（动力工程及工程热物理专业论文）底吹式熔池熔炼过程气液两相流动行为的实验研究.pdf

分类号u d c 硕士学位论文 密级 底吹式熔池熔炼过程气液两相流动行为的实验研究 t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo f g a s - l i q u i dt w o - - p h a s ef l o w b e h a v i o ri nb o t t o mb l o wb a t hs m e l t i n gp r o c e s s 作者姓名： 学科专业： 学院( 系、所) ： 指导教师： 副指导教师： 论文答辩日期 2 0 1 2 0 5 1 9 高强 动力工程及工程热物理 能源科学与工程学院 周孑民教授 闫红杰教授 中南大学 2 0 1 2 年5 月 m a s t e rd i s s e r t a t i o n t h e e x p e r i m e n t a ls t u d y o f g a s - l i q u i dt w o - p h a s e f l o wb e h a v i o r i nb o t t o mb l o wb a t h s m e l t i n gp r o c e s s a p p l i c a n t ：g 星qq i 窒望g m a j o r ： s u p e r v i s o r ： s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r m a y ，2 0 1 2 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a 一 善 血 棚菱筹 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的成果。尽我所知，除论文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证明而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献已在论文的致谢语中作了明确 的说明。 作者签名： 吼迎年月丰日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅；学校可以公布学位论文 的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 、 作者签名：；姿乡参当毒导师签名： 吼迎年上月阜日 摘要 化工冶金设备的主要研究方法有理论研究和实验研究，以及近 些年发展起来的数值模拟研究方法。本论文主要利用水模型实验的 方法，对“富氧底吹熔炼炉 进行研究。 作者采用高速摄影仪拍摄多相流动行为，以寻求最短混匀时间 的方法优化操作工艺参数的方法进行实验研究。基于这种思想，本 文采用理论分析一实验验证相结合的方法，以底吹炉水模型为研究 对象，以流动相似理论和自模化理论为理论基础，主要完成了以下 工作： ( 1 ) 根据流动相似原理和自模化理论，选取修正的弗劳德数作 为准则数，搭建了水模型实验平台，选择照相法和图像处理法相结 合的方法对实验数据进行后处理。 ( 2 ) 研究了在不同工况下气泡形成过程及气泡直径的计算方法， 连续气体射流条件下的临界速度计算，气泡直径随修正的f r 的变化 规律，气泡上升速度及生成频率。分析了影响气泡直径的因素，超 过临界速度后的喷射锥的形成及运动状态，喷嘴角度对气泡形成及 脱离喷嘴后运动的影响。利用因次分析法确定了影响气泡尺寸的准 数方程关系式。 ( 3 ) 实验结果表明，影响混匀时间的因素包括喷气量，喷枪角 度，喷枪深入熔池深度，喷枪间距，且这些因素均有相应的影响规 律。通过正交试验，得出最佳喷吹工艺参数为：喷吹流量为 9 3 1 n m 3 h 1 0 6 3n m v h ，喷枪角度为1 7 2 2 度，喷枪深入长度为0 。 通过重要性分析，得出影响因素的重要性为：喷枪角度 喷气量 喷 枪深入长度。 ( 4 ) 研究了喷枪喷嘴添加十字栅格、网状栅格之后气泡的形成、 脱离喷嘴、破碎与运动情况，并与未添加栅格的情况进行对比，进 行水模型实验验证栅格对气泡破碎及混匀效率的影响。实验结果表 明，在喷嘴处添加栅格有助于气泡的破碎，从而提高了气含率，使 得混匀时间缩短。 关键词：底吹炉，水模型，气泡行为，混匀时间 a b s t r a c t 1 1 1 em a i nr e s e a r c hm e t h o d so fc h e m i c nm e t a l l u r g i c a le q u i p m e m sa r e t h e o r e t i c a l m e t h o d ，e x p e r i m e n t a ls t u d y a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t e c h n o l o g yw h i c hh a sb e i n gd e v e l o p e dr e c e n ty e a r s b a s e do nt h ew a t e r m o d e lm e t h o d ，t h ed i s s e r t a t i o ni s f o c u s i n g o nt h eo x y g e nb o t t o m b l o w i n gm e k i n gf u r n a c e t h em e t h o d so fs h o o t i l l gt h em u l t i p h a s ef l o wb e h a v i o rb yt h eh i g h s p e e dc a m e r a ，s e e k i n gt h es h o r t e s tm i x i n gt i m et oo p t i m i z et h eo p e r a t i n g p a r a m e t e r s b a s e do nt h i si d e a ，t h ec o m b i n a t i o no f t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o ni sa d o p t e d i nt h ed i s s e r t a t i o n t h eb o t t o mb l o w f u r n a c ei st h em a i nr e s e a r c ho b j e c t ，t h et h e o r e t i c a lb a s i sa r et h ef l o w s i m i l a r i t yp r i n c i p l ea n ds e l f - s t i m u l a t e dt h e o r y t h em a i nc o n t r i b u t i o na n d r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ef l o ws i m i l a r i t yp r i n c i p l ea n ds e l f - s t i m u l a t e d t h e o r y ，s e l e c t i n gt h ef r o u d en u m b e ra ss i m i l a rn u m b e r , t h ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r mo fw a t e rm o d e lw a sp u tu p t h ee x p e r i m e n t a ld a t aw a st r e a t e d b yt h em e t h o do ft h ec o m b i n a t i o no fp h o t o g r a p h i cm e t h o da n di m a g e p r o c e s s i n g ( 2 ) t h ef o r m a t i o no fb u b b l e sa td i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h ec a l c u l a t i o n m e t h o do fb u b b l ed i a m e t e r , t h ec r i t i c a lv e l o c i 够o fc o n t i n u o u sg a sj e t ，t h e v a r i a t i o nl a wo fb u b b l ed i a m e t e rw i t hc o r r e c t e df r o u d en u m b e ra n d b u b b l e r i s i n gv e l o c i t y a n df o r m a t i o n f i - e q u e n c y w e r es t u d i e d t h e i n f l u e n c i n gf a c t o r so fb u b b l ed i a m e t e r s ，b u b b l ef o r m a t i o na n db u b b l e v a r i a t i o nw e r ea n a l y z e d n ed i m e n s i o n l e s sn u m b e re q u a t i o na b o u t b u b b l es i z ew a sb u i l tu pb a s e do nd i m e n s i o n a la n a l y s i s 。 ( 3 ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a ta i r - b l o w i n gq u a n t i t y , t h e a n g l eo f t h el a n c e ，t h el a n c ei n s e r t i o nd e p t ha n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt w o l a n c e sc a na f f e c tt h em i x i n gt i m e b ym e a n so fo r t h o g o n a lt e s t ，t h e o p t i m u mo p e r a t i o np a r a m e t e r sw e r e o b t a i n e d ：t h e a i r - b l o w i n g q u a n t i t y ( 9 3 1 n m 3 h 1 0 6 3n m 3 1 1 ) ，t l l ea n g l eo ft h el a n c e ( 1 7 - 2 2 。) ，t h e l a n c ei n s e r t i o nd e p t h ( o ) t h ei m p o r t a n c es e q u e n c eo ft h ei n f l u e n c i n g f a c t o r sw a s ：t h ea n g l eo ft h el a n c e a i r - b l o w i n gq u a n t i t y l a n c ei n s e r t i o n d e p t h t t ( 4 ) a d d i n gc r o s s s h a p e dg r i do rd i c t y g r i dw i l la f f e c tt h eb u b b l ef o r m a t i o n ，s e p a r a t i o nf r o mt h en o z z l e ，b u b b l ec r u s ha n dc h a r a c t e r i s t i c so fm o t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eg r i dw i l ls p e e du pt h eb u b b l ec r u s h ，t h u se n h a n c et h eg a sc o n t e n ta n ds h o r t e nt h em i x i n gt i m e k e yw o r d s ：b o t t o mb l o w i n gf u r n a c e ，w a t e rm o d e l ，b u b b l eb e h a v i o r ,m i x i n gt i m ei 目录 摘要 a b s t r a c t 。 第一章绪论 1 1 底吹式熔池熔炼简介 1 i 1 熔池熔炼及其工业应用 1 1 2 底吹式熔池熔炼炉介绍 1 i 3 底吹式熔池熔炼炉的熔炼过程 i 2 底吹炉的研究方法 1 3 冶金过程气液两相流动模型实验研究进展 1 3 1 钢铁冶金中气液两相流模型实验研究进展 1 3 2 有色金属熔池熔炼气液两相流模型实验研究进展 1 4 本文研究的主要内容 第二章水模型实验方案的设计 2 i 相似原理 2 1 1 雷诺准则 2 1 2 弗劳德准则 2 i 3 自模化 2 2 水模型实验方案 2 2 1 水模型实验参数的确定 2 2 2 实验设备 2 3 本章小结 第三章底吹式熔池熔炼过程气液两相流动的研究 3 1 研究目的和方法 3 1 1 本章实验目的 3 i 2 本章研究内容及研究方法 3 1 3 实验方法的验证 3 2 气泡的形成及其尺寸的计算 3 2 1 单个气泡的形成 3 2 2 影响气泡尺寸的因素 o o o o 卫o o 曲m 挖 挖坞m m m m 埔加 殂 组殂扒毖船弘 3 3 连续气体射流3 1 3 3 1 临界速度的计算3 1 3 3 2 鼓泡流转变为喷射锥的实验验证3 1 3 4 气体入口角度对气泡的影响3 2 3 5 气泡直径随f r 数的变化3 3 3 6 单个气泡在熔体中的上升速度3 4 3 6 1 气泡速度的理论计算3 4 3 6 2 实验结果及分析3 5 3 7 气泡( 气团) 生成频率的研究3 6 3 8 喷嘴栅格对气泡破碎的影响3 7 3 9 影响气泡尺寸大小的因次分析4 0 3 9 1 影响气泡直径的主要参数4 0 3 9 2 待定参数的准数方程的建立4 0 3 1 0 本章小结4 2 第四章富氧底吹熔池熔炼最佳喷吹工艺参数的研究4 4 4 1 实验目的4 4 4 2 实验方法和步骤4 4 4 2 1 试验方法4 4 4 2 2 实验步骤4 4 4 3 不同吹气量对混匀时间的影响4 5 4 3 1 实验结果4 5 4 3 2 喷气量影响混匀时间机理分析4 6 4 4 喷枪射流方向与竖直方向夹角对混匀时间的影响4 7 4 4 1 实验结果4 7 4 4 2 喷吹角度影响混匀时间机理分析4 7 4 5 喷枪深入长度对混匀时间的影响4 8 4 6 双喷枪条件下喷枪间距对混匀时间的影响4 9 4 7 正交试验及结果分析5 0 4 8 最佳喷吹工艺参数及其实验验证5 3 4 9 本章小结5 4 第五章结论及建议5 5 5 1 结论5 5 5 2 建议5 6 v v i 盯 眈 一 一 果 一 一 成 一 一究 一 一 研 一 一 要 一 一 主 一 一 问 一 一 期 一 一 位 一 一 学 献 一 士 文 硕考谢读参致攻 1 1底吹式熔池熔炼简介1 1 1 熔池熔炼及其工业应用第一章绪论熔池熔炼为炉料在液态熔池( 熔渣、熔锍) 中迅速完成气一液一固相间主要反应的熔炼方法。熔池熔炼的最早应用可追溯到1 9 世纪末和2 0 世纪初，转炉吹炼铜锍和烟化炉贫化熔炼铅先后用于工业生产。由于这种熔炼方法用压缩空气强烈搅动熔池，使发生在熔体中的氧化或还原反应得以迅速进行。然而，这两种熔池熔炼都只局限于处理反射炉、电炉熔炼所得的液态中间产物( 铜锍或炉渣) 。处理硫化精矿的反射炉熔炼和电炉熔炼虽然也属于熔池熔炼范畴，液一液或液一固两相问的化学反应也发生在熔池内，但“静态料坡熔炼”的动力学条件决定了传质传热效果差，氧化和熔化速度很慢，不能充分利用精矿中铁和硫的氧化热n3 。进入2 0 世纪7 0 年代，相继出现了许多熔池熔炼的新方法，这些方法通过在熔池中鼓入高速高压气体，使熔池中熔体得到充分搅拌，大大提高了熔炼效率。其中包括诺兰达法( 1 9 7 3 ) 、三菱法( 1 9 7 4 ) 、特尼恩特法( 1 9 7 7 ) 、白银炼铜法( 1 9 8 0 ) 、氧气底吹炼铅法( 1 9 8 1 ) 、瓦纽科夫熔炼法( 1 9 8 4 ) 、顶吹旋转转炉法( t b r c ) 、艾萨熔炼法炼铅和转炉直接炼铜法等。按气体鼓入熔体方式的不同，熔池熔炼分为顶吹、侧吹和底吹三种类型。侧吹法从设于侧墙而埋入熔池的风嘴直接将富氧空气鼓入铜锍一炉渣熔体内，未经干燥的精矿与熔剂加到受鼓风强烈搅动的熔池表面，然后浸没于熔体之中，完成氧化和熔化反应。属于此类的有诺兰达法、瓦纽科夫熔炼法、特尼恩特法和白银炼铜法等炼铜方法。顶吹法从炉顶往炉内插入喷枪，喷枪出口距熔池液面一定高度或浸没于熔体之中。根据冶金反应的需要，喷入氧化性或还原性气体，在湍动的熔池内完成氧化或还原反应。属于此类的有三菱法、顶吹旋转转炉法和艾萨熔炼法等炼铜、炼镍和炼铅方法。底吹法从炉底往炉内插入喷枪，喷枪出口浸没于熔体之中。底吹法一般喷入富氧空气，在熔池内发生化学反应。该法包括底吹式炼铜和底吹式炼铅，是近些年才大力发展起来的熔池熔炼新工艺。本文即以山东方圆公司的“富氧底吹熔池熔炼铜 工艺的主要设备一底吹炉为研究对象。 亟堂僮迨塞箍二童绪迨1 12 底吹式熔池熔炼炉介绍氧气底吹熔池熔炼法是继白银炼铜法之后我国自主开发出的又一熔池熔炼新方法，它又叫水口山炼铜法。水口山炼铜法是由水口山炼铅法发展而来的，最初是利用炼铅的水口山炉处理含金和砷的硫精矿进行造锍熔炼，使金富集于锍中( 造锍捕金工艺) 。1 9 9 1 1 9 9 2 年该方法在日处理5 0t 炉料的炉子上进行了连续2 1 7 天的半工业试验，1 9 9 4 年在中国取得专利权，被命名为水口山炼铜法。“。水口山炼铜法的首次大规模工业实践是在山东方圆有色金属集团，方圆公司的底吹炉结构如图卜1 所示。道猫“氯缝图卜1 富氧底吹熔炼炉示意图0 1主体核心设备是一台中4 4 m x l 6 5 m 的卧式可回转反应炉，内衬厚度为3 8 0 m m 的铬镁砖，外形类似诺兰达炉和智利的特尼恩特熔炼炉，不同的是诺兰达炉和智利特尼恩特炉通过风口送氧，而底吹炉是氧枪送氧。在炉腔两侧壁上分别有一个主烧嘴和辅助烧嘴，由于整个熔炼过程为自热式的，故主辅烧嘴只是在熔炼开始时使用。底吹炉共有9 支氧枪，分两排布置：下排呈7 。角，5 支氧枪，上排呈2 2 。角，4 支氧枪，上下排的氧枪夹角为1 5 。错开排列。氧枪由内氧枪( 氧气支管) 和外氧枪( 空气支管) 组成，内氧枪套在外氧枪中间，里面通以高压氧气，外氧枪则通入高压富氧空气。由于熔渣密度小于铜锍密度，故熔渣分布在铜锍的上部，所以在熔炼炉底部有一个放铜锍口，用以定时将铜锍放出。在熔炼炉的右侧壁有一个定时放熔渣的出口；在熔炼炉的顶部有三个加料口，另外还有一个烟气出口。与底吹炉配套的有：采用深冷法，能力为1 0 0 0 0 m 3 h 的制氧站；烟气处理能力为1 2 万m 3 h 的硫酸生产系列；3 台中3 8 x 8 1 m 的转炉系统；相应的余热锅炉，电收尘和渣缓冷，渣选矿系统等“。富氧底吹熔池熔炼过程是将含氧7 5 的富氧空气由多支氧枪分散成许多细小的气流从炉子的底部送入1 3 5 m 深的熔体中( 氧枪深入熔池很短) ，显然它的液，、 相与气相有较大的接触面积，较长的接触时间( 顶吹的艾萨炉是用一支氧枪插入熔体液面深度2 0 0 - 3 0 0 m m ) 。这一工艺具有较高的熔炼强度，熔炼过程中可不需配任何燃料，能实现无碳自热熔炼，能源消耗低，c o ：排放少，与国外的熔池熔炼工艺如顶吹的艾萨、奥斯麦特、三菱法，侧吹的诺兰达、瓦纽科夫等炼铜方法相比，其能源消耗是最低的。氧气溶剂铜精矿烟尘等返料渣? 矿铁精矿返熔炼渣尾矿粗铜上送阳极炉精炼高钙渣i+返熔炼图卜2 底吹熔池熔炼过程工艺流程图底吹式熔池熔炼铜的工艺流程如图卜2 所示。混合矿料不需要干燥、磨细，配料后由皮带传输连续从炉顶加料口加入炉内的高温熔体中，氧气和空气通过底部氧枪连续送入炉内的铜毓层，炉料中的f e 、s 不断被迅速氧化、造渣。硫生成二氧化硫从炉子的排烟口连续地进入余热锅炉，经电收尘后进人酸厂处理。炉内形成的炉渣从端部定期放出，由渣包吊运至缓冷场，缓冷后进行渣选矿，生成的铜锍从侧面放锍口定期放出，由铜锍包吊运至p s 转炉吹炼。1 1 3 底吹式熔池熔炼炉的熔炼过程无论何种铜冶炼工艺，从化学的观点看都是一个氧化脱硫、除铁的过程。从冶金反应工程学的观点分析，这些方法可以分为两种，即鼓泡式熔池熔炼和射流式熔池熔炼。当从风口送入的富氧空气出口线速度较低，修正的弗劳德准数较小，这时气流实际上是以脉冲式喷入熔体中，属于气泡产生体系，为鼓泡式熔池熔炼：当喷嘴出口气体线速度较高，达到或超过音速，修正弗劳德准数较高时，气体以连续稳定的流股状态喷入，称为射流，这样的熔池熔炼为射流式熔池熔炼。射流式熔池熔炼的气流，由于流速较高，呈稳定的气流，经过喷嘴进入熔 体内，并且仍保留有一定高度的气柱，其高度随气流速度增加而增高。底吹炉 属于或接近射流式熔池熔炼，由于它采用的是直筒式氧枪，无论氧气压力多大， 气流出口速度都达不到音速，更达不到超音速，只能是接近音速，接近射流式 熔池熔炼。在接近射流的底吹式熔池熔炼炉内部，喷入气体一熔体一矿料三者之 间存在着复杂的传输过程和多相流动行为。 ( 1 ) 矿料与混合熔体之间的传输过程 矿料经图卜l 所示进料口投入熔池。为了分析问题的方便，首先对相对静 止的熔池内矿料与熔体的传热进行讨论。在相对静止的熔池内，当矿料加入到 底吹炉的熔体表面时，在冷料的周围首先生成一层硬壳或外皮，他们在矿料颗 粒上逐渐变大直至最大厚度。当熔体和硬壳间的对流传热大于矿料颗粒内传导 出的热量时，矿料颗粒便开始熔化，矿料颗粒及其硬壳完全熔化所需时间是可 以计算的，计算方法在现代铜冶金学一书中有详细描述4 1 。当鼓入富氧空气使 熔池得到激烈搅拌的情况下，固体矿料颗粒的传热率比自然对流条件下的传热 率高得多，且矿料层的矿料很快就被卷入熔池中，迅速熔化和熔体成为一体。 而矿料是不断加入的，所以不断加入的矿料和不断熔化的矿料便存在了动态平 衡，在正对加料口的位置形成稳定存在的料层。料层的表面并不是平稳的，由 于气体的鼓入，在正对底部氧枪的位置会产生喷溅现象，从而带动表面矿料进 入熔池内部，同时带动整个熔池的波动，而液面波动的幅度从正对氧枪的位置 向两侧递减，因此，在远离氧枪的沉淀区，熔池表面波动很不明显，内部熔体 也较平稳，不再存在剧烈的搅动，这样的状态将有助于铜锍和炉渣根据密度分 层沉淀，分别从放渣口和放锍口放出。因此，整个底吹炉沿长度方向分为吹炼 区和沉淀区。在喷嘴鼓入的压缩富氧空气作用下，熔池内熔体得到了强烈搅拌， 强化了传熟传质过程，同时增大了气体一固体矿料一熔体间的接触面积，加速了 反应的进行。熔池内所有化学反应总的表现为放热反应，所以底吹式熔池熔炼 铜工艺可以实现自热熔炼，能源消耗很低。 ( 2 ) 底吹炉的气一液传输特性 在底吹炉内，矿料很快就熔化和熔体混为一体，主要的熔池熔炼过程发生 在鼓入的富氧空气和熔体之间。底吹炉内的流场可划分为三个部分：气液混合 区，湍流区与死区”1 。 由喷嘴喷入熔池的气体与熔体进行动量交换的同时，对其周围造成压力差， 使喷嘴附近形成负压，引起熔体向风口附近流动。另一方面，气体射流由喷嘴 喷出后，沿射流的纵轴向熔池面伸展，射流带动熔体向上运动，熔液衰减射流 的能量，减缓射流的运动，互相运动的同时发生物理化学反应，射流则逐渐扩 大但主射流仍保持着“气柱”或“气舌”的形状，直到达到一定高度后，方在主 d 射流的顶部发生气液交混，而形成气泡带向熔池面伸展口1 。气体从喷嘴喷出到逸出熔池表面过程中和熔体发生的传热传质以及化学反应的区域即为气液混合区。气体到达熔池面时便逸出，熔体则再向下流动形成回流，使熔池熔体不断循环流动。这个不断循环流动的过程，便是氧气和其他气体不断地把能量传送给熔池的过程。熔池的一些区域熔体并未和喷入气体直接接触，而是在气体的带动下发生湍流并剧烈搅动，此区域为湍流区，大多在离氧枪较远的区域。而所谓的死区即为熔池搅动所涉及不到的区域，熔体较为平静，也没有气液混合和化学反应的发生。死区大多存在于底吹炉内的一些死角以及较湍流区更远接近沉淀区的位置。理论上，气液混合区、湍流区以及死区之间并不存在真正的界限，因为熔池内部的搅拌很剧烈并随时受喷气流量和喷吹压力等因素的影响。熔池内不断循环流动的过程，造成底吹熔炼有别于顶吹或侧吹熔炼过程的反应特性和流动特性，使熔池得到充分搅拌，具有更为优越的传质、传热功能，喷入氧气的利用率极高。底吹气体传送给熔池的能量，有气体的动量、冲量、动能和膨胀功。气体动量反映气体具有的机械运动量的大小，气体的冲量反映转移到熔池的机械运动量的大小，气体的动能是由于做机械功而具有的。能量膨胀功是气体热力学概念，计算较复杂，但不难理解：在高温冶金过程中，由于熔池熔液的密度是气体密度的几千甚至上万倍，温度高达1 0 0 0 。c 以上，喷入的常温气体骤然膨胀，则密度差更大，气体的“气泡泵”作用更为显著，等于若干台大功率的气动机械在熔池内工作。水力学模型实验和底吹熔炼生产实践发现，喷嘴喷出气体的压力和喷枪结构选择不当，会出现严重的“气泡后坐”现象、严重的喷溅现象、严重的熔池振荡现象，甚至气流射穿熔池哺1 。( 3 ) 底吹熔炼过程多相流的科学问题熔池熔炼过程多相流动行为的研究有助于对熔炼基础理论的认识，提高熔炼炉的生产效率。了解气泡在熔体中的形成过程和规律，有助于对熔池内气液两相传输行为、气泡和熔体相间作用规律的认识。气泡的形状和大小影响气泡脱离喷嘴进入熔池后的运动规律，运动轨迹以及破碎情况，从而影响熔池的搅拌特性。气泡在熔池中上升速度和生成频率直接影响了熔池的混合特性，气泡在单位时间内生成的越多即对熔池做功越多，对熔池的搅拌效果越明显。气泡在熔体内的上升速度越慢，即停留时间越长，因此气泡内的气体和矿料反应的越充分。气体经喷嘴喷射进入液体，当速度达到一定值时，气液间的接触状态将从鼓泡转为射流( 喷射锥) 。当气液接触状态为喷射锥时，将会产生严重的后 座现象，将会导致氧枪喷嘴的蚀损，影响氧枪寿命。在生产实践中，氧枪的喷嘴处往往会添加各种形状的金属栅格，生产经验表明添加栅格会提高生产效率，但栅格的作用机理有待深入研究。在富氧底吹熔池熔炼过程中，富氧空气通过氧枪喷入熔池中，在喷嘴处形成气泡施加给熔池搅拌能，通过搅拌，氧气和熔体发生化学反应完成造锍熔炼过程，因此，熔池内熔体和氧气混合的越均匀、所花时间越短，化学反应发生的速度越快，也就提高了底吹炉处理炉料的能力，即提高了生产效率。混匀时间是用来表示熔池熔炼设备混合特性的一个重要参数。混合时间的定义为反应器内任何位置上添加物质的浓度完全混合后的最终浓度间偏差不大于q 所需的时间，一般取a = o 0 5 砷1 。混匀时间在一定程度上可以反映底吹炉的混合特性。影响混匀时间的因素有很多，如喷吹流量、喷吹角度、喷嘴间距等都会对混合效率产生重要的影响。基于以上分析，对气体进入熔体后的行为规律、喷嘴栅格的作用机理、底吹炉的混合特性进行研究很有必要。1 2 底吹炉的研究方法针对底吹炉的研究主要涉及三个方面：炉体结构及其辅助设备的研究，底吹炉内部化学反应原理的研究，熔池内多相流行为的研究。本文主要对底吹炉内部的多相流行为进行研究。底吹炉中多相流动行为非常复杂且大多数在高温高压条件下完成，因此很难进行直接观察与测量，数学描述法，模型试验法和数值模拟法是主要的研究方法。近年来，以相似原理为基础的模型试验法和以计算流体力学为基础的数值模拟方法迅速发展，为更好地研究高温熔体内多相流流动力学特性提供了很好的基础。( 1 ) 数值模拟法数值模拟，或称数值仿真，是在传统的实验室模拟实验研究分析方法、数学方程描述方法、代数性的集总参数表象方程描述方法等近似分析方法的基础上，利用现代信息技术原理和手段，发展起来的一种全新概念和方法，目前已成为现代很多工业生产过程及制造业领域实现科技创新的先进思维模式和重要的核心技术。( 2 ) 模型实验法所谓模型实验( 也称物理模拟法) 就是利用相似原理，通过模型实验和借助于必要的测试手段，对所研究冶金体系的过程进行观察和显示。模型实验法主要针对流场进行模拟实验，对熔池熔炼过程中的混匀时间、去夹杂、流场速 度场、气泡运动、喷嘴位置及角度、喷吹流量等的设计或优化提供试验数据支持n 叩。模型实验研究方法又分为热模实验研究和冷模实验研究，热模实验研究方法即尽量模拟接近实际工况的冶金设备，对实验设备要求较高，实验数据较难获取，因此应用并不广泛。冷模实验即在常温情况下进行实验，一般采用水模拟实际熔体，因此也称为水模型实验。综合考虑两者的优缺点，考虑到物料投进熔池内很快就会变为熔体，本文采用水模型实验的方法仅对底吹炉内的气液两相流进行研究。( 3 ) 水模型实验法水模型试验模拟过程就是根据相似原理，以模型和原型之间的物理相似或几何相似为基础的一种模拟方法，通过物理模型和借助于必要的测试手段，对所研究体系的过程进行观察和显示，用于真实体系的描述，直接为优化工艺过程或为开发新流程提供依据。其中模型能否模拟或再现一个真实系统是关键，要求模型遵循相似定理，建立水模型时具体要保证几何相似、运动相似、动力相似和热力相似。现在常用的模拟手段为水模拟高温熔体，甘油水溶液模拟熔渣，有机玻璃制作的模型模拟各种冶金设备i 这样在设备中就能形成由气体、夹杂物和各种高温熔体熔渣等组成的多相流区域，建立这样的水模型以便于直接观察和测定熔体等流体的流动情况，将观察到现象进行定性和定量分析，然后再转化为实际的生产流动情况，为实际冶金设备的设计和优化提供依据，此外，还能从水模型试验中探索总结出一些新的规律现象。1 3 冶金过程气液两相流动模型实验研究进展鉴于国内外文献对于底吹炼铜过程气液两相流研究较少，本文参阅了其他冶金过程对气液两相流的研究方法。目前国内外普遍采用水模型试验来研究各种冶金炉中高温熔体多相流物理流场问题，针对所确定的炉型，研究诸如喷吹元件的布置及数目、吹气量、混合复吹技术、熔池深度、喷枪枪位位置及高度等因素对冶金多相混合及冶炼过程的影响，并进行多次改进试验装置及原理，从而使各种高温冶金炉达到最佳的冶金效果。1 3 1 钢铁冶金中气液两相流模型实验研究进展( 1 ) 摇包模型实验研究摇包是把钢包或铁水包放在具有平面偏心旋转的台架上，靠驱动设备带动偏心轴使之进行偏心摇转运动。包内液体金属产生激烈的混合、搅拌和传质过程以达到冶金上的要求。实验研究显示，摇包做无自传偏心摇转运动时，根据速度的不同，存在三7 亟堂鱼j 金塞箍二重绪论种临界状态。埃克托普( s e k e t o r p ) 和考琳( b k a l l i n g ) 最早研究了摇包内液体运动，后来石井小太郎也对此问题进行了模型试验研究，得出了计算临界转速的经验公式n 2 m 1 州1 ”。对液体的运动形态进一步研究显示液体粘性对临界转速起始点无影响，也就是说，摇包内液体的波动性状和临界转速主要受弗劳德数控制，而雷诺数影响较小，仅对波的高低有一定影响；熔池内部液体运动随转速的增加可分为三个不同状态区，即以表面波动为主的表面波动区、以旋转运动为主的旋转运动区和从前者到后者的过渡区。蔡志鹏对液体粘度的影响作了一系列的研究，认为对于粘度在0 0 0 1 p a - s 以下的液体，其粘度对临界点、波形、波幅的影响可以忽略不计“。国内外学者对摇包的模型试验研究非常深入，在摇包内两相液体间传质模拟研究、两相液体的运动规律、两相间的传质等方面取得了大量的研究成果 1 7 儿1 8 】 i 们 2 0 0( 2 ) v o d 过程模型实验研究v o d ( 真空吹氧脱碳) 过程是炼制不锈钢的重要手段，这一过程除了真空环境之外，其他一切和顶吹转炉过程很相似。通过模型试验可以知道影响v o d 过程混合特性的因素主要有底吹元件的布置、底吹气流量、真空度等。”池3 。梁云通过微机控制的多通道气液界面自动测试系统，测定了v o d 水模型中顶吹和顶底复吹时的凹坑边界。通过修正自由射流轴向和径向衰减系数，建立了冲击射流真空条件下，凹坑边界的数学模型”o “。比较了顶吹和顶底复吹时，凹坑界面积随枪高、真空度的变化。在相同条件下，单独项吹时的表面积比复合吹时更大。这种现象的原因尚不清楚，还有待于进一步研究。在v o d 过程传质模型试验研究方面，实验证实传质区域只在液体的表面，界面附近物质通过的速率最慢的一层称为传质边界层，传质速率由边界层厚度决定。用n a o h 溶液代替钢液，c o ：模拟0 。，研究化学反应的平衡问题，得出了传质过程的气液反应速率方程”。综合考虑影响v o d 过程传质速率的因素，得到了以下结论：在一定的喷射条件下，真空度有一临界值，真空度小于此值时c o 。的利用率随真空度的减小而减小；真空度大于此值时，随真空度的增大而增大；底吹气体流量的增加，使得熔池内循环流动加快，附面层厚度减小，传质速率加快；传质速率和c 0 ：的利用率随枪高的降低而增大，有利于传质过程。”。7 ”2 “。( 3 ) 转炉过程模型实验研究转炉炼钢过程是在高温、高速下进行化学反应及动量、质量、能量传输的8 综合过程。自从转炉炼钢问世以来，许多学者用水力模型实验研究和数学模拟的方法进行了不少的有益研究，取得了丰硕的成果。对转炉过程的模型试验研究主要有四个方面。氧气炼钢过程中射流对熔池作用的模型实验研究。这方面内容包括射流超音速核心流长度( 轴线速度衰减、断面速度分布等) 、超音速射流对熔池的穿透作用、有效冲击面积和最佳枪位瞳町口0 | 。转炉二次燃烧双流道氧枪多股射流特性研究。研究结果表明，在同等流量下副氧孔数分布愈多，二次燃烧分布愈均匀，但由于喷头结构所限，6 一l o l l 就足够了，孔数再多二次燃烧改善并不明显口妇口2 瑚3 。氧气炼钢过程中超音速射流湍流特性的实验研究。通过对脉动速度的数学分析及模型试验检验，表明氧枪超音速射流的最大脉动速度不是出现在射流中心轴线上，而是在半锥角为1 0 的圆锥面上口4 儿3 5 1 。由于射流是流动速度很高的流体，速度脉动是明显的，深入了解射流中的速度脉动对于认识射流流动的特征具有一定意义。tm jf a b r i t i u s 等人口6 1 研究了不同的底部供气元件布置对复吹转炉熔池喷溅的影响。研究认为，在吹炼的初期和末期，转炉壁上的喷溅量随着底部供气元件支数的增加而增加( 同时底吹气体流量也增加) ；底部供气元件布置在转炉中心点使金属损增加( 特别是在低枪位时) 。z h a o 等通过在物理模型中测量顶底复吹转炉熔池的混匀时间研究了底吹布置方式对熔池搅拌的影响。结果显示，采用非对称的底吹布置的熔池混匀时间少于对称布置，这归因于它对熔池的搅拌效应。在对称的底吹布置方式下，过高的顶吹气体流速能够损坏熔池扰动和延长混匀时间。1 3 2 有色金属熔池熔炼气液两相流模型实验研究进展有色金属的冶炼过程和技术比钢铁冶金形式多样化，但技术发展程度较慢。对有色金属冶金中的流动、传质开展研究，将有益于新工艺新方法的开发口8 3 9 l 。在对富氧底吹连续炼铅进行模型实验中，刘竹林等着重研究了底吹喷嘴的合理距离，并定义有效搅拌半径。根据大量实验数据用多元逐次回归法直接统计处理并作图，得到回归方程m 1 。根据回归方程，认为有效搅拌半径随弗劳德数、液位深度及喷嘴直径的增加而增加，而随熔池直径和喷嘴间距的增加而减小。并用相应的实验进行了验证。在底吹炼铅设备中设置隔墙是一种常见的做法，隔墙的位置、隔墙洞口的面积、精矿加料量及底吹气体流量都影响到氧化段的混合及留时间，通过水模型实验，可以综合研究这四种因素的影响，从而找出合理的隔墙布置h 川。互 对侧吹熔池炼铜反应器流动特性进行了模型试验研究，对反应器的设计参数进行了优化，找到喷嘴角的最佳值，喷嘴设置的最佳高度。研究了研究了喷射区中心轨迹，搅拌范围，喷嘴的布置和炉子的宽度，喷吹流量对流动特性的影响，加料口位置对混合时间的影响。综合以上因素，给出合理的反应炉设计参数3 。搅拌法炉外脱硫的水模型实验研究中，以悬浮粒子在液体中的混合浓度和不可压缩流体内悬浮粒子的运动相似作为相似条件，搭建了测试粒子混合浓度的实验装置，分析了搅拌杆插入深度对粒子混合浓度的影响，搅拌杆直径对粒子混合浓度的影响，熔池深度对粒子混合浓度的影响“。底吹过程喷射区含气率分布及气液上升速度模型研究，通过测量两相区含气率和上升速度的测量，根据方差模型，给出喷射区中心线上含气率分布以及喷射区边界和喷射区锥角，并验证喷射区内气液上升速度的物理模型。娄文涛等3 根据相似原理制作艾萨炉水模型，对炉中气液两相流进行研究，研究表明：喷吹流量碾自大，气泡的直径越大，气泡底部的冲击深度越深，气泡接触面积也越大。熔池液体在气泡周围做环流运动，靠近气泡的液体向上运动，远离气泡的液体向下运动。从喷枪喷出的高速气流在熔池中形成气泡，并在液面处破裂，气泡频率与喷气流量碱反比关系，喷吹量越大，气泡频率越小，每个气泡的停留时间就越长，可以缩短冶炼时间，提高生产率。1 4 本文研究的主要内容本论文应用化工冶金过程多相流理论与图像处理技术及水的模型实验方法，研究底吹式熔池熔炼炉的氧枪布置方式及气体在炉体内的运动规律，并以电导率法衡量混合效率，从而对炉体结构进行优化。主要内容包括：( 1 ) 根据相似原理，选择关键准则数，搭建实验平台。( 2 ) 气流流出、气泡形成规律的模型试验研究。通过高速摄影仪对气泡的拍摄，应用专业的图像处理软件i m a g e p r o p l u s 和t e m am o t i o na n a l y s i s 对拍摄结果进行图像处理，研究浸入水中喷嘴气泡形成的机理，在水中的运动规律及气泡形状的变化，探究产生这些现象的影响因素。( 3 ) 气泡特性研究。对气泡的直径大小、从形成到脱离喷嘴口的时间、在水中运动时间、运动速度等参数作定量的分析，研究以上结果和气体流量、喷嘴倾斜角度、射流形式( 鼓泡流、喷射流) 之间的联系。探究氧枪喷嘴添加栅格之后对气泡破碎及混匀效率的影响。利用因次分析法推导出影响气泡直径的准数方程关系式。 ( 4 ) 氧枪角度、间距、深入炉体长度对搅拌效率的影响的研究。进行单因素实验，在水中加入电解液，用电导率仪测试水溶液电导率，定义溶液电导率从波动较剧烈到没有明显波动的时间为混匀时间，以此来衡量搅拌效率：改变氧枪角度，在气体流速等其他条件不变的情况下比较不同角度的搅拌效率；改变氧枪间距，在其他条件不变的情况下比较搅拌效率；改变喷嘴伸入炉体长度，用同样的方法衡量搅拌效率。进行正交试验，综合评价以上因素的影响机理。 第二章水模型实验方案的设计模型实验研究方法又分为热模实验研究和冷模实验研究，热模实验研究方法即尽量模拟接近实际工况的冶金设备，对实验设备要求较高，实验数据较难获取，因此应用并不广泛。冷模实验即在常温情况下进行实验，一般采用水模拟实际熔体，因此也称为水模型实验。综合考虑两者的优缺点，考虑到物料投进熔池内很快就会变为熔体，本文采用水模型实验的方法仅对底吹炉内的气液两