頂吹兩相流影響熔池?cái)嚢栊Ч乃Ｐ蛯?shí)驗(yàn)研究

熊靚，王華，王沖，2，王仕博，楊濮亦，劉泛函

（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）

貧化電爐作為艾薩熔煉體系中的重要部分，其主要功能是完成爐渣與冰銅的澄清分離。從艾薩爐通過溜槽送入電爐的熔體是冰銅品味較高的渣、锍混合物，F(xiàn)e3O4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也達(dá)到了10%以上[1]。為了減少銅的氧化損失并降低渣含銅，需要通過還原反應(yīng)降低渣中Fe3O4含量，使得渣層中懸浮顆粒減少，渣層的密度、黏度等物理性質(zhì)都會(huì)有所變化，從而有利于冰銅液滴的沉降，以便更好地進(jìn)行后續(xù)精煉。

云南銅業(yè)集團(tuán)冶煉廠在貧化電爐中插入柴油-氮?dú)饣旌狭鹘]式頂吹噴槍，其混入氮?dú)饽康脑谟诟玫丶訌?qiáng)攪拌效果，提高柴油還原率，降低渣含銅。過程涉及頂吹噴槍內(nèi)油-氣兩相混合流動(dòng)、氣泡群在黏性液體中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)等多相流流動(dòng)現(xiàn)象。

兩相流體系不僅在自然界中普遍存在，在石油、化工、冶金、能源、環(huán)境等行業(yè)也被廣泛研究和應(yīng)用。兩相流是相間傳質(zhì)或相間傳熱及反應(yīng)過程中所涉及的最普遍的黏性流體流動(dòng)，從單氣泡在黏性液體中的運(yùn)動(dòng)方式及形態(tài)[2]以及鼓泡塔中的兩相流流場的特性研究[3]，再到富氧底吹熔煉爐內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的三維穩(wěn)態(tài)模擬[4]等研究，均涉及兩相流流動(dòng)的相關(guān)機(jī)理與應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者對于兩相流的研究不僅僅局限于研究單氣泡[5-6]、單液滴[7-9]、單純的兩相傳熱傳質(zhì)和兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)[10-11]，還涉及微通道、兩相測量技術(shù)以及工程應(yīng)用領(lǐng)域，在往精細(xì)化、工業(yè)化和高難度化的方向進(jìn)步[12]。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，微通道中兩相Taylor流的最新進(jìn)展、微通道內(nèi)沸騰傳熱研究、兩相流?；约皟上嗔鲃?dòng)結(jié)構(gòu)研究[13-16]都取得了較好的進(jìn)展，測量方法上包括圖像分析法、光纖探針測量方法、毛細(xì)管光電法等先進(jìn)技術(shù)均有涉及[17-19]。同時(shí)也有結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際所做的工業(yè)化研究，如通過研究金屬熔池往復(fù)攪拌流場中氣泡運(yùn)動(dòng)特性數(shù)值模擬來制備有均勻氣泡結(jié)構(gòu)的泡沫鋁[20]、研究氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐中二次燃燒的復(fù)雜兩相流流動(dòng)現(xiàn)象[21]等。但頂吹噴槍內(nèi)的油、氣混合噴吹的兩相流流動(dòng)與熔池?cái)嚢栊Ч南嚓P(guān)研究還很少，本文從解決實(shí)際生產(chǎn)問題的角度出發(fā)，從實(shí)驗(yàn)方面研究了兩相流氣泡群對貧化電爐熔池?cái)嚢栊Ч挠绊憽?/p>

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與條件

為研究噴槍的插入深度對熔池渣層的攪拌影響，設(shè)計(jì)了多組氣液混合頂吹實(shí)驗(yàn)。實(shí)際冶金過程中物相較多，且高溫傳熱傳質(zhì)相對復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)必須按生產(chǎn)實(shí)際將原貧化電爐進(jìn)行簡化。以30∶1的比例等比縮小貧化電爐爐體并保留6個(gè)電極部件，設(shè)計(jì)并搭建了能在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)臺，所有實(shí)驗(yàn)均在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、室溫20℃下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)簡圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)簡圖

實(shí)驗(yàn)主體為簡化后的小型水模型，尺寸為60cm×40cm×30cm，根據(jù)相似性簡化原則水模型中使用兩種液體分別代替熔池渣層和冰銅層，在1MPa、20℃測量條件下，上層液體動(dòng)力黏度μ為8.5×10?3Pa·s，密度ρ為 916kg/m3，下層液體動(dòng)力黏度μ為 1.01×10?3Pa·s、密度ρ為 1001kg/m3，且二者互不相溶。頂吹噴管為 Y形玻璃管，內(nèi)徑3.5mm，外徑 5mm，通過試管架懸掛放置。使用PCO.dimax高速攝像機(jī)記錄氣泡群短周期變化行為，1080×1000像素下攝像速度為4502幀/s，快門時(shí)間最短 2μs，同時(shí)采用數(shù)碼照相機(jī)拍攝氣泡更長時(shí)間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和記錄特殊現(xiàn)象，使用功率為1300W的新聞燈進(jìn)行照明補(bǔ)償，水模型后壁外側(cè)放置白紙，以便拍攝時(shí)水模型內(nèi)光源均勻，主要從前方和右側(cè)方進(jìn)行拍攝。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案與設(shè)計(jì)

主體實(shí)驗(yàn)臺立體簡圖如圖 2(a)所示，圓柱體為等比例縮小后的電極部件，其中右邊兩個(gè)噴槍為雙噴槍實(shí)驗(yàn)方案，左邊3個(gè)噴槍為三噴槍實(shí)驗(yàn)方案之一，考慮到不同位置處噴吹效果的不同，設(shè)置多種三噴槍頂吹布置方案，如圖2(b)所示。

在單噴槍實(shí)驗(yàn)過程中，首先觀察噴槍內(nèi)單純噴氣及單純噴水狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在單純噴氣時(shí)，只能產(chǎn)生包裹噴槍頭部的大氣泡或氣泡柱，且水相液面波動(dòng)十分劇烈，如圖 3(a)所示，氣流量的大小與氣泡的尺寸的大小呈正比，在單純噴水時(shí)，幾乎觀察不到水相中的流動(dòng)情況。以此為對比，在噴槍中采用氣-水兩相流混合噴吹時(shí)，均能形成有一定攪拌范圍的氣泡群，如圖3(b)所示，且氣流量和水流量的比值只對氣泡群的攪拌范圍和氣泡群中單個(gè)氣泡的直徑有影響。

圖2 水模型及噴槍簡圖

圖3 單噴槍頂吹效果對比圖

綜合前期單噴槍對比實(shí)驗(yàn)，采用氣液兩相流混合頂吹的方式進(jìn)行雙噴槍頂吹實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際拍攝到的錄像截圖和照片觀察上層液體攪拌效果時(shí)，由于氣泡在分界面處的傳質(zhì)作用，有明顯邊界的異相液滴懸浮在上層液體中，起到一定的示蹤作用，并便于觀察氣液兩相流氣泡群的流場形態(tài)[22]。實(shí)驗(yàn)過程中為單純分析兩相流頂吹對熔池的攪拌作用，且電極與熔池接觸面不大，將電極蓋板卸下后開展實(shí)驗(yàn)。雙噴槍實(shí)驗(yàn)主要是對單一變量進(jìn)行對比驗(yàn)證，噴槍管截面積相同（同內(nèi)徑 3.5mm）、同氣含率（0.2）、同進(jìn)口流量（100m/s）、插入深度（20mm、30mm），其中一個(gè)深度改變是為了驗(yàn)證噴槍口出口壓力對氣泡群攪拌深度的影響，噴槍出口壓力與插入深度成正比例關(guān)系，設(shè)計(jì)不同插入深度下的頂吹實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而得出最佳的噴槍插入深度范圍。實(shí)際生產(chǎn)中爐前三噴槍攪拌的經(jīng)濟(jì)效益最高，所以在不增加噴槍的前提下對三噴槍實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮盡量增大橫向攪拌半徑，主要從布置位置和噴槍插入深度上設(shè)計(jì)三噴槍的布置方案。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 雙噴槍實(shí)驗(yàn)結(jié)果

雙噴槍實(shí)驗(yàn)在水模型爐頭側(cè)拍攝高速錄像及實(shí)驗(yàn)照片，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在插入深度為20mm時(shí)，噴槍口壓力過低，幾乎無法形成有下潛深度的氣泡群。在插入深度為30mm時(shí)，能形成既有一定下潛深度又有一定橫向攪拌范圍的氣泡群。實(shí)驗(yàn)高速錄像截圖和數(shù)碼拍攝照片如圖4所示。

圖4 雙噴槍實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

由于噴槍插入深度對氣液兩相流氣泡群的產(chǎn)生有直接影響，后續(xù)實(shí)驗(yàn)在只改變噴槍插入深度前提下，用高速攝像機(jī)記錄每組數(shù)據(jù)的錄像截圖，上層液體總厚度 60mm，初步試驗(yàn)后得到噴槍插入深度有效范圍為 20～50mm。在此范圍基礎(chǔ)上，深度每加深2mm記錄一組數(shù)據(jù)并順序編號，共得到16組數(shù)據(jù)截圖。經(jīng)處理圖像后得出插入深度和兩相流氣泡群的攪拌深度、橫向攪拌半徑及平均氣泡直徑大小的關(guān)系曲線圖，如圖5所示。

由于上層液體代表熔池渣層，氣液兩相流氣泡群下潛深度達(dá)到上-下液面分界處為實(shí)驗(yàn)最高值。由于界面張力作用，氣泡群對下層液體的擾動(dòng)僅局限于分界面處，波動(dòng)不算太大。隨著插入深度的加大，如圖5(a)中所示，氣泡群的縱向攪拌深度40mm處有一個(gè)突變值，圖5(b)中的數(shù)據(jù)也有一個(gè)突降，此時(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為氣泡群沖破分界面，直接攪動(dòng)深入到下層液體中。由于下層液體代表實(shí)際生產(chǎn)冰銅層，攪動(dòng)下層液體會(huì)使本來沉降的冰銅重新攪動(dòng)回渣層中，造成渣含銅的升高。因此綜合分析各曲線圖數(shù)據(jù)，要獲得預(yù)期的熔池?cái)嚢栊Ч?，噴槍插入深度最佳范圍?6～37mm，即熔池渣層一半左右。

圖5 插入深度與氣泡群參數(shù)變化關(guān)系曲線

2.2 三噴槍實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)三噴槍的設(shè)計(jì)布置方案以及雙噴槍實(shí)驗(yàn)中得出的最佳插入深度范圍，在三噴槍實(shí)驗(yàn)中使用內(nèi)徑為3.5mm的Y形玻璃管，分別按L形、R形、V形布置，含氣率為20%、相同進(jìn)口流量（100m/s）、插入深度范圍控制在最佳范圍內(nèi)，直接拍攝上層液體攪動(dòng)效果，以R形噴槍布置為例，拍攝照片如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)表明，L形、R形、V形噴槍布置在噴吹過程中均能較好地使上層液體充分?jǐn)噭?dòng)，且液面橫向范圍較大，由于實(shí)際生產(chǎn)連續(xù)噴吹一段時(shí)間后，會(huì)對稱調(diào)整噴吹布置，所以能滿足整個(gè)爐體的噴吹要求。

2.3 實(shí)際生產(chǎn)優(yōu)化驗(yàn)證

圖6 R形三噴槍布置頂吹實(shí)驗(yàn)照片

由于本實(shí)驗(yàn)的開展是為直接指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，在得出實(shí)驗(yàn)規(guī)律性結(jié)論后，為進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論的實(shí)際生產(chǎn)效益，在云南銅業(yè)集團(tuán)冶煉廠艾薩爐區(qū)配套的貧化電爐上進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)操作，生產(chǎn)用噴吹兩相介質(zhì)為柴油和氮?dú)饣旌衔?，氮?dú)獠粎⑴c熔池渣層還原，只起到將柴油細(xì)化、加強(qiáng)熔池?cái)嚢璧淖饔?，以提高熔池?nèi)柴油與Fe3O4還原反應(yīng)速度。貧化電爐熔池平均溫度約為1200℃，上層熔池渣層厚度為1000mm左右，平均動(dòng)力黏度μ為（50～200）×10?3Pa·s、密度ρ為 3000～3700kg/m3，下層冰銅層平均動(dòng)力黏度μ為 2.4×10?3Pa·s、密度為ρ為4400～4700kg/m3。根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)律性結(jié)論，考慮黏度、密度以及 Reynolds數(shù)等物性參數(shù)[23]，比較氣泡速度、直徑和這些物性因素之間的關(guān)系式為式（1）。

式中，Re為雷諾數(shù)，量綱為 1；ρ為液體密度；u為氣泡平均速度；d為氣泡平均直徑；μ為液體動(dòng)力黏度。

根據(jù)雷諾相似原理，在Re數(shù)表征的流體流動(dòng)情況大致相同，兩相流氣泡群單氣泡平均直徑d和平均速度u基本相同的情況下，若要得到相同的渣層攪拌效果，ρ/μ的比值決定了噴槍口處的物性條件，而噴槍的插入深度h經(jīng)等比例（1∶30）放大后的h'反應(yīng)的也是噴槍口處的物性條件，實(shí)際生產(chǎn)中噴槍插入深度H與實(shí)驗(yàn)噴槍插入深度h'之比近似等于實(shí)際熔池渣層ρ渣/μ渣與實(shí)驗(yàn)上層液體ρ上/μ上的比值，熔池渣層按μ為 50×10?3Pa·s、密度ρ為3000kg/m3取值進(jìn)行計(jì)算，綜合得出實(shí)際生產(chǎn)噴槍插入深度為434～618mm。

根據(jù)計(jì)算出來的噴槍插入深度，由計(jì)算系統(tǒng)控制噴槍在熔池中的插入深度，雖然熔池高度一直不停變化，但是噴槍深度控制在434～618mm范圍內(nèi)，在原生產(chǎn)其他條件不變的情況下，使得單槍還原耗油量由80L/h下降到73L/h，單槍節(jié)油量達(dá)到8%以上，且相比實(shí)驗(yàn)前的數(shù)據(jù)，渣含銅的波動(dòng)范圍小于0.5%，對實(shí)際生產(chǎn)起到了預(yù)期的節(jié)能效果。

3 結(jié) 論

經(jīng)過大量不同插入深度噴槍頂吹實(shí)驗(yàn)的模擬仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在兩相流頂吹過程中，不同深度所形成的氣泡群對液體的攪拌效果有不同程度的影響，具體結(jié)論如下面所述。

（1）相比與單相氣體或單相液體頂吹方式，兩相流混合噴吹方式所形成的氣泡群更有利于液體的攪動(dòng)，且形成的氣泡群具有一定下潛深度和橫向攪動(dòng)半徑，但氣泡群中單個(gè)氣泡的平均直徑相對于單相噴氣時(shí)形成的氣泡直徑更小。

（2）兩相流混合噴吹時(shí)，在只改變單一深度變量的情況下，考慮到噴槍插入深度對形成的氣泡群下潛深度、橫向攪動(dòng)半徑和單氣泡平均直徑等的影響程度，通過初步試驗(yàn)觀察，得到最佳插入深度有效范圍為20～50mm。

（3）噴槍插入深度有一個(gè)最佳的范圍值，深度過小則不能形成較大攪動(dòng)范圍的氣泡群，深度過大則會(huì)導(dǎo)致氣泡群擊穿雙層液體分界面。由水模型實(shí)驗(yàn)得到的 16組數(shù)據(jù)以及三噴槍的布置方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合表明，噴槍最佳的深度范圍為26～37mm。

（4）將實(shí)驗(yàn)規(guī)律性結(jié)論根據(jù)雷諾相似性原理運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，得出實(shí)際生產(chǎn)噴槍最佳插入深度范圍為 434～618mm，在保證渣含銅含量波動(dòng)小于 0.5%的情況下，實(shí)際生產(chǎn)單槍還原耗油量下降8%以上。

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