多噴槍頂吹銅冶煉爐多相流數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TF811 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1004-4345（2025）03-0011-06

Abstract The paperdiscuses theflow behaviourof thegas-slag-metalthree-phasefluid insidethe multi-lance top blown coppersmeltingfuacetooptimizethestructuraldesignandprocesscondions.Foratopblownfuaceequippedwith15lanes，the VOF multiphase flow model coupled with a standard k-ε turbulence model was used to numerically simulate the flow characteristics， phasedistribution，andphaseintefacebehaviorofthemoltenbathundertheconditionofblowingoxygen-enrichedgasathighpeed. The studyresultsshowthat themulti-lancejet-drivenmeltfuctuatesreciprocallybetwee thefeedendandflueend.Theaveragegas jet velocity is 250～400m/s ，which can penetrate the slag layer and disturb the metal phase，causing melt splashing.The splashing rangereachesdynamicequlibrumovertimeandremainsprimarilyconcentratedinthevicinityoftelances.Thedecreaseingasflow ratesignificantlyreducestheoutletvelocityoftheance，penetrationdepthofthemelt，andoverallflowvelocitysuppresgte intensityandamplitudeof melt fluctuations.Increasingthedistancebetween thelanceandthemelt surfacecanreducetheoutlet presureofthelnce，deceasethemplitudeofpresurefluctuations，andslightlyincreasethegasflowate，whichelpstoalevate local splashing.

Keywordstop-blown furnace; VOF multiphase flow model; numerical simulation; copper smelting; gas flow rate

頂吹爐是銅冶煉技術(shù)的主要設(shè)備之一[1-3]。傳統(tǒng)頂吹爐銅冶煉技術(shù)主要采用單噴槍或者少個(gè)（一般6＼～10個(gè)）噴槍頂吹爐冶煉設(shè)備結(jié)構(gòu)。隨著國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的提出，對(duì)銅冶煉效率提出了更高的要求，多噴槍頂吹熔煉爐通過(guò)在爐頂設(shè)置多個(gè)噴槍入口，可提高熔池反應(yīng)效率，進(jìn)而提升生產(chǎn)效率并達(dá)到節(jié)能的效果。然而，多噴槍的設(shè)置會(huì)顯著改變爐內(nèi)氣體和熔體的流動(dòng)形態(tài)、相分布及相界面特征，這些參數(shù)及其動(dòng)態(tài)變化對(duì)冶煉爐設(shè)計(jì)改進(jìn)、生產(chǎn)運(yùn)行和工藝優(yōu)化等具有重要影響。因此，獲取多噴槍頂吹銅冶煉爐內(nèi)部流動(dòng)信息非常重要。由于爐內(nèi)高溫反應(yīng)環(huán)境限制，現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)及相界面的實(shí)時(shí)分布式測(cè)試，也難以安裝內(nèi)窺鏡設(shè)備進(jìn)行觀察。在此前提條件下，數(shù)值模擬作為常用技術(shù)手段，可有效解析冶煉爐內(nèi)部流體動(dòng)力學(xué)行為。例如萬(wàn)章豪等采用CFD計(jì)算方法對(duì)頂吹浸沒(méi)熔煉爐中氣一渣—銅毓多相攪拌特性進(jìn)行了研究，揭示了氣泡行為與熔體攪動(dòng)及流速的關(guān)聯(lián)規(guī)律；彭軍等5采用數(shù)值模擬對(duì)銅頂吹爐內(nèi)的多相流進(jìn)行了單因素影響分析，確立了適宜的設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)。

本文針對(duì)一種配置15個(gè)噴槍的頂吹銅冶煉爐，采用VOF多相流數(shù)值模擬方法，對(duì)其內(nèi)部高速氣體攪動(dòng)爐渣和金屬銅的行為進(jìn)行研究，探究氣體流量、噴槍與熔體距離等工藝參數(shù)對(duì)爐內(nèi)流體流動(dòng)及分布的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為該類(lèi)多噴槍頂吹爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1模型描述

1.1物理模型

本文研究的多噴槍頂吹爐體整體尺寸約為16.98m×7.50m×20.50m 爐體從下到上分別是金屬區(qū)域、爐渣區(qū)域和氣體區(qū)域，其中初始的金屬區(qū)域高度為 0.85m. 爐渣區(qū)域高度為 0.35m ，模型右邊設(shè)置有1個(gè) 4.00m×3.40m×1.65m 的煙道。爐體設(shè)置有15個(gè)用于氣體噴入的圓柱形噴槍?zhuān)瑖姌審纳系较轮睆街饾u減小，其內(nèi)徑分別為 150mm，105mm 和64mm ，由于本仿真主要針對(duì)爐子內(nèi)部流體的行為，故不考慮噴槍的壁厚。爐體煙道上部側(cè)面設(shè)置有1個(gè)氣體出口，其尺寸為 3.4m×4.6m 。具體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

1.2數(shù)學(xué)模型

針對(duì)頂吹熔煉爐多相湍流過(guò)程的模擬需求，本研究采用VOF多相流模型與標(biāo)準(zhǔn) k-ε 湍流模型耦合求解。

1）VOF多相流模型：頂吹熔煉爐內(nèi)部流體流動(dòng)是典型的氣一液一熔渣三相湍流過(guò)程。在計(jì)算流體力學(xué)框架下，多相流模型計(jì)算主要分為歐拉一拉格朗日法和歐拉一歐拉法兩類(lèi)。本文采用歐拉一歐拉法體系中的流體體積模型（VOF模型）。該選擇是基于以下考慮：頂吹爐內(nèi)部多相流流動(dòng)呈現(xiàn)明確的分層/自由面流動(dòng)特征，而VOF模型作為多種流體界面跟蹤方法，模型中不同的流體相之間共同應(yīng)用著一組動(dòng)量方程，通過(guò)記錄流場(chǎng)中包含的每個(gè)計(jì)算單元內(nèi)各流體相所占據(jù)的體積分?jǐn)?shù)，可精確地計(jì)算出相界面演化過(guò)程。因此，VOF模型是最合適的流動(dòng)模型。

2）湍流模型：頂吹爐底部噴槍射出的高速氣流進(jìn)入爐內(nèi)熔體，使得爐內(nèi)各相流體介質(zhì)之間發(fā)生動(dòng)量與能量傳遞及波動(dòng)。這種數(shù)量級(jí)的波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生湍流。因此，需要采用標(biāo)準(zhǔn) k-ε 湍流模型來(lái)模擬爐內(nèi)的湍流過(guò)程。該模型通過(guò)求解湍動(dòng)能 （k） 及其耗散率方程，可有效表征爐內(nèi)湍流特性。

1.3材料屬性及邊界條件

物性參數(shù)是仿真模擬輸入的關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)本仿真研究計(jì)算的三相流模擬場(chǎng)景及對(duì)象，所涉及的材料主要有爐渣、金屬銅和空氣，所涉及的材料屬性包括密度、黏度和各相之間的界面張力。本仿真研究中所用到的材料及其物性參數(shù)如表1所示。仿真工況見(jiàn)表2。

頂吹爐數(shù)值模擬的入口、出口以及壁面邊界條件如下。

1）入口條件。噴槍入口設(shè)置為速度入口邊界條件，基礎(chǔ)工況下根據(jù)噴槍入口實(shí)際流量 5500m³/h 和噴槍入口實(shí)際面積，計(jì)算得到噴槍入口空氣流速為 1.8407kg/s 。其余工況根據(jù)表2所列進(jìn)行換算和計(jì)算。

2）出口條件。煙道口的邊界條件設(shè)置為壓力出口，出口負(fù)壓大小為 -50Pa ，回流湍流強(qiáng)度為 5% 。

3）壁面邊界條件。壁面邊界條件采用固定壁面，認(rèn)為壁面處流體的流速為0，在近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2結(jié)果分析

2.1基礎(chǔ)工況分析

2.1.1熔池相分布及噴濺分析

通過(guò)VOF三相流仿真數(shù)值模擬，得到熔煉爐內(nèi)氣體相的體積分?jǐn)?shù)變化界面云圖如圖2所示。

從圖2中可以看出，氣體通過(guò)噴槍進(jìn)入熔煉爐后，隨著時(shí)間的推移不斷吹破爐渣層，并吹動(dòng)金屬層，熔體出現(xiàn)了少量噴濺。在噴槍氣體的高速吹動(dòng)下，熔體在兩個(gè)端部之間呈現(xiàn)往復(fù)波動(dòng)的狀態(tài)。為了更清晰地看出爐渣和金屬的運(yùn)動(dòng)和噴濺情況，將爐渣和金屬的整體相界面及其變化情況列出如圖3所示?？梢钥闯觯跉怏w持續(xù)噴入的過(guò)程中，爐渣首先出現(xiàn)了向上噴濺的情況。隨著氣體噴吹過(guò)程向金屬層延伸，金屬層也開(kāi)始發(fā)生了噴濺效應(yīng)，且噴濺強(qiáng)度與噴濺范圍與時(shí)間呈正相關(guān)特性。值得注意的是，在14＼～20s時(shí)間范圍內(nèi)，噴濺的變化區(qū)域達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，不再有繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢(shì)。該現(xiàn)象的形成機(jī)制主要?dú)w因于氣體流速較大、金屬層黏度較小的耦合效應(yīng)。噴濺空間分布特征表明：熔體噴濺主要集中于噴槍附近區(qū)域，但隨著時(shí)間延長(zhǎng)，也有部分熔體噴濺到接近爐壁的位置。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體噴入熔體后，熔體表面不斷出現(xiàn)往四周擴(kuò)散的波紋結(jié)構(gòu)，這種流體力學(xué)效應(yīng)顯著強(qiáng)化了熔體運(yùn)動(dòng)，從而提升冶金反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件。

2.1.2熔池流場(chǎng)分布情況分析

為了更加清晰了解氣體噴入對(duì)熔體的攪動(dòng)情況，對(duì)渣相和金屬相中部的流場(chǎng)及流速分布情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析。爐渣和金屬層中部橫截面的流速分布矢量圖如圖4、圖5所示，20s時(shí)整體流速統(tǒng)計(jì)如表3所示。

熔體流速呈現(xiàn)出中部較大、兩端（進(jìn)料端和煙道端）較小的空間分布特征。除噴槍出口附近的氣體區(qū)域外，爐渣橫向中部的流速主要分布于 0～0.6m/s 區(qū)間，且隨著時(shí)間的變化，渣相中較大流速的區(qū)域0 0.4～0.8m/s ）不斷發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為：在2s和8s 時(shí)，較大流速區(qū)域靠近進(jìn)料端的位置， 14s 時(shí)轉(zhuǎn)移至爐體中部， 20s 時(shí)轉(zhuǎn)移至靠近煙道端的位置。

金屬層的流速分布及變化趨勢(shì)與爐渣層具有相似性，但流速量級(jí)明顯小于渣層，大部分處于 0～ 0.4m/s 區(qū)間。熔體的流速分布矢量分析揭示熔體存在雙模態(tài)流動(dòng)特性：1）在噴槍附近的熔體由于噴槍的高速氣體吹動(dòng)，產(chǎn)生噴濺使其往上運(yùn)動(dòng)；2）大部分熔體逐漸從中部往爐壁運(yùn)動(dòng)，碰到爐壁后分別往進(jìn)料和煙道兩個(gè)端部運(yùn)動(dòng)，然后在爐長(zhǎng)方向由兩端向爐中間回流，呈現(xiàn)一種徑向一軸向復(fù)合流動(dòng)模式。在靠近爐壁位置的速度矢量在縱向分量較大，說(shuō)明熔體流向爐壁后并不是垂直沖刷爐壁，而是斜向上沖刷爐壁。同時(shí)，在2s和8s時(shí)，在第15個(gè)噴槍附近熔體出現(xiàn)了向上運(yùn)動(dòng)且呈現(xiàn)“隆起\"的狀態(tài)。這與前述熔體較大流速區(qū)域不斷變化的現(xiàn)象共同印證了熔體在煙道端和進(jìn)料端往復(fù)波動(dòng)的現(xiàn)象。

由表3可知，在 20s 時(shí)整個(gè)渣相的最大速度約為 2.128m/s ，平均速度約 0.274m/s ;整個(gè)金屬相的最大速度約為 1.788m/s ，平均速度約 0.181m/s 。

2.1.3噴槍壓力變化情況分析

頂吹爐15支噴槍氣體進(jìn)、出口壓力隨時(shí)間的變化情況如圖6所示。

由圖6可知，噴槍入口中心處的壓力值主要集中于 0.38345MPa 附近，與實(shí)測(cè)值 0.35MPa 基本吻合。由于各噴槍出口氣體擾動(dòng)形成的熔體狀態(tài)存在差異，其反饋至噴槍的壓力值出現(xiàn)一定波動(dòng)。噴槍出口中心處的壓力處于 28kPa 左右，同樣由于噴槍出口處熔體流動(dòng)及分布狀況的差異，導(dǎo)致其壓力值隨時(shí)間的變化產(chǎn)生一定波動(dòng)。

2.2工況變化對(duì)槽內(nèi)狀況的影響

2.2.1相分布及噴濺的影響

選擇第20s時(shí)刻9種工況下渣相與金屬銅相的分布及噴濺情況進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)圖7），討論工況變化對(duì)相分布及噴濺的影響。

如圖7所示，當(dāng)噴槍出口與熔體表面間距保持不變時(shí)，熔體擾動(dòng)強(qiáng)度及噴濺情況隨氣體流量增大呈顯著增強(qiáng)趨勢(shì)；當(dāng)氣體流量一定時(shí)，熔體擾動(dòng)強(qiáng)度及噴濺情況隨著噴槍出口與熔體表面間距的縮小呈增強(qiáng)趨勢(shì)。同時(shí)，在低氣體流量下，噴槍出口與熔體表面間距對(duì)熔體擾動(dòng)和噴濺情況影響更明顯，而在高氣體流量下，該距離的影響較小。在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，既需要熔體發(fā)生擾動(dòng)，又需要將熔體噴濺控制在一定范圍內(nèi)。而本文所研究的9種工況熔體的噴濺均未達(dá)到爐壁，進(jìn)而可避免爐壁結(jié)疤情況的發(fā)生。

2.2.2流速分布影響

選取9種不同工況下噴槍出口處氣體、渣相和金屬銅相平均流速對(duì)比，比較結(jié)果見(jiàn)圖8。

如圖8所示，在噴槍與熔體表面間距相同的條件下，氣體出口速度隨進(jìn)氣流量增加呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。在相同進(jìn)氣流量工況下，噴槍與熔體間距增大導(dǎo)致出口氣體流速顯著提升，該規(guī)律符合伯努利原理。流速分析表明：當(dāng)噴槍與熔體間距固定時(shí)，熔體平均流速隨進(jìn)氣流量增加而顯著提升，導(dǎo)致熔體流動(dòng)加??；而在同一進(jìn)氣流量條件下，噴槍與熔體間距的變化對(duì)熔體平均流速并未產(chǎn)生較大影響。

2.2.3噴槍壓力分布影響

選取9種工況下的噴槍進(jìn)、出口平均壓力進(jìn)行對(duì)比，比較結(jié)果見(jiàn)圖9。

如圖9所示，在噴槍距熔體表面距離保持不變情況下，噴槍入口的壓力隨著進(jìn)氣流量的增加而逐漸增大，而在同一進(jìn)氣流量條件下，噴槍距熔體表面距離的變化對(duì)噴槍進(jìn)氣口的壓力幾乎沒(méi)有影響。噴槍出口處的壓力隨著進(jìn)氣流量的增加而逐漸增大，在噴槍進(jìn)氣流量相同時(shí)，噴槍出口與熔體表面距離越大，則噴槍出口處的壓力越小，這主要是由于噴槍與熔體表面距離的增大使得氣體進(jìn)人爐體后能夠有更足夠的空間往四周充分?jǐn)U散，使氣體更不易產(chǎn)生聚集和擠壓的現(xiàn)象，進(jìn)而使得其壓力降低。

3 結(jié)論

本文基于多噴槍頂吹銅冶煉爐的VOF多相流數(shù)值模擬研究，得出以下結(jié)論。

1）多噴槍氣體射流對(duì)熔體流動(dòng)特性的影響。在多噴槍富氧頂吹作用下，熔體在進(jìn)料端和煙道端之間呈現(xiàn)往復(fù)“蕩漾\"式流動(dòng)。不同工藝條件下，噴槍出口處氣體平均流速約為 250～400m/s ，高速氣流可穿透渣層并擾動(dòng)金屬相，導(dǎo)致熔體發(fā)生噴濺。噴濺范圍隨時(shí)間的推進(jìn)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，且主要集中于噴槍鄰近區(qū)域，表明氣體動(dòng)量與熔體黏度的耦合效應(yīng)主導(dǎo)了流動(dòng)行為。

2）氣體流量對(duì)熔體流動(dòng)的調(diào)控規(guī)律。當(dāng)噴槍與熔體表面間距一定時(shí)，進(jìn)氣流量減少會(huì)使噴槍出口處氣體流速降低，熔體被吹入的深度變淺，熔體的整體流動(dòng)速度明顯降低，熔體往復(fù)波動(dòng)強(qiáng)度和波動(dòng)幅度也得到了抑制。此規(guī)律為通過(guò)流量調(diào)整優(yōu)化熔池?cái)_動(dòng)提供了理論依據(jù)。

3）噴槍間距對(duì)壓力分布及噴濺的關(guān)聯(lián)性。當(dāng)噴槍進(jìn)氣流量一定時(shí)，噴槍與熔體表面間距的增大會(huì)導(dǎo)致噴槍出口壓力降低，氣體流速略有提升，壓力的波動(dòng)幅度減少。該現(xiàn)象符合伯努利原理，表明增大間距可緩解熔體局部噴濺，同時(shí)維持熔體有效的流動(dòng)速度，對(duì)平衡反應(yīng)效率與設(shè)備保護(hù)具有指導(dǎo)意義。

本研究通過(guò)量化不同工藝參數(shù)下的流場(chǎng)特性，揭示了多噴槍頂吹爐內(nèi)三相流動(dòng)的關(guān)鍵機(jī)制，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化提供了理論支撐。

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