大型富氧底吹铜熔炼炉气-锍-渣多相流模拟及澄清区优化研究.pdf

2 0 2 1 年第1 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y Lb g r i m m ．c n 1 d o i l o ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 2 1 ．0 1 ．0 0 1 大型富氧底吹铜熔炼炉气一锍一渣多相流 模拟及澄清区优化研究 穆亮照，赵洪亮，王正，刘风琴 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要铜富氧底吹熔炼作为先进的铜冶炼技术被广泛应用，针对国内单体最大铜底吹熔炼炉存在的熔炼 效率低、渣含铜过高的问题，进行了底吹炉内气一锍一渣多相流场的三维数值模拟研究。以改善熔池搅 拌、降低渣含铜为目标，对氧枪数量、熔池深度进行了优化。结果表明，改变靠近排渣端氧枪数量对延长 澄清区长度、降低渣含铜具有显著的积极影响。关闭2 支氧枪后，渣一锍澄清区相较于原工况延长了 2 7 ．4 2 5 ％ o ．9 2 5m ，关闭4 支氧枪后，渣一锍澄清区延长了5 0 ．1 6 5 ％ 1 ．6 9 5m 。根据熔池搅拌区气含 率和搅拌均匀性，得出熔池较优的深度范围为1 ．5 ～1 ．7m 。 关键词铜；底吹熔炼；渣含铜；多相流；数值模拟；熔池深度 中圈分类号T F 8 1 1文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 2 1 0 1 0 0 0 1 一0 9 S i m u l a t i o no fG a s M a t t e - S l a gM u l t i p h a s eF l o wa n do p t i m i z a t i o n o fC l a r i f i c a t i o nZ o n eo nL a r g eO x y g e nE n r i c h e d B o t t o mB l o w nC o p p e rS m e l t i n gF u r n a c e M U L i a n g z h a o ，Z H A 0H o n g 一1 i a n g ，W A N GZ h e n g ，L I UF e n g q i n S c h o o lo fM e t a U u r g i c a la n dE c o l o g i c a IE n g i n e er i n g ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e 订i n g ，B e 玎i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r 牡t A sam o d e r nc o p p e rs m e l t i n gp r o c e s s ， o x y g e ne n r i c h e db o t t o mb l o w ns m e l t i n gt e c h n i q u eh a s b e e nw i d e l yu s e di nC h i n a ．3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sw e r ep e r f o r m e df o c u s i n go np r o b l e m so f1 0 ws m e l t i n g e f f i c i e n c ya n dh i g hc o p p e rl o s si ns l a gi nl a r g e s tb o t t o m b l o w nc o p p e rs m e l t i n gf u r n a c e ． W i t hg o a lo f i m p r o v i n gs m e l t i n gb a t hs t i r r i n ga n dr e d u c i n gc o p p e rl o s si ns l a g ，o x y g e nl a n c eq u a n t i t ya n ds m e l t i n gb a t h d e p t hw e r eo p t i m i z e d ． T h er e s u l t ss h o wt h a tc h a n g i n gn u m b e ro fo x y g e nl a n c e sn e a rt h es l a go u t l e th a sa s i g n i f i c a n tp o s i t i v ee f f e c to ni n c r e a s i n gl e n g t ho fc l a r i f i c a t i o nz o n ea n dr e d u c i n gc o p p e r1 0 s si ns l a g ． A f t e r c l o s i n gt w oo x y g e nl a n c e s ，s l a g m a t t ec l a r i f i c a t i o nz o n ee x t e n d sb y2 7 ．4 2 5 ％a n do ．9 2 5mc o m p a r e dw i t h t h eo r i g i n a lc o n d i t i o n ，w h i l es l a g m a t t ec l a r i f i c a t i o nz o n ee x t e n d sb y5 0 ．16 5 ％a n d1 ．6 9 5ma f t e rc l o s i n g f o u ro x y g e nl a n c e s ． A c c o r d i n gt og a sh o l d u pi ns t i r r i n gz o n eo fs m e l t i n gb a t ha n ds t i r r i n ge f f e c t ， t h e s u i t a b l ed e p t hr a n g eo fs m e l t i n gb a t hi s1 ．5mt o1 ．7m ． K e yw o r d s c o p p e r ；b o t t o mb l o w ns m e l t i n g ； c o p p e rl o s si ns l a g ；m u l t i p h a s ef l o w ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； s m e l t i n gb a t hd e p t h 收稿日期2 0 2 0 一1 0 一0 8 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 9 7 4 0 1 8 ；中央高校基本科研业务费专项资金项目 F R F _ T P 一1 9 一0 1 6 A 3 作者简介穆亮照 1 9 9 5 一 ，男，山东菏泽人，硕士；通信作者刘风琴 1 9 6 2 一 ，女，河南孟州人，博士，教授 万方数据 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 2 1 年第1 期 我围坚持自主研发的新型底吹炼铜T 艺已发展 成为世界先进的铜熔炼技术。3 ，由于熔池熔炼过程 的高温性和不可见性，研究人员主要借助数值模拟 和物理模型试验进行相关研究。张振扬等叫通过数 值模拟揭示了底吹熔炼炉氧枪人口的压力变化规律 和界面波动行为，发现高效率的物理化学反应区存 在于熔池上部，且气相搅动衰减迅速，难以到达出渣 口。Z H A 等。5 “o 通过顶吹熔炼的水模型试验和数 值模拟发现混合时间主要由湍流黏度和流场决定， 同时研究了顶吹氧枪失效对流场、熔池喷溅及炉壁 受力的影响。王东兴等“进行了水模型试验，探讨 了不同喷气速度、喷嘴直径和喷嘴角度等因素对氧 气底吹造锍熔炼气泡直径和气含率的影响。S H U I 等∞。9 ] 针对铜底吹熔炼过程进行了大量水模型试验， 得出卧式底吹炉混合时间与气流速度和熔池高度的 经验关系式。张红亮等。1 ”] 对底吹炼铅过程进行了 数值模拟研究，发现氧枪上方搅拌剧烈、渣相存在涡 流，传递、反应得到强化，升高入口速度能提升熔炼 效果。余跃“一对底吹炉渣、铜锍、粗铜、空气四相的 流动过程进行数值模拟，研究了气体流量对铜底吹 炉吹炼过程的影响。李鹏等【”J 根据底吹熔炼过程 的特点，通过模拟优化了氧枪排布，发现在单排氧枪 排布方式下，o 。～1 4 。内倾角越大越有助于熔炼；而 在双排氧枪的排布方式下，非对称排布有利于熔池 搅拌。闫红杰等_ _ l n 通过数值模拟发现，底吹炉单排 氧枪倾角在17 。～2 2 。时，熔池各项指标及状态较好； 双排氧枪倾角在1 2 。和2 2 。时，熔池搅拌混合状态较 好。I 。A 1 等1 ’。也建立了氧枪模型并优化了氧枪数 量、氧枪布置。张体富等引通过数值模拟研究了底 吹氧枪结构对熔池搅拌效果的影响，发现多层栅栏 枪口结构有助于强化熔池内部的搅拌。T A N G 等。1 6 。对铜底吹熔炼丁艺的熔池温度、进气富氧量和 进料量进行了参数化研究，发现较高的熔池温度和 较高的富氧量可以提高冰铜中的铜含量。刘方 侃[ 1 73 对底吹炼铅过程中的多相流行为进行了非稳 态数值模拟，优化了底吹铅熔炼各项参数，与水模型 对比验证了数学模型的可靠性。王书晓等。旧1 ”对 底吹炉氧枪出口处的蘑菇头进行了水模型和数值模 拟研究，发现蘑菇头的生成主要受气体流量和低温 气体温度影响。杨鹏等。4 ’通过仿真研究发现，底吹 炉氧枪出口处蘑菇头的存在使气泡体积与表面积更 大、气泡在炉内停留时间更长，有利于反应充分进 行，炉内流体的搅拌效果也得到了优化。 尽管目前已有大量水模型试验及仿真研究，但 本文所研究的国内单体最大铜底吹熔炼炉结构与先 前的底吹炉相比发生了变化，炉体底部由多支单氧 枪排列改变为多组氧枪排列 每两支距离较近的氧 枪形成一组 ，目前存在渣含铜偏高、搅拌不均、熔炼 效率低等问题。本文采用V F 模型及标准肛￡湍 流模型对底吹炉内气锍一渣多相流场及渣一锍澄清区 进行模拟优化，通过改进澄清区附近氧枪喷吹强度 及优化熔池深度，以延长澄清区分布，改善熔池搅拌 效果，提高熔炼效率。模拟结果可对工业上喷吹设 备的更新及工艺参数的改进提供理论指导。 1 模型建立 1 ．1 几何模型 对目前世界最大的卧式铜底吹熔池熔炼炉的结 构特征进行适当简化，选取炉内主要熔体和气体流 动区域作为计算域建立1 1 物理模型。建立炉体 壁面的几何体后通过流体域填充技术完成炉内全部 流体计算域的几何建模，如图1 所示。炉底有1 4 组 2 8 支氧枪，交叉排布在炉体同侧，每组两支氧枪间 距o ．3 8m ，相邻两组氧枪间距1 ．1 5m ，共有1 4 支 9 。氧枪和1 4 支2 4 。氧枪。炉体轴向长度为2 8 ．6m ， 炉膛纵向截面为半径2 ．3 5m 的圆形。在本模型建 立的坐标系下，X 方向 炉体轴向 几何尺寸为 一1 4 ．3m 至1 4 ．3m ，y 方向 炉体径向 为一2 ．3 5m 至2 ．3 5m ，Z 方向 炉体径向 为一2 ．3 5m 至2 ．1 5m 。 底吹炉几何模型的主要简化如下 1 忽略炉体顶部进料、排烟结构和炉体两侧排 渣、排锍口等炉体特征，忽略炉体耐火层厚度，炉体 高度保留至4 ．5m 。 2 为了提升计算稳定性和加快计算速度，对氧 枪做合理简化以提高网格模型的质量和适当缩减网 格数量。不考虑氧枪的具体结构，原炉型中的氧枪 按截面等效面积简化为正方形截面，正方形边长为 O ．0 2 63m ． 图l底吹熔炼炉几何模型 F i g ．1 G e o m e t r i cm o d e Io fb o t t o m b I o w ns m e l t i n gf u r n a c e 万方数据 2 0 2 1 年第1 期有色金属 冶炼部分 h t t l ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 3 1 ．2 网格模型 采用六面体结构化网格划分技术对底吹炉几何 体进行网格划分，得到高质量、平缓过渡的六面体网 格。为提高流体信息捕捉的精度，在氧枪喷射区域 进行了网格加密，针对圆面采用了井字形 型网 格。底吹炉网格模型的网格数量为8 2 0 万，对网格 无关性进行了检验，网格模型如图2 所示。 图2 底吹熔炼炉六面体网格模型 F i g ．2 H e x a h e d r a lm e s hm o d e lo f b o t t o mb l o w ns m e l t i n gf u r n a c e 1 ．3 数学模型 1 ．3 ．1 体积分数方程 由于本文所研究的气一锍一渣组成的气一液一固三 相流存在明显的相界面，故选用V O F 多相流模型。 气相和渣相的体积分数方程为 盖∞瞧 乳h 嘛D 一 1 萎妇渺 n 。雌们一o 2 冰铜相 锍相 的体积分数可由下式计算 d 。一1 一a 。一a ， 3 式中，a 。、a ，和a 。分别为气相、渣相和冰铜相 的体积分数；陆和I D 。分别为气相和渣相的密度 k g ／m 3 ；v 为运动速度 m 尽 。 1 ．3 ．2 运动方程 气、锍、渣j 相共用一套动量方程 茜 ∥ V ∥ 一一V p V 审 V V V V ’ ] p g 厂。。 4 式中，』D 为混合密度 k g ／m 。 ；p 为压力 P a ；∥ 为有效黏度 P a s ；g 为重力加速度 m ／s 2 - 为 界面张力 N ／m 。 f D 和肛的计算公式如下 1 0 一a g P g a 。P s a 。1 0 。、 5 卢一a g ∥g a 。卢。卜a 。p 。， 6 式中，p 。、为冰铜相密度 k g ／m 3 ；∥。、∥，和户。 分别为气相、渣相和冰铜相的黏度 P a s 。 界面张力厂。。选用C F S C o n t i n u u mS u r f a c e F o r c e 模型，公式如下 ～。必等铲 L f D s 十1 0 H ，／‘ 。坠世1 1 里垡 型。里坠- _ ‰8 弋■■菏厂十 L 1 0 T n _ 广f D g ，／‘ ‰、型毫击荒也 ㈩ 民m 1 i F i 花一 ’ 式巾，r ，一V 疗，n 一- 1 * ，n V 诉，r g ，s ， m ；，2 为单位法向量弧。、‰。和氏、、分别为渣相一气 相、冰铜相一气相以及渣相一冰铜相的界面张力 N ／m 。 1 ．3 ．3 能量方程 气、锍、渣三相共用一套能量方程 昙 1 0 E V [ u P E p ] 一V 是鲋V T 8 式中，是棚为有效导热系数 w m1 K _ 1 ，与 P 、∥计算方法一致，由三相体积平均求得；T 为温 度 K ，E 为能量 J ／k g ，两者均通过三相质量平均 求得。 在本文的仿真计算中，并未对温度场进行深入 探究。开启能量方程仅为了给人口、出口和炉体内 部的流体各自一个温度，借以计算气相的密度变化 气相密度选用F l u e n t 不可压缩理想气体模型 。 不可压缩理想气体模型控制方程如下 胁一惫 9 瓜1 式中，‰，为F l u e n t 操作压力 P a ；R 为理想气 体常数；M 。为气体分子量。 1 ．3 ．4 湍流模型 针对底吹炉内的湍流，选用标准肛e 湍流模型， 控制方程如下 茜 球 V 库V 一V [ ∥ 等 吼] 一严 1 0 未c p ， V c 户e V ，一V [ ∥ 等 Ve ] c ，。 专G 。一 e P 詈 式中，是为湍动能 m 2 ／s ；￡为湍流耗散率 m 2 ／s 。 ；口。为湍流黏度 P a s ； ；k 为由层流速度 梯度产生的湍流动能 m 2 ／s 2 ；仃。、矾分别是是和￡ 的湍流普朗特数。 “．的计算公式如下 №一G ≮ 模型中默认参数的数值为 1 1 2 万方数据 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l _ b g r i m m ．c n 2 0 2 1 年第1 期 1 ．4 4 ，C 2 。一1 ．9 2 ，盯k 一1 ．0 ，氓一1 ．3 。 1 ．4 物性参数、边界条件及求解设置 1 ．4 ．1 物性参数 选用F l u e n t 软件中的不可压缩理想气体模型确 定气相的密度。采用H R V 一1 6 0 0 P 型高温黏度测试仪 和S Q V I I 一1 4 型材料高温综合物性测试仪，参照标准 G B ／T4 4 7 2 2 0 1 1 、A S T MC 9 6 5 9 6 2 0 1 7 及G B ／T 2 7 8 4 22 0 1 1 ，对渣相和锍相在高温熔融状态下的密 度、黏度和界面张力进行测定。物性参数设置见表1 。 表l 物性参数设置 T a b l e1 P h y s i c a Ip a r a m e t e r ss e t t i n g 1 ．4 ．2 边界条件及求解设置 氧枪进口处表压设为5 0 00 0 0P a ，湍流强度设 为2 ．7 5 ％，水力直径设为o ．0 2 63m ，进口考虑气体 预热给与较高的温度。炉顶设为压力出口，出口处 表压设为o ，回流方向设为垂直于边界，回流湍流强 度设为3 ．6 5 ％。方程求解采用一节迎风差分格式，各 控制方程残差收敛于1 03 。初始化时，以炉底为基 准，一2 ．3 5 ～一1 ．0 5m 为冰铜相，一1 ．0 5 ～一o ．5m 为渣相，一o ．5 ～2 ．1 5m 为气相，如图3 所示。 图3 气锍渣三相分布 初始化时 F i g ．3T h r e e p h a s ed i s t r i b u t i o no f g a s m a t t e - s l a g D u r i n gi n i t i a l i z a t i o n 2 结果分析 2 ．1 澄清区优化 铜底吹熔炼炉在运行中渣含铜较高，王玲等[ 2 1 ] 通过工艺矿物学研究发现，铜底吹熔炼渣中的铜有 两种赋存状态，冰铜和未反应完全的生料。主要是 熔体局部搅拌剧烈且在排渣期间冰铜沉降不充分造 成的冰铜机械夹带，另一方面是熔体局部搅拌不足 导致了铜铁硫化相的未反应完全和黄铜矿未来得及 参与反应，致使生料夹杂在渣中。由此提出关闭靠 近排渣端的部分氧枪，延长澄清区的长度，以降低澄 清区熔体运动速度、延长澄清时间，进一步实现降低 渣含铜。建立三个模型，模型一为原工况下的模型， 2 8 支氧枪全部开启；模型二为关闭靠近排渣端2 支 氧枪的模型，开2 6 支氧枪；模型三为关闭靠近排渣 端4 支氧枪的模型，开2 4 支氧枪。 2 ．1 ．1 渣相分布及澄清区变化 取截面y 一O ．6 5m 两排氧枪中间的截面 作 渣相分布云图，搅拌区分布在炉体中部，冰铜和炉渣 的澄清分离区位于炉体两侧。在冰铜、炉渣、气体三 相充分混合的喷吹搅拌区，湍流强度较大，熔池搅拌 强度较大，气、锍、渣三相混合剧烈，主要发生造锍和 造渣化学反应。熔池两侧运动速度较小，便于冰铜 和炉渣的澄清分离。搅拌区的渣相分布不均匀，许 多区域处于欠搅拌状态，在弱搅拌区由于搅拌不足， 容易造成渣聚结和反应不完全。强搅拌区的搅拌过 于剧烈，尤其靠近澄清分离区的搅拌若剧烈过度，会 对渣和冰铜的分离造成影响。搅拌不足和搅拌过于 剧烈都会造成渣含铜较高，熔池也常常伴随剧烈的 搅拌而发生喷溅。澄清区靠近端部的渣层纵向位置 较高 Z 值较大 ，靠近搅拌区的渣层位置较低呈下 坠趋势，这是由于渣相密度小于冰铜相密度，渣、锍 经过澄清分离区得到了分离，底部的冰铜相增加，因 而在端部的渣层高度较高，若分离不彻底则端部渣 层位置会较低。从图4 渣相分布来看，关闭2 支和 4 支氧枪，澄清区明显延长。 取渣层中部一条线段上的数据进行分析 截面 y 一一o ．6 5m ，z 一一o ．7 5m ，以渣相体积分数超过 9 0 ％的部分为澄清区，3 个模型渣相分布的对比如 图5 a 所示。关闭2 支氧枪 模型二 相较于原工况 模型一 澄清区长度增加了2 8 ．2 4 ％ o ．9 2m ；关 闭4 支氧枪 模型三 相较于原工况 模型一 澄清区 长度增加了5 1 ．4 5 ％ 1 ．6 8m 。随着关闭氧枪数量 的增加，澄清区的长度得到了明显延长，有利于增加 渣、锍混合相的分离时间。 取略低位置作同样的数据处理 截面y 一 一o ．6 5m ，Z o ．7 7m 如图5 b 所示。关闭2 支 氧枪相较于原工况澄清区长度增加了2 6 ．6 1 ％ o ．9 3m ；关闭4 支氧枪相较于原工况澄清区长度 增加了4 8 ．8 8 ％ 1 ．7 1m 。对两条线段上的数据求 平均，关闭2 支氧枪后，冰铜相和渣相的渣～锍澄清 区延长了2 7 ．4 2 5 ％ 0 ．9 2 5m ，关闭4 支氧枪后， 渣一锍澄清区延长了5 0 ．1 6 5 ％ 1 ．6 9 5m 。 万方数据 2 0 2 1 年第1 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 S l a g ．V o l u m ef r a c t i o n ■■■■■■■■王二] _ q ◇◇◇◇◇◇◇ 澄清区 截面所在位黄 澄清区 a 原I 况； 1 关闭2 支氧枪； c 关闭4 支氧枪 图4 不同工况下的渣相分布 F i g ．4S l a gp h a s ed i s t r i b u t i o nu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s 图5 c 为炉体端部纵向一条线段上的渣相分布 截面y 一一0 ．6 5m ，X 一1 3m ，此线穿过澄清区。 开始阶段由于处于冰铜区，渣相体积分数为o 。随 着高度的增加，渣相体积分数随之增加，到达渣层时 接近为l ，超过渣层后，渣相体积分数又变小，最终 掇 惫 鼷 垃 罡 翅 此界面为y 一06 5 ⋯ 在气相区其值变为o 。随着关闭氧枪数量的增加， 渣层所处高度随之增加，这是由于渣层含冰铜减少 导致了渣层密度的降低和底部冰铜的增加，同样说 明关闭靠近排渣端的氧枪有利于渣相和冰铜相的澄 清分离。 妊 末 聪 垃 墨 制 图5不同工况下渣相的轴向及径向分布 F i g ．5 A x i a la n dr a d i a ld i s t r i b u t i o no fs I a gp h a s eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s 2 ．1 ．2 速度及流场分布 选取靠近炉体底部9 。氧枪位置的截面作速度 分布图，如图6 所示。每组氧枪两侧形成两个高 速环流，底吹炉两端的澄清区各有一个较大的低 速环流。流场的高速区分布在熔池中部的搅拌 区，且在每组氧枪位置气流比较集中，易发生气流 聚并现象。流场速度在搅拌区的变化范围较大， 在每组氧枪间隙，流速成较大梯度降低。氧枪上 万方数据 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 2 1 年第1 期 方的喷吹区速度超过1 0m ／s ，而与之距离较近的 很多区域速度却只处于1m ／s 之内。速度分布与 渣相分布互相印证，搅拌区速度较低的地方，气、 锍、渣三相混合不充分造成反应不完全，而速度过 高的强搅拌区则易发生喷溅，尤其靠近排渣端的 V e l o c i ‘y m ‘s - 1 ●●■隧j J ■■ ◇◇◇S ◇◇守◇审梦 强搅拌区对渣、锍分离有较大的负面影响，会造成 过多的冰铜与渣无法完全分离而停留在渣中。若 喷吹区相邻的两支气流发生聚并现象还会造成气 液接触面积减小、气液接触时间变短等负面影响， 进而降低熔炼效率。 图6 原工况炉内速度分布 F i g ．6V e I o c i t yd i s t r i b u t i o ni no r i g i n a lc o n d i t i o n s 流场迹线如图7 所示，在原工况的氧枪排布下， 端部渣相和冰铜相的循环流动较为明显，说明渣、锍 循环通量较大，会延缓渣、锍的澄清分离。关闭靠近 排渣端的2 支和4 支氧枪后，端部循环流动减弱，有 助于改善渣、锍的澄清分离效果。 V e l o c i t v m s 一1 1 ◇◇Q p 夕夕心≯◇b p ∥ 本仿真模型未对炉内温度场进行深入探究，氧 枪关闭后可能会造成渣温下降过大，流动性变差。 因此，可对靠近排渣端的2 ～4 支氧枪进行降低喷气 量的操作以减弱渣一锍澄清区的搅动，同时也能防止 渣温过低，以免影响渣、锍的澄清分离和排渣。 a 原工况； b 关闭2 支氧枪； c 关闭4 支氧枪 图7 不同工况下的流场流线 F i g ．7 S t r e a m l i n eo ff l O wf i e l du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s 万方数据 2 0 2 1 年第1 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 7 2 ．2 熔池深度优化 在熔池熔炼中，熔池深度对生产有较大影响，熔 池过浅或过深，可能会导致熔池气含率不足及搅动 均匀性差等现象，进而导致反应不完全、熔炼效率低 等问题。原工况下，冰铜相质量为6 0 85 6 9 ．5 0k g ， 渣相的质量为2 8 91 8 6 ．1 9k g 。现保持冰铜相与渣 相的质量比值一致，探究熔池深度的变化对铜富氧 底吹熔炼的影响。通过M A T L A B 编程求出不同熔 体质量情况下的熔池深度及各相厚度。共设置6 种 不同的熔池深度，熔体相对质量的范围为o ．7 至 1 ．2 1 ．o 为原工况 ，对应的熔池深度、冰铜相厚度、 渣相厚度如表2 所示。 表2 熔体相对质量一熔池深度对应表 T a b l e2 C o r r e s p o n d i n gt a b l eo fm e l tr e l a t i V e q u a l i t ya n ds m e l t i n gb a t hd e p t h 相对质量熔池深度／m冰铜相厚度／m渣相厚度／m 1 ．4 4 1 ．5 8 1 ．7 2 1 ．8 5 1 ．9 8 2 ．1 2 气含率为熔池内部气相体积占气液总体积的百 分比，气相对炉内多种流体之间的搅拌起到重要作 用，同时也参与化学反应，影响炉内的速度分布和温 度分布；熔体的速度标准差则能够体现熔体搅拌均 匀性，搅拌均匀性对熔炼效率有着较大影响，如2 ．1 节所述，搅拌过于剧烈和搅拌不足均会致使有铜停 留在熔炼渣中而无法分离。现考察气含率、熔体速 度标准差 S D 两个指标来判断熔池深度的优劣，除 去两侧澄清区仅对搅拌区进行分析，气含率的计算 范围为熔池的搅拌区，熔体速度标准差的计算范围 则是熔池搅拌区去除气相后的熔体 渣相和冰铜 相 。由于网格体积的非均一性，采用公式 1 3 和 1 4 分别计算得到了不同熔池深度下的气含率和 S D ，计算结果如图8 和图9 所示。 ∑％K e 。 立b 一 1 3 ∑V i ．S D 一 1 4 ∑让 ‰ ‰ V ； i 掌1 ∑ 口；； ‰ V i 1 ∑ ‰ ‰ V ， V 。。。一』土一 1 5 1 6 式中，以为熔池搅拌区的网格数量；e 。为气含 率；‰为第i 个网格的气相体积分数；口f s 为第i 个 网格的渣相体积分数；口；。为第i 个网格的冰铜相体 积分数；V 。为第i 个网格的体积；让为第i 个网格 存储的运动速度；口。为熔体平均速度；V 。。为熔体 所占网格平均体积。 熔池深度由浅变深后，气体从氧枪喷人后到达 熔池表面的距离延长，使得气体在熔池中存在的时 间增长，熔池的气含率增大。高速的气体分子与周 围更多的低速熔体分子发生动量和能量传递，熔池 搅拌增强，熔体之间的速度差缩小，熔体速度标准差 呈减小趋势，搅拌均匀性更好，熔炼效率也会随之提 升。由于模型采用的喷气量较大，当熔池深度为 1 ．5 8m 时，气含率达到2 6 ．1 0 1 ％，熔体速度标准差 为O ．1 6 8m ／s 。当熔体深度持续增加，熔体质量也 随之增加，尽管气体在熔池内停留时间也在延长，但 熔池整体的气含率降低。随着熔池深度的不断增 加，熔体分子越来越多，高速气体分子所携带的动量 和能量不足以传递给数目不断增加的低速熔体分 子，靠近气相喷吹区的熔体分子能够通过动量和能 量传输获得较高的速度，而距离较远的熔体分子由 于无法获得足够的动量和能量进而导致速度较低， 故而熔体速度标准差增加，搅拌均匀性变差。综上， 得出较优的熔池深度范围为1 ．5 ～1 ．7m 。 图8 气含率随熔池深度的变化曲线 F i g ．8C h a n g eo fg a sh o l d u pa td i f f e r e n t s m e l t i n gb a t hd e p t h 万方数据 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y I ．b g r i m m ．c n 2 0 2 1 年第1 期 熔池深厦，m 图9 熔体速度标准差随 熔池深度的变化曲线 F i g ．9C h 蛐妒o fS Do f m e l tV e I o c i t ya td j 船e r e n ts m e I t i n gb a t hd e p t h 3结论 1 改变靠近排渣端氧枪数量对延长澄清区长 度、降低渣含铜具有显著的积极影响。与原工况相 比，关闭2 支氧枪后，渣一锍澄清区延长了2 7 ．4 2 5 ％ 0 ．9 2 5m ，关闭4 支氧枪后，渣一锍澄清区延长了 5 0 ．1 6 5 ％ 1 ．6 9 5m 。 2 熔池深度由浅变深后，气含率升高，熔体速度 标准差降低，搅拌均匀性变好，当熔池深度为1 ．5 8m 时，气含率达到2 6 ．1 0 1 ％，熔体速度标准差为o ．1 6 8 叫s 。 熔池深度继续增加后，气含率随之降低，熔体速度标 准差也随之升高，搅拌均匀性变差。得出较优的熔 池深度范围为1 ．5 ～1 ．7m 。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 参考文献 杜新玲，赵高峰，王红伟．氧气底吹炼铜技术的工业化 应用[ J ] ．中国有色冶金，2 0 1 8 ，4 7 4 4 6 ，7 3 ． D UXL 。Z H A 0GF 。W A N GHW ．I n d u s t r i a l a p p l i c a t i o no fo x y g e nb o t t o m b l o w i n gc o p p e rs m e l t i n g t e c h n o l o g y [ J ] ．c h i n aN o n f e r r o u sM e t a I l u r g y ，2 0 1 8 ， 4 7 4 4 6 ，7 3 ． 陈知若．底吹熔池炼铜技术的应用[ J ] 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n ds i m u l a t e ds t u d yo ng a s I i q u i df l o w a n dm i 妯n g b e h a v i o ri na n1 s A S M E L Tf u r n a c e [ J ] ．M e t a l s ，2 0 1 9 ， 9 5 5 6 5 ．D O I 1 0 ．3 3 9 0 ／m e t 9 0 5 0 5 6 5 ． [ 6 ]z H A 0HL ，L uTT ，L I uFQ ，e ta 1 ．c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c ss t u d yo nat o p - b l o w ns m e l t i n gp r o c e s s w i t hl a n c ef a i l u r ei na nI S A