頂吹氣泡在兩相間運(yùn)動(dòng)的形變過程對(duì)熔池?cái)嚢栊Ч挠绊?/h1>
2014-07-02 01:20:55楊濮亦王沖王仕博朱道飛王華劉泛函熊靚黃梅
化工進(jìn)展 2014年3期
楊濮亦，王沖，2，王仕博，朱道飛，王華，劉泛函，熊靚，黃梅
（1昆明理工大學(xué)冶金節(jié)能減排教育部工程研究中心，云南 昆明 650093；2云南銅業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650102）
頂吹氣泡在兩相間運(yùn)動(dòng)的形變過程對(duì)熔池?cái)嚢栊Ч挠绊?/p>
楊濮亦1，王沖1，2，王仕博1，朱道飛1，王華1，劉泛函1，熊靚1，黃梅1
（1昆明理工大學(xué)冶金節(jié)能減排教育部工程研究中心，云南 昆明 650093；2云南銅業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650102）
針對(duì)云銅艾薩熔煉體系中貧化電爐柴油噴槍混合氮?dú)忭敶等鄢財(cái)嚢璧膬?yōu)化，開展了兩相分層液體浸入式氣體頂吹的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)頂吹噴槍插入熔渣層深度為熔渣層厚度2/3時(shí)即插入冰銅層深度大于冰銅層厚度的1/2時(shí)，氣泡在二者中的運(yùn)動(dòng)符合傳統(tǒng)的氣泡在單一黏性液體中運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；當(dāng)氣泡生成于渣層和冰銅層的分界面及冰銅層中時(shí)，在黏滯力的作用下氣泡上升運(yùn)動(dòng)會(huì)將冰銅帶入到渣層中；當(dāng)噴槍口位于冰銅層后，氣泡穿越兩層流體的分界面后會(huì)形變成氣泡剛剛產(chǎn)生時(shí)的球形，且冰銅被氣泡帶入到熔渣中的量同氣泡在分界面之前的形變量成正比。
貧化電爐；多相流；傳質(zhì)；氣泡；黏度；攪拌容器
艾薩熔煉是目前世界上較為先進(jìn)的銅冶煉方式，其先進(jìn)之處在于艾薩爐可先于貧化電爐將含銅量較高的銅锍與廢渣進(jìn)行初步的分離，再將銅锍在電爐中進(jìn)行進(jìn)一步貧化得到含銅量更高的冰銅（主要成分是Cu2S和FeS），如圖1中所示，使得廢渣的含銅率相比傳統(tǒng)反射爐或電爐熔煉體系大大降低。
貧化電爐體系是艾薩熔煉體系中重要的一部分，爐渣的熔煉貧化就是降低氧勢(shì)、提高硫勢(shì)、還原Fe3O4的過程。當(dāng)含有大量Fe3O4的熔渣從艾薩爐排出后，將其置入貧化電爐中繼續(xù)反應(yīng)、熔煉。降低渣中的Fe3O4含量，將減少銅的氧化損失，從而降低渣含銅；更重要的是，這樣能夠改善冰銅滴在渣中沉降的條件，如黏度、密度以及渣-冰銅間的界面張力等，更有助于冰銅從爐渣中沉降，進(jìn)行下一步熔煉。
因此隨著冰銅的不斷析出，貧化電爐的熔池在放冰銅前，始終處于上層熔渣層不斷變薄、下層冰銅層不斷增厚的動(dòng)態(tài)變化過程，如圖2所示。為了進(jìn)一步降低渣含銅，云銅采用頂吹的方式將柴油噴入到渣層中加快Fe3O4的還原反應(yīng)，并混入氮?dú)饧訌?qiáng)柴油的擴(kuò)散。這個(gè)過程涉及多相流體系中的管內(nèi)油-氣兩相流動(dòng)、氣泡群在黏性液體中的上升、下降運(yùn)動(dòng)、氣泡在不同黏性液體中的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)等多相流流動(dòng)現(xiàn)象。而氣泡在不同黏性液體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律則是本文的研究重點(diǎn)。
1 多相流研究現(xiàn)狀
多相流體系在石油、冶金、化工、核能、動(dòng)力工程及環(huán)境工程等工業(yè)中都發(fā)揮著重要的作用。氣泡在黏性流體中作為一個(gè)分散相，其運(yùn)動(dòng)是一種典型的兩相流動(dòng)現(xiàn)象，有著非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)特性。從鍋爐水冷壁中氣泡的上升到油井中的氣泡運(yùn)動(dòng)，再到本文所研究的冶煉熔池中頂吹氣泡的上升，對(duì)于在眾多工業(yè)應(yīng)用中起到重要作用的氣泡上升現(xiàn)象有個(gè)基本的了解是十分必要的。
國內(nèi)外有很多專家學(xué)者通過理論分析、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究等方法對(duì)單個(gè)氣泡上升過程中的動(dòng)力特性進(jìn)行了大量的研究。尤其早期對(duì)于氣泡在黏性流體或者非黏性流體中上升運(yùn)動(dòng)的研究出現(xiàn)在Hartunian和Sears[1]、Walters和Davidson[2-3]、Wegener[4]以及Bhaga和Weber[5]等的論文中。原則上，多相流數(shù)值模擬系統(tǒng)也可以使用和單相流相同的控制方程。然而，性質(zhì)相近的多流體系統(tǒng)的不穩(wěn)定界面可能會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)中流體的性質(zhì)（如密度和黏度等）的不連續(xù)[6]。為了克服這些在模擬多相流不穩(wěn)定界面所遇到的障礙，學(xué)者們提出了很多實(shí)用的數(shù)值方法，如VOF法[7]、水平集法[8]、界面跟蹤法[9]。盡管如此，由于氣泡在穿越分界面時(shí)運(yùn)動(dòng)方式的復(fù)雜性及特殊性，對(duì)這種存在不穩(wěn)定界面的多相流動(dòng)方式的流動(dòng)機(jī)理目前仍然缺乏一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)，并且目前的研究幾乎全部集中于底吹產(chǎn)生的氣泡。對(duì)于頂吹產(chǎn)生氣泡在黏性流體中運(yùn)動(dòng)的研究，國內(nèi)外不是很多[10-12]，而關(guān)于頂吹氣泡在多相流體中運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)研究幾乎沒有。
圖1 艾薩熔煉與電爐貧化生產(chǎn)流程示意圖
圖2 貧化電爐加裝油氣混合頂吹油槍簡(jiǎn)化模型示意圖
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
在生產(chǎn)實(shí)際當(dāng)中，熔池宏觀上基本處于熔渣和冰銅分層流動(dòng)的狀態(tài)，而還原油槍將柴油及氮?dú)獾幕旌衔飮娙肴墼?，產(chǎn)生頂吹氣泡對(duì)分層流體攪拌的現(xiàn)象。
為了深入了解噴槍的插入深度對(duì)熔渣層及冰銅層的擾動(dòng)效應(yīng)，保證研究結(jié)果對(duì)生產(chǎn)實(shí)際具有指導(dǎo)作用，根據(jù)相似原理設(shè)計(jì)了一組在雙層液體中進(jìn)行氣體頂吹的實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)際中噴槍較細(xì)，無法將熔池和噴槍尺寸完全等比縮小，且實(shí)驗(yàn)中無法對(duì)熔煉高溫引起的氣泡形變進(jìn)行重現(xiàn)，因而無法同時(shí)滿足We數(shù)、Mo數(shù)等所有準(zhǔn)則數(shù)的完全相似。為此，本文采用近似?；╗13]來保證實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)的相似性，即以量綱為1的Re數(shù)作為相似準(zhǔn)則數(shù)，確保實(shí)驗(yàn)得到的分層流場(chǎng)流態(tài)與熔池中大尺度的流場(chǎng)流態(tài)相似。為達(dá)到雷諾?；ǖ南嗨埔?，選取了兩種常溫下互不相溶的溶液模擬熔池中的熔渣和冰銅，這些流體的相關(guān)物理量及計(jì)算所得的Re數(shù)見表1。
實(shí)驗(yàn)同生產(chǎn)實(shí)際一樣使用頂吹的方式，通過空氣壓縮泵將空氣鼓入到分層液體中。頂吹噴管內(nèi)徑3.5 mm，外徑5 mm，液體A厚度約3 cm，液體B厚度約4 cm。插入深度即噴管口距離液體A液面的距離分別為2 cm、2.8 cm、3 cm、4 cm及6 cm，通過使用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)使氣體流量恒定為100 mL/min。采用尼康D60數(shù)碼單反照相機(jī)拍攝氣泡的運(yùn)動(dòng)，光圈值F為2.2，焦距為50 mm，快門速度為1/1250 s，使用功率1300 W的新聞燈進(jìn)行照明補(bǔ)償，在新聞燈前放置白色紙板防止燒杯壁的反光對(duì)拍攝造成影響，以從正面拍攝到清晰的氣泡[14]。整體實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示，每做完一個(gè)插入深度的實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)分層液體靜置5 min，以確保液體分界面的完整。所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。
“老林，今天的會(huì)議怎么沒看到你？會(huì)務(wù)通知你參加——什么？你愛人去世了？哎呀，這事你怎么不早說??？——怪我，現(xiàn)在才給你電話——?jiǎng)e這么說，我們是什么關(guān)系？老林，你節(jié)哀啊，我馬上過來——對(duì)了，老人家千萬不要告訴，九十多歲了，恐怕承受不住打擊。對(duì)對(duì)，行行，我馬上過來，等我來再說。你挺住啊?！?/p>
表1 實(shí)驗(yàn)及成產(chǎn)實(shí)際中的物理量
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 頂吹氣泡在不同黏度流體中的形變
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴管的插入深度為2 cm，如圖4所示，即氣泡僅在液體A中運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣泡從噴管口生成時(shí)為較規(guī)則的球形，在脫離管口向液面上升的過程中逐漸變?yōu)槊毙渭皺E球形。而當(dāng)插入深度為5 cm（插入液體B同樣是2 cm即H1=H2），如圖5所示，即氣泡從生成至運(yùn)動(dòng)到兩種液體的分界面之前是處于液體B中，氣泡從噴管口生成后，在上升過程中依次為球形、帽型到環(huán)形。這個(gè)現(xiàn)象與Hosokawa[15]、Hua和Lou[6]、潘守清[16]、陳斌[17]、Ohta[18]和倪明玖[19]等實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果相符。氣泡在兩種液體中運(yùn)動(dòng)時(shí)的形變差異巨大，是因?yàn)閮煞N液體的密度、黏度、Reynolds數(shù)、Weber數(shù)等物性參數(shù)不同所導(dǎo)致的[20]。在高Re數(shù)[由式（1）可推出黏度小]液體中運(yùn)動(dòng)的氣泡，其頂部和底部間的壓差大，從而誘導(dǎo)較大的氣泡變形。而We數(shù)越大[由式（2）可推出表面張力系數(shù)越小]，氣泡內(nèi)外的壓差越小，抵制變形的能力較弱，從而變形越大。因此在高Re數(shù)和We數(shù)的液體中，氣泡的氣-液分界面會(huì)更加不穩(wěn)定，這在上述作者的研究中也有相應(yīng)的描述。
圖3 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖
圖4 插入深度為2cm時(shí)氣泡在液體A中的運(yùn)動(dòng)
圖5 插入深度為5cm時(shí)的氣泡在液體B中的運(yùn)動(dòng)
圖6顯示的是在插入深度達(dá)到2.8 cm時(shí)，氣泡由球形變?yōu)闄E圓形的運(yùn)動(dòng)距離約為1 cm（圖6中H4），相比插入深度2 cm略有減少（圖4中H3）。這與倪明玖[19]和Wang[21]等的研究結(jié)果相符。由于表面張力、液體黏度及液體阻力對(duì)氣泡形狀的影響較大，因此當(dāng)氣泡在高黏度流體運(yùn)動(dòng)，其尾部有其他流體黏連的時(shí)候，會(huì)使氣泡底部向上的壓力減小，氣泡的內(nèi)外壓差變低，使氣泡變薄。
圖6 插入深度為2.8 cm時(shí)氣泡在液體A中的運(yùn)動(dòng)
3.2 氣泡在分界面處的傳質(zhì)作用
當(dāng)插入深度達(dá)到2.8 cm、噴管口十分接近分界面的時(shí)候，伴隨著氣泡的上升會(huì)有一些珠狀物產(chǎn)生。從圖6(b)、(c)中可以看到，在氣泡的下方首先會(huì)出現(xiàn)一個(gè)錐形物隨著氣泡的上升被拉長，最終與氣泡分離并碎裂成若干個(gè)珠狀物，這些珠狀物會(huì)繼續(xù)跟隨氣泡向上運(yùn)動(dòng)。接著，氣泡在液面破碎，而這些珠狀物則留在了液體A中。另外，這些珠狀物會(huì)在氣泡的慣性力作用下，以噴管為中線形成對(duì)稱的旋流，如圖7所示。
實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)即使噴口沒有與分界面重合，從噴口鼓出的氣泡也越過了分界面，如圖8所示。隨著氣泡的上升運(yùn)動(dòng)，雖然沒有出現(xiàn)拉長的錐狀物，但液體A中依然會(huì)出現(xiàn)大量尺寸較氣泡小得多的珠狀物，且其邊緣顏色較淺，并不像氣泡那樣因反光而在圖片中呈深色。當(dāng)停止供氣后，液體A中的珠狀物會(huì)逐漸落回到分界面，不久后就與分界面融合。上述現(xiàn)象表明，當(dāng)氣泡越過分界面后，液體B會(huì)在黏滯力的作用下隨著氣泡的上升運(yùn)動(dòng)進(jìn)入到液體A中，形成透明的珠狀物。
圖7 插入深度為2.8 cm時(shí)液體A中形成的珠狀物
圖8 插入深度為2.8 cm時(shí)氣泡的初始時(shí)刻
圖9 插入深度為3 cm時(shí)氣泡的運(yùn)動(dòng)
3.3 氣泡穿越分界面的形變機(jī)理分析
當(dāng)插入深度為4 cm、6 cm時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氣泡在液體B中形成后經(jīng)歷一段上升過程穿越分界面時(shí)，會(huì)向液體A中帶入更多的液體B，以至于液體B在液體A中形成一個(gè)柱型，再碎裂成一個(gè)個(gè)液珠落回分界面。從圖10和圖11中可以看出，當(dāng)插入深度為4 cm，液柱直徑約為5 mm，當(dāng)插入深度為6 cm，液柱的直徑約為1 cm，這說明氣泡將液體B帶入到液體A中的量同插入深度成正比。通過觀察發(fā)現(xiàn)，由于氣泡在液體中運(yùn)動(dòng)的路程延長，并且在上升浮力的作用下加速運(yùn)動(dòng)，而氣泡達(dá)到最終穩(wěn)定速度需要一段距離[17，22-24]，因此在這兩個(gè)條件下的氣泡到達(dá)分界面時(shí)刻的速度同噴管插入深度成正比。
為了更清晰地觀察單個(gè)氣泡從生成至破裂的整個(gè)過程，使用了型號(hào)為PCO.dimax HD的高速攝像儀進(jìn)行了拍攝，焦距50 mm，光圈F為2.8，曝光時(shí)間為1/100 s。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)插入深度為6 cm時(shí)，氣泡離開噴口時(shí)為球形，到達(dá)分界面的時(shí)刻為橢球形，而其在穿越分界面的時(shí)刻，其形狀變回了初始的球形，當(dāng)其到達(dá)液體A的液面的時(shí)刻，形狀為橢球形，如圖12。因此，本文作者認(rèn)為，液體B被帶入到液體A中的量是由氣泡到達(dá)分界面時(shí)刻氣泡頂部的表面積所決定的。
進(jìn)一步計(jì)算一個(gè)單個(gè)氣泡從形成到破滅過程中每0.01 s的瞬時(shí)速率，并繪制速率變化趨勢(shì)曲線于圖13中，發(fā)現(xiàn)此趨勢(shì)曲線有3個(gè)拐點(diǎn)，分析其位置分別為14 mm、31.5 mm及50.5 mm處。而液體A中氣泡達(dá)到最大速度的時(shí)間小于液體B，這說明黏度和密度對(duì)其造成了影響。事實(shí)上，氣泡在運(yùn)動(dòng)至10 mm處就已經(jīng)達(dá)到了最大速度，測(cè)量精度產(chǎn)生的誤差造成了圖13中拐點(diǎn)附近顯示出瞬時(shí)速率的波動(dòng)。當(dāng)其運(yùn)動(dòng)至28 mm處即接近分界面處速度突然減慢，界面兩側(cè)不同介質(zhì)的表面張力差異造成了氣泡速度的下降及變形。此氣泡形變?yōu)槌跏嫉那蛐魏蠹催M(jìn)入到液體A中運(yùn)動(dòng)，并完成一個(gè)完整的氣泡上升形變的過程。
圖10 插入深度為4 cm時(shí)氣泡的運(yùn)動(dòng)
圖11 插入深度6 cm時(shí)氣泡的運(yùn)動(dòng)
圖12 插入深度為6cm時(shí)氣泡的運(yùn)動(dòng)
圖13 插入深度6 cm時(shí)氣泡上升時(shí)的瞬時(shí)速率
4 結(jié) 論
根據(jù)對(duì)不同插入深度的頂吹氣泡在兩層流體中運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的觀察，發(fā)現(xiàn)氣泡在不同插入深度條件下的形變及對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)有較大差異。經(jīng)過對(duì)大量的頂吹實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析驗(yàn)證，得到以下結(jié)論。
（1）當(dāng)氣泡在單一黏性流體中運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，其形變符合一些經(jīng)典的數(shù)值模擬模型。黏度小的流體中，氣泡會(huì)經(jīng)歷球形-帽形-環(huán)形的形變過程；而在黏度大的流體中，氣泡則會(huì)經(jīng)歷球形-帽型-橢球形的形變過程。
（2）當(dāng)油槍噴口接近及越過渣層與冰銅層分界面時(shí)，穿越分界面的氣泡會(huì)在黏滯力的拖拽作用下將冰銅帶入到渣層中；氣量越大，帶入的冰銅量越多，從而造成渣含銅量的增加，因此頂吹油槍插入深度不宜超過渣層的2/3。而對(duì)于需要對(duì)上下層液體進(jìn)行混合攪拌的工業(yè)過程，插入深度越深攪拌效果越好。
（3）如果噴管插入深度較深，氣泡穿越兩種不同黏度液體的分界面時(shí)的形變會(huì)產(chǎn)生一個(gè)類似于初始化的效果，即在氣泡運(yùn)動(dòng)至分界面之前即便已經(jīng)形變?yōu)闄E球形氣泡，在抵達(dá)分界面后也會(huì)形變?yōu)橐粋€(gè)球形氣泡。
（4）形變初始化過程的氣泡運(yùn)動(dòng)速度變化是一個(gè)先加速運(yùn)動(dòng)后減速再加速運(yùn)動(dòng)的過程，這是相交界面兩側(cè)不同介質(zhì)的表面張力差異造成的，因此速度減至最低值的時(shí)刻為穿過分界面的時(shí)刻，此時(shí)氣泡恢復(fù)成球形。
需要指出，關(guān)于氣泡在兩種甚至多種黏性流體間運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，本文僅在定性觀察的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了氣泡相間運(yùn)動(dòng)速率的初步定量研究，更多的有關(guān)氣泡運(yùn)動(dòng)的形狀特性、速度、軌跡、數(shù)值模擬的定量研究以及探究其深層的作用機(jī)理等將在未來工作中進(jìn)一步研究。
符 號(hào) 說 明
l —— 特征長度，m
Re —— 雷諾數(shù)
We —— 韋伯?dāng)?shù)
v —— 特征流速，m/s
ρ —— 密度，kg/m3
η —— 黏度，Pa·s
σ —— 表面張力系數(shù)，N/m
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YANG Puyi1，WANG Chong1，2，WANG Shibo1，ZHU Daofei1，WANG Hua1，LIU Fanhan1，XIONG
Liang1，HUANG Mei1
（1Engineering Research Center of Metallurgical Energy Conservation and Emission Reduction Ministry of Education，Kunming 650093，Yunnan，China；2Yunan Copper Industry Co.，Ltd.，Kunming 650102，Yunnan，China）
The experimental study of stratified two-phase liquid was conducted for optimizing the stirring effect of diesel spray mixed with nitrogen into top blowing molten bath in slag cleaning furnace for ISA smelting system. The results showed that when the depth of the blowing nozzle in the slag layer was of slag layer 2/3 thickness and was greater than 1/2 of the matte layer thickness，the motion of bubbles was in accordance with the bubble movement law in a single viscous liquid. When the bubbles formed in the interface of slag and matte layer or in the matte layer，rising bubble will brought the matte into the slag layer by viscous force. If the nozzle was located in the matte layer，bubbles going through the interface were in spherical shape，and the amount of matte brought into the slag by bubbles was proportionate to the degree of bubble deformation.
slag cleaning furnace；multiphase flow；mass transfer；bubble；viscosity；stirred vessel
TF 142
A
1000-6613（2014）03-0617-06
10.3969/j.issn.1000-6613.2014.03.016
2013-09-04；修改稿日期：2013-11-01。
云南省科技計(jì)劃（2013FB020）及校企聯(lián)合基金（KKK 0201352027）項(xiàng)目。
楊濮亦（1988—），男，碩士研究生，主要從事多相流強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)研究。E-mail mailyangpy@foxmail.com。聯(lián)系人：朱道飛，副教授，主要從事冶金過程模擬研究。E-mail archerzdf@126.com。
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楊濮亦，王沖，2，王仕博，朱道飛，王華，劉泛函，熊靚，黃梅
（1昆明理工大學(xué)冶金節(jié)能減排教育部工程研究中心，云南 昆明 650093；2云南銅業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650102）
頂吹氣泡在兩相間運(yùn)動(dòng)的形變過程對(duì)熔池?cái)嚢栊Ч挠绊?/p>
楊濮亦1，王沖1，2，王仕博1，朱道飛1，王華1，劉泛函1，熊靚1，黃梅1
（1昆明理工大學(xué)冶金節(jié)能減排教育部工程研究中心，云南 昆明 650093；2云南銅業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650102）
針對(duì)云銅艾薩熔煉體系中貧化電爐柴油噴槍混合氮?dú)忭敶等鄢財(cái)嚢璧膬?yōu)化，開展了兩相分層液體浸入式氣體頂吹的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)頂吹噴槍插入熔渣層深度為熔渣層厚度2/3時(shí)即插入冰銅層深度大于冰銅層厚度的1/2時(shí)，氣泡在二者中的運(yùn)動(dòng)符合傳統(tǒng)的氣泡在單一黏性液體中運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；當(dāng)氣泡生成于渣層和冰銅層的分界面及冰銅層中時(shí)，在黏滯力的作用下氣泡上升運(yùn)動(dòng)會(huì)將冰銅帶入到渣層中；當(dāng)噴槍口位于冰銅層后，氣泡穿越兩層流體的分界面后會(huì)形變成氣泡剛剛產(chǎn)生時(shí)的球形，且冰銅被氣泡帶入到熔渣中的量同氣泡在分界面之前的形變量成正比。
貧化電爐；多相流；傳質(zhì)；氣泡；黏度；攪拌容器
艾薩熔煉是目前世界上較為先進(jìn)的銅冶煉方式，其先進(jìn)之處在于艾薩爐可先于貧化電爐將含銅量較高的銅锍與廢渣進(jìn)行初步的分離，再將銅锍在電爐中進(jìn)行進(jìn)一步貧化得到含銅量更高的冰銅（主要成分是Cu2S和FeS），如圖1中所示，使得廢渣的含銅率相比傳統(tǒng)反射爐或電爐熔煉體系大大降低。
貧化電爐體系是艾薩熔煉體系中重要的一部分，爐渣的熔煉貧化就是降低氧勢(shì)、提高硫勢(shì)、還原Fe3O4的過程。當(dāng)含有大量Fe3O4的熔渣從艾薩爐排出后，將其置入貧化電爐中繼續(xù)反應(yīng)、熔煉。降低渣中的Fe3O4含量，將減少銅的氧化損失，從而降低渣含銅；更重要的是，這樣能夠改善冰銅滴在渣中沉降的條件，如黏度、密度以及渣-冰銅間的界面張力等，更有助于冰銅從爐渣中沉降，進(jìn)行下一步熔煉。
因此隨著冰銅的不斷析出，貧化電爐的熔池在放冰銅前，始終處于上層熔渣層不斷變薄、下層冰銅層不斷增厚的動(dòng)態(tài)變化過程，如圖2所示。為了進(jìn)一步降低渣含銅，云銅采用頂吹的方式將柴油噴入到渣層中加快Fe3O4的還原反應(yīng)，并混入氮?dú)饧訌?qiáng)柴油的擴(kuò)散。這個(gè)過程涉及多相流體系中的管內(nèi)油-氣兩相流動(dòng)、氣泡群在黏性液體中的上升、下降運(yùn)動(dòng)、氣泡在不同黏性液體中的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)等多相流流動(dòng)現(xiàn)象。而氣泡在不同黏性液體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律則是本文的研究重點(diǎn)。
1 多相流研究現(xiàn)狀
多相流體系在石油、冶金、化工、核能、動(dòng)力工程及環(huán)境工程等工業(yè)中都發(fā)揮著重要的作用。氣泡在黏性流體中作為一個(gè)分散相，其運(yùn)動(dòng)是一種典型的兩相流動(dòng)現(xiàn)象，有著非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)特性。從鍋爐水冷壁中氣泡的上升到油井中的氣泡運(yùn)動(dòng)，再到本文所研究的冶煉熔池中頂吹氣泡的上升，對(duì)于在眾多工業(yè)應(yīng)用中起到重要作用的氣泡上升現(xiàn)象有個(gè)基本的了解是十分必要的。
國內(nèi)外有很多專家學(xué)者通過理論分析、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究等方法對(duì)單個(gè)氣泡上升過程中的動(dòng)力特性進(jìn)行了大量的研究。尤其早期對(duì)于氣泡在黏性流體或者非黏性流體中上升運(yùn)動(dòng)的研究出現(xiàn)在Hartunian和Sears[1]、Walters和Davidson[2-3]、Wegener[4]以及Bhaga和Weber[5]等的論文中。原則上，多相流數(shù)值模擬系統(tǒng)也可以使用和單相流相同的控制方程。然而，性質(zhì)相近的多流體系統(tǒng)的不穩(wěn)定界面可能會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)中流體的性質(zhì)（如密度和黏度等）的不連續(xù)[6]。為了克服這些在模擬多相流不穩(wěn)定界面所遇到的障礙，學(xué)者們提出了很多實(shí)用的數(shù)值方法，如VOF法[7]、水平集法[8]、界面跟蹤法[9]。盡管如此，由于氣泡在穿越分界面時(shí)運(yùn)動(dòng)方式的復(fù)雜性及特殊性，對(duì)這種存在不穩(wěn)定界面的多相流動(dòng)方式的流動(dòng)機(jī)理目前仍然缺乏一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)，并且目前的研究幾乎全部集中于底吹產(chǎn)生的氣泡。對(duì)于頂吹產(chǎn)生氣泡在黏性流體中運(yùn)動(dòng)的研究，國內(nèi)外不是很多[10-12]，而關(guān)于頂吹氣泡在多相流體中運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)研究幾乎沒有。
圖1 艾薩熔煉與電爐貧化生產(chǎn)流程示意圖
圖2 貧化電爐加裝油氣混合頂吹油槍簡(jiǎn)化模型示意圖
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
在生產(chǎn)實(shí)際當(dāng)中，熔池宏觀上基本處于熔渣和冰銅分層流動(dòng)的狀態(tài)，而還原油槍將柴油及氮?dú)獾幕旌衔飮娙肴墼?，產(chǎn)生頂吹氣泡對(duì)分層流體攪拌的現(xiàn)象。
為了深入了解噴槍的插入深度對(duì)熔渣層及冰銅層的擾動(dòng)效應(yīng)，保證研究結(jié)果對(duì)生產(chǎn)實(shí)際具有指導(dǎo)作用，根據(jù)相似原理設(shè)計(jì)了一組在雙層液體中進(jìn)行氣體頂吹的實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)際中噴槍較細(xì)，無法將熔池和噴槍尺寸完全等比縮小，且實(shí)驗(yàn)中無法對(duì)熔煉高溫引起的氣泡形變進(jìn)行重現(xiàn)，因而無法同時(shí)滿足We數(shù)、Mo數(shù)等所有準(zhǔn)則數(shù)的完全相似。為此，本文采用近似?；╗13]來保證實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)的相似性，即以量綱為1的Re數(shù)作為相似準(zhǔn)則數(shù)，確保實(shí)驗(yàn)得到的分層流場(chǎng)流態(tài)與熔池中大尺度的流場(chǎng)流態(tài)相似。為達(dá)到雷諾?；ǖ南嗨埔?，選取了兩種常溫下互不相溶的溶液模擬熔池中的熔渣和冰銅，這些流體的相關(guān)物理量及計(jì)算所得的Re數(shù)見表1。
實(shí)驗(yàn)同生產(chǎn)實(shí)際一樣使用頂吹的方式，通過空氣壓縮泵將空氣鼓入到分層液體中。頂吹噴管內(nèi)徑3.5 mm，外徑5 mm，液體A厚度約3 cm，液體B厚度約4 cm。插入深度即噴管口距離液體A液面的距離分別為2 cm、2.8 cm、3 cm、4 cm及6 cm，通過使用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)使氣體流量恒定為100 mL/min。采用尼康D60數(shù)碼單反照相機(jī)拍攝氣泡的運(yùn)動(dòng)，光圈值F為2.2，焦距為50 mm，快門速度為1/1250 s，使用功率1300 W的新聞燈進(jìn)行照明補(bǔ)償，在新聞燈前放置白色紙板防止燒杯壁的反光對(duì)拍攝造成影響，以從正面拍攝到清晰的氣泡[14]。整體實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示，每做完一個(gè)插入深度的實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)分層液體靜置5 min，以確保液體分界面的完整。所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。
“老林，今天的會(huì)議怎么沒看到你？會(huì)務(wù)通知你參加——什么？你愛人去世了？哎呀，這事你怎么不早說??？——怪我，現(xiàn)在才給你電話——?jiǎng)e這么說，我們是什么關(guān)系？老林，你節(jié)哀啊，我馬上過來——對(duì)了，老人家千萬不要告訴，九十多歲了，恐怕承受不住打擊。對(duì)對(duì)，行行，我馬上過來，等我來再說。你挺住啊?！?/p>
表1 實(shí)驗(yàn)及成產(chǎn)實(shí)際中的物理量
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 頂吹氣泡在不同黏度流體中的形變
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴管的插入深度為2 cm，如圖4所示，即氣泡僅在液體A中運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣泡從噴管口生成時(shí)為較規(guī)則的球形，在脫離管口向液面上升的過程中逐漸變?yōu)槊毙渭皺E球形。而當(dāng)插入深度為5 cm（插入液體B同樣是2 cm即H1=H2），如圖5所示，即氣泡從生成至運(yùn)動(dòng)到兩種液體的分界面之前是處于液體B中，氣泡從噴管口生成后，在上升過程中依次為球形、帽型到環(huán)形。這個(gè)現(xiàn)象與Hosokawa[15]、Hua和Lou[6]、潘守清[16]、陳斌[17]、Ohta[18]和倪明玖[19]等實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果相符。氣泡在兩種液體中運(yùn)動(dòng)時(shí)的形變差異巨大，是因?yàn)閮煞N液體的密度、黏度、Reynolds數(shù)、Weber數(shù)等物性參數(shù)不同所導(dǎo)致的[20]。在高Re數(shù)[由式（1）可推出黏度小]液體中運(yùn)動(dòng)的氣泡，其頂部和底部間的壓差大，從而誘導(dǎo)較大的氣泡變形。而We數(shù)越大[由式（2）可推出表面張力系數(shù)越小]，氣泡內(nèi)外的壓差越小，抵制變形的能力較弱，從而變形越大。因此在高Re數(shù)和We數(shù)的液體中，氣泡的氣-液分界面會(huì)更加不穩(wěn)定，這在上述作者的研究中也有相應(yīng)的描述。
圖3 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖
圖4 插入深度為2cm時(shí)氣泡在液體A中的運(yùn)動(dòng)
圖5 插入深度為5cm時(shí)的氣泡在液體B中的運(yùn)動(dòng)
圖6顯示的是在插入深度達(dá)到2.8 cm時(shí)，氣泡由球形變?yōu)闄E圓形的運(yùn)動(dòng)距離約為1 cm（圖6中H4），相比插入深度2 cm略有減少（圖4中H3）。這與倪明玖[19]和Wang[21]等的研究結(jié)果相符。由于表面張力、液體黏度及液體阻力對(duì)氣泡形狀的影響較大，因此當(dāng)氣泡在高黏度流體運(yùn)動(dòng)，其尾部有其他流體黏連的時(shí)候，會(huì)使氣泡底部向上的壓力減小，氣泡的內(nèi)外壓差變低，使氣泡變薄。
圖6 插入深度為2.8 cm時(shí)氣泡在液體A中的運(yùn)動(dòng)
3.2 氣泡在分界面處的傳質(zhì)作用
當(dāng)插入深度達(dá)到2.8 cm、噴管口十分接近分界面的時(shí)候，伴隨著氣泡的上升會(huì)有一些珠狀物產(chǎn)生。從圖6(b)、(c)中可以看到，在氣泡的下方首先會(huì)出現(xiàn)一個(gè)錐形物隨著氣泡的上升被拉長，最終與氣泡分離并碎裂成若干個(gè)珠狀物，這些珠狀物會(huì)繼續(xù)跟隨氣泡向上運(yùn)動(dòng)。接著，氣泡在液面破碎，而這些珠狀物則留在了液體A中。另外，這些珠狀物會(huì)在氣泡的慣性力作用下，以噴管為中線形成對(duì)稱的旋流，如圖7所示。
實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)即使噴口沒有與分界面重合，從噴口鼓出的氣泡也越過了分界面，如圖8所示。隨著氣泡的上升運(yùn)動(dòng)，雖然沒有出現(xiàn)拉長的錐狀物，但液體A中依然會(huì)出現(xiàn)大量尺寸較氣泡小得多的珠狀物，且其邊緣顏色較淺，并不像氣泡那樣因反光而在圖片中呈深色。當(dāng)停止供氣后，液體A中的珠狀物會(huì)逐漸落回到分界面，不久后就與分界面融合。上述現(xiàn)象表明，當(dāng)氣泡越過分界面后，液體B會(huì)在黏滯力的作用下隨著氣泡的上升運(yùn)動(dòng)進(jìn)入到液體A中，形成透明的珠狀物。
圖7 插入深度為2.8 cm時(shí)液體A中形成的珠狀物
圖8 插入深度為2.8 cm時(shí)氣泡的初始時(shí)刻
圖9 插入深度為3 cm時(shí)氣泡的運(yùn)動(dòng)
3.3 氣泡穿越分界面的形變機(jī)理分析
當(dāng)插入深度為4 cm、6 cm時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氣泡在液體B中形成后經(jīng)歷一段上升過程穿越分界面時(shí)，會(huì)向液體A中帶入更多的液體B，以至于液體B在液體A中形成一個(gè)柱型，再碎裂成一個(gè)個(gè)液珠落回分界面。從圖10和圖11中可以看出，當(dāng)插入深度為4 cm，液柱直徑約為5 mm，當(dāng)插入深度為6 cm，液柱的直徑約為1 cm，這說明氣泡將液體B帶入到液體A中的量同插入深度成正比。通過觀察發(fā)現(xiàn)，由于氣泡在液體中運(yùn)動(dòng)的路程延長，并且在上升浮力的作用下加速運(yùn)動(dòng)，而氣泡達(dá)到最終穩(wěn)定速度需要一段距離[17，22-24]，因此在這兩個(gè)條件下的氣泡到達(dá)分界面時(shí)刻的速度同噴管插入深度成正比。
為了更清晰地觀察單個(gè)氣泡從生成至破裂的整個(gè)過程，使用了型號(hào)為PCO.dimax HD的高速攝像儀進(jìn)行了拍攝，焦距50 mm，光圈F為2.8，曝光時(shí)間為1/100 s。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)插入深度為6 cm時(shí)，氣泡離開噴口時(shí)為球形，到達(dá)分界面的時(shí)刻為橢球形，而其在穿越分界面的時(shí)刻，其形狀變回了初始的球形，當(dāng)其到達(dá)液體A的液面的時(shí)刻，形狀為橢球形，如圖12。因此，本文作者認(rèn)為，液體B被帶入到液體A中的量是由氣泡到達(dá)分界面時(shí)刻氣泡頂部的表面積所決定的。
進(jìn)一步計(jì)算一個(gè)單個(gè)氣泡從形成到破滅過程中每0.01 s的瞬時(shí)速率，并繪制速率變化趨勢(shì)曲線于圖13中，發(fā)現(xiàn)此趨勢(shì)曲線有3個(gè)拐點(diǎn)，分析其位置分別為14 mm、31.5 mm及50.5 mm處。而液體A中氣泡達(dá)到最大速度的時(shí)間小于液體B，這說明黏度和密度對(duì)其造成了影響。事實(shí)上，氣泡在運(yùn)動(dòng)至10 mm處就已經(jīng)達(dá)到了最大速度，測(cè)量精度產(chǎn)生的誤差造成了圖13中拐點(diǎn)附近顯示出瞬時(shí)速率的波動(dòng)。當(dāng)其運(yùn)動(dòng)至28 mm處即接近分界面處速度突然減慢，界面兩側(cè)不同介質(zhì)的表面張力差異造成了氣泡速度的下降及變形。此氣泡形變?yōu)槌跏嫉那蛐魏蠹催M(jìn)入到液體A中運(yùn)動(dòng)，并完成一個(gè)完整的氣泡上升形變的過程。
圖10 插入深度為4 cm時(shí)氣泡的運(yùn)動(dòng)
圖11 插入深度6 cm時(shí)氣泡的運(yùn)動(dòng)
圖12 插入深度為6cm時(shí)氣泡的運(yùn)動(dòng)
圖13 插入深度6 cm時(shí)氣泡上升時(shí)的瞬時(shí)速率
4 結(jié) 論
根據(jù)對(duì)不同插入深度的頂吹氣泡在兩層流體中運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的觀察，發(fā)現(xiàn)氣泡在不同插入深度條件下的形變及對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)有較大差異。經(jīng)過對(duì)大量的頂吹實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析驗(yàn)證，得到以下結(jié)論。
（1）當(dāng)氣泡在單一黏性流體中運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，其形變符合一些經(jīng)典的數(shù)值模擬模型。黏度小的流體中，氣泡會(huì)經(jīng)歷球形-帽形-環(huán)形的形變過程；而在黏度大的流體中，氣泡則會(huì)經(jīng)歷球形-帽型-橢球形的形變過程。
（2）當(dāng)油槍噴口接近及越過渣層與冰銅層分界面時(shí)，穿越分界面的氣泡會(huì)在黏滯力的拖拽作用下將冰銅帶入到渣層中；氣量越大，帶入的冰銅量越多，從而造成渣含銅量的增加，因此頂吹油槍插入深度不宜超過渣層的2/3。而對(duì)于需要對(duì)上下層液體進(jìn)行混合攪拌的工業(yè)過程，插入深度越深攪拌效果越好。
（3）如果噴管插入深度較深，氣泡穿越兩種不同黏度液體的分界面時(shí)的形變會(huì)產(chǎn)生一個(gè)類似于初始化的效果，即在氣泡運(yùn)動(dòng)至分界面之前即便已經(jīng)形變?yōu)闄E球形氣泡，在抵達(dá)分界面后也會(huì)形變?yōu)橐粋€(gè)球形氣泡。
（4）形變初始化過程的氣泡運(yùn)動(dòng)速度變化是一個(gè)先加速運(yùn)動(dòng)后減速再加速運(yùn)動(dòng)的過程，這是相交界面兩側(cè)不同介質(zhì)的表面張力差異造成的，因此速度減至最低值的時(shí)刻為穿過分界面的時(shí)刻，此時(shí)氣泡恢復(fù)成球形。
需要指出，關(guān)于氣泡在兩種甚至多種黏性流體間運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，本文僅在定性觀察的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了氣泡相間運(yùn)動(dòng)速率的初步定量研究，更多的有關(guān)氣泡運(yùn)動(dòng)的形狀特性、速度、軌跡、數(shù)值模擬的定量研究以及探究其深層的作用機(jī)理等將在未來工作中進(jìn)一步研究。
符 號(hào) 說 明
l —— 特征長度，m
Re —— 雷諾數(shù)
We —— 韋伯?dāng)?shù)
v —— 特征流速，m/s
ρ —— 密度，kg/m3
η —— 黏度，Pa·s
σ —— 表面張力系數(shù)，N/m
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Experimental study on the influence for stirring effect of the bubbles deformation through two phases in top blowing bath
YANG Puyi1，WANG Chong1，2，WANG Shibo1，ZHU Daofei1，WANG Hua1，LIU Fanhan1，XIONG
Liang1，HUANG Mei1
（1Engineering Research Center of Metallurgical Energy Conservation and Emission Reduction Ministry of Education，Kunming 650093，Yunnan，China；2Yunan Copper Industry Co.，Ltd.，Kunming 650102，Yunnan，China）
The experimental study of stratified two-phase liquid was conducted for optimizing the stirring effect of diesel spray mixed with nitrogen into top blowing molten bath in slag cleaning furnace for ISA smelting system. The results showed that when the depth of the blowing nozzle in the slag layer was of slag layer 2/3 thickness and was greater than 1/2 of the matte layer thickness，the motion of bubbles was in accordance with the bubble movement law in a single viscous liquid. When the bubbles formed in the interface of slag and matte layer or in the matte layer，rising bubble will brought the matte into the slag layer by viscous force. If the nozzle was located in the matte layer，bubbles going through the interface were in spherical shape，and the amount of matte brought into the slag by bubbles was proportionate to the degree of bubble deformation.
slag cleaning furnace；multiphase flow；mass transfer；bubble；viscosity；stirred vessel
TF 142
A
1000-6613（2014）03-0617-06
10.3969/j.issn.1000-6613.2014.03.016
2013-09-04；修改稿日期：2013-11-01。
云南省科技計(jì)劃（2013FB020）及校企聯(lián)合基金（KKK 0201352027）項(xiàng)目。
楊濮亦（1988—），男，碩士研究生，主要從事多相流強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)研究。E-mail mailyangpy@foxmail.com。聯(lián)系人：朱道飛，副教授，主要從事冶金過程模擬研究。E-mail archerzdf@126.com。
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