液态高铅渣直接还原工艺数值模拟研究.pdf

1 6 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - - 7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．0 5 ．0 0 4 液态高铅渣直接还原工艺数值模拟研究 易操1 ’2 ，朱荣1 ，李智铮1 ，乔保东3 1 ．北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．安泰科技股份有限公司，北京1 0 0 0 8 1 ； 3 ．中国恩菲工程技术有限公司，北京1 0 0 0 3 8 摘要基于液态高铅渣直接还原冷态试验相关参数，利用C F X 数值模拟软件对冷态试验进行数值模拟。 研究发现随着焦炭粒度的增加，熔体穿透速度逐渐增加；随着熔体黏度的增加，穿透速度逐渐减小。 C F X 数值模拟的熔体穿透速度与实测速度变化趋势基本一致，验证了数值模拟应用于液态铅渣直接还 原试验的可信性。为液态铅渣直接还原工艺参数优化提供参考。 关键词高铅渣；数值模拟；直接还原 中图分类号T F 8 1 2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 lJ 0 5 一0 0 1 6 0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fL i q u i dH i g h L e a dS l a gD i r e c tR e d u c t i o nP r o c e s s Y IC a 0 1 ”，Z H UR o n 9 1 ，L IZ h i z h e n 9 1 ，Q I A OB a o - d o n 9 3 1 ．S c h o o lo fM e t a l l u r g i c a la n dE c o l o g i c a lE n g i n e e r 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 i j i n g 。 B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a2 ．A d v a n c e dT e c h n o l o g y M a t e r i a l sC o ．，L t d ．I n c ，B e i j i n g1 0 0 0 8 1 ，C h i n a ； 3 ．C h i n aE n f iE n g i n e e r i n gC o r p o r a t i o n , B e i j i n g1 0 0 0 3 8 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h er e l e v a n tp a r a m e t e r so fl i q u i dh i g h l e a ds l a gd i r e c tr e d u c t i o nc o l dt e s t ，an u m e r i c a l s i m u l a t i o n ．w a sc o n d u c t e do nt h ec o l dt e s tb yu s i n gC F Xs o f t w a r e ．T h es t u d ys h o w e dt h a tp e n e t r a t i o nv e l o c i t yi n c r e a s e dg r a d u a l l yw i t ht h ei n c r e a s i n go fc o k es i z eb u td e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h em e l t i n g v i s c o s i t y ．T h et r e n do ft h ep e n e t r a t i o ns p e e db yC F Xn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a st h es a m ea sc o l dt e s t ， w h i c hv e r i f i e dt h ec r e d i t a b i l i t ya b o u tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fl i q u i dl e a ds l a gt e s ti nd i r e c tr e d u c t i o n ．I t s e r v e da sar e f e r e n c ef o rt h ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o ni nl i q u i dl e a ds l a gd i r e c tr e d u c t i o np r o c e s s ． K e yw o r d s H i g h l e a ds l a g ；N u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；D i r e c tr e d u c t i o n 目前世界上原生铅的生产绝大多数仍采用传统 流程烧结鼓风炉熔炼。传统的烧结鼓风炉炼 铅流程存在着能耗高、返料量大、S O 浓度较低、不 利于制酸、环境污染严重、脱硫不彻底等问题[ 1 ] ，导 致该工艺的使用呈现逐年萎缩的趋势【2 】。因此，在 对传统流程进行改进的同时又出现了许多新的炼铅 方法，如基夫塞特 K i v c e t 法、氧气底吹直接炼铅法 Q S L 法、艾萨 I S A 法、闪速熔炼法等【3 吖] 。其中 直接炼铅法既能实现炼铅工艺的高效、节能，且其原 料综合利用高，环境保护好，与传统的火法炼铅技术 相比有着其独到的优势[ 8 ] 。 作者简介易操 1 9 8 4 一 。男，I ⅡlJ t I 内江人．颈土研究生． 本文通过对液态铅渣直接还原工艺进行C F X 数值模拟试验研究，探索液态铅渣在炉内的运动情 况。同时结合冷态模拟试验结果，验证数值模拟应 用于液态铅渣直接还原工艺的可行性，为该工艺的 工业化实施及参数优化提供理论依据。 1C F X 数值模拟原理 1 ．1 基本方程[ ’3 利用E i n s t e i n 的求和约定，首先写出流场的张 量形式，质量守恒方程式 1 及N a v i e r S t o k e s 方 程式 2 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 1 7 聿 掣业0 a ￡。 a 毛 丛壁尘 掣～娑 莩 B ， 23t a z 。a z i3 z ；j 、 ⋯j 式中B ，为体积力，i 一1 ，2 ，3 ，b 为切应力的张量形 式分量，根据S t o k e s 假定，可写出下面关系式 ％ 肚 慨3 u ‘磊3 u j 一詈碱[ 差] 3 上式最后一项在不可压缩条件下为零。 计算流场应有以下各方程得到满足 1 质量守恒方程掣 0 4 o 』J 2 动量守恒方程墨掣一娑 a 4 J u 上‘ 丢嗽 差 差 ] 阳g i 5 为了使求解方程封闭及求解湍流粘性系数，必 须引入湍动能方程及湍动能耗散方程。 3 湍动能方程 等 V p u b 2V 。[ p 等 V 矗] P t - - f f p k c c ， 6 4 湍动能耗散方程 等 V c 肌，2V 。[ 户 等 V c c ，] 口詈P I 一肛2 7 ’ 式中肛 P 旦，其中P 为密度，U 为速度矢量；】i 9 0 ．0 9 ；a 5 ／9 ；口 0 ．0 7 5 ；以 2 ；％ 2 。 5 能量方程 彤a 。T 。 p 1 Va ⋯T F n w 瓦a T 3 旦x A 筹 艘“。。”。瓦2 一【A 瓦’十 嘉 A 雾 麦 A 要 8 1 ．2 入口及出1 3 的处理 根据质量守恒，入I 1 进入熔体的流量和出口处 流出的熔体流量相等，由工况分别给定人口熔体流 量。 在出口截面上，只有熔体的流出，各物理量沿该 截面的法线方向导数为零 a z u 挈掣銎睾下a T 一0 9 a za za za za za z 1 ～ 2 冷态模拟试验 为了对液态铅渣穿透焦炭柱体直接还原工艺进 行冷态模拟，同时为其C F X 数值模拟试验提供必需 的参数，首先对试验含铅初渣、终渣进行铅含量成分 测定，根据试验铅渣配置9 组不同含铅量的渣系进 行黏度测定，最终确定试验含铅初渣黏度为0 ．6 0 5 P a S ，终渣黏度0 ．1 8P a S 。根据流体穿透多孔介 质运动速度 时间 与其运动黏度相似原理 V 宴／V 羹 阻／p , ，本试验选用黏度值为0 ．6 0 5P a s 的混 合油A 替代液态初渣的动力黏度，而选用黏度值为 0 ．1 8P a S 的混合油B 替代液态终渣动力黏度，模 拟液态铅渣贯穿不同粒度规格焦炭柱体试验。 试验材料混合油A ，混合油B ；四种焦炭颗粒 规格1 ～2e m 、4 ～6e m 、8 ～1 0C E 及M ’ 最大堆 密度 ，试验装置见图l 。 图1 冷态模拟试验装置 F i g ．1 T e s td e v i c eo fc o l dt e s t 利用混合油A 与混合油B 分别对液态初渣及 终渣穿透焦炭柱体直接还原工艺进行了冷态模拟， 试验结果见图2 。由图2 可知，随着焦炭粒度增大， 哥 幽 謇 * 焦炭粒度／m 图2 冷态模拟试验不同焦炭粒度时平均速度 F i g ．2 A v e r a g ev e l o c i t yo fc o l dt e s ta t d i f f e r e n tc o k es i z e 万方数据 熊炭雕粒之叫缝酵越采越夫．从而他熔体穿透热发 往傩的平均速度也随之增太．热成规格为M 鳗 太堆衍度 啊I ．其平均建度肢小．m 此u r 为诙1 ．艺液 卷锃} 盗和娠擞挺供较拄的厦庇时问．使反应蜓克分。 3C F X 数值模拟试验 采用C F X l 00 耕c 体力学软件模拟熔体穿透焦 炭柱体的流动状况。C F X I O0 求解主要是甚于 S i m pL e 的打限体 l 法．由丁本文主要研究流体穿透 多孔介质问趟．为r 保证计算的收敛．悄此采川迎风 格式进行求解。 3 l 数值模拟工艺参数 本攻试验对4 种排炭规格牲魔及2 种模{ c l 熔体． 共计8 种模扭J 赳进行数值摸} c 【，计算柱傩内熔体穿 透搀擞的速度场。J T 艺横拟参数为桂体岛j 堑 12 0 0 m m ，柱体 往3 0 0 m m 、人l J 直径3 m m 、出L I 直 径5m m - L | 个数4 9 个、出口个数d 9 个、慎拟熔体 密度8 8 0k g ／m 1 ，熔体雎尔质量2 0 0k ∥l u n o l 。 32 试喧敛据殛结果分析 首先利川S o l i d W o r k s 2 0 0 4 建矗丁柱体的3 D 宴体横班．然后利用I C E MC F D 生成碍格．模拟柱 体的局部和仝硒刚格嘲如鲥3 所胍。 ， 暗3 局部殛全局同格圈 F 嘻3 1 ．o c a l 仰dg l o b a lg r i d d i ．gc h a r t 分删埘初渣和终渣穿遗不同热炭靴厦的垃程进 行数值模拟．率戎试验共模拟8 种规格．其中韧j 鸯及 终洁在焦炭最大堆密度条件F 迷度场摸拟如图4 ～ 7 所示． 由圈4 及嘲6t | 『她，液巷漉体在m 发柱体顶端 及底端有汇漉作川．其速度较柱体巾央平均建度犬。 在柑蝌的热敷牲度时．终滥井c 动时对称而上的平均 建腰比切济漉动时大。山嘲5 胜嘲7 4 知．终溃横 有色盒属 墙蠊群分 2 0 1 1 年5 期 。L 。 圈4 终渣藏动对称面●太堆密度时建麈矢量田 脚4V d “r j w ”“d 她I h 恤∞ p l ㈣o fm t m m l k “m mh e a pd Ⅲl 、 I 篡 睡 圈5 终渣o ．6m 横截面■大堆密度 时遵度矢量瞳 H 5V e l o c l t yv e c t o r0 r 蛐ds l 蜂f l o w i n go N c r o 辩t i o no f 0 ．6mo rs y m m e t r y i lt h em a x i m u mh 曲pd c n s l 竹 截面速度分布不一．由中心到边缘运渐增大．终渣建 度场边缘技应较强．随着浓卷铅溃黏度减小．肚边缘 效应变强。而蚓7 袤明，初渍横截面建王蛭场鞍均匀- 最边缘世脱出环状带丰要由于试验过程中为避免液 体从啭面顺躐直下．降低壁而边缘艘鹰} 使掖卷铅渍 与高温焦炭充分接世．增加其还娘时M 。 B I8 击嘲，蔽意铅渍A 接还厉c 数值模拟平均建 瞳与其砖卷宴爿平均速度变化凸井摹奉一致．在谩 蔗允许范围内．i 免明利川C F X 数优模拟液卷钳癌直 接还原试验酒试该直接还原工艺参敦n 布定的可 行摊。 嚣～ ～ ～ ～ r协‰■曼薯■|■■|I旷 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 删 r ⋯“ 蓬i 缓 哪7 卸谴0 ．6 m 横氍面量大堆密度时速度矢量图 唧7 “ v e l o c i q ”Mo f p 岫s l 嗥1 1 0 № ∞a 憾 d 两甜0 ．6 m o f 目m Ⅱ岫a t 妇 Ⅱ_ 日m 帅脚 删H 围8 啦横对稚面平均速度与冷态实测遗麈对比 F i g ．8C q 呷q 由嘲b e t v , 恤l m 自雌v e l e c i t y 帆 ■a mo fm m Ⅻ口时n ∞“s l m u l a t i o n ∞d a c i d ’e b d t yb yc o l dt e n 4 结论 1 随若焦炭粒度的坩加，熔体芽透速鹿莲新增 加；随着熔体粘度的增加，穿透建廑逐渐硪小。在最 堆密度时．熔休穿逸谜废址小．穿适时删最怪．随 着液态铅清黏度减小．其边缘效应变强； 2 C F X 数值横拟的熔体穿透速度与宴测速度 变化趋井基夺一致，在误差允许范围之内．可以为液 态钳清直接还原T 艺参数优化提供参考。 参考文献 [ 1 ] * H m p 镕* 岛镕女∞1 1 算n 授m D ] ＆目昆 ∞月I { } m * X ．z 0 0 3 [ 2 * g Ⅻ镕镕目* ＆} 【M ] №镕z m 晰 { 技 m ＆ ．2 0 0 6 [ 列Ⅳ* f ． №，蔚城． Ⅻ自2 1 性≈拽目镕镕硅 ∞ 自 R 目{ ，自e 月 自 n ，2 0 0 0 6 】2 6 口“ 目 镕倍* 口 色＆“c 掉g ． 3 0 0 0 4 t2 0 2 4 [ S Z 阿‰i * ∞ 目自”镕m ％挂 * ＆ 动自 【J ] ∞ 有e g 月．1 9 9 9 6 7 一1 2 【6 ] ％爱R ，Z 复R 传 ＆炼镕技瘦打女∞i 于t 口] e 2 * n ．】9 9 7 1 2 6 [ 7 ] f 成彦．雄伟p 1 ．辱∞蝽拄术日 Ⅱ＆目第自 镕目连* p * P * M C J j 色日* 镕* ．2 0 1 0 1 1 - 9 一1 3 [ 8 j * 风p 镕 口日* I ￡n ＆自女m m [ D _ E ％ E q ⅡI ★{ l _ { n ＆女．2 0 0 5 E g ] f * 计 * 件自女≠H * [ M ] | 匕g * { { 日 * ．z 0 0 4 6 一1 2 * * o } 万方数据