顶吹两相流影响熔池搅拌效果的水模型实验研究

熊靓，王华，王冲，2，王仕博，杨濮亦，刘泛函

（1昆明理工大学冶金节能减排教育部工程研究中心，云南 昆明 650093；2云南铜业股份有限公司，云南 昆明650102）

贫化电炉作为艾萨熔炼体系中的重要部分，其主要功能是完成炉渣与冰铜的澄清分离。从艾萨炉通过溜槽送入电炉的熔体是冰铜品味较高的渣、锍混合物，Fe3O4的质量分数也达到了10%以上[1]。为了减少铜的氧化损失并降低渣含铜，需要通过还原反应降低渣中Fe3O4含量，使得渣层中悬浮颗粒减少，渣层的密度、黏度等物理性质都会有所变化，从而有利于冰铜液滴的沉降，以便更好地进行后续精炼。

云南铜业集团冶炼厂在贫化电炉中插入柴油-氮气混合流浸没式顶吹喷枪，其混入氮气目的在于更好地加强搅拌效果，提高柴油还原率，降低渣含铜。过程涉及顶吹喷枪内油-气两相混合流动、气泡群在黏性液体中的扩散运动等多相流流动现象。

两相流体系不仅在自然界中普遍存在，在石油、化工、冶金、能源、环境等行业也被广泛研究和应用。两相流是相间传质或相间传热及反应过程中所涉及的最普遍的黏性流体流动，从单气泡在黏性液体中的运动方式及形态[2]以及鼓泡塔中的两相流流场的特性研究[3]，再到富氧底吹熔炼炉内气液两相流动的三维稳态模拟[4]等研究，均涉及两相流流动的相关机理与应用。国内外学者对于两相流的研究不仅仅局限于研究单气泡[5-6]、单液滴[7-9]、单纯的两相传热传质和两相流动结构[10-11]，还涉及微通道、两相测量技术以及工程应用领域，在往精细化、工业化和高难度化的方向进步[12]。从国内外研究现状来看，微通道中两相Taylor流的最新进展、微通道内沸腾传热研究、两相流模化以及两相流动结构研究[13-16]都取得了较好的进展，测量方法上包括图像分析法、光纤探针测量方法、毛细管光电法等先进技术均有涉及[17-19]。同时也有结合工业生产实际所做的工业化研究，如通过研究金属熔池往复搅拌流场中气泡运动特性数值模拟来制备有均匀气泡结构的泡沫铝[20]、研究氧气顶吹转炉中二次燃烧的复杂两相流流动现象[21]等。但顶吹喷枪内的油、气混合喷吹的两相流流动与熔池搅拌效果的相关研究还很少，本文从解决实际生产问题的角度出发，从实验方面研究了两相流气泡群对贫化电炉熔池搅拌效果的影响。

1 实验部分

1.1 实验设备与条件

为研究喷枪的插入深度对熔池渣层的搅拌影响，设计了多组气液混合顶吹实验。实际冶金过程中物相较多，且高温传热传质相对复杂，实验必须按生产实际将原贫化电炉进行简化。以30∶1的比例等比缩小贫化电炉炉体并保留6个电极部件，设计并搭建了能在实验室条件下进行的实验台，所有实验均在标准大气压、室温20℃下进行，实验台设计简图如图1所示。

图1 实验台设计简图

实验主体为简化后的小型水模型，尺寸为60cm×40cm×30cm，根据相似性简化原则水模型中使用两种液体分别代替熔池渣层和冰铜层，在1MPa、20℃测量条件下，上层液体动力黏度μ为8.5×10−3Pa·s，密度ρ为 916kg/m3，下层液体动力黏度μ为 1.01×10−3Pa·s、密度ρ为 1001kg/m3，且二者互不相溶。顶吹喷管为 Y形玻璃管，内径3.5mm，外径 5mm，通过试管架悬挂放置。使用PCO.dimax高速摄像机记录气泡群短周期变化行为，1080×1000像素下摄像速度为4502帧/s，快门时间最短 2μs，同时采用数码照相机拍摄气泡更长时间的运动状态和记录特殊现象，使用功率为1300W的新闻灯进行照明补偿，水模型后壁外侧放置白纸，以便拍摄时水模型内光源均匀，主要从前方和右侧方进行拍摄。

1.2 实验方案与设计

主体实验台立体简图如图 2(a)所示，圆柱体为等比例缩小后的电极部件，其中右边两个喷枪为双喷枪实验方案，左边3个喷枪为三喷枪实验方案之一，考虑到不同位置处喷吹效果的不同，设置多种三喷枪顶吹布置方案，如图2(b)所示。

在单喷枪实验过程中，首先观察喷枪内单纯喷气及单纯喷水状态下的实验效果。实验发现在单纯喷气时，只能产生包裹喷枪头部的大气泡或气泡柱，且水相液面波动十分剧烈，如图 3(a)所示，气流量的大小与气泡的尺寸的大小呈正比，在单纯喷水时，几乎观察不到水相中的流动情况。以此为对比，在喷枪中采用气-水两相流混合喷吹时，均能形成有一定搅拌范围的气泡群，如图3(b)所示，且气流量和水流量的比值只对气泡群的搅拌范围和气泡群中单个气泡的直径有影响。

图2 水模型及喷枪简图

图3 单喷枪顶吹效果对比图

综合前期单喷枪对比实验，采用气液两相流混合顶吹的方式进行双喷枪顶吹实验，根据实际拍摄到的录像截图和照片观察上层液体搅拌效果时，由于气泡在分界面处的传质作用，有明显边界的异相液滴悬浮在上层液体中，起到一定的示踪作用，并便于观察气液两相流气泡群的流场形态[22]。实验过程中为单纯分析两相流顶吹对熔池的搅拌作用，且电极与熔池接触面不大，将电极盖板卸下后开展实验。双喷枪实验主要是对单一变量进行对比验证，喷枪管截面积相同（同内径 3.5mm）、同气含率（0.2）、同进口流量（100m/s）、插入深度（20mm、30mm），其中一个深度改变是为了验证喷枪口出口压力对气泡群搅拌深度的影响，喷枪出口压力与插入深度成正比例关系，设计不同插入深度下的顶吹实验并进行数据处理，从而得出最佳的喷枪插入深度范围。实际生产中炉前三喷枪搅拌的经济效益最高，所以在不增加喷枪的前提下对三喷枪实验方案进行设计，考虑尽量增大横向搅拌半径，主要从布置位置和喷枪插入深度上设计三喷枪的布置方案。

2 实验结果与分析

2.1 双喷枪实验结果

双喷枪实验在水模型炉头侧拍摄高速录像及实验照片，实验结果表明，在插入深度为20mm时，喷枪口压力过低，几乎无法形成有下潜深度的气泡群。在插入深度为30mm时，能形成既有一定下潜深度又有一定横向搅拌范围的气泡群。实验高速录像截图和数码拍摄照片如图4所示。

图4 双喷枪实验结果图

由于喷枪插入深度对气液两相流气泡群的产生有直接影响，后续实验在只改变喷枪插入深度前提下，用高速摄像机记录每组数据的录像截图，上层液体总厚度 60mm，初步试验后得到喷枪插入深度有效范围为 20～50mm。在此范围基础上，深度每加深2mm记录一组数据并顺序编号，共得到16组数据截图。经处理图像后得出插入深度和两相流气泡群的搅拌深度、横向搅拌半径及平均气泡直径大小的关系曲线图，如图5所示。

由于上层液体代表熔池渣层，气液两相流气泡群下潜深度达到上-下液面分界处为实验最高值。由于界面张力作用，气泡群对下层液体的扰动仅局限于分界面处，波动不算太大。随着插入深度的加大，如图5(a)中所示，气泡群的纵向搅拌深度40mm处有一个突变值，图5(b)中的数据也有一个突降，此时实验现象为气泡群冲破分界面，直接搅动深入到下层液体中。由于下层液体代表实际生产冰铜层，搅动下层液体会使本来沉降的冰铜重新搅动回渣层中，造成渣含铜的升高。因此综合分析各曲线图数据，要获得预期的熔池搅拌效果，喷枪插入深度最佳范围为26～37mm，即熔池渣层一半左右。

图5 插入深度与气泡群参数变化关系曲线

2.2 三喷枪实验结果

根据三喷枪的设计布置方案以及双喷枪实验中得出的最佳插入深度范围，在三喷枪实验中使用内径为3.5mm的Y形玻璃管，分别按L形、R形、V形布置，含气率为20%、相同进口流量（100m/s）、插入深度范围控制在最佳范围内，直接拍摄上层液体搅动效果，以R形喷枪布置为例，拍摄照片如图6所示。

实验表明，L形、R形、V形喷枪布置在喷吹过程中均能较好地使上层液体充分搅动，且液面横向范围较大，由于实际生产连续喷吹一段时间后，会对称调整喷吹布置，所以能满足整个炉体的喷吹要求。

2.3 实际生产优化验证

图6 R形三喷枪布置顶吹实验照片

由于本实验的开展是为直接指导实际生产，在得出实验规律性结论后，为进一步验证实验研究结论的实际生产效益，在云南铜业集团冶炼厂艾萨炉区配套的贫化电炉上进行实际生产操作，生产用喷吹两相介质为柴油和氮气混合物，氮气不参与熔池渣层还原，只起到将柴油细化、加强熔池搅拌的作用，以提高熔池内柴油与Fe3O4还原反应速度。贫化电炉熔池平均温度约为1200℃，上层熔池渣层厚度为1000mm左右，平均动力黏度μ为（50～200）×10−3Pa·s、密度ρ为 3000～3700kg/m3，下层冰铜层平均动力黏度μ为 2.4×10−3Pa·s、密度为ρ为4400～4700kg/m3。根据实验规律性结论，考虑黏度、密度以及 Reynolds数等物性参数[23]，比较气泡速度、直径和这些物性因素之间的关系式为式（1）。

式中，Re为雷诺数，量纲为 1；ρ为液体密度；u为气泡平均速度；d为气泡平均直径；μ为液体动力黏度。

根据雷诺相似原理，在Re数表征的流体流动情况大致相同，两相流气泡群单气泡平均直径d和平均速度u基本相同的情况下，若要得到相同的渣层搅拌效果，ρ/μ的比值决定了喷枪口处的物性条件，而喷枪的插入深度h经等比例（1∶30）放大后的h'反应的也是喷枪口处的物性条件，实际生产中喷枪插入深度H与实验喷枪插入深度h'之比近似等于实际熔池渣层ρ渣/μ渣与实验上层液体ρ上/μ上的比值，熔池渣层按μ为 50×10−3Pa·s、密度ρ为3000kg/m3取值进行计算，综合得出实际生产喷枪插入深度为434～618mm。

根据计算出来的喷枪插入深度，由计算系统控制喷枪在熔池中的插入深度，虽然熔池高度一直不停变化，但是喷枪深度控制在434～618mm范围内，在原生产其他条件不变的情况下，使得单枪还原耗油量由80L/h下降到73L/h，单枪节油量达到8%以上，且相比实验前的数据，渣含铜的波动范围小于0.5%，对实际生产起到了预期的节能效果。

3 结 论

经过大量不同插入深度喷枪顶吹实验的模拟仿真和实验数据分析，在两相流顶吹过程中，不同深度所形成的气泡群对液体的搅拌效果有不同程度的影响，具体结论如下面所述。

（1）相比与单相气体或单相液体顶吹方式，两相流混合喷吹方式所形成的气泡群更有利于液体的搅动，且形成的气泡群具有一定下潜深度和横向搅动半径，但气泡群中单个气泡的平均直径相对于单相喷气时形成的气泡直径更小。

（2）两相流混合喷吹时，在只改变单一深度变量的情况下，考虑到喷枪插入深度对形成的气泡群下潜深度、横向搅动半径和单气泡平均直径等的影响程度，通过初步试验观察，得到最佳插入深度有效范围为20～50mm。

（3）喷枪插入深度有一个最佳的范围值，深度过小则不能形成较大搅动范围的气泡群，深度过大则会导致气泡群击穿双层液体分界面。由水模型实验得到的 16组数据以及三喷枪的布置方案的实验结果综合表明，喷枪最佳的深度范围为26～37mm。

（4）将实验规律性结论根据雷诺相似性原理运用到实际生产中，得出实际生产喷枪最佳插入深度范围为 434～618mm，在保证渣含铜含量波动小于 0.5%的情况下，实际生产单枪还原耗油量下降8%以上。

[1]张邦琪，史谊峰.艾萨炉渣和转炉渣混合贫化机理的探讨[J].中国有色冶金，2005，10（5）：24-28.

[2]Cai Ziqi，Bao Yuyun，Gao Zhengming.Hydrodynamic behavior of a single bubble rising in viscous liquids[J].Chinese Journal of Chemical Engineering，2010，18（6）：923-930.

[3]翟甜，郝惠娣，高利博，等.鼓泡塔气液两相流内部流场的流体力学特性[J].化工进展，2013，32（10）：2319-2323.

[4]张振扬，陈卓富，闫红杰，等.富氧底吹熔炼炉内气液两相流动的数值模拟[J].中国有色金属学报，2012，22（6）：1826-1834.

[5]Huang Wei，Chen Weizhong.Comparison between the single-bubble sonoluminescences in sulfuric acid and in water[J].Science in China Series G：Physics，Mechanics & Astronomy，2009，52（2）：184-188.

[6]Gao Xiqun，Ma Youguang.Towards the mechanism of mass transfer of a single bubble[J].Chinese Journal of Chemical Engineering，2006，14（2）：158-163.

[7]Gao YuLai，Zou Changdong.Fast calorimetric scanning of micro-sized SnAgCu single droplet at a high cooling rate[J].Science in China Series E：Technological Sciences，2009，52（6）：1707-1711.

[8]Li Xiaojin，Mao Zaisha，Fei Weiyang.Unsteady motion of a single droplet in surfaetant solutions[J].Chinese Journal of Chemical Engineering，2003，11（6）：715-725.

[9]Zu Y Q，Yan Y Y，Li J Q，et al.Wetting behaviours of a single droplet on biomimetic micro structured surfaces[J].Journal of Bionic Engineering，2010，7（2）：191-198.

[10]Zhao Bin，Wang Tiefeng，Wang Jinfu.A mass transfer model based on individual bubbles and an unsteady state film mechanism[J].Chinese Journal of Chemical Engineering，2004，12（2）：163-168.

[11]Qi Shouliang，Li Qingling，Wang Ruzhu.Convective heat transfer characteristics of the elliptic cylinder with axis ratio in cross flow[J].Journal of Shanghai Jiaotong University：Science，2005，10（2）：160-163.

[12]纪军，刘涛，林宗虎，等.两相流研究的国际动向[J].国际学术动态，2005（6）：25-26..

[13]王昆，王嘉骏，顾雪萍，等.微通道内 Taylor流的计算流体力学数值模拟研究进展[J].化工进展，2010，29（10）：1806-1810.

[14]Pettersen J.Flow vaporization of CO2in microchannel tubes[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2004，28 （2-3）：111-121.

[15]YU W，France D M，Wambsganss M W，et al.Two-phase pressure drop，boiling heat transfer，and critical heat flux to water in a small-diameter horizontal tube[J].International Journal of Multiphase Flow，2002，28（6）：927-941.

[16]Ohta H，Kawasaki K，Okada S，et al.On the heat transfer mechanisms in microgravity nucleate boiling[J].Advances in Space Research，1999，24（10）：1325-1330.

[17]程文，宋策，刘文洪，等.气液两相流中气泡速度的图像处理[J].工程热物理学报，2009，30（1）：83-86.

[18]孙波，孙立成，幸奠川，等.竖直大圆管内两相流界面分布机理[J].化工学报，2012，63（12）：3812-3817.

[19]高敦岳，江虹，於兵，等.两相流中气泡和液滴的直径及其分布的自动测量[J].化工学报，1990，41（1）：111-117.

[20]刘红，解茂昭，于静，等.金属熔池往复搅拌流场中气泡运动特性数值模拟研究[J].大连理工大学学报，2011，51（3）：331-337.

[21]张捷宇，贺友多，Sahai Y.氧气顶吹转炉中的两相流流动[J].燃烧科学与技术，2000，6（2）：115-119.

[22]杨濮亦，王冲，王仕博，等.顶吹气泡在两相间运动的形变过程对熔池搅拌效果影响的实验研究[J].化工进展，2014，33（3）：1-7.

[23]左娟莉，田文喜，秋穗正，等.液态金属内单个气泡上升行为的MPS法数值模拟[J].原子能科学技术，2011，45（12）：1449-1455.