氧气底吹熔炼炉内流体流动行为的模拟研究-博士学位论文公.PDF

士学位论文公示材料 学生姓名 王东兴 学号 1210257 二级学科 有色金属冶金 导师姓名 张廷安 论文题目 氧气底吹熔炼炉内流体流动行为的模拟研究 论文研究方向 冶金反应器 论文关键词 底吹；炼铜；模拟；流场；PIV ；传质速率；喷溅；因次分析 论文摘要( 中文) 氧气底吹炼铜法是我国具有自主知识产权的一项新的铜熔池熔炼技术，具有投资少、工艺流程短、 原料适应性强和能耗低等诸多优点，近年来在我国得到越来越广泛的应用。然而，作为一项年轻的技 术，底吹炼铜法不可避免的存在一些缺点和不足，如氧枪的结构和布局的设计缺乏理论依据，部分入 炉矿 难以被迅速卷入熔体，熔池喷溅导致加 口堵塞等。这些缺点阻碍了氧气底吹炼铜工艺的推广。 为了完善底吹炼铜技术，本文以工业氧气底吹炉为原型，用物理模拟、数值模拟和因次分析等方法， 对底吹炉熔池内流场、气液传质特性、物 卷吸等机理问题进行了系统的研究，并设计加 口顶吹气 幕装置，考察了该装置对熔池喷溅的抑制效果。结论如 所示： （1）在底吹炉切片模型中进行了物理模拟实验，观察发现底吹炉内流体流动具有以下基本特征： 射流在液相中形成气柱，携带液体从液面上方喷出，形成凸出液面的 泉涌”现象；射流气柱存在不稳定 性，喷嘴出口附近射流时常出现膨胀-收缩，膨胀发生时，射流气柱会撞击喷嘴处壁面，并形成大量小 气泡组成的气泡环。应用PIV 技术测量了底吹炉切片模型中的流场，发现熔池内部区域形成两个大的 环流，熔池喷溅主要出现在静止液面上方的泉涌区；增加熔池深度有利于提高熔池搅拌效果并减少喷 溅；喷气流量增大能够促进熔池搅拌，但也会增加喷溅。 （2 ）在建立的整体水模型实验装置中，利用NaOH 溶液-CO 体系模拟底吹炉内的气液传质现象。 2 实验考察了不同CO 浓度、气体喷吹速度和熔池深度对容积传质系数和气体利用率的影响规律。结果 2 表明：随着CO 浓度的增加，容积传质系数增大，气体利用率减小；气体喷吹速度增大，容积传质系 2 数和气体利用率都直线增大，因此通过增加 气用量来提高喷吹速度，能够加快气液传质并提高气体 利用率；随着熔池深度的增加，容积传质系数和气体利用率都增大，表明增加熔池深度有利于增加底 吹炉的搅拌效果、加快反应并提高气体利用率。 （3 ）对底吹炉容积传质系数影响因素进行因次分析，得出容积传质系数AK 与底吹相关参数的经 验公式为： -4 5 H 0.9212 0.7583 v 1.6241 AK = 2.5533· 10 d g ( ) (j) ( ) d dg 对底吹炉CO2 利用率的影响因素进行因次分析，得到CO2 利用率与底吹相关参数的经验公式为： -5 H 0.9347 0.2880 v 0.6278 h = 1.5304 · 10 ( ) (j) ( ) d dg 两公式计算值和实验值吻合良好，以上两个公式适用于长径比为4.3:1 的底吹炉，且炉底部氧枪数 量、排布需与方圆公司一期底吹熔炼炉一致。 （4 ）通过水模实验，考察了顶吹气幕装置的喷气流量、喷孔直径和喷孔个数对喷溅量的影响，发 现：相同气幕喷气量 ，气幕喷孔直径增大，到达加料口的喷溅量随之增加；气幕喷气量增加，能够 到达加料口的喷溅量减少；顶吹喷孔个数减少，喷溅量也减少；改变气幕的喷气量、喷孔直径和喷孔 个数的实质都是改变喷孔出口气速，气速增大，喷溅量减小。 （5 ）通过水模实验，考察了底吹气体流量、底吹喷嘴直径和安装角度对底吹炉物 卷吸效果的影 响，表明：底吹气量增加，物 的卷吸效果变好；底吹喷气流量相同时，氧枪喷嘴直径增大能够能够 提高物 卷吸效果；采用2.5mm 氧枪喷嘴时，喷嘴安装角度增大，物 卷吸效果变好，5.92mm 喷嘴的