铝小块熔化在回转炉的塑造

1、. .模拟铝碎屑在高速回转炉中的熔化B. Zhou, Y. Yang , M.A. Reuter, U.M.J. BoinDepartment of Geotechnology, DelftUniversity of Technology, Mijnbouwstraat 120, 2628 RX Delft, The NetherlandsReceived 7 April 2005; accepted 21 July 2005Available online 19 September 2005摘要：在一个典型的铝二次冶炼过程中，铝碎屑混合盐形成盐表层，而后在高速运转的熔炉中熔化。这样一个复杂的

2、热冶金学的过程，不仅仅是因为其高温作用和复杂的化学反响，更是因为复杂的铝碎屑类型、大小、形状、成份、性质和其他污秽的污染。在这项研究里，应用建立子模型，分别代表不同成分的铝碎屑，根据它们性质、面积将铝小片分成几组, 建立独立的数量平衡模型(PBM).根据熔化的子模型与CFD计算之间的信息交换模拟铝小片的熔化。除此之外,子模型为提高铝碎屑的效率开发了模拟熔化程序，并且集成在分布的CFD框架 。模拟熔化程序是为了效仿熔炉中的液体流和热气流现象以及其大小形状性质的影响。关键词：做模型、模拟、计算流动动力学、数量平衡、再循环前言：再次冶炼的铝产品被用于许多方面，例如运输、建筑物和包装.(EAA,200

3、4) 近几年来，铝产品快速地增多而且未来还会保持稳定增长。鉴于铝业对生产有益的经济作用和对环境保护的奉献，再循环成为铝业的重要环节。与首次冶炼程序相比, 铝的再循环利用那么大大有益,大约能够节约铝初级冶炼所需能源消耗95%。不过同时铝的再次冶炼也产生了工业三废：废水、废气、废渣。在再次铝冶炼的过程中，熔炉那么相当于一个熔炼厂兼同步运行的别离器。它能够处理被高度污染的铝碎屑。"铝手册"2003 下面举例说明其复杂现象，如图1 将小片铝碎屑投入熔炉中,通过盐层,铝片在熔炉中被熔化、混合、净化。熔炉的冶炼温度大约为800C.天然气和氧气是热源。而后液态铝进被倒入一个器皿熔炉之内进

4、展进一步的提炼之后，被运送到生产合作者那里或被铸块。含有各种污染物的熔渣应该被进一步处理和再利用。程序的复杂不仅仅是因为高温和复杂的化学反响,更是因为复杂的铝片的类型、大小、形状、成份、性质,图画和其他的污染。虽然铝熔炼的程序已经开展了许多年,仅有一点是大家都知道的。图1.转台式熔化炉的例证和在熔炉里面的复杂现象。计算流动动力学是熔炉中溶化铝碎屑程序模型的根底，本研究应用了计算流动动力学来预测溶化速率和能量分配与铝碎屑的类型、特性的关系，进而改善程序。猛烈不稳定的液体流、气体燃烧、放射、热转移都被模拟。为了呈现被分配的铝的属性，开发一个小块熔化的子模型与入口平衡子模型(PBM)并且被集成了CF

5、D。根据处理的铝模型，通过一系列个案研究来理解粒子大小，形状和质量。一程序模型的 CFD 构造1.1.程序模型的根底-CFD 的一般介绍模型治金的程序包括复杂的动力现象，热现象和对传送起重要作用的反响动力。作为研究手段，CFD对于研究各种不同的治金程序是有用的。在这一项研究中,一个商业的 CFD 包装, ANSYS-CFX 5.6,(2003)被当作程序模型的一个构造使用, 其中加倍使用了子模型。工业的旋转熔炉内部刻度的直径为3米, 包括内壁，外部的直径为3.65 m，长度为6.9 m。熔炉有三局部组成：上半局部、内壁、下半局部。狂暴的液体流和燃烧的瓦斯区、热辐射区构成模型的上半局部，固体流态

6、盐和铝金属构成模型的下半局部。熔炉的旋转,大约1.33 转/每分,建造在熔炉墙壁中的桨的激荡并不包含在这个模型之中。没有固定构造的网孔在这一项研究被应用,网孔的总数是88,566 。较好的网孔被用于一些容易被破坏的区域,如熔炉和火焰区域,较粗的网孔被用在熔炉的末端和内壁中。处理器时间对于一个 Pentium 4,2.66 十亿赫兹的个人计算机运行整个模拟或主要部份大约 35 h 计时。1.2. 小块盐域的控制固态-液体区域被认为一种被引导的固体、铝屑和盐固体的混合物。铝片熔化的变化过程被子做模型控制。这样，流动的液体在这个地域没被考虑,热移动的效果通过许多热量参数表现出来。假定铝片和盐很好地混

7、合在一起。在局部材料和同步运行混合材料的状态的根底上计算材料的热性质。根据固体铝片和盐的密度计算这一区域的有效密度不考虑热扩大，假定过程中不出现变化。也可以类似这样的方式给热能力下定义。导电率混合一些增加系数适用于小片盐域的热效应的影响力, 连同在热移动方面的效果由于液体在被熔炉旋转摇动的小片-盐的地域中流动。1.3.起始和边界条件温度和气体流的大概情况。根据出口设定压力边界的条件。热移动系数被应用于外壁。在这种情形下,它是15 W/mK和环境温度被设定为303 K 。气体区域和碎盐区域起始温度是303 K。内壁构造的起始温度是从一个热的空的模拟熔炉中输入的。初始大小的铝片和盐粒子的样品被预先

8、定义。图 1. 在火炉内的旋转熔化的火炉和复杂的现象的例证。输入熔炉中的天然气和氧气与熔炉整体相比，量是非常的少的。这种种情况下，简化输入来减少计算时间。使用CFX在输入端测定速度。1.4. 物理模型(ANSYS-CFX,2003) 被用来燃烧天然气和氧气。这一个模型是以在液体流中，化学反响相对于传送程序是快速的这一观点为根底的。它适用于许多工业化学反响速率比反响物混合比率快的燃烧问题。热辐射对碎盐区域和炉壁的热量转移奉献巨大。别离移动模型(动态同步传输套式)(ANSYS-CFX,2003)被应用。内炉壁的放射率、气体区域和碎盐区域的分界棉被设定为0.8.按照在ANSYS-CFX 实现的全部浮

9、力模拟气体流的浮力。(2003)二 使用子模型2.1 熔化铝片的数量平衡模型数量平衡模型 (PBM)(Sohn 以及其他人。1979)是非常有用的工具，能够呈现动态粒子作为时间功能的大小变化,被分配的物理特性和其他的程序叁数的。有两种平衡模式: 微观平衡和宏观平衡。本研究应用了简化的微观平衡模式。微观平衡模型解释了作为时间功能的粒子数量以极小的体积在任意几何位置变化的原因。一般的微观数量平衡模式是公式情绪商数。 (1)能被简化当fj能够成为是小片的性质 ,大小,形状和热性质。在铝碎片熔化的情况下,铝片大小分配的数量平衡事实上就是计算铝的熔化比率。特定小片粒子的熔化的速率是由位置,时间,当地的温

10、度当地的Nusselt数字,碎片的性质等决定的，而且能够通过使用者开展了的熔化的子模型来计算,下一局部将对此介绍。2.2. 单一过程的废弃熔化模型要计算小块的二次熔化(盐和铝金属)系统在回转炉熔化的速率，实验性研究(Zhou etal， 2002)和数字塑造(Zhou etal， 2003)是单一铝微粒在熔融金属和盐融解过程中第一个局部。 小块微粒的熔化的过程依靠同水准(例如大小、形状、构成和最初的温度)，大块融解的局部(例如融解的温度、液体流动)，当粒子通过盐层如热性能该盐熔体，停留时间，在盐层和高速通过盐层的情况下，如果废料的粒子被视为领域与原始半径R0，由于节约能源方程传热在该系统可描述

11、如下Zhang and Oeters,1998.在加热领域里，当其中r是粒子半径， T是粒子的真实温度，t是时间，是熔点壳，和分别是是热导率范围，是扩散性的金属球。热平衡在时，熔体和硬壳之间的关系，被表示成公式 3中的B.C.2 。当壳形成时，冷金属粒子成为一个热熔胶。为了壳的开展和重熔，当此时，是壳的半径，是壳的密度，是盐熔体的温度，是潜在热量的变化量，h是从大量融化到凝固壳的传热系数，是壳的热扩散系数，在时热平衡，熔体和硬壳之间的关系可以通过公式4中的B.C.2表示。如果批量熔体在这个过程中是改变的，一铝颗粒通过盐层和进入金属液时，可能有两个多层的壳形成。如果熔点范围是高于该壳，在壳内将不

12、会有任何预先融化的领域。并且在这种情况下，当微粒是在被充电的时间段通过盐层数(例如热量物产盐融解、居住时间在盐层数和速度穿过盐层数)的。 如果小块parti- cle被认为球形与一条原始的半径R0，能源节约等式由于热传递在系统能的描述如下 ，为球形的热化，那坚实核心的半径， qp是金属球形的熔点，并且DHp是熔解潜热的球形。 同样，如果球形的熔点低于那壳，前熔化球形内部的边盐壳也许发生，然后治理的等式的界限。(3)，可以如下被表达，假设，.金属液体在壳里面是独特的，并且它合计.图2.盐壳的形成和铝微粒在回炉的实验性数字结果。3. 结果3.1. 一般结果动态液体流动、气体燃烧、辐射和被共轭的热传

13、递在回转炉是在CFD框架内形成的。液体流在气体区域中，热能交换在熔炉熔炼过程的参数详细信息可以得到。 其中一个模型的主要目的是对针对在某种情况下总熔化的时间。 图6显示保持，包括小块和盐的总固体量的改变的历史，反响在时间上。 值得注意的是，被预计的比率由容料的总重量决定，包括小块和盐。 所以可以被认为主要标准为熔化的过程，图4.气体燃烧和液体流在气体区域时t = 9600 s。图5. 在熔炉中温度下降在t = 9600 s时。图6.固体(小块和盐)在小块盐区域的比率由燃料的总重量决定)。5. 完毕语基于处理模型开发了CFD，动力现象、热传递、天然气燃烧和辐射传热在小块熔炼过程中被模仿。 在模型

14、结果测量的数据中运用了最初和边界条件，并且为被用于试样检验。 用子模型为小块燃料的熔化，并且小块燃烧开发并且集成了CFD框架。 一个简单的入口平衡模型用于铝小块熔化，通过对小块熔料的分类建立了一定数量的小块小组。 熔化速率为每个小组的每个融化阶段，每一步计算在熔化的子模型和CFD之间根据框架中与信息进展交换。 因而复杂小块熔料的分布的本质可以被考虑到。参考文献：Aluminium Handbook, 2003. Forming, Casting, Surface Treatment,Recycling and Ecology, vol. 2. Aluminium-Verlag, Du¨

15、;sseldorf.ANSYS-CFX manual and documentation, version 5.6, 2003. ANSYS,Inc.Boin, U., Reuter, M.A., Probst, Th., 2004. Measuringmodelling:understanding the aluminium scrap melting processes inside arotary furnace. Erzmetall 57 (5), 266271.European Aluminium Association (EAA), 2004. Available from:<

16、;./>.Sohn, H.Y. et al., 1979. Rate Processes of Extractive Metallurgy.Plenum Press, New York.Zhang, L., Oeters, F., 1998. Melting and Mixing of Alloying Agents inSteel Melts, Methods of Mathematical Modelling. Verlag Stahlei-sen GmbH, Du¨sseldorf.Zhou,B.,Yang,Y.,Reuter,M.A.,2002.Studyofmeltingbehaviourofaluminium scraps in molten melts. In: Proceedings TMS Fall 2002Extraction and Processing Division Meeting, Lulea", Sweden, June1620, pp.