氧氣底吹造鋶多金屬捕集過程中的氣泡行為的研究

《氧氣底吹造鋶多金屬捕集過程中的氣泡行為的研究》是依託東北大學，由劉燕擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：氧氣底吹造鋶多金屬捕集過程中的氣泡行為的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉燕
• 依託單位：東北大學

中文摘要

氧氣底吹造鋶技術是具有我國智慧財產權的煉銅吹煉技術，底吹過程可以利用氣泡上浮驅動熔池內金屬液循環流動並以此來加快傳遞過程。為了設計和操作底吹氣體噴射裝置，需要掌握噴吹參數、噴射區幾何形狀、氣液上升速度及含氣率等。然而，至今上述有關基礎研究尚不夠充分。本課題針對現有的氧氣底吹熔煉多金屬捕集反應過程中存在的一些問題，基於界面物理化學的基本理論，用物理模擬與數學模擬想結合的實驗手段，從圖像分析、因次分析、氣含率、均混時間、氣泡上升速度、氣泡利用率、數值模擬等角度，系統地研究氧氣底吹熔煉多金屬捕集反應過程中氣泡微細化和氣泡分散的影響因素及其相互作用規律，建立包括各種噴吹參數的含氣率分布模型，研究噴射區的形成過程並建立其邊界模型，根據動量守恆和力的平衡關係，建立噴射區的氣一液上升速度的物理模型，在冷態物理模擬與數值模擬基礎上進一步預測高溫下底吹氣泡行為。為選擇最佳底吹工藝參數提供實驗和理論依據。

結題摘要

氧氣底吹熔煉技術的工業化是我國底吹連續煉銅法進步的一個標誌，該技術目前還存在很多問題，為了改良底吹氣體噴射裝置，需要了解和掌握噴吹參數、氣泡大小、噴濺、卷渣及熔池內氣含率等參數。為了進一步認識和掌握氣－液噴射過程的物理單元傳遞現象，本項目針對現有的氧氣底吹熔煉多金屬捕集反應過程中存在的問題，基於相似原理建立了水模型實驗裝置。在水模實驗中，採用圖像分析、吸收速率、均混時間和因次分析等方法，對氧氣底吹造鋶熔煉反應過程中氣泡微細化和氣泡分散的影響因素及其相互作用規律進行了系統地研究，包括橫截面水模型的單槍噴吹、雙槍噴吹，改變噴嘴數量、噴嘴角度、噴嘴直徑、氣流速度等一系列因素對氣泡大小及氣含率的影響規律，並利用因次分析方法分析關聯各種因素對氣泡尺寸影響的準數方程。全長水模型中，通過高速攝像法、電導率測量法、NaOH溶液吸收CO2法等，對反應器內熔池均混時間、噴濺高度、氣體吸收速率及利用率進行測量，系統地研究不同的氧槍布局、噴吹壓力、噴氣速度、CO2濃度、液面高度等參數變化對熔池攪拌效果、氣泡微細化和分散的影響規律。數值模擬套用商業CFD軟體，採用Eulerian-Eulerian模型對底吹爐內的氣液體系進行數值模擬，研究了橫截面水模型不同噴氣速度、單噴嘴角度、雙噴嘴夾角條件下熔池內氣液兩相分布、流體速度、內部流場跡線的影響，又通過全長水模型的數值模擬，考察了各個噴嘴之間的影響和整體模型內的流體流動狀況及氣液分布。並將結果與水模型實驗結果對比，數值模擬結果與實驗結果一致的基礎上，得到以下結論：雙噴嘴對稱噴吹中，夾角越大，噴濺越小，氣泡在水中分布越均勻，採用44°夾角能獲得最少的噴濺和最佳的氣泡微細化效果；雙噴嘴不對稱噴吹比對稱噴吹在氣泡分散和微細化方面更具優勢，不同的不對稱夾角之間的差別不大，平均氣泡直徑均小於4mm；由單雙噴嘴的比較可知在相同氣體流量的情況下，採用雙噴嘴能獲得更好的熔池攪拌效果並大幅減少液體噴濺和卷渣現象，而超音速噴嘴有利於氣泡細化的同時會加劇噴濺和卷渣；全長水模型中，9個噴嘴三排排布能在不增加噴嘴數量的條件下最大的減小熔池均混時間，獲得最佳的攪拌效果。本項目通過對氧氣底吹爐的物理數值模擬，掌握了操作參數對氣泡行為的影響規律；建立了氣泡直徑與各參數之間的量化關係；探求到了最佳的噴吹條件，為解決底吹實際工業問題、提高冶煉效率、降低成本提供了堅實的理論基礎。