底吹炼铅炉内流动的数值模拟 - 中国有色金属学报.pdf

第 27 卷第 3 期 中国有色金属学报 2017 年 3 月 Volume 27 Number 3 The Chinese Journal of Nonferrous Metals March 2017 DOI ：10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.03.023 底吹炼铅炉内流动的数值模拟 张红亮，汤 卓，陈永明，叶龙刚 ( 中南大学 冶金与环境学院，长沙 410083) 摘 要：以工业实践的底吹炼铅炉为对象，在炉内渣相和金属相的物性参数测定的基础上，利用FLUENT 软件平 台，建立一个与实际体系一致的底吹炼铅炉模型，并耦合 VOF 三相流模型和标准 κ−ε 湍流模型对底吹炼铅炉内 气−渣−金属三相流动过程进行模拟。通过分析数值模拟的相界面结构、速度场分布、流线分布结果，发现氧枪上 方区域搅动剧烈，渣层中存在涡流，强化了传递和反应过程。另外，所建立的模型在优化底吹炉炉体结构和改善 运行条件方面有着重要作用，经过分析不同条件下炉内流体流动形态，能有效地引导完善底吹炼铅炉工况。对入 口流速和喷枪倾角的优化讨论中，发现增大入口流速能提高熔炼效果，最佳喷枪倾角为5°~7° 。 关键词：底吹炉；多相流；FLUENT ；结构优化 文章编号：1004-0609(2017)-03-0637-11 中图分类号：TF821 文献标志码：A 直接炼铅工艺是现在大规模使用的炼铅工艺，在 结果优化了桨叶离底高度、桨叶间距等参数。邵品 我国氧气底吹炼铅法应用尤为广泛。这是一种将铅精 等[9]采用 Eulerian-Eulerian 模型描述了底吹双喷嘴对 矿氧化还原的直接炼铅工艺[1] 。相比于其他直接炼铅 称喷吹的情况下底吹冰铜吹炼炉内气液两相流行为。 工艺流程，该工艺具有投资少、效益高、流程短、消 张振扬等[10] 以富氧底吹熔池熔炼炉为对象，利用 VOF 除低浓度 SO2 污染等优点，主要缺点是操作条件难度 模型对炉内氧气-铜锍两相流动进行三维瞬态模拟。主 [2−4] 较高，喷枪使用寿命较短，影响炉子作业率 。 要研究炉内气泡运动情况，并与水模型实验中气泡变 底吹炼铅炉为氧气底吹炼铅法的关键设备，其熔 化过程对比，来验证建立的数学模型的合理性。闫红 池熔炼过程是从炉子底部鼓入的富氧将硫化铅氧化成 杰等[11]耦合 VOF 模型和 Realizable κ−ε 湍流模型在 氧化铅时，会放出大量热量实现完全自热熔炼，氧化 FLUENT 软件平台上对高铅渣还原炉内气液两相流动 铅和硫化铅交互反应生成金属铅。炉子底部氧枪鼓入 情况进行了数值模拟，并建立了水模型实验，再以熔 的高速富氧空气进入熔池，搅动熔渣和熔锍，加速反 池气含率、熔体平均流速和熔体湍动能等为指标，对 应进行，这一过程属于典型的多相流流动过程。 比了实验结果与数值结果，得出改善还原炉运行的最 国内外许多学者对熔池熔炼的多相流流动过程进 优条件。余跃等[12]研究底吹炼铜炉中气体上升过程中 行了研究。CHUANG 等[5]运用 SOLA-VOF 多相流模 气泡变化，对比了 4 种喷口结构对炉内流动的影响， 型对直接熔融还原炉内流体流动情况进行数值模拟， 由流动结果显示了有益于底吹炉内搅拌和化学反应的 分析了炉内气−液−渣三相流动现象，计算并优化了不 喷口结构。张振扬等[13]采用田口方法对富氧底吹熔炼 同喷气速度、喷嘴尺寸、底吹喷嘴分布下还原炉运行