关于铜渣缓冷过程的数值仿真研究

2021-03-23肖瑶

科学技术创新 2021年7期

肖瑶

（湖南机电职业技术学院电气工程学院，湖南长沙410000）

铜渣缓冷过程是一个涉及液固相变的复杂过程，也是一个与相变相关的典型Stefan 问题。国内对铜冶炼渣缓冷相变过程的数值模拟研究很少，但有对钢铁熔渣冷却相变过程的数值模拟研究。邢宏伟等人[1]建立了球形钢铁熔渣的物理模型，采用FLUENT 软件模拟了不同直径的熔渣冷却过程，并对熔渣和周围空气的温度场进行了分析。邱勇军等人[2]将凝固熔化模型和VOF 方法耦合，数值模拟了高温熔渣在空气流中的凝固过程。刘小英[3]采用温度法数值模拟了相变温度恒定时的凝固过程，得出了不同条件下的温度场分布和凝固时间等。

在国外，采用数值模拟的方法对相变问题有广泛的研究。其中，铸造方面，Ole Richter 等人[4]将VOF 与焓-孔隙率方法耦合，制定了用于组合模具填充和凝固过程的三相铸造过程模型。金属喷射方面，Yuan Zhou 等人[5]通过VOF 方法跟踪金属喷射的自由表面，并通过计算基于焓的能量方程模拟了凝固过程。

综上所述，采用数值模拟的方法对相变问题的研究较多，但对于铜渣的研究较少。本文将对铜渣缓冷过程进行数值仿真研究，了解渣包内部铜渣的冷却情况，为实际生产中的铜渣自然缓冷工艺优化提供借鉴与参考。

1 物理模型

图1 渣包几何结构

渣包主要由渣包外壳、铜渣等组成，高2.77m，壁厚0.13m，最大横截面直径3.45m，总体积约为12m3，外壳的材料为碳素铸钢。对渣包模型进行简化后的模型如图1 所示。

2 数学模型

2.1 边界条件

渣包表面发生对流换热和辐射换热，假设热辐射离开渣包表面传入环境后，没有反射回壁面，环境吸收率为1，选用混合换热边界。

其中hext外部传热系数，Text环境温度，qrad辐射热流，εext壁面发射率，Tw壁面温度，T∞外部温度。

2.2 计算参数

2.2.1 铜渣物性参数：密度3580 kg/m3,比热1100 J/(kg·K)，导热系数1.186 W/(m·K)，表面发射率0.8，动力粘度0.156 kg/(m·s)，凝固温度为1145℃，熔化温度为1070℃，融化潜热209 kJ/kg。

2.2.2 渣包外壳物性参数：密度7830 kg/m3，比热容464 J/(kg·K)，表面发射率0.8。

2.2.3 初值条件

根据经验，铜渣的初始温度大约为1260℃～1300℃，而环境温度为春季平均温度T1=15.9℃。

3 铜渣缓冷过程规律分析

选取铜渣在无风速条件下的冷却过程进行分析，此时无强制对流。

3.1 铜渣缓冷过程温度变化分析

T1环境温度下渣包外表面的平均温度随时间变化规律，如图2。在整个冷却过程中，渣包上表面的平均温度和温差一直在下降，前4 小时快后变慢，且上表面大于底面和侧面的平均温度；而渣包侧面和底面的平均温度和温差都是先增大后减小，且侧面略低于底面的平均温度。

图2 T1 温度下渣包外表面平均温度随时间变化规律

3.2 铜渣缓冷过程液相体积变化分析

铜渣渣包的熔渣的冷却路径趋向于从外到内的缓慢冷却，图3 是关于液态渣渣体体积与时间关系图，第一阶段4 小时，冷却速率快，其渣体体积变化率接近25%，单位时间内的液态渣体积的变化率达到0.573m3/h。第二阶段20 小时区间内，其渣体体积变化率达到42.1%，但单位时间内的液态渣体积的变化率仅为第一阶段的1/4，约为0.1450.145m3/h，这也从实际液态渣体积变化上阐明铜渣渣包的冷却过程是由快到慢的转变规律。