1、第 卷第 期材 料 与 冶 金 学 报 收稿日期：基金项目：国家重点研发计划项目（）作者简介：郗文龙（），男，硕士研究生，：通讯作者：牛丽萍（），女，教授，：年 月 ：大型底吹炉气含率的数值模拟郗文龙，宋锦波，牛丽萍，刘素红（东北大学 冶金学院，沈阳；河南豫光金铅股份有限公司，河南 济源）摘 要：利用数值模拟的方法，以大型底吹炉的气含率为参考指标，对气流入口速度、氧枪直径和熔池深度进行研究 结果表明：随着入口速度的降低，气含率的波动范围逐渐缩小；随着入口速度的增加，气含率逐渐增大，当入口速度超过 时，气含率增加幅度变小；气含率在较大的氧枪直径下波动范围更大，当直径达到 时，瞬时气含率最大值可达
2、；熔池深度在 处的气含率最大值均超过了，随后气含率逐渐减小，在熔池深度 处达到最小值，之后随着熔池深度的增加而逐渐增大 综合考虑，工艺参数优化区间为入口速度 ，氧枪直径 ，熔池深度 关键词：大型底吹炉；气含率；中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，；，：，：；作为氧气底吹铅冶炼过程中的关键设备，底吹炉内的熔池流动状态、相的混合、能量传递、相间传质等因素与熔池内气液两相的反应速率直接相关评价底吹炉的性能有许多重要参数，其中流场特性、气含率和混合时间可分别从空间和时间上对底吹炉的性能做出评定由于熔池熔炼过程的不可见性和高温性，数值模拟和物理模拟是两种有效的研究方法随着计算机技术的发
3、展和计算流体力学（）相关理论的完善，数值模拟仿真技术在冶金多相流领域的应用也越来越广泛，这也为大型底吹炉的研究提供了技术支持国内外学者对冶金反应的多相流过程进行了大量的模拟研究，目前主要采用的是 模型耦合 湍流模型的方法 等利用 模型模拟了底吹铜冶炼炉的水模型，描述了水模型中气泡的形成、长大和分离，研究了 种喷嘴结构对底吹炉流体流动过程的影响 等采用 法处理铁水自由液面的行为，分析了喷射气体、熔融铁水和炉渣的三相流动现象张振扬等耦合 湍流模型和 多相流模型对液态高铅渣还原炉内气液两相流动过程进行了数值模拟 等利用 模型揭示了熔池内的搅拌行为，优化了可变参数，在不同风口布置的缩小型 炉模型上进行
4、了 模拟为了提升产能、提高经济效益，底吹炼铅炉的大型化是未来生产中的必然趋势气含率是熔池中气相占气液混合物体积的百分比富氧空气在底吹炼铅熔炼炉中是非常重要的反应气体，高的气含率意味着高的气相浓度和大的气液交互面积，有利于反应在熔池中高效进行作为评价底吹炉性能的重要参数，目前针对大型底吹炉气含率研究的文献相对较少，大型底吹炉在不同操作条件下依然存在气含率分布不明确等问题本文中采用数值模拟的方法对大型底吹炼铅炉的气含率进行研究，对不同入口速度、氧枪直径和熔池深度条件下的气含率进行优化分析，为大型底吹炉的实际生产提供指导 模型及方法 几何模型及网格划分根据河南某冶炼厂实际设计的大型底吹炉进行数值模拟
5、，本模拟实验中所用的区域设置和网格划分情况如图（）和（）所示轴向长度没有按照工业尺寸设置，而是根据底吹炉的氧枪间距设置（蓝色虚线区域），如图（）所示熔池内气相主要存在于氧枪排布区，并且该区域为气液反应的集中区域，因此对该区域的气含率进行有针对性的研究为了节省模拟的计算量、减少计算时间，采用单个氧枪区域的切片模型研究在单个氧枪和较弱流体干扰情况下炉内气含率的分布情况根据实际生产情况，所用的底吹炉几何参数如表 所列，其中 为炉内直径，为氧枪间距，为氧枪直径，为熔池深度，为入口速度以高铅渣（密度为 ，动力黏度为 ）和空气作为工作介质进行模拟计算 炉体网格总数约为 万个由于入口处于气液两相的交界处，伴
6、随着快速的动量传输，并且流速变化很大，为了保证计算的准确度，对此处进行了网格加密处理 数学模型及求解设置（）模型 模型适用于两种或多种流体（或相）没有互相包含的情况在模型里每增加一个附加相，就引进一个变量，计算单元里的相的体积分数在每个控制单元内，所有相的体积分数的和为(a)(b)气相液相入口出口气液界面对称面(c)图 炉体结构及网格划分 （）大型底吹炉结构示意图；（）区域设置；（）网格划分表 底吹炉几何参数 参数数值 （）体积分数方程：在 模型中，追踪界面主要是通过求解一相或多相的体积分数的连续性方程来完成的，连续性方程如式（）所示（）（）（）（）式中：为时间，；表示 相的体积分数，；为 相
7、的密度，；为 相的速度，；是 相到 相的质量输送，；是 相到 相的质量输送，；为 相的源项，通常为 在默认的情形下，体积分数方程将不对主相进行求解主相的体积分数根据式（）的约束条件进行计算：第 期 郗文龙等：大型底吹炉气含率的数值模拟 （）动量方程：多相流模型的速度场是由各相共享的，是通过求解整个区域内的单一的动量方程来得到的，如式（）所示（）（）（）（）式中：为流体速度，；为动力黏度，；为流体密度，；为压力，；为重力加速度，；为作用于控制区域的体积力，（）标准 模型标准 模型是计算流体流动的最常见的湍流模型，应用范围非常广泛对比大量的计算结果及实验结果后，发现在计算边界层流动、管内流动、剪切
8、流动以及三维边界层流动等模拟中选用标准 模型，结果吻合较好通用守恒方程如下：（）（）（）标准 模型的控制方程如下：方程：（）方程：（）其中 是湍流黏度：（）式 中：，完成模型建立后，将其导入数值计算软件进行非稳态计算根据前人研究经验，本文中采用的求解条件如下：控制方程离散格式均釆用二阶迎风格式，压力离散化采用 格式，欠松弛因子使用软件默认值，并将残差达到 设置为各监测参数的收敛条件为了简化计算，模型假设为：将目前工作的结果看作初始运行阶段的模拟，忽略液态铅的影响，设熔池内熔体为高铅渣，将氧枪简化为圆筒，；气液交界面作为自由液面处理，固体壁面看作无滑移边界，采用标准壁面函数；不考虑化学反应，初始
9、状态熔池内熔体温度均匀分布，忽略温度对气相的影响 结果与讨论 入口速度对气含率的影响底吹炼铅炉中的气流入口速度是底吹熔炼过程的重要操作参数，直接影响着炉内的搅动状况、熔池内部的平均速度和湍动能图 为不同入口速度下的气液两相分布图，其中白色区域为气相（熔池内的气相主要以气泡的形式存在），黑色区域为液相由图 可知，随着入口速度的增加，气泡尺寸也有所增大从图（）中可以看出，在初始阶段，气含率 随着时间的增加先增大再减小，之后逐渐增大，直至稳定在一个范围内从图（）中还可以发现，随着入口速度的降低，气含率的波动范围也逐渐缩小，说明低速条件更有利于气含率从最小值恢复到正常的范围然而过低的入口速度会导致气含
10、率较小，影响生产效率分别选取不同速度下稳定时的气含率并计算出平均值，结果如图（）所示从图（）中可以看出，气含率随入口速度的增加逐渐增大，当入口速度超过 时，气含率增加幅度变小观察实验中的现象也可以发现，随着入口速度的增加，液相的液面波动逐渐变大在相同的时间、静止液面高度和氧枪直径下，更大的入口速度能够提供更多的气泡，同时入口速度的增加使得气液两相的动量传递为液相提供了更多的动能，气体在液相内部的分布更加分散，有些在低速条件下气泡达不到的地方，在高速条件下可以达到，这就增加了气体在液相中的体积分数，(a)(b)(c)(d)(e)图 不同入口速度下的相分布图 （）；（）；（）；（）；（）材 料 与
11、 冶 金 学 报 第 卷从而增加了气含率此外，过大的入口速度会导致液面波动剧烈，十分容易造成液相的喷溅与损失，从而导致生产的不稳定，因此，入口速度不宜过大543210/%/%3.93.83.73.63.53.43.312345t/s240250260270280/(ms)-1240 m/s250 m/s260 m/s270 m/s280 m/s(a)(b)图 不同入口速度下的气含率 （）不同入口速度下瞬时气含率随时间的变化；（）气含率随入口速度的变化 氧枪直径对气含率的影响氧枪直径是氧枪的关键结构参数，直接影响气相进入熔池的压力和形态，对气泡在熔池中的形成、生长和破碎，以及熔池的搅拌效果和喷溅
12、也有很大的影响图 为不同氧枪直径下的气液两相分布图，其中白色区域为气相，黑色区域为液相从图 中可以发现，当氧枪直径为 时，气泡尺寸增大得较为明显由图（）可知：气含率在较大的氧枪直径下波动范围更大；当氧枪直径为 时，瞬时气含率最大值可以达到当氧枪直径为 时，气含率的值几乎没有波动，相对更稳定此外，随着氧枪直径的增大，气含率的变化幅度变大分别选取不同氧枪直径下稳定时的气含率并计算出平均值，结果如图（）所示从图（）中可以看出，与入口速度见图（）和熔池深度见图（）相比，气含率随氧枪直径的增加变化得更加明显：当氧枪直径从 增至 时，气含率增大了 ；当氧枪直径从 增至 时，气含率增大了，实值接近；这说明气
13、含率受氧枪直径的影响更大在相同的入口速度和熔池深度下，大的氧枪直径会产生大尺寸的气泡，大尺寸气泡还会携带相对大的动能，对液相有着更好的搅动作用，气泡在液相内部的分布也更加分散然而，当气泡尺寸增加到一定值时，由于自身携带的动能，到了液面会迅速破碎，此时液面的波动十分剧烈，液面的不稳定造成液相中气体溢出得更快，停留时间相对较短，这导致短时间内气含率变化幅度较大过大的氧枪直径可能会造成液相的回流，所以氧枪直径不宜过大(a)(b)(c)(d)(e)图 不同氧枪直径下的相分布图 （）；（）；（）；（）；（）熔池深度对气含率的影响底吹炉中的熔池深度是熔炼过程的重要操作参数，直接影响着底吹炉的安全生产效率，
14、因此对溶池深度进行分析有着重要意义图 为不同熔池深度下的气液两相分布图，其中白色区域为气相，黑色区域为液相从图 中可以发现，在熔池深度 处，液面的波动和喷溅程度较为剧烈从图（）中可以看出：在初始阶段，熔池内气含率随着熔池深度的增加而逐渐减小；熔池深度越小，气含率初始增速越大；气含率在较小的熔池深度下先逐渐增大，之后便开始急剧减小，最后稳定在一个范围内熔池深度越小，底部的压力越第 期 郗文龙等：大型底吹炉气含率的数值模拟/%/%12345t/s45505560d/mm40mm45mm50mm55mm60mm405.04.54.03.53.06432105(a)(b)图 不同氧枪直径下的气含率 （
15、）不同氧枪直径下瞬时气含率随时间的变化；（）气含率随氧枪直径的变化(a)(b)(c)(d)(e)图 不同熔池深度下的相分布图 （）；（）；（）；（）；（）小，相同的入口速度和氧枪直径下气泡的上升时间越短，气泡在液相内部的停留时间也就相应减少，不利于反应的充分进行此外，较小的熔池深度下气含率波动范围大，稳定性较弱分别选取不同熔池深度下稳定时的气含率并计算出平均值，结果如图（）所示由图（）可知：当气含率稳定在一个范围内时，在熔池深度 处气含率的最大值均超过了，随后逐渐下降，在熔池深度 处气含率达到最小值，为 ；随后，气含率随着熔池深度的增加而逐渐增大，熔池深度 处达到 ，并没有超过 当熔池深度较小
16、时，由于炉内熔体较少，底部的压强也相对较小，高速气流很容易冲破熔体，对熔体进行剧烈搅拌，这导致熔池内的气含率大范围波动，十分影响炉内生产的稳定性此时液相（熔体）较少，相同的入口速度下气流带来了相应的气体体积，气相在熔池内/%/%12345t/s2.02.22.41.7m1.9m2.1m2.3m2.5m1.8432105H/m4.44.24.03.83.63.43.23.0(a)(b)图 不同熔池深度下的气含率 （）不同熔池深度下瞬时气含率随时间的变化；（）气含率随熔池深度的变化 材 料 与 冶 金 学 报 第 卷的占比提升随着熔池深度继续增加，虽然熔池内的气相体积有所增加，但炉内液相的体积也有所增加，所以气含率不增反降，在熔池深度 处达到最小值当熔池深度增加到 时，由于炉内熔体体积和炉底部的压力也相应增加，单位体积流量减小，此时的气流入口速度已无法对熔池内部产生巨大的搅动，所以炉内的工况更加稳定，气含率波动范围缩小，有利于气体在熔池内部停留，因此气含率继续出现微小幅度的增大如图（）（）所示：较低的熔池深度导致气含率和炉内工况不稳定，易产生喷溅，影响生产效率；此外，气体在熔池内停留时间过
