碳?xì)滂F浴還原浸入式側(cè)吹攪拌數(shù)值模擬研究

股份公司煉鐵廠(chǎng)2014年11月6日碳?xì)滂F浴還原浸入式側(cè)吹攪拌數(shù)值模擬研究前言鐵浴熔池熔融還原:碳可高效廉價(jià)使用氫冶金：無(wú)碳、來(lái)源豐富、熱效率較高、能量密度大、使用清潔、可再生等特點(diǎn)。低碳可持續(xù)：鐵浴熔池+氫冶金兩者結(jié)合是解決煉鐵生產(chǎn)環(huán)境和能源問(wèn)題的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展的主要手段。浸入式側(cè)槍的攪拌對(duì)熔池?cái)嚢杌靹蚱鹬饕饔?。本文?shù)值模擬了側(cè)吹流量和側(cè)槍層數(shù)對(duì)熔池的攪拌效果，期望為碳?xì)浣K還原爐的設(shè)計(jì)和優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。碳?xì)淙廴谶€原工藝及終還原爐示意圖雙排側(cè)槍幾何模型物理模型1模型假設(shè)條件和控制方程：選擇VOF多相流模型：動(dòng)量方程：容積比率方程標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型方程模型假設(shè)和初邊界條件如下（1）模型壁面無(wú)滑移，無(wú)穿透邊界；（2）不考慮化學(xué)反應(yīng)；（3）不考慮溫度場(chǎng)變化；（4）流體為不可壓縮粘性流體（5）自然初始條件計(jì)算方案及方法模擬采用PISO算法進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，時(shí)間步長(zhǎng)為10-5s，計(jì)算時(shí)間10秒。模擬渣鐵和爐氣計(jì)算所選用的物性參數(shù)如表1所示。

表1計(jì)算用物性參數(shù)計(jì)算域組成相密度(kg/m3)粘度(pa*s)水（模擬鐵）998.21.003*10-3油(15℃)（模擬渣）868.51.4*10-3空氣（模擬爐氣）1.2251.7894*10-5計(jì)算方案單層噴槍計(jì)算方案槍位(mm)流量(L/min)4546、6.5、7.5

雙層噴槍計(jì)算方案槍位(mm)流量(L/min)454（上排槍?zhuān)?72（下排槍?zhuān)?、6.5、7.5模擬結(jié)果及討論圖3氣相中油相百分含量圖

圖4水相中油相百分含量圖6L/min6.5L/min7.5L/min圖5第10s時(shí)刻不同流量下的密度圖單排槍不同流量下的混勻時(shí)間對(duì)比圖從圖中可以看出，隨著側(cè)吹流量的加大，混勻時(shí)間變小，混合越均勻。這與數(shù)值模擬的結(jié)論一致，從而，試驗(yàn)驗(yàn)證了多相流數(shù)模在本文還原器攪拌分析中的有效性。不同流量下的水?；靹驎r(shí)間結(jié)論在實(shí)際的熔融還原爐中，頂部空間二次燃燒的熱量通過(guò)噴濺的渣滴傳遞到底部熔池中，因此，熔池頂部噴濺的渣滴越多（油在氣中的含量增加）或氣體在油相中的含量增大，以致氣油界面的波動(dòng)加劇，越有利于熔池的傳熱和提供良好的動(dòng)力學(xué)條件，由此可見(jiàn)，數(shù)值模擬的結(jié)果表明：熔池氣流量越大，對(duì)熔池的攪拌越好。而流量與攪拌強(qiáng)度間的定量關(guān)系則可由流量與密度變化的計(jì)算確定

雙層噴槍對(duì)熔池?cái)嚢栊Ч挠绊?/p>

壁面密度數(shù)值模擬圖數(shù)值模擬結(jié)果（壁面密度）（第1s時(shí)刻，流量為7.5L/min）單排槍雙排槍壁面模擬結(jié)論圖7是第1s時(shí)刻，單排槍和雙排槍流量為7.5L/min下得到的壁面密度數(shù)值模擬圖。從圖中可以看出，熔池在雙排側(cè)槍噴吹下的水油界面波動(dòng)更加明顯，對(duì)油相的攪拌更加劇烈。

單排槍和雙排槍俯視密度圖和水模對(duì)比單排槍和雙排槍俯視密度圖和水模對(duì)比結(jié)論圖8和圖9也同樣表明，相同噴吹量和噴吹時(shí)刻下，雙排槍噴濺更為劇烈，且水模擬結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，進(jìn)一步驗(yàn)證了多相流數(shù)模在本文還原器攪拌分析中的有效性研究結(jié)論（1）VOF多相流模型適于碳?xì)滂F浴還原浸入式側(cè)吹攪拌流動(dòng)數(shù)值模擬研究（2）側(cè)吹流量越大，對(duì)熔池的攪拌越好。（3）雙層側(cè)槍的浸入式側(cè)吹比單層側(cè)槍浸入式側(cè)吹對(duì)熔池的攪拌更加劇烈，熔池混勻時(shí)間