KR法攪拌罐內(nèi)自由液面及多相流混合特性數(shù)值模擬.pdf

1、國家經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展對高品質(zhì)鋼種的需求與日俱增，而鋼材中含硫量高會降低其韌性、塑性和疲勞壽命等機械性能。由于KR(Kanbara Reactor)法機械攪拌脫硫具有脫硫效率高效和脫硫成本低廉等優(yōu)勢，被普遍用于鐵水脫硫預(yù)處理工藝中。在實際生產(chǎn)中，KR法脫硫處理涉及自由液面卷吸脫硫劑及其與高溫鐵水混合等復(fù)雜過程，對鐵水罐內(nèi)流速場的探究是分析眾多復(fù)雜過程的重要基礎(chǔ)。隨著CFD(Computational Fluid Dynamics)技術(shù)飛

2、躍性的發(fā)展，數(shù)值模擬方法不僅可以克服實驗研究成本高、條件苛刻等問題，也能直觀成像和直接測量流場參數(shù)，故被普遍用于分析攪拌罐內(nèi)多相流的混合效果。
　　目前，關(guān)于KR法脫硫的數(shù)值研究多不計及自由液面對脫硫劑顆粒的卷吸作用，且將脫硫劑顆粒視為擬流體，這與實際工況下的脫硫過程有一定偏差。開展各工藝參數(shù)對攪拌罐內(nèi)液面變化、流場特性及脫硫劑擴散規(guī)律影響的數(shù)值研究，對增強固-液混合效果與改善脫硫效率具有顯著的實際價值。本文借助商用CFD軟件FL

3、UENT，一方面在水模實驗的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬方法研究計及自由液面波動的攪拌罐內(nèi)流場變化過程，并探究了主要結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)對自由液面及流速場變化的影響;另一方面采用歐拉-歐拉模型和聯(lián)合仿真條件下的歐拉-拉格朗日模型，分析脫硫劑顆粒受自由液面卷吸進入罐內(nèi)流場的運動過程和分散效果。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)建立基于相似性準則的水模實驗?zāi)Ｐ?，得到不同攪拌器轉(zhuǎn)速和浸沒深度下的自由液面漩渦深度及高度測量結(jié)果。隨后基于標準κ-ε湍流模型描

4、述流場的湍流特性，采用多重坐標系法(Multi Reference Frame，MRF)和VOF(Volume of Fluid)法建立氣液兩相流模型，通過仿真方法分析鐵水罐內(nèi)流速場和自由液面的變化。為了驗證仿真方法的準確性，將仿真得到的液面漩渦深度及漩渦高度同水模實驗結(jié)果進行對比。基于該數(shù)值模型進一步探究了攪拌器轉(zhuǎn)速、浸沒深度、葉輪直徑和葉片數(shù)目等主要參數(shù)與攪拌罐內(nèi)自由液面和流速場變化的關(guān)系。
　　(2)針對脫硫劑均勻和平鋪兩種

5、初始布料方式，開展攪拌罐內(nèi)多相流混合特性的數(shù)值研究，采用歐拉-歐拉法將脫硫劑顆粒視為擬流體，研究攪拌過程中計及液面效應(yīng)的脫硫劑、水和空氣濃度分布的變化，進一步探究了攪拌器轉(zhuǎn)速和浸沒深度與擬流體脫硫劑分布的關(guān)系。
　　(3)通過EDEM和FLUENT兩軟件的聯(lián)合使用，采用離散元法和有限體積法相耦合的建模方法，建立KR法脫硫固-液-氣三相流數(shù)值模型，其中脫硫劑固體顆粒采用離散元法建模，水和空氣采用連續(xù)流體相建模，進行計及自由液面變化的