金屬冶煉過程氣泡運動特性研究

張廣君 張小輝

摘要： 在金屬冶煉過程中，燃料燃燒產生的煙氣和過量空氣會在熔體中產生氣泡，氣泡在熔體中的運動特性會對金屬的冶煉效果產生重要的影響。冶煉過程中高溫、密閉的冶煉條件以及熔體內氣泡運動的復雜性給氣泡運動的研究帶來了巨大的困難。為了進一步研究氣泡在熔體中的運動特性，數值模擬的應用顯得至關重要，對提高金屬冶煉效率提供給了有效的技術支撐。

Abstract： In the process of metal smelting， the smoke and excess air generated by fuel combustion will produce bubbles in the melt，and the movement characteristics of the bubbles in the melt will have an important impact on the smelting effect of the metal. The high temperature， closed smelting conditions and the complexity of bubble motion in the process of smelting bring great difficulties to the study of bubble motion. In order to further study the movement characteristics of bubbles in the melt， the application of numerical simulation technology is very important， which provides a solid technical support for improving the efficiency of metal smelting.

關鍵詞： 金屬冶煉；氣泡；運動特性；數值模擬

Key words： metal smelting；bubble；motion characteristics；numerical simulation

中圖分類號：TF111 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）10-0231-02

0 引言

在金屬冶煉過程中，為促進熔煉過程中化學反應的有效進行，加快金屬熔體和渣的分離，常常會向熔體內噴入惰性氣體，惰性氣體與燃料燃燒后產生的煙氣相混合在熔體內形成氣泡，氣泡在熔體中不斷運動，對熔體產生攪拌作用，從而優化熔煉的效果，提高熔煉的效率。氣泡在金屬熔體中的運動特性對冶煉效率和冶煉效果有著十分重要的影響[1]。

熔體中的氣泡運動十分復雜，在鼓風翻騰的熔爐中，熔體的流動狀態非常劇烈且雜亂無章，加劇了氣泡運動的隨機性和復雜性[2]。忽略熔體內復雜的化學反應，較常規流體而言，熔體的密度較大，氣泡在熔體內受到的壓力較大，熔池內不同深度間的壓力差也非常大，氣泡在上升過程中的壓力變化比在常規流體中大得多，加劇了氣泡在上升過程中的體積變化，提高了氣泡形變的復雜性，同時較大的壓力使氣泡更容易發生碎裂現象，氣泡分散后形成的小氣泡繼續對熔體進行攪動作用，使其運動現象更加復雜難測[3]。

熔體的粘度比常規流體大得多，在氣泡運動過程中熔體對氣泡的各種剪切應力較復雜，較氣泡在常規流體中的運動而言，氣泡更易破碎。由于粘度的影響，氣泡的運動軌跡也變得更加難以控制，巨大的粘度以及復雜的形變，使得氣泡在上升過程不像在常規流體中那樣，基本只在深度方向上有較明顯的運動。熔體中的氣泡隨著形狀和深度的不斷變化，有三種不同的運動形式：直線型、之字形和螺旋形[4]，不同的運動軌跡對熔體的攪拌效果差異很大，給氣泡運動規律的研究帶來困難。

由于金屬冶煉的特性，需要高溫密封的冶煉環境，在密封的冶煉爐外無法直接觀測氣泡的運動狀態和運動軌跡，而爐內高溫的環境下，無法安裝各種監測設備對氣泡的運動進行捕捉，只能根據冶煉的結果來簡單推測氣泡的攪動效果，無法對氣泡的運動規律進行準確的研究與判斷。停爐檢測和調節試驗的經濟代價又非常大，對氣泡運動的研究構成了嚴重的阻礙。

冶煉過程的特殊性和復雜性決定了無法依照氣泡在常規流體中的運動形式來研究氣泡在熔體中的運動規律，冶煉環境的密閉和高溫特性又給氣泡運動的直接觀測帶來了困難。

綜上所述，為研究氣泡對金屬熔體的攪拌規律，對金屬冶煉工藝過程進行指導，提高冶煉效果和經濟性，需要數值模擬的應用。

1 數值模擬的應用

冶煉過程的復雜性與難監測性給氣泡運動的研究帶來了極大困難，故數值模擬方法就顯得尤為重要。數值模擬過程主要分為4個部分：

第一部分為物理模型構建，即根據所研究的工藝過程構建相應的物理模型，運用網格劃分軟件對物理模型進行相應網格劃分。

第二部分為初始條件和邊界條件的設置，根據冶煉過程的相關參數設置相關初始條件和邊界條件。

第三部分為模擬軟件的數值計算過程，根據設置的初始條間與邊界條件，利用模擬軟件進行復雜的數據計算，得到相應的數據結果。

第四部分為利用簡單試驗，驗證所建模型準確性，為數值模擬計算提供有力驗證。

以下為四部分工作的具體操作和方法。

1.1 物理模型的構建

金屬冶煉過程十分復雜多變，相應產生了許多冶煉工藝技術，根據冶煉技術的特點，每種冶煉技術都有其對應的爐體結構，合適的爐型結構能夠較好地發揮冶煉技術的優勢，提高冶煉效率。在物理模型的構建過程中爐型結構是必須考慮的部分，為了保證模型準確性，依照實際冶煉爐的爐型結構構建物理模型，如艾薩爐為圓柱形爐體[5]，需構建圓柱形的物理模型。

除了要考慮整體爐型的構建與設計，冶煉爐中相應的進料口、出料口、排煙口等結構分布和爐內噴槍的排列也要根據實際工藝進行設置。物理模型建立后，需要對物理模型進行精密的網格劃分，根據物理模型中各部分部件的復雜程度確定相應的網格尺寸，部件結構越復雜，網格尺寸越小，計算過程越精細準確，模型計算準確性越高。

1.2 初始條件與邊界條件的設置

根據實際冶煉工藝的相關參數如：熔體溫度、爐膛溫度、燃料量和空氣量等來設置計算模型的初始條件和邊界條件，這部分工作比較復雜，需要大量的資料查閱，對相關工藝的條件與相關參數都要十分清楚。分析研究整個冶煉過程，選擇適當的計算模型，如在冶煉過程中傳熱的主要方式為對流和輻射，需選擇湍流模型和輻射模型。除對工藝參數和模型要熟悉外，在熔煉過程中涉及到的相關反應方程以及經驗公式也需要進行設置，模擬軟件的基本設置往往無法滿足冶煉工藝的復雜過程，有時需要人工編譯程序代碼補全相關公式以及物性參數的需求。在整個數值模擬的過程中，初始條件和邊界條件的設置過程對數值模擬的準確性起著關鍵性作用。

1.3 模擬軟件的數值計算

在基本模型、邊界條件、初始條件等設置好后，為了得到想要的結果，需要利用模擬軟件進行數據計算。設置好計算時間和計算步長，利用模擬軟件進行大量的計算，得到整個計算模型中各個時間點的計算數據，對計算數據進行篩選，得到所需時間點的相應數據，如為研究氣泡形狀變化，導出氣泡直徑的變化數據以及相分布圖，能夠清楚準確觀察氣泡形狀以及尺寸的變化。在模擬過程中，冶煉過程中那些復雜的條件都可以運用軟件中的經驗公式和相應計算模型來實現，相關結果通過導出計算數據的來獲得，解決了冶煉過程的復雜性和難檢測性，準確度較高，經濟性較好。

1.4 建立簡單試驗，驗證模型準確性

在取得相關計算數據后，還要對所建立模型進行檢驗，將計算模型中一些復雜的設置簡化，如將冶煉過程的計算模型中，將物理模型進行簡化，建立成簡單方便搭建的圓柱形模型，將熔體換成常規流體。利用相似原理，搭建一個小型水槽，向水中噴入空氣氣泡，使之與數值模擬的計算模型相符合，將簡化后的計算結果與相應水模型試驗相對比，檢驗所建模型的準確性，提高數值模型的嚴謹性與正確性。

2 數值模擬運用實例

通過數值模擬對氣泡運動的研究起步較早，劉紅等[6]對金屬熔體中的氣泡進行數值模擬，得到了熔體粘度、氣泡尺寸以及氣泡分布情況之間的關系。陸奇志等[7]對油滴內氣泡行為進行研究分析，觀測了微氣泡的生長、破碎規律，捕捉到了環境溫度為973K時，在直徑為1.25mm的燃燒油滴內，微氣泡的急劇暴漲和瞬間碎裂現象。唐永剛等[8]對單個三維氣泡在近自由面運動進行了數值模擬，測了氣泡上升速度變化以及氣泡運動對自由液面的影響。婁文濤等[9]采用計算流體力學的VOF模型對水模型內氣泡運動進行數值模擬研究，得到氣泡頻率隨著噴槍口處氣體量增加而減少。李帥等[10]建立了軸對稱和三維上浮氣泡邊界元模型，討論了氣泡初始條件、表面張力和黏性對氣泡上浮過程中動力學行為的影響，提出了一種處理三維上浮氣泡融合的數值方法，計算結果與實驗現象符合良好。

3 結論

氣泡對金屬熔體的攪拌作用對金屬的冶煉效率和冶煉結果有著重要的影響，對氣泡攪動規律的研究能夠對實際冶煉過程產生很好的指導作用，促進技術改革，提高經濟效益。但冶煉過程的氣泡運動十分復雜多變，不能從常規流體中氣泡的運動規律上得到很好的借鑒，而高溫封閉的冶煉工藝條件給氣泡規律的觀察帶來了困難。故為了更好地研究氣泡的運動規律，數值模擬的利用十分有必要。利用模擬軟件模擬冶金過程的復雜環境，操作簡便且容易實現，通過數據計算直接得出想要的計算結果，方便直觀。可以通過簡化后的模型進行試驗驗證，保證計算模型的正確性與嚴謹性，使計算結果更加準確。通過計算結果優化現實工藝技術，通過現實工藝反過來改善計算模型。數值計算方法在很多領域都已經開始應用，但還需不斷強化，對金屬冶煉過程進行優化和指導。

參考文獻：

[1]解茂昭，韓薇，劉紅.液態金屬熔體中氣泡運動特性數值模擬[J].大連理工大學學報，2006，46（3）：340-344.

[2]宋會玲，解茂昭，劉紅.氣泡在液態金屬攪拌流場中運動與變形的影響因素分析[J].工程熱物理學報，2008，29（12）：2053-2056.

[3]梁健國，閆紅杰，張家元.高爐下部氣固湍流和煤粉燃燒的數值模擬與優化研究[J].鋼鐵研究，2012，40（4）：14-20.

[4]閆紅杰，趙國建，劉柳.靜止水中單氣泡形狀及上升規律的實驗研究[J].中南大學學報，2016，47（7）：2513-2520.

[5]王仕博.艾薩爐頂吹熔池流動與傳熱過程數值模擬研究[D].昆明：昆明理工大學，2013.

[6]劉紅，解茂昭，李科.液態金屬熔池中氣泡-液體兩相湍流的數值模擬研究[J].計算力學學報，2007，24（5）：669-673.

[7]陸奇志，龔景松，樸英，等.燃燒油滴內部蒸發的氣泡周期性暴漲/碎裂[J].航空動力學報，2017，8：1869-1875.

[8]唐永剛.三維氣泡運動的數值模擬[J].南通航運職業技術學院學報，2011，10（3）：37-42.

[9]婁文濤，張邦琪，施哲.艾薩爐水模型內氣泡運動的模擬[J].中國有色冶金，2010，1：48-53.

[10]李帥，孫龍泉，張阿漫.水中上浮氣泡動態特性研究[J].物理學報，2014，18：291-303.