金屬冶煉過程氣泡運(yùn)動(dòng)特性研究

張廣君 張小輝

摘要： 在金屬冶煉過程中，燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣和過量空氣會(huì)在熔體中產(chǎn)生氣泡，氣泡在熔體中的運(yùn)動(dòng)特性會(huì)對(duì)金屬的冶煉效果產(chǎn)生重要的影響。冶煉過程中高溫、密閉的冶煉條件以及熔體內(nèi)氣泡運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性給氣泡運(yùn)動(dòng)的研究帶來了巨大的困難。為了進(jìn)一步研究氣泡在熔體中的運(yùn)動(dòng)特性，數(shù)值模擬的應(yīng)用顯得至關(guān)重要，對(duì)提高金屬冶煉效率提供給了有效的技術(shù)支撐。

Abstract： In the process of metal smelting， the smoke and excess air generated by fuel combustion will produce bubbles in the melt，and the movement characteristics of the bubbles in the melt will have an important impact on the smelting effect of the metal. The high temperature， closed smelting conditions and the complexity of bubble motion in the process of smelting bring great difficulties to the study of bubble motion. In order to further study the movement characteristics of bubbles in the melt， the application of numerical simulation technology is very important， which provides a solid technical support for improving the efficiency of metal smelting.

關(guān)鍵詞： 金屬冶煉；氣泡；運(yùn)動(dòng)特性；數(shù)值模擬

Key words： metal smelting；bubble；motion characteristics；numerical simulation

中圖分類號(hào)：TF111 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）10-0231-02

0 引言

在金屬冶煉過程中，為促進(jìn)熔煉過程中化學(xué)反應(yīng)的有效進(jìn)行，加快金屬熔體和渣的分離，常常會(huì)向熔體內(nèi)噴入惰性氣體，惰性氣體與燃料燃燒后產(chǎn)生的煙氣相混合在熔體內(nèi)形成氣泡，氣泡在熔體中不斷運(yùn)動(dòng)，對(duì)熔體產(chǎn)生攪拌作用，從而優(yōu)化熔煉的效果，提高熔煉的效率。氣泡在金屬熔體中的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)冶煉效率和冶煉效果有著十分重要的影響[1]。

熔體中的氣泡運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，在鼓風(fēng)翻騰的熔爐中，熔體的流動(dòng)狀態(tài)非常劇烈且雜亂無章，加劇了氣泡運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性和復(fù)雜性[2]。忽略熔體內(nèi)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，較常規(guī)流體而言，熔體的密度較大，氣泡在熔體內(nèi)受到的壓力較大，熔池內(nèi)不同深度間的壓力差也非常大，氣泡在上升過程中的壓力變化比在常規(guī)流體中大得多，加劇了氣泡在上升過程中的體積變化，提高了氣泡形變的復(fù)雜性，同時(shí)較大的壓力使氣泡更容易發(fā)生碎裂現(xiàn)象，氣泡分散后形成的小氣泡繼續(xù)對(duì)熔體進(jìn)行攪動(dòng)作用，使其運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象更加復(fù)雜難測(cè)[3]。

熔體的粘度比常規(guī)流體大得多，在氣泡運(yùn)動(dòng)過程中熔體對(duì)氣泡的各種剪切應(yīng)力較復(fù)雜，較氣泡在常規(guī)流體中的運(yùn)動(dòng)而言，氣泡更易破碎。由于粘度的影響，氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡也變得更加難以控制，巨大的粘度以及復(fù)雜的形變，使得氣泡在上升過程不像在常規(guī)流體中那樣，基本只在深度方向上有較明顯的運(yùn)動(dòng)。熔體中的氣泡隨著形狀和深度的不斷變化，有三種不同的運(yùn)動(dòng)形式：直線型、之字形和螺旋形[4]，不同的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)熔體的攪拌效果差異很大，給氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究帶來困難。

由于金屬冶煉的特性，需要高溫密封的冶煉環(huán)境，在密封的冶煉爐外無法直接觀測(cè)氣泡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡，而爐內(nèi)高溫的環(huán)境下，無法安裝各種監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)氣泡的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行捕捉，只能根據(jù)冶煉的結(jié)果來簡單推測(cè)氣泡的攪動(dòng)效果，無法對(duì)氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確的研究與判斷。停爐檢測(cè)和調(diào)節(jié)試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)代價(jià)又非常大，對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)的研究構(gòu)成了嚴(yán)重的阻礙。

冶煉過程的特殊性和復(fù)雜性決定了無法依照氣泡在常規(guī)流體中的運(yùn)動(dòng)形式來研究氣泡在熔體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，冶煉環(huán)境的密閉和高溫特性又給氣泡運(yùn)動(dòng)的直接觀測(cè)帶來了困難。

綜上所述，為研究氣泡對(duì)金屬熔體的攪拌規(guī)律，對(duì)金屬冶煉工藝過程進(jìn)行指導(dǎo)，提高冶煉效果和經(jīng)濟(jì)性，需要數(shù)值模擬的應(yīng)用。

1 數(shù)值模擬的應(yīng)用

冶煉過程的復(fù)雜性與難監(jiān)測(cè)性給氣泡運(yùn)動(dòng)的研究帶來了極大困難，故數(shù)值模擬方法就顯得尤為重要。數(shù)值模擬過程主要分為4個(gè)部分：

第一部分為物理模型構(gòu)建，即根據(jù)所研究的工藝過程構(gòu)建相應(yīng)的物理模型，運(yùn)用網(wǎng)格劃分軟件對(duì)物理模型進(jìn)行相應(yīng)網(wǎng)格劃分。

第二部分為初始條件和邊界條件的設(shè)置，根據(jù)冶煉過程的相關(guān)參數(shù)設(shè)置相關(guān)初始條件和邊界條件。

第三部分為模擬軟件的數(shù)值計(jì)算過程，根據(jù)設(shè)置的初始條間與邊界條件，利用模擬軟件進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果。

第四部分為利用簡單試驗(yàn)，驗(yàn)證所建模型準(zhǔn)確性，為數(shù)值模擬計(jì)算提供有力驗(yàn)證。

以下為四部分工作的具體操作和方法。

1.1 物理模型的構(gòu)建

金屬冶煉過程十分復(fù)雜多變，相應(yīng)產(chǎn)生了許多冶煉工藝技術(shù)，根據(jù)冶煉技術(shù)的特點(diǎn)，每種冶煉技術(shù)都有其對(duì)應(yīng)的爐體結(jié)構(gòu)，合適的爐型結(jié)構(gòu)能夠較好地發(fā)揮冶煉技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高冶煉效率。在物理模型的構(gòu)建過程中爐型結(jié)構(gòu)是必須考慮的部分，為了保證模型準(zhǔn)確性，依照實(shí)際冶煉爐的爐型結(jié)構(gòu)構(gòu)建物理模型，如艾薩爐為圓柱形爐體[5]，需構(gòu)建圓柱形的物理模型。

除了要考慮整體爐型的構(gòu)建與設(shè)計(jì)，冶煉爐中相應(yīng)的進(jìn)料口、出料口、排煙口等結(jié)構(gòu)分布和爐內(nèi)噴槍的排列也要根據(jù)實(shí)際工藝進(jìn)行設(shè)置。物理模型建立后，需要對(duì)物理模型進(jìn)行精密的網(wǎng)格劃分，根據(jù)物理模型中各部分部件的復(fù)雜程度確定相應(yīng)的網(wǎng)格尺寸，部件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，網(wǎng)格尺寸越小，計(jì)算過程越精細(xì)準(zhǔn)確，模型計(jì)算準(zhǔn)確性越高。

1.2 初始條件與邊界條件的設(shè)置

根據(jù)實(shí)際冶煉工藝的相關(guān)參數(shù)如：熔體溫度、爐膛溫度、燃料量和空氣量等來設(shè)置計(jì)算模型的初始條件和邊界條件，這部分工作比較復(fù)雜，需要大量的資料查閱，對(duì)相關(guān)工藝的條件與相關(guān)參數(shù)都要十分清楚。分析研究整個(gè)冶煉過程，選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算模型，如在冶煉過程中傳熱的主要方式為對(duì)流和輻射，需選擇湍流模型和輻射模型。除對(duì)工藝參數(shù)和模型要熟悉外，在熔煉過程中涉及到的相關(guān)反應(yīng)方程以及經(jīng)驗(yàn)公式也需要進(jìn)行設(shè)置，模擬軟件的基本設(shè)置往往無法滿足冶煉工藝的復(fù)雜過程，有時(shí)需要人工編譯程序代碼補(bǔ)全相關(guān)公式以及物性參數(shù)的需求。在整個(gè)數(shù)值模擬的過程中，初始條件和邊界條件的設(shè)置過程對(duì)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性起著關(guān)鍵性作用。

1.3 模擬軟件的數(shù)值計(jì)算

在基本模型、邊界條件、初始條件等設(shè)置好后，為了得到想要的結(jié)果，需要利用模擬軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。設(shè)置好計(jì)算時(shí)間和計(jì)算步長，利用模擬軟件進(jìn)行大量的計(jì)算，得到整個(gè)計(jì)算模型中各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，得到所需時(shí)間點(diǎn)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，如為研究氣泡形狀變化，導(dǎo)出氣泡直徑的變化數(shù)據(jù)以及相分布圖，能夠清楚準(zhǔn)確觀察氣泡形狀以及尺寸的變化。在模擬過程中，冶煉過程中那些復(fù)雜的條件都可以運(yùn)用軟件中的經(jīng)驗(yàn)公式和相應(yīng)計(jì)算模型來實(shí)現(xiàn)，相關(guān)結(jié)果通過導(dǎo)出計(jì)算數(shù)據(jù)的來獲得，解決了冶煉過程的復(fù)雜性和難檢測(cè)性，準(zhǔn)確度較高，經(jīng)濟(jì)性較好。

1.4 建立簡單試驗(yàn)，驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性

在取得相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)后，還要對(duì)所建立模型進(jìn)行檢驗(yàn)，將計(jì)算模型中一些復(fù)雜的設(shè)置簡化，如將冶煉過程的計(jì)算模型中，將物理模型進(jìn)行簡化，建立成簡單方便搭建的圓柱形模型，將熔體換成常規(guī)流體。利用相似原理，搭建一個(gè)小型水槽，向水中噴入空氣氣泡，使之與數(shù)值模擬的計(jì)算模型相符合，將簡化后的計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)水模型試驗(yàn)相對(duì)比，檢驗(yàn)所建模型的準(zhǔn)確性，提高數(shù)值模型的嚴(yán)謹(jǐn)性與正確性。

2 數(shù)值模擬運(yùn)用實(shí)例

通過數(shù)值模擬對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)的研究起步較早，劉紅等[6]對(duì)金屬熔體中的氣泡進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了熔體粘度、氣泡尺寸以及氣泡分布情況之間的關(guān)系。陸奇志等[7]對(duì)油滴內(nèi)氣泡行為進(jìn)行研究分析，觀測(cè)了微氣泡的生長、破碎規(guī)律，捕捉到了環(huán)境溫度為973K時(shí)，在直徑為1.25mm的燃燒油滴內(nèi)，微氣泡的急劇暴漲和瞬間碎裂現(xiàn)象。唐永剛等[8]對(duì)單個(gè)三維氣泡在近自由面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，測(cè)了氣泡上升速度變化以及氣泡運(yùn)動(dòng)對(duì)自由液面的影響。婁文濤等[9]采用計(jì)算流體力學(xué)的VOF模型對(duì)水模型內(nèi)氣泡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到氣泡頻率隨著噴槍口處氣體量增加而減少。李帥等[10]建立了軸對(duì)稱和三維上浮氣泡邊界元模型，討論了氣泡初始條件、表面張力和黏性對(duì)氣泡上浮過程中動(dòng)力學(xué)行為的影響，提出了一種處理三維上浮氣泡融合的數(shù)值方法，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象符合良好。

3 結(jié)論

氣泡對(duì)金屬熔體的攪拌作用對(duì)金屬的冶煉效率和冶煉結(jié)果有著重要的影響，對(duì)氣泡攪動(dòng)規(guī)律的研究能夠?qū)?shí)際冶煉過程產(chǎn)生很好的指導(dǎo)作用，促進(jìn)技術(shù)改革，提高經(jīng)濟(jì)效益。但冶煉過程的氣泡運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜多變，不能從常規(guī)流體中氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律上得到很好的借鑒，而高溫封閉的冶煉工藝條件給氣泡規(guī)律的觀察帶來了困難。故為了更好地研究氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，數(shù)值模擬的利用十分有必要。利用模擬軟件模擬冶金過程的復(fù)雜環(huán)境，操作簡便且容易實(shí)現(xiàn)，通過數(shù)據(jù)計(jì)算直接得出想要的計(jì)算結(jié)果，方便直觀?？梢酝ㄟ^簡化后的模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，保證計(jì)算模型的正確性與嚴(yán)謹(jǐn)性，使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。通過計(jì)算結(jié)果優(yōu)化現(xiàn)實(shí)工藝技術(shù)，通過現(xiàn)實(shí)工藝反過來改善計(jì)算模型。數(shù)值計(jì)算方法在很多領(lǐng)域都已經(jīng)開始應(yīng)用，但還需不斷強(qiáng)化，對(duì)金屬冶煉過程進(jìn)行優(yōu)化和指導(dǎo)。

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