富氧底吹铜熔炼炉内气- 液多相流研究

董择上， 李东波， 姚 心， 黎 敏， 李 兵， 梁帅表， 郭天宇， 薛庆国

(1.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038； 2.北京科技大学 钢铁冶金新技术国家重点实验室， 北京 100083)

近年来，随着全球气候变暖、环境恶化及能源资源短缺等问题，高能耗、高污染企业面临巨大压力[1]，工业炉是机械、建材及冶金等部门重要的生产设备，同时也是高能耗设备[2-3]，目前我国有色冶金炉窑仍存在一些节能短板，具有很大节能潜力[4]。在这一背景下，新的有色冶金冶炼技术和设备层出不穷，有色冶炼行业中的底吹技术由中国恩菲首创，具有投资省、环保好、能耗低等优点[5-6]，初期应用于炼铅行业[7]，带来了炼铅行业巨大技术进步，在20世纪90年代开始，相继研发了第一代底吹铜熔炼技术和第二代底吹连续炼铜技术[8]，成功工业化，并取得良好效果，具备很强的竞争力，市场占有率不断扩大[9]。目前正在研发的双底吹- 炉渣综合回收——“一担挑”炼铜技术[10]，正在引领炼铜技术未来的发展方向[6]，底吹技术必将在未来炼铜行业中占有一席之地。底吹炉作为底吹技术的核心装置，正受到越来越多专家和学者的关注[11-13]，其核心特征就是高压气体由炉体底部喷枪高速喷出，提高冶炼效果，该特征普遍应用于各种金属的熔炼和精炼过程。底部喷入的高速气体与高温熔体接触，将气体的动能转化为熔体动能，并相继完成熔池混匀、气- 液相间界面传质及反应等一系列复杂的冶金物理化学过程。为了达到对反应器结构、喷吹模式和技术参数优化的目的，需要了解这些现象的内在机理，但在实际冶炼过程中很难对这些现象进行直接观察和分析，因此需要借助仿真模拟来实现可视化分析，数值模拟方法具有结果信息全、周期短、成本低、安全可靠等优点[14]，目前已成为研究多种工业炉内部气- 固- 液复杂多相流体系的重要方法。现有的底吹炉仿真模拟中[15-17]多为底吹炉扁片模型或局部模型，仅仅考虑单支喷枪或双支喷枪，全炉模型研究较少，实际底吹炉在长度方向上分布有若干支喷枪，喷枪之间相互影响并对熔池进行搅拌，从而造成炉内不同的流动现象，本研究建立了与实际炉型尺寸一致的全三维底吹铜熔炼炉模型，采用商业软件Fluent进行求解，多相流模型选用VOF模型，湍流模型选择标准k-ε模型，对炉内铜锍- 熔炼渣- 烟气三相的流动过程进行模拟计算，分析炉内流体流动形态，以期为底吹炉的设计和操作制度制定提供参考。

1 底吹炉仿真前处理

以中国恩菲自主研发并设计的某工厂正常运行的底吹熔炼炉为研究对象，全炉尺寸为Φ3.8×22 m，底吹熔炼炉的冶炼过程简要描述如下[8]：将硫化铜精矿、其他含铜物料和熔剂配料制粒后，由炉顶加料口投入炉内进行熔炼，产出高品位铜锍和熔炼渣，烟气经余热锅炉冷却回收余热后送至电除尘器净化除尘，然后送制酸车间生产硫酸。采用商业软件对全炉进行几何建模、网格划分、边界条件计算等前处理过程。

1.1 几何模型建立及网格划分

图1为建立的与实际底吹熔炼炉尺寸比例为1∶1的底吹炉几何模型，左侧凸起为烟道，底部共分布有14支(7组)喷枪，实际运行中可以根据炉况对某些喷枪进行堵枪操作，且为方便停炉检修维护，烟道与炉中心轴线偏离一定的距离，且喷枪方向与竖直方向成15°角。

图1 底吹炉几何模型

结构化网格由于计算效率高，作为网格类型首选，因此将整个炉体分为喷枪区域和其他区域，分别采用不同的网格划分策略，将喷枪区域网格局部加密，远离喷枪的其他区域网格较为稀疏，同时网格精度应得到保证。结构化网格划分结果如图2所示，为保证计算效率，网格数量最终控制在100万以内。网格质量参数如图3所示，网格质量满足计算精度要求。

图2 网格示意图

图3 网格质量参数

1.2 计算方法选取

1.2.1 模型假设

铜底吹熔炼炉内涉及到多相间传质、动量传输和多相间传热等复杂现象，对其实际现象的计算存在较大困难，模拟中可以对炉内的多相流动进行适当假设与简化：(1)初始熔体为静止状态；(2)熔池内高温熔体为不可压缩流体；(3)不考虑加料口加料及排渣铜口的周期性排放渣和铜锍的操作，即熔体液面保持恒定；(4)不考虑气- 液间的化学反应及反应放热。

1.2.2 基本控制方程

底吹熔炼过程采用VOF多相流模型模拟熔池熔炼炉内的气- 液多相流动[14]，对于气液多相流，计算中定义体积函数α(单元中流体所占体积与单元体积之比)，通过建立和求解α的输运方程来确定自由表面的位置。当体积函数α=1，则单元体积内充满液体；α=0，则单元体积内无液体；α=0～1之间，则单元体积内既充有液体又充有气体，此单元为自由表面单元。

(1)质量守恒方程

在VOF模型中，追踪界面主要是通过求解一相或多相的体积分数的连续性方程来完成的，连续性方程如下式所示：

(1)

式中t—模拟时间，s；

αq—第q相的体积分数；

ρq—第q相的密度，kg/m3；

vq—第q相的速度，m/s；

Sαq—q相的源项。

(2)

(2)动量守恒方程

VOF模型中，通过求解区域内的单一动量方程，得到的速度场在各相中是共享的，如下式所示：

式中ρ—流体密度，kg/m3；

v—流体速度，m/s；

μ—动力黏度，kg/(m·s)；

p—压力，Pa；

F—作用于控制容积上的体积力，N。

1.2.3 湍流模型

在硫化铜精矿氧化熔炼炉内，底部喷枪喷入的富氧气体以射流形式进入熔池，流动行为是一个强湍流过程，对于湍流，选用标准k-ε模型进行描述，k方程是个精确方程，ε方程是由经验公式导出的方程，方程如下：

(3)

(4)

式中ρ—密度，kg/m3；

v—速度，m/s；

μT,m—湍流黏度，kg/(m·s)，μT,m=ρCμk2/ε；

Cμ—经验常数，取值0.9；

Gk,m—由于平均层流速度梯度而产生的湍流动能，J；

Gb,m—由浮力产生的湍流动能，J；

σk、σε—k、ε的湍流普朗特数。湍流经验常数通常取值为：C1=1.44，C2=1.92，C3=1.0，σk=1.0，σε=1.3。

1.3 工艺条件

数值模拟的边界条件采用MetCal计算，得到的底吹熔炼炉操作的工艺参数，喷枪数量采用7支喷枪(每组喷枪取1支工作，另外一支采用堵枪操作)，根据实际工况确定各熔体高度，本计算采用的熔体物性参数及边界条件列于表1。

1.4 求解器设置

多相流模型选用显式体积分数参数方程和隐式惯性力方程(Implicit Body Force)，计算采用非稳态计算，自适应步长，库朗数取5.0，采用SIMPLE格式的压力- 速度耦合方式，PRESTO！格式使压力离散化，动量采用二阶迎风格式，体积率采用Compressive格式，其它采用一阶迎风格式。各项收敛残差设为1×10-3。

表1 边界条件

2 计算结果与讨论

2.1 模型验证

为了后续分析，首先需要验证数学模型计算结果的准确性，将计算结果与水模型实验结果[18]进行对比，如图4所示，图中显示了两种模型中气体由底部喷枪喷出后进入熔池之后形态的变化，刚进入熔池时，由于熔池具有较大的压力并且气泡也具有很高的压力，因此气泡柱显得较小，随着气泡柱的上升，熔池压力降低，气泡柱开始向两边膨胀扩大，直至达到熔池表面溃破。数值模拟计算得到的结果与水模型实验结果具有很好的相似度，证明本数学模型各假设和计算方法选取是合理的。由于水模型实验的局限性往往得不到量化参数，因此有必要对数值模型结果进行更为详细的分析。本部分为后续仿真计算结果的详细分析奠定基础。

图4 数值模拟结果vs水模型实验结果

2.2 炉内气液流场特征

底吹熔炼炉内主要存在三相：烟气、熔炼渣和铜锍，各相密度铜锍>熔炼渣>烟气，为了观察炉内气液分布规律，绘出不同时刻喷枪纵向和横向截面上流体密度分布云图，如图5所示，图中以颜色深浅代表密度大小，从而表示了不同种类的熔体。

图5 不同时刻下喷枪横向及纵向截面熔池气液分布特征

由图5可以看到，富氧气体由底吹熔炼炉底部连续喷入炉内，由于气体具有较强的压能，因此气体可以突破熔池的重力而穿透铜锍层和渣层快速上升，该过程产生的断断续续的气泡柱，气泡扩散到熔池表面时气体压力骤然减小，气泡溃破溢出熔池表面，并将压能和动能传递给表面熔体，产生波动，表面熔体将向周围流动，并与壁面碰撞产生反射波，反射波与新产生的波碰撞，从而实现熔池表面的搅动。熔池的搅拌主要存在于两个区域：内部气泡柱附近和熔池表面的剧烈搅拌，而其他区域的熔体只有微小波动。因此熔池内部发生反应区域就对应着搅拌强烈的区域，其他流动平稳区域则为铜锍和渣沉降分离提供了条件。该炉型的喷枪分布既能够加快气液反应区反应进度，又利于铜锍和渣的沉降分离，因此底吹方式提高了生产效率，并且大大减少了出铜锍时的卷渣现象。

2.3 炉内速度场

根据底吹炉的实际运行工况可知，各种流体在炉内存在着低速流动区和高速流动区，底吹炉的冶炼特点决定了各区域的分布规律，各区域的流动规律对于炉型设计和操作优化有很重要的指导意义，因此选取某一稳定时刻，分别以流体速度显示范围为0～2.0 m/s和0～50.0 m/s，作喷枪横向截面上流体的速度云图和速度等值线，如图6所示。

图6 某一时刻炉内熔体流速分区示意图

首先观察低速流动区域，该区域的流体主要包括：远离烟道的烟气区域及液态熔体的沉降区，并且可以看到在喷入气体产生的气泡柱附近和液态炉渣表面具有较强的流动，这与上一小节气液流动分布分析结果一致。高速流动区流体主要包括：烟道附近的烟气区域及喷枪出口处，一个为烟气的快速流出区域，一个为气液反应剧烈的区域。

通过上述分析可以大致描绘出喷枪气体喷入炉内后的流动规律，底部喷枪射入的高速气体冲击高温熔体，依次接触铜锍和炉渣，搅拌熔体的同时不断发生气- 液反应，反应产生的烟气，扩散到烟道，由烟道抽出进入余热锅炉。采用底部氧枪布置的方式使炉体内分为四个区域：铜锍- 渣沉降分离区：位于无喷枪布置的熔池区域，两种熔体流速缓慢，实现渣锍平稳分离；气- 液剧烈反应区：位于喷枪产生的气泡柱区域附近和熔池表面，熔体搅动强烈，发生反应；气相低速流动区：位于远离烟道的烟气区域，这一部分烟气水平流向烟道，且速度逐渐增加；气相高速流动区：位于喷枪入口处、烟道下部及附近的烟气区域，生成的烟气通过烟道口负压高速排出。

2.4 喷溅分析

由于底吹熔炼炉搅拌强度较大，易产生炉内熔体的喷溅，造成加料口堵塞问题，清理加料口耗费大量人力物力，影响冶炼进度，因此有必要对本工况下熔体的喷溅行为进行分析，图7为某一时刻下铜锍、熔炼渣相体积分数为0.1(假设喷溅最小浓度)的等值面在不同时刻的变化规律，为便于对比同时作出气相0.9的等值面，定性分析了熔炼过程的喷溅规律。

图7 某一时刻不同流体体积分数等值面

由图中可以看到，以最小喷溅体积分数0.1为标准，铜锍的喷溅高度明显高于炉渣，初步判断喷溅物质主要为处于熔池下层，与气体首先接触的铜锍，再观察气相体积分数为0.9的等值面，该等值面与铜锍体积分数为0.1的等值面形状相似，据此可以判断底吹熔炼炉的喷溅物主要是铜锍。可以得到底吹熔炼炉的喷溅机理如下：底部喷枪喷入的气体首先和铜锍层接触，带动铜锍的剧烈搅拌，铜锍上升过程中卷入熔炼渣造成炉内熔体的喷溅。在实际生产中控制喷溅最有效的手段就是选用合理的熔池高度，可以通过优化加料制度和供气制度，从而获得适宜的熔池高度，既能保证较高的生产效率，又能防止熔体喷溅造成的生产中断。

3 结论

结合铜熔炼底吹原理、工程经验、冶金计算及设计图纸等原始数据，建立某实际底吹铜熔炼炉1∶1几何模型。采用实际生产的工艺参数进行计算，并对结果进行分析，将数学模型就散结果与水模型实验结果进行对比，验证计算的合理性，并对炉内气液两相流动规律、炉内各相速度场、熔炼炉喷溅机理进行分析，得到一些在生产现场或实验室无法获取的基础数据。得到如下结论：底吹熔炼炉内气液化学反应主要发生在喷吹气体产生的气泡柱附近和熔池表面，其他区域熔体只有微小波动，从而实现强冶炼区域和沉降区域的合理分离；炉内流动区域主要分为铜锍- 渣沉降分离区、气- 液剧烈反应区、气相低速流动区和气相高速流动区，各区域分别实现了底吹炉内不同的冶炼功能，实现良好的功能分区；底吹炉生产实际中控制喷溅最有效的手段就是选用合理的熔池高度，可以通过优化加料制度和供气制度，从而获得适宜的熔池高度，既能保证较高的生产效率，又能防止熔体喷溅造成的生产中断。