的说就是从侧面喷射富氧空气到熔池内，通过高速气流来搅拌高温熔体进行冶炼的技术。世界上已有众多专家学者针对不同的侧吹工艺进行了数值理论试验分析，如VALENCIA等2利用数值建模的方法研究侧面和底部射流在Teniente型转炉模型中的流体动力学；CHIB-WE等3在数值模拟研究中发现：在P-S转炉模型中存在一个临界渣层厚度，气体流速的增加会导致渣的混合时间延长；中南大学的周萍教授等4对侧吹气体的穿透行为和气泡的脱离频率特性进行了试验研究；昆明理工大学的刘泛函等5通过试验，研究了射流的穿透行为，并修正完善了侧吹气体射流模型。但是由于气体射流的速度较高，气体剧烈地搅动高温熔体流动同时在熔池内形成气流，气体流动会极大地影响炉内化学和物理过程，不同的喷吹方式对炉内熔体喷溅和气体流场都有较大影响,因此对于特定的侧吹方式要独立进行分析研究。本文在对侧吹熔炼炉物理模型进行简化的基础上，利用CFD软件分析了侧吹熔炼炉内速度分布场、熔池表面搅动和气体体积分数，分析结果对侧吹炉炉体结构设计以及侧吹过程工艺条件的优化具有重要的指导意义。1建立侧吹熔炼炉仿真模型本文研究对象是铜冶炼行业广泛应用的侧吹熔收稿日期：2022-04-01作者简介：刘涛（1984），男，高级工程师，主要从事有色工业炉窑的设计及理论研究.Fluent软件在侧吹熔炼炉多相流仿真分析中的应用刘涛（中国瑞林工程技术有限公司，江西 南昌330031）摘要：侧吹熔炼技术是一种从侧面喷射富氧空气到熔池内、通过高速射流来搅拌高温熔体进行冶炼的技术。本文在对侧吹熔炼炉物理模型进行简化的基础上，利用CFD软件分析了侧吹熔炼炉内的速度分布场、熔池表面搅动和气体体积分数，仿真结果为侧吹炉炉体结构设计、侧吹过程工艺条件的优化提供了参考。关键词：侧吹熔炼炉；射流；多相流；速度分布场；烟气流场中图分类号：TF806；O35文献标识码：A文章编号：1001-6988（2023）01-0012-04Application of Fluent Software in Multiphase Flow Simulation Analysis ofSide Blown Smelting FurnaceLIU Tao（China Nerin Engineering Co.Ltd.,Nanchang 330031,China)Abstract:Side-blown smelting technology is a technology that sprays oxygen-enriched air from theside to the molten pool and stirs high-temperature melt through high-speed airflow for smelting.On the ba-sis of simplifying the physical model of side blown smelting furnace,the velocity distribution field,stirringof molten pool surface and gas volume fraction in side blown smelting furnace are analyzed by CFD soft-ware.The simulation results provide references for the structure design of side-blown furnace and the opti-mization of technological conditions of side-blown process.Key words:side blown smelting furnace;jet flow;multiphase flow;velocity distribution field;flue gasflow field12工 业 炉第 45 卷第 1 期2023 年 1 月炼炉，是侧吹熔池熔炼工艺中的核心设备。侧吹熔炼炉是固定式长方形炉型，由铜水套和耐火材料组合而成，如图1所示。炉体自下而上分为炉缸、炉身和炉顶。炉料经加料皮带由顶部加料口加入侧吹炉，进入炉中的混合物料汇集于渣层中，在一次风（富氧空气）的搅拌和高温作用下完成造锍造渣反应，并在炉缸下部完成渣和锍的分离。二次风口送入低压空气，充分燃烧单体硫及一氧化碳。1.1建立物理模型炉体主要尺寸为12 m2.5 m7 m，熔池高度2.4m，其中铜锍高度1 m，渣层厚度1.4 m，炉体两侧设置若干一次风口，风口浸没于渣层下方0.5 m。为了方便建模，对物理模型进行了合理的简化，在模拟过程中只考虑炉膛区域作为流体计算域，忽略进料、二次风口、放铜排渣等操作。此外，模型还进行了以下简化：（1）假设炉内流体为牛顿流体且不可压缩；（2）忽略炉内的化学反应，不考虑熔体内部的热传递，只对炉内的物理流动过程进行研究；（3）忽略炉体表面的散热，炉体壁面为绝热。1.2建立数学模型基于CFD软件Fluent对侧吹熔炼炉内熔体进行复杂多相流模拟分析，主要由欧拉-拉格朗日法和欧拉-欧拉法。对于泡状流动下的模拟，由于存在自由界面，因此采用的VOF模型，其中包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。此外，由于炉内气流和熔体的流动均属于湍流，因此还需要增加标准的k-湍流模型。设置流体的物性参数、边界条件和求解参数，具体见表16。为了减少网格数量，考虑侧吹炉的对称性，只建立一半的模型，划分完网格的侧吹炉模型如图2所示。2仿真结果分析应用数值分析的方法，通过对侧吹熔炼炉的内部多相流场进行仿真，可以获得炉内无法直接测量或观测到的许多特性，如：界面波动、熔体流动状态、烟气流场等。通过多相流的仿真，可以为侧吹熔炼炉的结构及工艺优化提供理论支撑，从而获取更加可靠的操作工艺和更低的能耗指标。2.1界面波动富氧空气由一次风口鼓入到渣层中，压力约为0.12 MPa，用于克服渣层产生的静压，同时提供搅拌熔池的能量。工艺风在刚进入渣层时，由于具有一定压力，在惯性力的作用下具有一定的穿透能力。随着穿透深度的增加，在熔体阻力的作用下工艺风速度不断降低，随后便在浮力的作用下向渣面运动。当气泡运动到渣面时还有着较大的动能，气泡在破裂的同时释放动能，使渣面不断隆起和喷溅，喷溅的熔渣由于重力作用又落回熔池，然后再喷溅，再落回，如此不断循环。表1流体物性参数项目数值冰铜密度/kgm-35 000冰铜粘度/kg（ms）-10.14炉渣密度/kgm-33 000炉渣粘度/kg（ms）-10.02烟气密度/kgm-310.29烟气粘度/kg（ms）-11.5210-5图2侧吹炉网格模型图1.基础2.炉缸3.炉身4.耐火材料5.炉顶6.烟道7.加料口8.一次风口9.二次风口10.铜口11.渣口图1侧吹炉结构简图759810643112113图3为反应区气相体积分数云图，显示了气相体积分数含量40%100%的搅动旋流区域。由图3可知，在靠近风口区气相体积含量在100%，炉顶靠近挡屏的二次风区域，存在大范围搅动区。图4为气相体积分数随时间的变化曲线，测量点1位于风口前端0.5 m处，测量点2位于测量点1上方0.5 m处。由图4可知，在测量点1和测量点2处，随着时间的推移，空气含量分数是波动变化的，即测量点1和测量点2处的气相和液相相互掺混，熔体存在波动；测量点1较测量点2波动的幅度越大，即越靠近风口波动越大，受到熔体的冲击越剧烈。2.2液相速度矢量图图5（a）为风口区在炉宽方向的气相体积分数云图，图5（b）为风口区速度分布图，图5（c）为渣室气相体积分数云图。由图5（a）可知，工艺风喷射入渣层后，穿透炉宽方向1/3的宽度，然后从渣-气界面上溢出，渣面隆起高度约为11.5 m。由图5（b）可知，渣层在一次风的搅拌作用下，渣层的流场非常复杂且不断变化，在风口附近存在卷吸现象，靠近风口区域渣层流速约为2.5 m/s，远离风口处约为0.5 m/s，冰铜层流速均在0.1 m/s以下。图5（c）中渣室内空气含量的分布不受反应区影响，是由于挡墙水套阻隔了喷射区的剧烈运动。在图5（a）中，由于渣和工艺风的密度差，工艺风流速在由喷嘴喷入时剧烈减小，同时在风口区形成漩涡区；在熔体的物理属性一定的情况下，该漩涡区的搅拌强度与工艺风流速及喷嘴直径直接相关。因此，基于本仿真模型可以用于风口结构和操作工艺的优化，如喷嘴直径、喷嘴间距、喷嘴角度和喷嘴数量等参数的优化。2.3烟气流线图和速度矢量图图6为烟气的流线图，从图中可知工艺风喷射入渣层后，搅拌并穿透渣，然后从渣-气界面上溢出并冲击炉顶，气流在负压的情况下，在烟道端墙处转向。图7为烟气的速度矢量场，从图中可知，反应区的烟气在挡屏的作用下，下压改变方向，在挡墙上部形成漩涡，冲击到端墙，在端墙的阻挡作用下烟气转向；靠近挡屏处烟气流速较小，最小为3.6 m/s，靠端墙处烟气流速较大，最大为8.5 m/s，烟气流速越大对端墙的耐火材料冲刷越剧烈,在烟气冲刷区可通过设置水冷元件，提高该部位冷却强度，通过挂渣保护提高其寿命。因此通过该分析模型，可以对炉内烟气走向进行分析，为炉型宽度尺寸和烟道结构的优化设计提供理论依据。图5炉宽方向的气液体积分数云图与速度矢量图图6烟气流线图图3反应区气相体积分数云图图4气相体积分数随时间的变化曲线图时间/s气相体积分数1.00.80.60.40.2000.050.100.150.200.250.300.35测量点1测量点2试验研究：Fluent 软件在侧吹熔炼炉多相流仿真分析中的应用14工 业 炉第 45 卷第 1 期2023 年 1 月对Y向的管壁冲击力分别为765 N、818 N和742 N，表明正六边形截面形状要优于方形截面和圆形截面。通过压力分布结果（见图15）可知，正六边形截面出现的负压区域最小，表明弯头离心力影响力最小，进一步说明了正六边形截面形状要优于方形截面和圆形截面。3结论（1）流体在弯曲管处的流体速度沿管道外侧到内侧方向逐渐变大，在弯头尾部产生了二次流，在管道内侧出现了回流。（2）弯曲管内外两侧的压力由外向内逐渐减小，在弯曲管的内侧出现了负压，且在弯头内侧出现了分离现象，流动轨迹变化明显，在直管段出口截面上流动轨迹趋于稳定。（3）曲率半径R和弯曲管直径d比值在1、1.5和2范围内，随着R/d增加，二次流的程度减弱。通过对管壁冲击力和弯头压损分析表明，R/d=1.5至R/d=2变化远小于R/d=1至R/d=1.5。（4）通过速度分布、湍动动能和弯头损失比较了圆形、方形、正六边形三种截面形状对流动的影响，得出正六边形截面形状要优于方形截面和圆形截面。参考文献：1徐英，魏靖，刘刚，等.水平直管中气液两相分层流动压降的实验研究J.天然气工业，2015，35（2）：92-99.2马皓晨，代翠，董亮，等.90方形弯管内部流场PIV试验J.水利水电科技进展，2013，33（5）：31-34.3樊洪明，何钟怡，王小华.弯曲管段内流动的大涡模拟J.水动力学研究与进展：A辑，2001，16（1）：78-83.4梁德旺，王国庆，吕兵.低速高湍流度90弯管流动数值模拟J.南京航空航天大学学报，2000，32（4）：381-387.5龚斌，刘喜兴，杨帅，等.90圆形截面弯管内流动的大涡模拟J.过程工程学报，2013，13（5）：760-765.6贺益英，赵懿珺，孙淑卿，等.弯管局部阻力系数的试验研究J.水利学报，2003，34（11）:54-58.7湛含辉，朱辉，陈津端，等.9