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轉爐側吹熔煉水模型計算機仿真實驗論文
摘要：本文針對側吹噴吹總氣量與噴槍內徑開展水模擬及計算機仿真實驗研究，通過頂吹吹氣攪拌運動狀態、攪拌混勻時間、熔池攪拌強度的對比對比分析，探索轉爐側吹熔煉的最佳噴吹氣量和噴槍尺寸的等設計參數。
關鍵詞：側吹熔煉;水模型;計算機仿真;研究
1前言
某廠陽極泥和貴鉛處理主要采用轉爐表吹熔煉，存在能耗較高的缺點。國內側吹轉爐主要用于煉鋼，項目組擬通過實驗研究，探索煉鋼的側吹轉爐用于處理陽極泥和貴鉛的相關參數。國內外公開報道研究側吹轉爐爐內熔熔煉體行為的研究很少。項目組開展轉爐側吹熔煉水模型及計算機仿真實驗研究，達到以下目的。1.1試驗研究得到的規律可以用來解釋實際冶金過程的規律；1.2實驗過程中發現和總結出一些具有參考價值的數據，指導實際冶煉過程中工藝的改進；1.3成本低、重復試驗性強、試驗周期短。
2實驗方案
根據工程實際需求以及實際生產經驗先確定爐型尺寸并建立水模型有機玻璃反應器.1，模型相關研究參數及實驗變量實驗主體為在臥式圓柱體模型爐體的基礎上，用水作為流體模擬陽極泥和貴鉛進行實驗。圖2為側吹吹氣方式簡圖，實驗主要設置變量為噴吹總氣量與噴槍內徑。實驗主體基于粒子圖像測速系統對不同變量下的熔池流場進行拍攝觀測，每一組實驗連續拍攝30張流場圖片。同時輔以高速攝像系統觀測各變量下熔池的實際運動狀態及其變化，使用電導率儀以飽和食鹽水為介質對熔池電導率進行測定以確定熔池攪拌混勻時間。通過對實驗數據大量對比綜合分析以確定反應器最佳參數。
3熔池頂吹吹氣攪拌運動狀態分析
本實驗基于粒子圖像測速系統與高速攝像系統進行了大量系統性的物理模擬實驗，、噴吹總氣量10m3/h下的側吹吹氣方式的瞬時狀態圖.實驗條件下的側吹吹氣方式的瞬時矢量云圖，氣方式的熔池運動狀態簡圖。雙排側吹過程使用水平噴吹射流時熔池能量損耗較少，噴吹射流能量不會部分消耗于強噴射造成的噴濺，也不會部分消耗與射流穿透。側吹過程中，熔池主流區主要存在于熔池中上部，蕭澤強老師在單排側吹研究中提到：側吹射流前方熔池內形成一股可基本占據全熔池的主循環流。在作者的研究中，雙排側吹過程將在熔池下部形成兩股循環流，在理想狀態下，雙循環流能夠相互循環。
4熔池側吹吹氣攪拌混勻時間對比
熔池混勻速度的大小，由記錄到的熔池電導率變化曲線確定。電導率曲線的不斷變化或激劇波動，均表示混合尚未均勻，當電導率曲線的上下波動穩定的等于或小于平均值的5%時，即可認定混勻時間足夠均勻，所消耗的時間即位混勻時間。實驗利用DDSJ-308A電導率儀對熔池側吹吹氣攪拌混勻時間進行測定，測定結果如下圖所示。，當側吹氣量較小時，隨側吹氣體流量的增加，熔池攪拌混勻時間隨之下降較快；當側吹氣量較大時，隨側吹氣體流量的增加，熔池攪拌混勻時間隨之下降較慢。這表明在低的側吹氣體流量范圍，隨側吹氣體流量增加，熔池的水平攪拌作用逐漸增強，使熔池的混勻時間隨之下降；而當側吹氣體流量較大時，再增加側吹氣體流量，對熔池的攪拌混勻影響很小。隨側吹噴槍內徑的增加，熔池攪拌混勻時間變化規律大體相當。在此實驗條件下，每種噴槍內徑下熔池攪拌混勻時間都存在一個拐點，當側吹氣體流量小于拐點時，隨側吹氣體流量的增加，熔池的混勻時間隨之下降較快；當側吹氣體流量大于拐點時，隨側吹氣體流量的增加，熔池的混勻時間隨之下降較滿。噴槍內徑2.5mm時，臨界氣體流量為7.5m3/h，此時熔池攪拌混勻時間約為25s～30s；噴槍內徑5mm時，臨界氣體流量為10m3/h，此時熔池攪拌混勻時間約為28s～33s；噴槍內徑7.5mm時，臨界氣體流量為7.5m3/h，此時熔池攪拌混勻時間約為30s～38s；噴槍內徑10mm時，臨界氣體流量為12.5m3/h，此時熔池攪拌混勻時間約為28s～30s。由此可知在側吹過程中，小的側吹氣量下應選用相對小噴槍內徑有利于降低攪拌混勻時間；大的側吹氣量下應選擇相對較大噴槍內徑。
5熔池側吹吹氣熔池攪拌強度對比
通過粒子圖像測速技術（PIV）得到的不同噴槍內徑不同噴吹總氣量熔池瞬時照片經由Tecplot軟件進行分析處理，從而得到噴槍不同插入深度熔池運動矢量云圖（圖中VelMag表示在云圖中流場某處微元的融合速度，單位m/s；右側色柱為速度強度的強弱由低到高）。由于粒子圖像測速激光片光源性質，本實驗激光拍攝位置全部為臥式圓柱形爐體偏右側1/4處。由圖7與表2可知道，對比側吹過程不同氣量單個噴槍內徑熔池片光源截面平均速度，噴吹氣量變化規律為：當噴吹氣量為5m3/h～12.5m3/h時，熔池片光源截面平均速度隨噴吹氣量增加而增加，當噴吹氣量超出12.5m3/h時，熔池片光源截面平均速度隨噴出氣量增加變化相對較緩，說明側吹過程噴吹氣量臨界值為12.5m3/h左右。對比側吹過程不同氣量不同噴槍內徑熔池片光源截面平均速度，噴槍內徑5.0mm時，各噴吹氣量下熔池片光源截面平均速度皆大于其余噴槍內徑，因此認為噴槍內徑5.0mm左右為此種爐型側吹狀態下的最佳噴槍尺寸。
6結論
（1）側吹過程中，熔池主流區主要存在于熔池中上部，水平流股噴入熔池后，側吹射流的能量帶動熔池運動，射流在風壓作用下噴入一定距離后，變成大小各異的離散氣泡或氣泡團，此時熔池左右兩側上部區域會形成氣液兩相區。（2）側吹熔池上部到液面區域運動相對強烈，而熔池下部區域運動較為緩慢。噴槍內徑越大，氣泡尺寸越大，同時隨噴吹氣量增大，氣泡尺寸也增大。（3）在此實驗條件下，每種噴槍內徑下熔池攪拌混勻時間都存在一個拐點，當側吹氣體流量小于拐點時，隨側吹氣體流量的增加，熔池的混勻時間隨之下降較快；當側吹氣體流量大于拐點時，隨側吹氣體流量的增加，熔池的混勻時間隨之下降較滿。由此可知，在小的側吹氣量下應選用相對小噴槍內徑有利于降低攪拌混勻時間；大的側吹氣量下應選擇相對較大噴槍內徑。（4）側吹過程噴吹氣量拐點為7.5m3/h左右，噴槍內徑5.0mm左右為此種爐型側吹狀態下的最佳噴槍尺寸。
參考文獻:
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[2]赫培峰，崔建江，潘峰，計算機仿真技術[M]，機械工業出版,2009
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