郭學(xué)益,姜保成,王親猛,王松松
(中南大學(xué) 冶金與環(huán)境學(xué)院,湖南 長沙,410083)
中國是目前世界上金屬銅生產(chǎn)量和消費量最大的國家[1-2],發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的銅冶煉技術(shù)具有重要意義。氧氣底吹熔池熔煉技術(shù)是由中國有色工程設(shè)計研究總院與水口山有色金屬集團公司共同研發(fā)的現(xiàn)代銅冶煉技術(shù)[3]。自2008 年第一臺氧氣底吹銅熔煉爐投產(chǎn)以來,多家冶煉企業(yè)采用氧氣底吹熔池熔煉技術(shù)進行生產(chǎn)實踐,主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)達到了先進水平[4-6]。在當(dāng)前冶煉原料種類多、成分差異大,以及節(jié)能降碳的新趨勢下[7-8],氧氣底吹熔池熔煉技術(shù)的優(yōu)勢愈發(fā)明顯。據(jù)報道[9-10],常規(guī)造锍熔煉技術(shù)生產(chǎn)過程中配煤率在1%~3%之間,而氧氣底吹熔煉技術(shù)配煤率為0,符合“雙碳”政策的要求,對銅熔煉技術(shù)的發(fā)展具有重要的引領(lǐng)作用。
大型化是冶金行業(yè)降本增效的核心手段[11],大型底吹爐處理量提高、爐體規(guī)模增大,同時供氧需求隨之上漲,給氧槍設(shè)置帶來新的挑戰(zhàn)[12-13]??蒲泄ぷ髡哚槍Φ状禒t氧槍開展了大量研究,郭學(xué)益等[14]討論了對心異側(cè)、對心同側(cè)、非對心同側(cè)3 種不同氧槍槍位布置方式對熔煉效果的影響。戴志海等[15]分析了氧槍噴口、氧槍角度、氣流速度參數(shù)對流場波動特性的影響。穆亮照等[16]對大型底吹爐的氧槍數(shù)量、熔池深度進行了優(yōu)化,以此改善熔池攪拌、降低渣含銅。李鵬等[17]提出了基于Betti 數(shù)來定量表征底吹氣體振蕩射流強化攪拌效果,通過水模型試驗,提出底吹爐氧槍排布的優(yōu)化方案。王書曉等[18]對氧槍存在蘑菇頭時底吹爐內(nèi)的流動狀況進行模擬研究。JIANG 等[19]在底吹爐模型中模擬了羽眼的形成,系統(tǒng)研究了不同操作參數(shù)對羽眼尺寸的影響,并提出銅冶煉底吹爐中羽眼尺寸的預(yù)測方程。XI等[20]模擬了4種不同放大標(biāo)準(zhǔn)下底吹爐的氣液兩相流特性,認為修正的弗勞德數(shù)更適合作為放大標(biāo)準(zhǔn)。大型底吹爐目前設(shè)置兩排夾角不同的氧槍,形成“一大一小”的夾角設(shè)置方式[21-23],盡管已對底吹爐模擬進行了大量研究,但兩排氧槍角度設(shè)置如何對爐內(nèi)流動產(chǎn)生影響尚不明確,缺乏相關(guān)研究以指導(dǎo)大型底吹爐的設(shè)計與應(yīng)用。
為了進一步了解大型底吹爐內(nèi)兩排氧槍的傾角和間距對熔體流動特性的影響,本文作者以某冶煉企業(yè)大型底吹爐為研究對象,建立大型底吹爐仿真模型,借助ANSYS Fluent 軟件開展數(shù)值模擬研究,以分析爐內(nèi)熔體的運動特征變化,從而為大型氧氣底吹爐設(shè)計及應(yīng)用優(yōu)化提供參考。
以國內(nèi)某企業(yè)大型底吹爐為研究對象,其氧槍布置如圖1 所示。該大型底吹爐通過28 支氧槍提供富氧空氣,氧槍成對固定在氧槍底座上。同時,氧槍分為兩排,上排設(shè)置為大夾角(24°)、7對(14支)氧槍,下排設(shè)置為小夾角(9°)、7對(14支)氧槍,與中小型底吹爐存在較大差距。
圖1 大型底吹爐設(shè)備原型Fig. 1 Prototype of large bottom-blown furnace equipment
選擇2個氧槍座(包含1個大夾角槍座和1個小夾角槍座,共4 支氧槍)及相鄰區(qū)域作為數(shù)值求解區(qū)域,建立大型底吹爐局部模型。計算域爐長5 m,爐徑4.7 m(去除耐火磚后),如圖2(a)所示。氧槍夾度是指在底吹爐的爐徑截面,氧槍中心線與軸向中心線的夾角,分別為小夾角θ1和大夾角θ2,如圖2(b)所示。本研究重點考察兩排氧槍角度設(shè)置對爐內(nèi)流動特性影響,具體的氧槍角度根據(jù)實驗條件確定。單個槍座上,2 個氧槍間距為380 mm,2 個氧槍座的間距為1 150 mm。氧槍直徑為60 mm,將其簡化為氧槍與爐體相交的曲面。
圖2 數(shù)值模擬幾何模型與網(wǎng)格劃分Fig. 2 Numerical simulation geometric model and mesh division
此外,采用Fluent Meshing 設(shè)置各部分尺寸控制條件,鑒于氧槍附近流速大、流動相對復(fù)雜的特征,對氧槍所在區(qū)域利用Body of influence 方法進行局部加密,生成面網(wǎng)格,如圖2(c)所示。為適當(dāng)縮減計算消耗,采用Ploy-Hexcore方法生成體網(wǎng)格,網(wǎng)格模型內(nèi)部情況如圖2(d)所示。對計算域劃分不同尺寸網(wǎng)格以進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證,網(wǎng)格數(shù)目分別為793 783、816 281 和1 015 140 個。網(wǎng)格數(shù)目對熔體速度的影響如圖2(e)所示。結(jié)果表明,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目大于793 783個時,熔體平均速度幾乎不隨著網(wǎng)格數(shù)目的增加而出現(xiàn)較大波動。因此,模型網(wǎng)格數(shù)量最終為81 萬個,網(wǎng)格最大扭曲率為0.77,能夠較好地滿足計算要求。
基本假設(shè)如下:
1) 重點研究大型底吹爐內(nèi)氣-锍-渣之間相互作用,忽略加料、放渣和放銅等過程;
2) 不考慮化學(xué)反應(yīng)及其熱量變化對各物相性質(zhì)的影響;
3) 爐內(nèi)流體設(shè)置氣相、渣相、锍相,其物性參數(shù)不隨時間、空間變化。
1.2.1 多相流方程
采用VOF多相流模型模擬大型底吹爐內(nèi)空氣、銅渣、銅锍三相流動。αq=0表示單元中不含第q相流體;αq=1表示單元中全部為第q相流體;0<αq<1表示單元中包含第q相流體和其他流體之間的界面。
通過求解多個相體積分數(shù)連續(xù)性方程,來追蹤各相之間的界面。該方程具有以下形式:
式中:ρq為第q相的密度,kg/m3;vq為第q相的速度,m/s;為從第q相向第p相的傳質(zhì),kg;為從第p相向第q相的傳質(zhì),kg;Sαq為質(zhì)量源項。
初相的體積分數(shù)根據(jù)以下約束條件計算:
式中:αg、αm、αs分別為計算單元中氣相、銅锍相、銅渣相的體積分數(shù)。
VOF模型在整個計算域內(nèi)求解單個動量方程,所得到的速度場在各相之間共用。動量方程與密度ρ、黏度μ和體積分數(shù)α相關(guān),如式(3)~(5)所示:
式中:v為速度,m/s;νT為速度轉(zhuǎn)置矩陣;g為重力加速度,m/s2;F為體積力,N;Δp為壓力差,Pa。
能量方程也在各相之間共用,如式(6)所示:
式中:E為能量,J;p為壓力,Pa;T為溫度,℃;keff為有效導(dǎo)熱系數(shù);Sh為能量方程源項。
1.2.2 湍流方程
采用Realizablek-ε湍流模型進行模擬,分別見式(7)和式(8)。
式中:k為湍動能,m2/s2;ε為湍流耗散率,%;Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能,kg/(m·s3);YM為浮力影響產(chǎn)生的湍動能,kg/(m·s3);Gb為可壓速湍流脈動膨脹對總耗散率的影響,kg/(m·s3);μt為湍流黏度,Pa·s。湍流模型中的常數(shù)C1ε=1.44,C2=1.9,σk=1.0,σε=1.2。
模型中,以爐頂部的煙氣出口為壓力出口,根據(jù)生產(chǎn)實際情況,出口為微負壓狀態(tài)(-20 Pa);計算域內(nèi)其他表面設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)壁面;簡化的氧槍面設(shè)為質(zhì)量流量入口,其流量根據(jù)實際生產(chǎn)工況由式(9)換算得到,即每個氧槍面流量為0.65 kg/s。
式中:Q為噴吹流量,m3/h;A為氧槍截面積,m2。
根據(jù)已有研究和生產(chǎn)實際情況[24-25],模擬時所使用的氣相、銅锍相和銅渣相物性參數(shù)如表1 所示。用patch 功能對熔體區(qū)域進行局部初始化,完成爐內(nèi)銅锍、銅渣和空氣的設(shè)置。結(jié)合生產(chǎn)實際情況,銅锍厚度設(shè)置為1 300 mm、渣層厚度為800 mm。
表1 氣相、銅锍相和銅渣相的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of gas phase, copper matte phase and copper slag phase
采用PISO 算法利用瞬態(tài)求解器進行數(shù)值求解,動量方程與能量方程的離散方式使用二階差分格式,亞松弛因子保持默認值。時間步長為0.001 s,求解的時間步數(shù)為5 000 步,計算時間為5 s。
由于模擬采用瞬態(tài)計算方式,因此需要確定大型底吹爐內(nèi)熔體從開始擾動到動態(tài)平衡(即“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”)狀態(tài)所需的時間。模擬過程中,提取出熔池內(nèi)的熔體(包含銅渣和銅锍)區(qū)域如圖3(a)所示,計算該區(qū)域的平均速度。
圖3 熔體區(qū)及其速度變化情況Fig. 3 Melt zone and its velocity change
圖3(b)所示為不同工況下熔體區(qū)平均速度隨時間的變化情況,其中,工況1和工況2中,氧槍夾角組合分別為0°&15°和3°&8°??梢钥闯觯瑒傞_始噴吹時,熔體速度呈現(xiàn)出急劇增大的趨勢,當(dāng)增長到峰值后會有一定程度的回落;1.9 s后,2個工況下的熔體區(qū)平均速度存在一定波動,但都趨于穩(wěn)定,因此,認為已經(jīng)進入底吹氣體對熔體攪拌的“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”階段。
模型驗證通常是針對所建立數(shù)學(xué)模型的驗證。在早期的研究[26-27]中,VOF模型和k-ε湍流模型已經(jīng)得到廣泛的討論和驗證,模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相對誤差小于5%,可以很好地重構(gòu)底吹氣體在熔池內(nèi)的運動情況。此外,本研究中模擬的氣體運動特性,與SHUI 等[28]的人水模型實驗結(jié)果一致,底吹氣體在熔池內(nèi)形成氣泡柱,進而擾動熔池,如圖4 所示。因此,可認為所建立的模型合理可靠。
大型底吹爐在兩排氧槍設(shè)置時,兩排氧槍的傾角和間距是影響熔池內(nèi)多相流動的重要因素,也是大型底吹爐熔煉過程優(yōu)化的重要方向。為了研究兩排氧槍的傾角和間距對熔體流動特性的影響,固定兩排氧槍夾角間距為15°進行不同傾角的數(shù)值模擬,固定小夾角氧槍為9°進行不同夾角間距的數(shù)值模擬,以此分析爐內(nèi)熔體流動狀況的變化情況。
2.1.1 工況參數(shù)設(shè)置
在研究氧槍傾角時,固定兩排氧槍夾角間距為15°,兩排氧槍分別設(shè)置12°&27°、9°&24°、6°&21°、3°&18°、0°&15°共5 個組合,通過轉(zhuǎn)動爐體來調(diào)整氧槍傾角,不同氧槍傾角設(shè)置方案示意圖如圖5所示。
2.1.2 氣體運動特征
圖6所示為t=4.6 s時不同氧槍傾角下爐內(nèi)氣相體積分數(shù)等于0.9的等值面,反映了底吹氣體在爐內(nèi)的運動情況。從圖6(a)可知,底吹氣體在熔池內(nèi)形成4個氣泡柱,對爐內(nèi)的熔體進行攪拌。在相同氧槍夾角下,氣體上浮軌跡基本相同,對熔池的擾動作用也相同。但不同氧槍夾角下,氣體上浮軌跡在爐內(nèi)空間分布有較大差異,對熔體的擾動也會有所不同。因此,調(diào)整氧槍夾角對熔體流動將產(chǎn)生重要影響。同時可以看出,不同氧槍傾角對氣體運動路徑的改變可從爐徑方向重點分析。從圖6(b)~(f)可知,隨著兩排氧槍傾角的增大,氣泡形態(tài)上未發(fā)生較大變化,但上浮過程中氣泡運動方向開始出現(xiàn)擺動,熔池內(nèi)部增加了一定程度的波動。同時需要注意,氣泡上浮路徑開始向爐壁一側(cè)偏移,這會導(dǎo)致核心反應(yīng)區(qū)也隨之發(fā)生改變,熔煉反應(yīng)和溫度中心發(fā)生偏移。
圖6 不同氧槍傾角下爐內(nèi)氣相等值面分布情況(t=4.6 s)Fig. 6 Distribution of gas equivalence plane in furnace under different oxygen lance inclination angles(t=4.6 s)
2.1.3 熔池內(nèi)速度及氣含率分布情況
為了深入分析熔池內(nèi)不同空間位置熔體相的速度和熔池氣含率分布情況,在爐內(nèi)設(shè)置若干截面作為監(jiān)測面,如圖7所示,其中,坐標(biāo)原點O位于計算域中心。t=4.6 s時各監(jiān)測面計算結(jié)果分別如圖8和圖9所示。
圖7 熔池內(nèi)部監(jiān)測面設(shè)置情況Fig. 7 Setting of monitoring surface inside the molten pool
圖8 不同氧槍傾角下爐長方向熔池狀況分析Fig. 8 Analysis of molten pool condition in the direction of furnace length at different oxygen lance inclination angles
圖9 不同氧槍傾角下爐徑方向熔池狀況分析Fig. 9 Analysis of molten pool condition in the direction of furnace diameter at different oxygen lance inclination angles
根據(jù)數(shù)據(jù)分布規(guī)律,在熔池內(nèi)部可劃分出核心攪拌區(qū)和高氣含區(qū)。從圖8(a)可以看出,當(dāng)氧槍角度組合由0°&15°轉(zhuǎn)變到12°&27°(即氧槍傾角增大)時,核心攪拌區(qū)速度峰值降低約0.2 m/s,區(qū)域內(nèi)速度變得比較接近,速度峰谷不再明顯。說明對該區(qū)域內(nèi)的熔體攪拌能力有所下降,冶煉反應(yīng)動力被削弱。從圖8(b)可以看出,隨著氧槍傾角增大,熔池內(nèi)高氣含區(qū)的范圍有一定程度增加,讓熔池內(nèi)更多的熔體參與到熔煉反應(yīng)中。
從圖9(a)可以看出,隨著氧槍傾角增大,核心攪拌區(qū)出現(xiàn)非常明顯的偏移,使氧槍所在一側(cè)熔體受到更強烈的攪拌。從圖9(b)可以看出,隨著氧槍傾角增大,熔池內(nèi)氣相分布由“中間高兩端低”轉(zhuǎn)變?yōu)椤把鯓屢粋?cè)高”的形式,同時還呈現(xiàn)出氣相向爐壁一側(cè)擠壓的狀態(tài),熔池內(nèi)氣相分布呈現(xiàn)出嚴重的不對稱,也會造成熔煉反應(yīng)在爐內(nèi)的不對稱分布。此外,在低氣含區(qū)出現(xiàn)少部分氣含率偏高的情況(圖中橢圓區(qū)域),主要是熔體噴濺后回落至熔池內(nèi),使一部分氣體進入熔池區(qū)域造成的。
2.1.4 熔體噴濺情況
為了分析熔體在爐內(nèi)的噴濺情況,在熔池上方設(shè)置19個監(jiān)測面,如圖10所示。由于熔體噴濺主要由銅锍組成,因此將各截面的銅锍相體積分數(shù)提取出來并繪制于圖11中。
圖10 熔池上方監(jiān)測面設(shè)置情況Fig. 10 Setting of monitoring surface above molten pool
圖11 所示為t=4.6 s 時不同氧槍傾角下熔池上方銅锍相體積分數(shù)分布情況。從圖11 可知,不同氧槍傾角下都存在熔體噴濺,但噴濺程度有所不同。0°&15°氧槍角度組合時,熔體噴濺量程度較輕,對爐襯傷害較??;12°&27°氧槍角度組合時,熔體噴濺最為強烈,噴濺高度可達Y=1.65 m 的監(jiān)測面。同時,噴濺的銅锍已經(jīng)接近爐體頂部,對耐火材料的壽命威脅最大,不利于大型底吹爐的長期運行。
2.2.1 工況參數(shù)設(shè)置
固定小夾角氧槍為9°,兩排氧槍分別設(shè)置9°&24°、9°&21°、9°&18°、9°&15°、9°&12°共5 個組合,通過重排氧槍使氧槍夾角間距分別為15°、12°、9°、6°、3°,不同氧槍角度間距設(shè)置方案示意圖如圖12所示。
圖12 不同氧槍角度間距設(shè)置方案示意圖(爐底視圖)Fig. 12 Schematic diagram of different oxygen lance angle spacing setting schemes(furnace bottom view)
2.2.2 氣體運動特征
圖13 所示為t=4.6 s 時不同氧槍角度間距下爐內(nèi)氣相體積分數(shù)等于0.9 的等值面。由圖13 可知,從爐徑方向來看,隨著兩排氧槍角度間距的增大,2個不同夾角氧槍產(chǎn)生的氣泡柱開始分離,大夾角的氧槍噴吹氣體路徑向爐壁一側(cè)轉(zhuǎn)移,氣泡上浮路徑存在一定的錯位空間,這將導(dǎo)致氣體對熔體擾動的中心和范圍發(fā)生改變。另外,角度間距較小時,2個不同夾角氧槍產(chǎn)生的氣泡形態(tài)具有較高的相似性,因此對熔池產(chǎn)生的擾動作用也較為一致,并且擾動范圍會存在一定程度的重疊。
圖13 不同角度間距下爐內(nèi)氣相等值面分布情況(t=4.6 s)Fig. 13 Distribution of equal value surface of gas in furnace at different angle spacings(t=4.6 s)
2.2.3 熔池內(nèi)速度及氣含率分布情況
圖14 所示為t=4.6 s 時不同角度間距下熔池內(nèi)的熔體相平均速度和氣含率爐長方向的分布情況。從圖14(a)可以看出,不同角度間距下,爐長方向底吹氣體形成的核心攪拌區(qū)范圍基本一致,傳遞給熔體的速度也比較相似,速度最高峰值在0.82~1.30 m/s之間。從圖14(b)可以看出,熔池的氣含率呈現(xiàn)出“中間高、兩端低”的分布形態(tài),角度間距較小(9°&12°組合)或角度間距較大(9°&24°組合)時,高氣含區(qū)范圍會有所減小,其他角度間距下則保持一個較寬的范圍,氣體在熔池內(nèi)部得到較好的分散。
圖14 不同角度間距下爐長方向熔池狀況分析Fig. 14 Analysis of molten pool condition in the direction of furnace length under different angle spacings
圖15 所示為t=4.6 s 時不同角度間距下熔池內(nèi)的熔體相平均速度和氣含率爐徑方向的分布情況。從圖15(a)可以看出,隨著角度間距增大,核心攪拌區(qū)的速度峰由尖銳逐漸變得平緩,最終分裂為2個峰。對于熔池內(nèi)部就意味著氣動攪拌模式由共同攪拌轉(zhuǎn)變?yōu)?個獨立的攪拌源進行攪拌,攪拌范圍進一步擴大。從圖15(b)可以看出,隨著角度間距增大,氣含率峰也呈現(xiàn)出減弱并分裂的趨勢。角度間距為12°(9°&21°組合)時,氣相在熔池內(nèi)分布范圍最廣,有較多空間區(qū)域的氣含率大于9%,極大增加了氣液接觸面積,有利于熔煉反應(yīng)的發(fā)生。
圖15 不同角度間距下爐徑方向熔池狀況分析Fig. 15 Analysis of molten pool condition in the direction of furnace diameter under different angle spacings
2.2.4 熔體噴濺情況
圖16 所示為t=4.6 s 時不同角度間距下熔池上方銅锍相體積分數(shù)分布情況。從圖16 可知,隨著角度間距增大,銅锍噴濺的高度呈現(xiàn)出增大的趨勢,噴濺更加劇烈。但是噴濺的銅锍距離爐壁較遠,僅在爐膛內(nèi)運動,對耐火材料的侵蝕較輕,尚處于可接受范圍。
圖16 不同角度間距下熔池上方銅锍相體積分數(shù)分布情況Fig. 16 Volume fraction distribution of copper matte phase above the molten pool at different angle spacings
隨著氧槍傾角增大,底吹爐內(nèi)核心反應(yīng)區(qū)會向氧槍所在一側(cè)偏移,然而底吹爐物料落在熔池中心區(qū)域會被推向低氣含區(qū),導(dǎo)致入爐物料反應(yīng)不充分,造成嚴重金屬損失。此外,核心反應(yīng)區(qū)向爐壁偏移,使溫度中心隨之改變,爐內(nèi)溫度分布不均,熔體沖刷與局部高溫共同作用下會加劇爐襯損傷,縮短爐體壽命。
隨著角度間距增大,氣動攪拌內(nèi)部的產(chǎn)生模式發(fā)生改變,底吹攪拌源會分散為兩個獨立攪拌源。將避免攪拌范圍的過度重疊,使氣體攪拌作用逐漸分散,入爐物料也將獲得更充分的攪拌,熔煉反應(yīng)環(huán)境得到提升。
在調(diào)控兩排氧槍的傾角和間距時,0°&15°與9°&21°的氧槍夾角組合表現(xiàn)出一定優(yōu)勢。9°&21°的氧槍夾角組合優(yōu)勢主要表現(xiàn)在熔池氣含率方面,氣含率大于9%的范圍較寬,增加了氣體和熔體的接觸面積,但也存在一些不足。一是攪拌強度略低,速度峰最大值僅為0.88 m/s;二是攪拌范圍有限,爐徑方向核心攪拌區(qū)寬度僅為1.2 m??傮w而言,0°&15°的氧槍夾角組合具有更強的擾動能力,速度峰最大值為1.76 m/s,爐徑方向核心攪拌區(qū)寬度為1.6 m。并且入爐物料落到熔池中心后,該工況下與入爐物料承接比較充分,核心攪拌區(qū)與物料落點匹配度高,攪拌更具針對性。此外,采用0°&15°的氧槍夾角組合時,調(diào)整措施也容易實施,不必進行較大改造,在現(xiàn)有設(shè)備上通過旋轉(zhuǎn)爐體即可實現(xiàn),是一個適宜的角度。
1) 氧槍傾角主要對核心攪拌區(qū)的空間位置產(chǎn)生“偏移”作用。隨著氧槍傾角增大,會加劇大型底吹爐熔池狀況的不對稱性,速度和氣含率分布往爐壁一側(cè)偏移,使相關(guān)指標(biāo)局部增高,同時帶來更多的惡性噴濺。
2) 角度間距主要對核心攪拌區(qū)的擾動狀態(tài)產(chǎn)生“分散”作用。隨著角度間距增大,氣動攪拌內(nèi)部的產(chǎn)生模式發(fā)生改變,分散為兩個獨立的攪拌源,攪拌范圍重疊減小,但熔體噴濺有一定程度增強。
3) 0°&15°的氧槍角度組合可獲得較強的熔池攪拌,并且氣體在熔池的擴散范圍較大,有利于提升熔煉效率。